ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Регулювання кутової швидкості двигуна постійного струму з незалежним збудженням

Кутова швидкість ДПС з незалежним збудженням визначається виразом

т = . (15.4)

k-Ф

звідки випливає, що швидкість двигуна постійного струму з незалежним збу­дженням можна регулювати наступними трьома способами:

1) зміною струму збудження І (магнітного потоку Ф) двигуна;

2) зміною опору кола якоря R за допомогою резисторів (реостатне регу­лювання швидкості);

3) зміною напруги U, що підводять до якоря двигуна.

15.2.1. Регулювання швидкості зміною струму збудження (або магніт­ного потоку Ф, що визначається струмом збудження) є одним з найбільш прос­тих і економічних способів, тому що потужність, споживана обмоткою збу­дження двигуна, становить близько 2^2,5 % потужності двигуна.

Струм збудження регулюють за допомогою резистора (рис. 15.1) у випадку двигунів малої потужності, або за допомогою регулятора напруги РН (рис. 15.2). Регулювання швидкості в цьому випадку здійснюється уверх від ос­новної, причому припустимий момент двигуна змінюється за законом гіпербо­ли, а припустима потужність залишається незмінною. Оскільки припустиме на­вантаження визначається струмом, який дорівнює номінальному, то потуж­ність, що розвивається двигуном, є постійною (Р = Рном = const). Електромеха­нічним характеристикам ю = /(!) при зміні струму збудження відповідають різні значення кутової швидкості ідеального холостого ходу, обумовлені формулою

Рис. 15.2 - Регулювання потоку збу­дження регулятором напруги

На рис. 15.3 показані електромеханічні характеристики двигуна при регу­люванні швидкості потоком збудження. Кутова швидкість ідеального холостого ходу со0 відповідає природній характеристиці, коли потік Ф = Фном. Значення

кутових швидкостей ідеального холостого ходу при ослабленому потоці і лежать вище со0. Всі характеристики перетинають вісь абсцис в одній точці.

Це є наслідком того, що при о = 0 рівняння для будь-якої електромеханічної характеристики має вигляд:

. . (15.6)

звідки струм у якорі двигуна визначиться в такий спосіб:

1 - — -1„. (15.7)

Кя

Таким чином, при різних струмах збудження і при кутовій швидкості двигуна, яка дорівнює нулю, струм у якірному колі дорівнює струму короткого замикання двигуна. Цим значенням струму і визначається загальна точка пере­тинання електромеханічних характеристик.

Механічні характеристики, показані на рис. 15.4, мають ті ж значення ку­тових швидкостей ідеального холостого ходу, що й електромеханічні характе­ристики. Однак ці характеристики не перетинаються в одній точці на осі абс­цис, тому що в міру зменшення потоку зменшується і момент короткого зами­кання, що визначається за формулою

Мкз = Ыкз'Ф. (15.8)

Даний спосіб регулювання є економічним при постійній потужності. По­вному використанню двигуна відповідають точки, що належать лінії номіналь­ного струму Іс = Іном. Цьому відповідають точки, що лежать на гіперболічній кривій моменту опору Мст, як це показано пунктиром на рис 15.4. При цьому втрати потужності в колі якоря при роботі на регулювальних характеристиках будуть такими ж, як і на природній характеристиці, а втрати на збудження - меншими. При роботі на кутових швидкостях, що відповідають точкам, які ле­жать лівіше зазначеної кривої моменту Мст, двигун буде недовантажений. Робо­та на швидкостях, що правіше цієї кривої, приведе до перевантаження двигуна.

Звичайно регульовані двигуни мають діапазон регулювання від 2:1 до 5:1, а в ряді випадків до (8-10): 1. Діапазон регулювання обмежується різними фак - торами. Головним з них є погіршення умов комутації із зростанням кутової швидкості, оскільки реактивна ЕРС, що викликає іскріння на колекторі, пропо­рційна струму і кутовій швидкості, тобто Ер= с-/-ю. Крім того, при великих ку­тових швидкостях потрібно підвищувати механічну міцність якоря. Нижня ме­жа кутової швидкості обмежується ступенем насичення машини і нагріванням обмотки збудження, тобто номінальною кутовою швидкістю.

