Что такое электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока

Исследование характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения (стр. 1 из 2)

Исследование статических и динамических характеристик в одномассовой электромеханической системе с двигателем постоянного тока независимого возбуждения

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения подключен по схеме, приведенной на рис. 1.

Вышеприведенная система математически описывается системой дифференциальных уравнений:

где U_я, U_в, – напряжение на обмотке якоря и возбуждения (ОВД),

i_я, i_в , – ток якоря и обмотки возбуждения,

R _{я S}, R_в – сопротивление якоря и обмотки возбуждения,

L _я, L_в – индуктивность якоря и обмотки возбуждения,

Ф – магнитный поток обмотки возбуждения,

K – конструктивный коэффициент,

М – электромагнитный момент двигателя,

М_с — момент статического сопротивления двигателя,

J_S — момент инерции двигателя,

По приведенным уравнениям составим математическую модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения ( рис. 2).

Исходные данные для двигателя П 61 мощности P_Н = 11 кВт:

номинальное напряжение питания U_н =220 В,

номинальная скорость вращения n = 1500 об/мин,

номинальный ток в цепи якоря I_{я. н.} = 59,5 А,

сопротивление цепи якоря R_ЯS = 0,187 Ом,

сопротивление обмотки возбуждения R_В = 133 Ом,

число активных проводников якоря N = 496,

число параллельных ветвей якоря 2a = 2,

число витков полюса обмотки возбуждения w_в =1800,

полезный магнитный поток одного полюса Ф = 8,2 мВб,

номинальный ток возбуждения обмотки возбуждения

максимальная допускаемая частота вращения 2250 об/мин,

момент инерции якоря J₁= 0,56 кг×м 2 ,

двигатель двухполюсный 2P_n=2,

масса двигателя Q = 131 кг.

Произведем необходимые расчеты.

1. Угловая скорость

2. Конструктивный коэффициент двигателя

3. Постоянная времени цепи возбуждения

4. Постоянная времени цепи якоря

Все полученные данные подставляем в структурную схему (рис. 2) и проведем ее моделирование с помощью программного пакета Matlab. Величины U_я= U_в= U_с подаются на входы схемы ступенчатым воздействием. На выходе снимаем значение скорости вращения двигателя w₁. Динамическая характеристика двигателя (график изменения скорости w₁(t) при номинальных параметрах и М_с=0) изображена на рис. 3. График показывает выход скорости на установившееся значение при включении двигателя.

График изменения скорости КФ(t) приведен на рис. 4.

Рис. 3 – Переходная характеристика для одномассовой

системы в режиме холостого хода.

Рис. 4 – Процесс изменения КФ(t).

Из графика находим:

Как мы видим, расчетное значение значительно отличается от значения, полученного экспериментально при моделировании системы. Это объясняется тем, что расчеты мы выполняли по эмпирическим формулам и не учли все параметры модели. Однако для нас наиболее важно получить качественные характеристики, а не количественные. А это наша модель позволяет сделать.

Статическая характеристика двигателя – это изменение установившейся скорости вращения двигателя w₁ при изменении тока якоря I_я (электромеханическая характеристика) или нагрузки М_с (механическая характеристика). Для получения электромеханической характеристики последовательно изменяют I_c=0, I_н А и снимают установившееся значение скорости w₁. По полученным значениям строят график.

Таким образом получают естественную электромеханическую характеристику. Искусственные электромеханические характеристики получают при изменении U_c, R_я и Ф. Зависимость w₁ от этих величин описывается формулой:

Из графика находим:

Естественная электромеханическая характеристика приведена на рис. 6.

Для получения механической характеристики последовательно изменяют М_с=0, М_н Н×м и снимают установившееся значение скорости w₁. По полученным значениям строят график. Таким образом получают естественную механическую характеристику. Искусственные механические характеристики получают при изменении U_c, R_я и Ф.

Зависимость w₁ от этих величин описывается формулой:

Итак, значение w₁ при М_с=0, нами уже получено ранее (см. рис. 3). Теперь мы изменяем значение М_с, которое становится равным М_н=КФI_н.

Получаем переходный процесс (см. рис. 7).

Из графика находим:

Естественная механическая характеристика приведена на рис. 8.

Перейдем к построению искусственных характеристик.

1. Искусственные электромеханические характеристики при изменении U_я.

Что такое электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока

Как уже говорилось ранее в моей предыдущей статье, двигатели постоянного тока применяются в различных промышленных, транспортных системах, в которых необходимо осуществлять плавное регулирование скорости вращения или выдерживать постоянство момента (прокатные станы, лифты, металлорежущие станки).

