Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 37 из 42)

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеют место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Объясняется это тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность

, (2.81)

где с₄ – постоянная.

При мягкой характеристике двигателя с последовательным возбуждением частота вращения n обратно пропорциональна

,вследствие чего

, (2.81а)

где c'₄– постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂, а следовательно, мощность Р₁ и ток I_а у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки; например, при заданной кратности перегрузки по моменту М/М_ном= k_Mток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в k_Mраз, а в двигателе с последовательным возбуждением–только в

раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока I_п/I_ном = k_iпусковой момент его М_п = k²_iМ_ном,в то время как у двигателя с параллельным возбуждением М_п= k_iМ_ном.

На рис. 2.63, б приведены рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением. Характеристики n = f(P₂) и M = f(Р₂), как следует из рассмотренных ранее положений, являются нелинейными; характеристики P₁ = f(P₂), I_а = f(P₂) и η = f(Р₂) имеют примерно такую же форму, как и у двигателя с параллельным возбуждением.

Рис. 2.64 – Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики

Двигатель со смешанным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.64, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.64, б, кривые 3 и 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения м. д. с. параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристику двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой м. д. с. параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со. смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения холостого хода n₀имеет конечное значение.

2.11 Пуск в ход электродвигателей постоянного тока

Для пуска двигателей постоянного тока могут быть применены три способа:

1) прямой пуск, при котором обмотка якоря подключена непосредственно к сети;

2) реостатный пуск с помощью пускового реостата, включаемого в цепь якоря для ограничения тока при пуске;

3) пуск путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения I_ном∑r во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5–10% от U_ном, поэтому при прямом пуске ток якоря I_п = U_ном/∑r = (10 ÷ 20) I_ном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. По этой причине прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ∑r относительно велико, и лишь в отдельных случаях–для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей I_п = (4 ÷ 6) I_ном.

Переходный процесс изменения частоты вращения n и тока якоря i_aв процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Т_м. Для установления характера изменения n и i_aпри пуске двигателя с параллельным возбуждением будем исходить из уравнений:

; (2.82а)

, (2.82б)

где J– момент инерции вращающихся масс электродвигателя и сочлененного с ним производственного механизма; М_н–тормозной момент, создаваемый нагрузкой.

Из (2.82б) определяем ток якоря

. (2.83)

Подставляя его значение в (2.82а), получаем

(2.84а)

, (2.84б)

или

Uгде

– частота вращения при идеальном холостом ходе;

уменьшение частоты вращения при переходе

от холостого хода к нагрузке; n_н = n₀– Δn_н–установившаяся частота вращения при нагрузке двигателя;

– электромеханическая постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса.

При этом I_н = М_н/(с_мФ) – установившийся ток якоря после окончания процесса пуска, определяемый нагрузочным моментом М_н.

Решая уравнение (2.84б), получаем

. (2.85а)

Постоянную интегрирования А находим из начальных условий: при t = 0; n = 0 и А = –n_н. В результате имеем

. (2.85б)

Рис. 2.65 – Переходный процесс изменения частоты вращения и тока якоря при прямом пуске двигателя постоянного тока

Зависимость тока якоря от времени при пуске двигателя определяется из (2.83). Подставляя в него значение

, (2.85в)

полученное из (2.846) и (2.856), и заменяя n_н = n₀ – Δn, имеем

. (2.86а)

Учитывая значение Δn_н, n₀, Т_ми М_н/с_мФ, получим

, (2.86б)

где I_нач = U/∑r – начальный пусковой ток.

На рис. 2.65 приведены зависимости изменения тока якоря и частоты вращения (в относительных единицах) при прямом пуске двигателя с параллельным возбуждением. Время переходного процесса при пуске принимается равным (3–4) Т_м. За это время частота вращения n достигает (0,95 – 0,98) от установившегося значения n_н, а ток якоря I_атакже приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее распространение. В начальный момент пуска при n = 0 ток I_п = U/(∑r + r_п). Максимальное сопротивление пускового реостата r_п подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощностей ток якоря при пуске I_п = (1,4 ÷ 1,8) I_ном, а для машин малой мощности I_п = (2 ÷ 2,5) I_ном. Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 2.66, а), соответствующей максимальному значению сопротивления r_ппускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент М_п.макс.

Рис. 2.66 – Изменение частоты вращения и момента при реостатном пуске двигателей с параллельным и последовательным возбуждением

Регулировочный реостат r_р._в в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения I_в и поток Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения растет э. д. с. Е и уменьшается ток якоря I_a=(U– E)/(∑r+r_п). При достижении некоторого значения М_п.мин часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до М_п.макс. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до достижения M_п.мин. Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6,5,4,3 и 2 (см. жирные линии на рис. 2.66, а) до выхода на естественную характеристику 1. Средний вращающий момент при пуске М_п.ср = 0,5 (М_п.макс +М_п.мин) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же образом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис. 2.66, б). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности M_п.макс – М_п.мин).