Плавність регулювання в межах заданого діапазону може бути отримана досить значною і визначається кількістю ступенів регулювального реостата або ж числом ступенів спеціальних пристроїв, що регулюють напругу, яку підво­дять до обмотки збудження.

На практиці часто використовують імпульсне параметричне регулювання струму збудження, при якому можна одержати плавне регулювання кутової швидкості в діапазоні (2-3): 1 і більше (див. розділ 15.3).

15.2.2. Реостатне регулювання кутової швидкості двигуна постійного струму з незалежним збудженням здійснюється шляхом зміни опору кола якоря і не вимагає особливих пояснень. У темі 10 розглядалися реостатні механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження. Подібний вигляд мають характеристики і при регулюванні кутової швидкості за допомо­гою реостатів у колі якоря. На відміну від пускового реостата регулювальний реостат повинен бути розрахований відповідно до режиму роботи привода, оскільки він є включеним не тільки короткочасно під час пуску, але й під час роботи двигуна з заданою кутовою швидкістю.

При цьому способі регулювання змінюється жорсткість характеристики, а з нею і стабільність кутової швидкості, кутова швидкість регулюється униз від осно­вної, причому повне використання двигуна за струмом досягається при регулюван­ні з постійним номінальним моментом, якщо двигун має незалежну вентиляцію.

Дійсно, якщо вважати, що для будь-якої кутової швидкості припустимим є номінальний струм, тобто /прип = /я. ном, а потік двигуна залишається номіналь­ним, то припустимий момент двигуна дорівнює номінальному Мприп = k Фно(м /я. гом = Мном; у міру зниження кутової швидкості припустима потужність двигу­на зменшується, тому що Рприп = Мном •ю. Якщо допустити перепад кутової швидкості у 25 % при зміні моменту навантаження на ± 25 % номінального, то діапазон регулювання складе приблизно 2:1.

В більшості випадків реостатне регулювання кутової швидкості здійсню­ється за допомогою контакторів, що замикають окремі ступені резисторів, тоб­то швидкість привода змінюється дискретно, тому даний спосіб при контактор­ному керуванні не забезпечує плавного регулювання.

Іншим способом досягнення плавного регулювання при введенні резис­торів у коло якоря є використання (при невеликій потужності двигуна) імпуль­сного параметричного регулювання кутової швидкості.

Схему включення двигуна постійного струму незалежного збудження при імпульсному регулюванні додаткового опору в колі якоря наведено на рис. 15.5. Додатковий резистор R^, що включається до кола якоря, або повністю вво­диться до схеми, або замикається накоротко ключем К. Комутація ключа К

здійснюється періодично. При замкнутому накоротко Ядод струм у колі якоря і кутова швидкість двигуна зростають, а при введенні Ядод до кола, коли ключ К розімкнутий, струм і кутова швидкість знижуються. Коливання струму і кутової швидкості відбуваються біля деякого середнього значення. Середнє значення струму визначається моментом навантаження на валу двигуна, а середнє зна­чення кутової швидкості залежить від співвідношення тривалостей замкнутого ti і розімкнутого t2 станів ключа К і від моменту навантаження. Амплітуди ко­ливань струму і кутової швидкості залежать при даних параметрах привода від частоти комутації ключа К, яка повинна бути досить високою. Співвідношення тривалостей t1 замкнутого й t2 розімкнутого станів ключа К прийнято виражати у вигляді відносної величини

<м>

+

О

ОЗМ

Рис. 15.5 - Схема включення двигуна постійного струму з незалежним збудженням при імпульсному регулюванні швидкості

U

Є —

t1 + 12

яка називається скважністю керуючих імпульсів. Очевидно, що із збільшен­ням є при незмінному навантаженні на валу двигуна кутова швидкість його бу­де зростати, а при є = 1 двигун буде працювати на природній характеристиці (ключ К постійно замкнутий). При є = 0 двигун буде працювати на реостатній характеристиці, що відповідає постійно включеному резистору R^ (ключ К ро­зімкнутий). При інших значеннях є еквівалентний (усереднений) додатковий опір у колі якоря визначається співвідношенням

^од. е ^од(1 - є).