Рисунок 1 — Схема ДПТ НВ

Частота вращения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением описывается формулой ниже. Это выражение является электромеханической характеристикой ДПТ:

Если подставить формулу момента в выражение частоты вращения, то мы получим электромеханическую характеристику, выраженную через момент:

Данное уравнение механической характеристики определяет зависимость скорости вращения двигателя к моменту на его валу. Если рассматривать момент в статике, то он будет равен моменту сопротивления М_с. Соответственно, уравнение определяет зависимость скорости вращения двигателя от момента сопротивления М_с.

При прямом пуске двигателя, пусковой ток значительно больше номинального I_п>>I_н, поэтому якорная обмотка начинает сильно греться и может выйти из строя. Кроме того, большие пусковые токи крайне негативно влияют на щеточно-коллекторный узел. Поэтому, начальный ток обычно ограничивают введением добавочного сопротивления в якорную цепь двигателя. Величина максимального превышения пускового тока от номинального может достигать от 2 до 5 раз I_п=(2-5)*I_н, в зависимости от конструкции и типа ДПТ.

Рисунок 2 – Реостатный пуск ДПТ

Как Вы могли заметить, пуск происходит в несколько ступеней – это необходимо для более плавного разгона. Наклон механической характеристики зависит от величины добавочного сопротивления, и чем оно больше, тем наклон круче. То есть характеристика становится более жесткой.

Рисунок 3 – Зависимость наклона мех. характеристики ДПТ от добавочного сопротивления

Так же регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться понижением питающего напряжения:

Рисунок 4 – Зависимость частоты вращения ДПТ от питающего напряжения

Отличительная особенностью двигателей постоянного тока от АД — это возможность регулирования скорости вверх от основной, изменением магнитного потока. Однако экономически выгодно регулировать частоту вращения тогда, когда ток якоря является номинальным. Значения моментов будут различными для разных величин магнитного потока Ф. Такие точки значений номинальных моментов будут располагаться на пунктирной гиперболической кривой (рисунок 6).

Рисунок 5 – Регулирование скорости вращения ДПТ НВ изменением магнитного потока

Рисунок 6 – Изменение магнитного потока с сохранением оптимальных номинальных параметров

Электромеханические характеристики на валу тягового электродвигателя постоянного тока

Электрические машины постоянного тока могут иметь различные способы возбуждения: последовательное, параллельное, смешанное или независимое (рис. 2.1). В зависимости от способа возбуждения машины обладают разными электромеханическими характеристиками. Интернет магазин Алекс экспресс с бесплатной доставкой.

Рис. 4.1. Схемы электродвигателей с различным включением обмоток возбуждения:

а — последовательным; б — параллельным; виг — смешанным соответственно с согласным и встречным включением параллельной и последовательной обмоток возбуждения; д — независимым

Электромеханическими характеристиками на валу тягового электродвигателя называют зависимость частоты вращения якоря, вращающего момента и коэффициента полезного действия от потребляемого тока при неизменном напряжении и постоянной температуре обмоток 115 °С (по ГОСТ 2582—81*).

Характеристики тяговых электродвигателей электроподвижного состава переменного тока и тепловозов приводят при изменяющемся напряжении в соответствии с внешней характеристикой преобразователя или тягового генератора.

Электромеханические характеристики получают при стендовых испытаниях тяговых электродвигателей на заводе изготовителе и приводят в виде графиков или таблиц. Усредненные характеристики по испытаниям первых 10 двигателей называют типовыми характеристиками.

Рис. 4.2. Схема включения тягового электродвигателя

Чтобы определить зависимость частоты вращения якоря от тока, рассмотрим электрическую цепь тягового электродвигателя. При установившемся режиме работы подведенное к нему напряжение (рис. 2.2) уравновешивается электродвижущей силой (ЭДС), наводимой в обмотке якоря, и падением напряжения в обмотках:

где Uд — напряжение на тяговом электродвигателе, В; E — электродвижущая сила, В; Iд — ток тягового электродвигателя, А; r — сопротивление обмоток тягового электродвигателя, Ом.

