Электрическая схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения - Авто журнал "Гараж"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрическая схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Схема включения и статические характеристики двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением

Особенностью двигателей постоянного тока является то, что ток якоря (ток нагрузки) одновременно является и током возбуждения. Известно, что магнитный поток зависит от тока возбуждения по нелинейному закону .

Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Зависимость магнитного потока от тока возбуждения в двигателе постоянного тока с последовательным возбуждением.

Чтобы определить зависимость между скоростью вращения и током якоря аппроксимируем нелинейную зависимость в линейную.

Подставим формулу электромеханической характеристики в уравнение.

Прежде чем построить электромеханическую и механическую характеристики этого двигателя, проведем анализ формул электромеханической и механической характеристик. При токе якоря, стремящемся к нулю и моменту двигателя, стремящемся к нулю, угловая скорость ω стремится к бесконечности. Отсюда ось скорости будет являться асимптотой и электромеханической и механической характеристик двигателя.

Рассмотрим второй случай: Ток якоря Iа стремится к бесконечности, момент стремится к бесконечности, следовательно:

Линия ωа будет представлять собой вторую асимптоту и электромеханической и механической характеристик.

Электромеханическая и механическая характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Ток короткого замыкания и момент короткого замыкания превышают номинальные значения примерно в 10 раз, поэтому работа в этой точке приведет к разрушению двигателя.

Особенностью характеристик двигателя с последовательным возбуждением состоит в том, что при токе якоря, близком к нулю, и моменте, близком к нулю, скорость двигателя стремиться к бесконечности, начинается разнос двигателя. А так как характеристики не пересекают ось скорости, у двигателя постоянного тока отсутствует точка холостого хода.

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения можно применять только для тех электроприводов, у которых отсутствует режим холостого хода, то есть их нельзя приводить в действие при отсутствии нагрузки на валу.

Если рассмотреть энергетические режимы работы электродвигателей, то у двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением отсутствует режим рекуперативного возбуждения, то есть режим работы генератора параллельно с сетью. Это связано с тем, что ЭДС двигателя меньше напряжения сети, из чего следует, что характеристика не может перейти во второй квадрант.

Как видно из характеристики, режим короткого замыкания возможен теоретически, но недопустим практически, так как ток короткого замыкания и момент короткого замыкания настолько велики, что приводят к разрушению электрической машины.

Моделирование и исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения с последовательной стабилизирующей обмоткой

Лабораторная работа «Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения с последовательной стабилизирующей обмоткой возбуждения».

Лабораторная работа создана для студентов, изучающих дисциплины «Электрические машины», «Переходные процессы в электрических машинах». Модель реализована в MATLAB&Simulink на основе дифференциальных уравнений машины постоянного тока. Модель двигателя постоянного тока в отличие от стандартных встроенных моделей реализована с учётом нелинейности кривой намагничивания и нелинейной реакции якоря. Студент имеет возможность регулировать напряжение, нагрузку и сопротивления в цепях якоря и возбуждения.

Целью работы является изучение рабочих свойств и переходных процессов электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения с последовательной стабилизирующей обмоткой возбуждения в цепи обмотки якоря.

Описание интерфейса

Интерфейс лабораторной работы представлен на рисунке 1. В лабораторной работе предусмотрены регуляторы напряжения и момента сопротивления, показатели токов, напряжения, момента сопротивления и частоты вращения ротора, а также регуляторы сопротивлений в цепях возбуждения (Rв) и якоря (Rпр).

Рисунок 1. Интерфейс лабораторной работы.

Принципиальная схема стенда для исследования ДПТ параллельного возбуждения показана на рис. 2.

Рисунок 2. Электрическая схема стенда для исследования характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Электродвигатель имеет цепь якоря, в которой последовательно включены обмотка якоря (ОЯ), обмотка добавочных полюсов (ОДП) и пускорегулирующий реостат RПР. Параллельно цепи якоря включена цепь возбуждения, в которой последовательно соединены обмотка параллельного возбуждения (ОШ — обмотка шунтовая) и реостат RB для регулирования тока возбуждения. В цепь якоря и цепь возбуждения включены амперметры, параллельно цепи якоря — вольтметр. Нагрузкой двигателя имитирует действие электромагнитного тормоза (ЭМТ).

