Регулировка частоты вращения

Регулировку частоты вращения АД в основном производят с помощью полупроводниковых преобразователей частоты питающего напряжения. В связи с развитием производства силовых полупроводниковых приборов применение АД с такими преобразователями расширяется. Это позволяет применять АД там, где они раньше не использовались, например, в электровозах. Преобразователи частоты используются также и для пуска АД.

В некоторых случаях АД периодически подключают к сети на несколько периодов питающего напряжения, а затем отключают на несколько периодов. Пульсации момента при этом сглаживаются за счет момента инерции двигателя и рабочих механизмов.

Скорость АД с фазным ротором можно регулировать изменением сопротивления реостатов в цепи ротора, но это снижает к.п.д. двигателя. В этом случае реостаты должны выдерживать длительное включение.

Существуют двигатели, у которых переключение секций обмоток статора позволяет изменять число пар полюсов. Это переключение обеспечивает ступенчатое изменение частоты вращения. Такие двигатели применяются довольно редко.

Тормозные режимы

Иногда механизмы нужно не только вращать, но и время от времени тормозить. Механические тормоза быстро изнашиваются и не позволяют использовать энергию торможения. Кроме того, они представляют собой дополнительные конструкции, а двигатели есть в электроприводах в любом случае. Поэтому двигатели удобно применять и в качестве тормозов.

Генераторный режим

Обмотки статора, как обычно, подключаются к трехфазной сети. Двигатель вращается в ту же сторону, что и в режиме холостого хода, но быстрее, чем в режиме холостого хода (, , рис. 2.11). Энергия торможения через магнитное поле и обмотки статора отдается в сеть, где она может быть истрачена с пользой.

Динамический режим

Обмотки статора подключаются к низковольтному источнику постоянного напряжения. Токи обмоток статора создают в двигателе постоянное магнитное поле. Как и в двигательном режиме, при вращении магнитного поля внутри ротора в его обмотке наводятся вихревые токи. Поэтому по закону Ампера со стороны магнитного поля статора на ротор действуют силы, создающие тормозной момент (рис. 2.12). Энергия торможения выделяется в роторе в виде тепла. Торможение возможно на малых скоростях. Регулируя ток в обмотках статора, можно изменять тормозной момент.

Другие режимы

Рис. 2.11. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором для положительных и отрицательных значений скольжения.

Рис. 2.12. Тормозной момент АД с короткозамкнутым ротором в зависимости от частоты вращения ротора в режиме динамического торможения.

Возможны также другие тормозные режимы, например, конденсаторный, при котором обмотки статора подключаются к конденсаторам, и противовключение, при котором двигатель подключается к сети, но вращается в сторону, противоположную направлению вращения в режиме холостого хода. Эти режимы применяются реже, т.к. приводят к дополнительному выделению энергии в обмотках статора, что обычно нежелательно.

Машины постоянного тока

Двигатели и генераторы постоянного тока имеют одну конструкцию, поэтому носят общее название "машины постоянного тока" (МПТ). Двигателем или генератором машина становится в зависимости от режима работы.

Рис. 3.1. Схематический поперечный разрез МПТ с двумя парами полюсов.

Рис. 3.2. Продольный разрез якоря.

Рис. 3.3. Схема соединения обмоток якоря с пластинами коллектора и щетками. Знаками "+" и "–" отмечено подключение щеток к источнику питания. Для простоты показано небольшое количество секций обмотки.

Общая характеристика двигателей

Основные достоинства: легкость регулировки скорости, большой пусковой момент, большая перегрузочная способность.

Основные недостатки: относительная дороговизна и сложность конструкции, необходимость обслуживания коллекторно-щеточного узла, а также его износ и искрение.

Основная область применения: регулируемый привод постоянного тока.

Общая характеристика генераторов

Генераторы постоянного тока (ГПТ)- это регулируемые источники постоянного напряжения. Их применяют в качестве источников питания бортовой сети транспортных средств, а также в промышленности для питания двигателей постоянного тока и других устройств. Некоторые ГПТ позволяют получить большие токи, необходимые, например, для питания электролитических ванн или электросварки.

В настоящее время вместо ГПТ все чаще применяют полупроводниковые выпрямители, в том числе управляемые. Для их питания используют промышленную сеть или автономные синхронные генераторы.

Устройство МПТ

МПТ состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Статор МПТ иногда называют индуктором, а ротор чаще всего называют якорем. Цилиндрический стальной корпус статора одновременно служит магнитопроводом. Изнутри к нему крепятся главные полюса с обмотками возбуждения, а также дополнительные полюса со своими обмотками.

Для подавления вихревых токов стальной сердечник якоря набирается из отдельных изолированных пластин. В его пазах укладывается обмотка (рис. 3.1).

Коллектор расположен на валу машины. Он состоит из изолированных медных пластин, составляющих цилиндрическую поверхность. К этой поверхности прижимаются графитовые щетки, закрепленные на статоре. К пластинам коллектора подключены секции обмотки якоря (рис. 3.2, 3.3).

Принцип действия МПТ

Ток в обмотках возбуждения создает основное магнитное поле машины. В этом поле находятся проводники обмотки якоря, по которым течет ток. На них действует сила Ампера. Она действует также и на носители микротоков, возбуждаемых токами обмотки якоря на поверхности его сердечника. Эта сила создает вращающий момент двигателя или момент сопротивления генератора.

Обмотки якоря движутся в магнитном поле статора. Согласно закону электромагнитной индукции это приводит к возникновению в них ЭДС, которая называется ЭДС вращения Она создает напряжение и ток якоря ГПТ. В режиме двигателя она направлена противоположно ЭДС источника питания и компенсирует большую часть его напряжения.