ЭДС тягового электродвигателя наводится за счет перемещения проводников обмотки якоря в магнитном поле. Она пропорциональна магнитному потоку и частоте вращения якоря, а также зависит от конструктивных особенностей тягового электродвигателя:

Где p — число пар полюсов; п — частота вращения якоря, об/мин; N — число активных проводников обмотки якоря; Ф — магнитный поток главного полюса, Вб; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Величину называют конструктивной постоянной тягового электродвигателя. Тогда ЭДС, можно определить так:

Подставив значение Е в уравнение (4.1), получим:

(4.4)

Таким образом, частота вращения тягового электродвигателя при постоянных значениях подведенного напряжения Uд, сопротивления обмоток r и конструктивной постоянной С1 зависит от тока Iд и магнитного потока Ф. Магнитный поток тягового электродвигателя, не имеющего компенсационной обмотки, зависит от тока возбуждения Iв, тока якоря IЯ, конструкции двигателя и материалов магнитопровода.

Зависимость магнитного потока от тока возбуждения называют магнитной характеристикой тягового электродвигателя. На практике вместо магнитного потока используют пропорциональные ему величины С1Ф или Е/п в зависимости от тока возбуждения /в.

Если тяговый электродвигатель не имеет компенсационной обмотки, то ток якоря под действием реакции якоря вызывает снижение магнитного потока. Поэтому зависимость С1Ф от тока возбуждения Iв при разных токах якоря Iя представляет собой семейство кривых (рис. 4.3). При большем токе якоря Iя кривые С1Ф(IВ) располагаются ниже. Эти кривые называют магнитными характеристиками при нагрузке, или нагрузочными характеристиками. В зоне малых токов Iв кривые прямолинейны и магнитный поток возрастает пропорционально току. Затем из-за насыщения магнитной системы темп роста магнитного потока замедляется.

На рис. 4.3 показана штриховая линия С1Ф(IВ) при последовательном возбуждении машины, когда Iв = Iя. В тяговом электродвигателе компенсационная обмотка почти полностью компенсирует реакцию якоря, магнитный поток практически не зависит от тока якоря и определяется только током возбуждения. Его магнитная характеристика при полной компенсации потока якоря представляет одну кривую при токе Iя = 0.

Электростанции

• Главная
• карта сайта
• статьи

Навигация

• Меню сайта
  • Организация эксплуатации
  • Электрические схемы
  • Турбогенераторы
  • Трансформаторы и автотрансформаторы
  • Распределительные устройства
  • Электродвигатели
  • Автоматика
  • Тепловая изоляция
  • Регулирование энергоблоков
  • Тяговые подстанции
  • Выпрямители и зарядные устройства
  • Проектирование электрических сетей и систем
  • Электрооборудование электротермических установок

Меню раздела

Характеристики двигателя постоянного тока

Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения показаны на рис. 2.17. Здесь кривая 1 — естественная характеристика, а кривые 2 и 3 соответствуют наличию дополнительных резисторов в якорной цепи.
Характеристики двигателей постоянного тока последовательного возбуждения имеют благоприятные свойства для подъемно-транспортных устройств, заключающиеся в естественном снижении скорости с ростом нагрузки на валу. Двигатели работают по закону, близкому к закону постоянства мощности при изменении нагрузки на валу Р= =Afco=const. Например, включение в якорь добавочного резистора, при котором двигатель работает на характеристике 3, позволяет опускание больших грузов, создающих на валу двигателя момент сопротивления Мс,оп, проводить.
С малой скоростью «он, а подъем пустого загрузочного ковша или пустого крюка можно вести на естественной характеристике с высокой скоростью и при моменте на валу двигателя МС|П.
Скорость двигателей постоянного тока ограничена механической прочностью коллектора и бандажей, крепящих обмотки. Практически допустимая скорость выпускаемых двигателей последовательного возбуждения составляет ш^4(0ном- При идеальном холостом ходе двигателя согласно. Однако реальная скорость холостого хода ограничена вследствие наличия потока остаточного магнетизма значением.
Двигатели последовательного возбуждения не могут иметь режима рекуперативного торможения, так как всегда выполняется условие и характеристики не могут пересечь ось ординат, поскольку с ростом скорости уменьшается ток, а следовательно, и поток возбуждения.
Реверс двигателя осуществляется изменением тока в цепи якоря по схеме рис. 2.18,а, согласно которой обмотка возбуждения выносится за реверсивный мост, составленный из контактов Кв и /С. Графики рис. 2.18,6 соответствуют следующей последовательности работы схемы рис. 2.18,а. В точке сос, Мс двигатель работает на естественной характеристике В (вперед) при замкнутых контактах /Св и Ка- При размыкании контактов in и Кп и замыкании контактов Кн двигатель при скорости © 2011 Разработано специально для сайта Электростанции, все права защищены.