Читать еще:  Что такое приведенная частота вращения двигателя

Математическая модель двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Переходный электромеханический процесс в ДПТ параллельного возбуждения с последовательной стабилизирующей обмоткой в цепи якоря (рис. 3) при пренебрежении действием вихревых токов в элементах магнитопровода описывается системой из трёх дифференциальных уравнений (ДУ) первого порядка, включающих два уравнения равновесия напряжений для цепей якоря и возбуждения и уравнение движения якоря (уравнение моментов):

где U = Uн — номинальное напряжение сети, В; t — время, с; Ф = (Фм ‒ Фр.я) — результирующий магнитный поток, Вб; Фм = (Фв + Фс) — поток намагничивания, обусловленный магнитными потоками обмоток: возбуждения (ОВ) Фв и стабилизирующей (ОС) Фс, Вб; Фр.я — магнитный поток реакции якоря, Вб; iя = (U ‒ E ‒ Lяdiя/dt ‒ 2pσwcdФ/dt) /rя и iв = (Fμ/wв ‒ iяwc/wв) – токи в цепях якоря и возбуждения, A; Fμ = (Fв + Fc) — намагничивающая магнитодвижущая сила (МДС), созданная МДС обмоток: ОВ Fв = iвwв и ОС Fc = iяwc, A; wc и wв — числа витков обмоток ОС и ОВ соответственно; Е = СеnФ — ЭДС обмотки якоря (ОЯ), В; Мэ = СМФiя — электромагнитный момент двигателя, Н·м; Мс — момент сопротивления (нагрузки), Н·м; СМ и Сe — конструктивные постоянные двигателя; (Rя + rп) = rя — суммарное сопротивление в цепи якоря, включающее сопротивления обмоток ОЯ и ОС Rя и пусковое сопротивление rп, Ом; (Rв + Rд) = rв — суммарное сопротивление в цепи возбуждения, включающее сопротивление обмотки ОВ Rв и добавочное сопротивление rд, Ом; n = (U ‒ iяrя ‒ Lяdiя /dt ‒ 2pσwcdФ/dt) /(CeФ) = 30ω/π — частота вращения ротора, об/мин; ω = 2πn/60 = n/9,55 — угловая частота, 1/с; Lя — индуктивность в цепи якоря, Гн; J — суммарный момент инерции якоря и нагрузки, кг·м2; 2р — количество полюсов; σ — коэффициент рассеяния главных полюсов.

Рисунок 3. Электрическая схема двигателя постоянного тока.

Зависимость потока намагничивания Фμ = f(Fμ) является нелинейной функцией одной переменной МДС Fμ, а зависимость потока реакции якоря Фр.я = f(iя,iв) — нелинейная функция двух переменных ‑ токов iя и iв.

Индуктивность Lя зависит от насыщения магнитной цепи машины и в общем случае является переменной величиной, учёт зависимости которой значительно усложняет решение системы дифференциальных уравнений ДУ (1). В работе принимается, что индуктивность Lя равна среднему значению индуктивности за время переходного процесса. В этом случае система ДУ (1), записанная в нормальной форме Коши, имеет вид:

При исследовании переходных процессов используются относительные единицы (о.е.), позволяющие выводить на экран дисплея одновременно нескольких сопоставимых результатов решения ДУ и проводить их сравнительный анализ. Кроме этого количественная оценка результатов, полученных на двигателе одной мощности, может быть распространена на двигатели других мощностей аналогичной серии. В качестве базисных величин в данном случае целесообразно использовать номинальные значения: токов якоря iя.н и возбуждения iв.н, А; результирующего потока Фн, Вб; частоты вращения якоря n, об/мин; результирующей МДС Fн = iв.нwв, А, момента Мн, Н·м. Тогда в о.е. все величины ДУ будут безразмерны и равны:

i*я = iя /iя.н;
i*в = iв /iв.н;
Ф* = Ф/Фн;
Ф*μ = Фμ/Фн;
Ф*р.я = Фр.я/Фн;
n* = n/nн;
F* = F/Fн;
F*μ = Fμ/Fн;
М*э = Мэ/Мн;
М*с = Мс/Мн.
Система ДУ (2) в о.е., приведенная к виду, удобному для моделирования, запишется следующим образом:


где коэффициенты при переменных соответственно равны:

a3 = rя/Lя = (Rя + rп)/Lя;

a6 = rвiв.н/(2pσwвФн) = (Rв + rд) iв.н /(2pσwвФн);

а7 = 9,55СмФнiя.н /(Jnн) = 9,55Мн /(Jnн);

а9 = iя.нwc /(iв.нwв);

Ф* = (Ф*μ ‒ Ф*р.я) — результирующий поток;

F*μ = f(Ф*μ) — нелинейная зависимость МДС намагничивания от потока;

Ф*р.я = f(i*я, i*в) — нелинейная зависимость потока реакции якоря;

i*в = (F*μ ‒ a9i*я) — ток возбуждения;

М*э = Ф*i*я — электромагнитный момент;

Мс — момент сопротивления;

U — приложенное к двигателю напряжение.