Механічні характеристики двигуна, показані на рис. 15.6, визначаються формулою (для середніх значень кутової швидкості і моменту)

о —-------------- р R + Rdod (1 — є) j,

сер кФ кФ я

тобто характеристики мають той же вигляд і ті ж властивості, що й при чисто реостатному регулюванні кутової швидкості.

Рис. 15.6 - Характеристики двигуна ОЗМ

постійного струму при імпульсному Рис. 15.7 - Схема тиристорного регулюванні швидкості ключа

Для реалізації імпульсного способу регулювання опору застосовуються без­контактні ключі, виконані на базі транзисторів (при струмах до 15 - 20 А) або ти­ристорів (при струмах до 100 - 150 А). На рис. 15.7 показано схему тиристорного ключа. Роль ключа виконує тиристор VS1, шунтуючи резистор Ядод при подачі на нього керуючого імпульсу. Вимикається тиристор VS1 за допомогою допоміжного тиристора VS2, який підключає до тиристора VS1 комутуючий конденсатор Ск, по­передньо заряджений через тиристор VS4 і резистор Яп від малопотужного джерела ип. Вимикання тиристора VS2 відбувається по закінченні перезаряду конденсатора Ск від напруги кола якоря (падіння напруги на Л*дод при включеному тиристорі VS1). При черговому включенні тиристора VS1 зворотний коливальний перезаряд конденсатора Ск здійснюється через VS1, діод VD3 і реактор LK.

При регулюванні кутової швидкості введенням резисторів у коло якоря дви­гуна постійного струму втрати потужності в цьому колі пропорційні споживаній потужності і перепаду кутової швидкості, вираженому у відносних одиницях.

15.2.3. Регулювання швидкості зміною напруги на якорі двигуна. Ре­гулювання кутової швидкості здійснюється униз від основної. Із зниженням ку­тової швидкості припустимий момент залишається постійним, тому що припус­тимий струм якоря дорівнює номінальному, а потік при незалежному збудженні залишається незмінним (номінальним).

Для різних значень напруги кутова швидкість двигуна дорівнює:

їхнє відношення

U - I-R

U 2 - I-Кя

Звідси випливає, що при зміні напруги регулювальні характеристики роз­ташовуються паралельно одна до одної, тобто мають однакову жорсткість (як

показано на рис. 15.8), що визначає відносно високу стабільність кутової швид­кості. Діапазон регулювання

” ' " (15.13)

де ином і Umin - номінальна й мінімальна напруги.

З (15.12) випливає, що відносний перепад кутової швидкості зростає із зниженням напруги. Це обмежує діапазон регулювання значенням D = (8-10) : 1 у системах привода без зворотних зв'язків (у замкнутих системах діапазон регу­лювання істотно більший і може досягати значень 1000:1 і більше).

Плавність регулювання визнача­ється плавністю зміни напруги живлен­ня і звичайно характеризується значен­ням коефіцієнта плавності </9пл.

ККД двигуна в цьому випадку дорівнює відношенню фактичної куто­вої швидкості двигуна до кутової швидкості ідеального холостого ходу на заданій характеристиці. Втрати по­тужності в якірному колі при постійно­му моменті навантаження залишаються незмінними при регулюванні кутової швидкості і дорівнюють втратам при роботі на природній характеристиці.

Але оскільки корисна потужність в міру зниження кутової швидкості зменшу­ється, то і ККД двигуна падає. Внаслідок малих втрат потужності в колі якоря цей спосіб регулювання швидкості є економічним.

Оскільки напруга живильної мережі підтримується постійною, зазначений спосіб регулювання можливий при використанні відповідного перетворювача з ре­гульованою напругою постійного струму на його виході, наприклад, у системі керо­ваний випрямляч - двигун. На практиці застосовуються й інші системи зміни напру­ги на якорі двигуна постійного струму, серед яких відзначимо керовані тиристорні випрямлячі й імпульсні регулятори напруги (широтно-імпульсні перетворювачі).