Вращаясь, пластины коллектора поочередно подключают к щеткам секции обмотки якоря. Это происходит так, что в проводниках, расположенных под каждым из основных полюсов, ток все время течет в одном направлении и создает постоянный крутящий момент. В режиме генератора коллекторно-щеточный узел работает как механический выпрямитель, обеспечивая практически постоянное напряжение на щетках.

Дополнительные полюса устраняют искажение основного магнитного поля, возникающее от токов обмотки якоря. В обмотках дополнительных полюсов течет ток якоря. В машинах малой мощности дополнительные полюса не устанавливают.

Классификация по способам возбуждения. Механические характеристики двигателей и внешние характеристики генераторов.

Конструкции МПТ и их характеристики различаются в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость его частоты вращения и момента. Внешней характеристикой генератора называется зависимость его напряжения от тока нагрузки. Характеристикой холостого хода генератора называется зависимость напряжения холостого хода от тока возбуждения. Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при условии постоянного напряжения генератора.

Машины с независимым возбуждением

Обмотка возбуждения таких машин питается от отдельного источника напряжения (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема подключения обмоток МПТ с независимым возбуждением.

Рис. 3.5. Схема подключения обмоток машины с параллельным возбуждением.

Машины с параллельным возбуждением

Рис. 3.6. Механические характеристики ДПТ с независимым и с параллельным возбуждением.

Рис 3.7. Внешние характеристики ГПТ с независимым и с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря таких машин включаются параллельно (рис. 3.5). ДПТ с независимым и параллельным возбуждением имеют слабую зависимость скорости от момента на валу. Такие характеристики называются жесткими (рис. 3.6).

С ростом момента на валу ДПТ напряжение на якоре немного снижается вследствие роста тока и влияния активного сопротивления цепи якоря. Это уменьшает ток возбуждения и основное магнитное поле двигателя с параллельным возбуждением. Поэтому он вращается чуть быстрее, чем такой же двигатель с независимым возбуждением и той же нагрузкой. (Подробнее о влиянии основного поля на скорость ДПТ сказано далее.)

С ростом тока нагрузки напряжение ГПТ с параллельным возбуждением уменьшается вследствие влияния внутреннего сопротивления цепи якоря и размагничивающего действия якоря, что приводит с снижению тока возбуждения генератора и к дополнительному уменьшению его напряжения. Поэтому напряжение ГПТ с параллельным возбуждением сильнее зависит от тока, чем у ГПТ с независимым возбуждением.

Машины с последовательным возбуждением

Рис. 3.8. Схема подключения обмоток МПТ с последо- вательным возбуждением.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря таких машин включаются последовательно (рис. 3.8). ДПТ с последовательным возбуждением имеют "мягкие" характеристики, то есть их скорость сильно зависит от момента на валу (рис. 3.9). Такая зависимость автоматически подстраивает скорость под нагрузку, обеспечивая постоянную мощность двигателя. Эти двигатели отличаются хорошими пусковыми характеристиками и большой перегрузочной способностью. Они применяются, например, для привода электротранспорта и подъемных механизмов.

ДПТ с последовательным возбуждением не имеют скорости холостого хода. Их нельзя включать без нагрузки, т.к. при этом они разгоняются до тех пор, пока не происходит механическая авария.

Рис. 3.9. Механическая характеристика ДПТ с последовательным возбуждением.

Рис. 3.10. Внешняя ха- рактеристика ГПТ с последовательным возбуждением.

Ток нагрузки ГПТ с последовательным возбуждением является одновременно его током возбуждения. Поэтому на холостом ходу основное магнитное поле обусловлено только намагниченностью статора и генератор дает небольшое напряжение. При больших токах нагрузки напряжение падает из-за влияния сопротивления цепи якоря и размагничивающего действия якоря. ГПТ с последовательным возбуждением применяются в специальных случаях.

Машины со смешанным возбуждением

Они имеют две обмотки возбуждения - параллельную и последовательную (рис. 3.11). Характеристики таких машин могут различаться в зависимости от доли магнитного поля, создаваемого каждой из обмоток возбуждения. ГПТ со смешанным возбуждением обычно делают так, чтобы напряжение мало зависело от тока нагрузки (рис. 3.13).

Рис. 3.11. Схема подключения обмоток машины со смешанным возбуждением.

Рис. 3.12. Механическая характеристика ДПТ смешанного возбуждения.

Рис. 3.13. Внешняя характеристика ГПТ смешанного возбуждения.

Схема замещения МПТ

МПТ представляется схемой замещения, изображенной на рис. 3.14. Здесь u – напряжение на якоре, R – сопротивление цепи якоря, i – ток якоря, e – ЭДС якоря (ЭДС вращения). Такая структура схемы следует из того, что напряжение на якоре складывается всего из двух составляющих, одна из которых определяется законом Ома, а вторая – законом электромагнитной индукции:

. (3.1)

При i > 0 (u > e) машина находится в режиме двигателя, при i = 0 (u = e) – в режиме идеального холостого хода, при i < 0 (u < e) – в режиме генератора.

Основные уравнения МПТ

По закону электромагнитной индукции ЭДС вращения e пропорциональна частоте вращения якоря n и основному магнитному потоку машины Ф:

, (3.2)

где k_e - коэффициент, зависящий от конструкции машины.

Подставив (3.2) в (3.1), получим выражение для частоты вращения машины:

. (3.3)

По закону Ампера момент машины М пропорционален току якоря и основному магнитному потоку:

, (3.4)

где k_M - коэффициент, зависящий от конструкции машины. Основной магнитный поток Ф пропорционален току возбуждения (у МПТ со смешанным возбуждением - полному току возбуждения).