Методические указания

1. Моделирование переходного электромеханического процесса в исследуемом ДПТ требует задания нелинейной зависимости МДС намагничивания Fμ от потока намагничивания Ф*μ в табличном виде, которая в о.е. измерения F*μ = f(Ф*μ) приведена в табл. 1.

Читать еще:  Jetta стуки двигателя на холодную


2. Зависимость Фр.я = f(iя, iв) — нелинейная функция от токов iя и rв, реализация которой на ПК вызывает значительные трудности. Поэтому в работе использован переход от функции двух переменных Фр.я = f(iя, iв) к функции одной переменной Фр.я = f(iя), построенной для среднего значения тока iв в области iвmin

Электродвигатели с последовательным и со смешанным возбуждением

Электродвигатель с последовательным возбуждением имеет применение в качестве пускового для запуска автомобиля (стартера), в некоторых крановых устройствах и в мощных экскаваторах. Во всех этих устройствах допустимо значительное изменение частоты вращения при изменении тормозного момента на валу. Характеристики M = f ( Р 2 ) и n = f ( Р 2 ) при
U = const этого двигателя показаны на рис. 4-30, а схема его включения — на рис. 4-31.
Обмотка возбуждения двигателя соединяется последовательно с обмоткой якоря,и ее сопротивление r с такого же порядка, как и r я, т. е. невелико. Поэтому пусковой реостат в схеме так же необходим, как и в других двигателях постоянного тока. .
Ток двигателя при работе равен:

При малых токах [около (25—50%) I н] поток машины пропорционален току и

т. е. момент, пропорционален квадрату тока.При больших нагрузках на валу ток I близок к I н, сердечник машины насыщается и момент становится пропорционален току I .

Частота вращения двигателя

с увеличением нагрузки резко падает так как одновременно увеличивают Φ и I ( r я + r с). Такая характеристика называется м я г к о й.
При нагрузках, меньших (25—30%) Р 2н, электродвигатель вращается с недопустимо большой скоростью вследствие малого-значения магнитного потока. Такой режим не допускается ввиду опасности механического повреждения якоря.
Электродвигатель со смешанным возбуждением, имеющий последовательную и параллельную обмотки возбуждения, расположенные на общих полюсах, обладает частично свойствами двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Обе обмотки соединяются так, чтобы их м. д. с, а значит, и потоки Φ ш и Φ с складывались. Такое соединение называется согласным.
Тогда

Электродвигатели этого вида применяются, когда скоростная характеристика должна быть несколько более жесткой, чем у двигателей с последовательным возбуждением. Они применяются как приводные двигатели трамвая, метро, электровоза, электропоезда, для электроприводов с использованием маховиков (ножницы, прессы и др.). Энергия вращающегося маховика может быть использована для привода механизма только при уменьшении его скорости. При ударной нагрузке электродвигатель с мягкой характеристикой стремится снизить скорость, благодаря чему запасенная маховиком кинетическая энергия передается исполнительному механизму. Работа с маховиком позволяет подобрать электродвигатель на меньшую мощность.
Второй случай, применения последовательной обмотки это в двигателях параллельного возбуждения с малым воздушным зазором между якорем и полюсами и большой величиной тока якоря, приходящейся на единицу окружности якоря. В таких двигателях размагничивающее действие реакции якоря на частоту вращения больше, чем влияние падения напряжения в якоре [формула (4-19)]. Скорость такого двигателя с увеличением нагрузки не падает, а нарастает (рис. 4-26, кривая 2), что недопустимо. Если двигатель снабдить дополнительной последовательной (стабилизирующей) обмоткой, то работа его станет более устойчивой.

Принцип и схема работы двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Существует несколько возможных разновидностей построения эл моторов, работающих от источника постоянного напряжения. Принцип их действия одинаков, а отличия заключаются в особенностях подключения обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (Я).

Свое название эл двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением получил потому, что его обмотка Я и ОВ соединяются друг с другом именно таким образом. Электродвигатель такой разновидности обеспечивает нужные режимы, превосходя изделия последовательного и смешанного типов тогда, когда требуется практически постоянная скорость его функционирования.

Построение двигателя и область его применения

Схема электродвигателя рассматриваемого типа изображена ниже.

  • общий ток, потребляемый эл мотором от источника, составляет I = IЯ + IВ, где IЯ, IВ – токи через якорь, обмотку возбуждения, соответственно,
  • одновременно IВ не зависит от IЯ, то есть не зависит от нагрузки.
Читать еще:  Что такое картер двигателя на судне

Устройство применяется тогда, когда пуск не требует обеспечения высокого момента, то есть когда режимы эксплуатации приводных механизмов не предполагают создание больших стартовых нагрузок. Это типично для станков и вентиляторов.

Для практики ценны такие полезные тяговые параметры подобных эл механизмов как

  • устойчивость работы при колебаниях нагрузки,
  • высокая экономичность из-за того, что IЯ не протекает через ОВ.

Пуск при недостаточном моменте обеспечивается переходом на схему смешанного типа.

Поведение электромотора при изменении нагрузок

Механическая характеристика показывает устойчивость работы электромотора в широком диапазоне изменения нагрузок, описывая зависимость момента, создаваемого эл двигателем, от скорости функционирования вала.

Тяговые характеристики механизма рассматриваемого типа позволяют сохранить величину момента при значительных изменения количества оборотов. Обычно тяговые параметры агрегата должен обеспечивать уменьшение этого параметра не более чем на 5 %. Несложное исследование демонстрирует: тормозные параметры из-за обратимости процессов оказываются аналогичными. Эти положения распространяются также на случай применения смешанного возбуждения.

Говоря иными словами, для такого эл мотора характерна жесткая характеристика. Такой характер работы считается важным преимуществом агрегата рассматриваемого типа.

Разновидности подходов к регулированию частоты вращения

Принцип действия параллельного включения обмоток обеспечивает плавный пуск в сочетании с большим диапазоном изменения оборотов в процессе работы с помощью реостатов. Они же обеспечивают нормальный пуск двигателя ограничением тока.

Для агрегатов параллельного типа используются способы управления скоростью функционирования изменением:

  • магнитного потока главных полюсов,
  • сопротивления цепи якоря,
  • подаваемого на него напряжения.

Объектом воздействия являются обмотка возбуждения, обмотка якоря, его рабочее напряжение.

Изменение магнитного потока осуществляется с помощью последовательного реостата RР. При увеличении его сопротивления ОВ пропускает меньший ток, что сопровождается уменьшением магнитного потока. Внешним проявлением такого действия становится наращивание оборотов Я на холостом ходу. Исследование показывает, что происходит увеличение угла наклона характеристики.

Второй принцип основан на включении в цепь питания якоря дополнительного последовательного регулировочного реостата. При увеличении его сопротивления скорость вращения Я уменьшается, тогда как его естественная механическая характеристика приобретает больший наклон. Из-за последовательного включения с основной обмоткой реостата дополнительного сопротивления, на котором рассеивается значительная мощность, происходит заметное падение экономичности.

Третий принцип сопровождается определенным усложнением схемных решений и требует применения отдельного регулируемого источника питания с сохранением возможности раздельного регулирования. В случае его применения в реальных условиях возможно только уменьшение частоты вращения вала.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения реализует третий подход к регулированию и интересен тем, что ОВ и М питаются от разных источников, схема его представлена ниже.

Обмотки простейшего электромотора параллельного независимого возбуждения

Для моторов в данном конструктивном исполнении Iв устанавливается неизменным, а меняется только напряжение, приложенное к М. Это сопровождается изменением числа оборотов на холостом ходу, но жесткость характеристики изменений не претерпевает.

Принцип работы такого агрегата за счет независимого функционирования двух источников оказывается более сложным. Однако, его применение дает такие важные для практики преимущества как

  • плавное экономичное управление скоростью функционирования с большой глубиной,
  • пуск мотора при пониженном напряжении без реостата.

В случае, если пуск происходит на нормальном напряжении, реостат ограничивает величину Iв.

Исследование показывает, что максимальное количество оборотов ограничено только сопротивлением М, а минимальное условиями отвода выделяемого тепла в процессе работы.

Характеристики в части энергопотребления и скорости срабатывания управляющей системы улучшаются в случае последовательного включения с М различных тиристорных регуляторов. Для установки числа оборотов вала и их стабилизации в процессе приведения в движение различных механизмов находят применение различные способы. Их общим характерным признаком является включение тиристорного регулятора в цепь частотной отрицательной обратной связи. Пуск такого агрегата требует реализации специальных процедур.

Заключение

Двигатель с параллельным возбуждением является очень гибким приводным механизмом и может использоваться в очень большом количестве областей там, где не требуются большие моменты при старте. Имеет несложные и надежные цепи регулирования скорости вращения, отличается простотой запуска.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector