Уравнения двигателя с последовательным возбуждением

Двигатели последовательного возбуждения

Схема двигателя. Схема двигателя последовательного возбуждения изображена на рис. 1.31. Ток, потребляемый двигателем из сети, протекает по якорю и обмотке возбуждения, соединенной с якорем последовательно. Поэтому I = I_я = I_в.

Также последовательно с якорем включен пусковой реостат R_п, который, как и у двигателя параллельного возбуждения, после выпуска выводится.

Уравнение механической характеристики. Уравнение механической характеристики может быть получено из формулы (1.6). При токах нагрузки, меньших (0,8 – 0,9) I_ном, можно считать, что магнитная цепь двигателя не насыщена и магнитный поток Ф пропорционален току I : Ф = kI, где k = const. (При больших токах коэффициент k несколько уменьшается). Заменяя в (1.2) Ф, получаем М = С_м kI откуда

I_я =

Ф =. (1.10)

Подставим Ф в (1.6):

n = (1.11)

График, соответствующий (1.11), представлен на рис. 1.32 (кривая 1). При изменении момента нагрузки частота вращения двигателя резко изменяется – характеристики подобного типа называются «мягкими». При холостом ходе, когда М » 0, частота вращения двигателя безгранично возрастает и двигатель «идет вразнос».

Регулирование частоты вращения. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока, как указывалось выше, возможно тремя способами.

Изменение возбуждения можно осуществить включением реостата R_р1 параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 1.31) или включением реостата R_р2 параллельно якорю. При включении реостата R_р1 параллельно обмотке возбуждения магнитный поток Ф можно уменьшать от номинального до минимального Ф_min. Частота вращения двигателя при этом будет увеличиваться (в формуле (1.11) уменьшается коэффициент k). Механические характеристики, соответствующие этому случаю, показаны на рис. 1.32, кривые 2, 3. При включении реостата параллельно якорю ток в обмотке возбуждения, магнитный поток и коэффициент k увеличиваются, а частота вращения двигателя уменьшается. Механические характеристики для этого случая изображены на рис. 1.32, кривые 4, 5. Однако регулирование вращения реостатом, включенном параллельно якорю, применяется редко, так как потери мощности в реостате и КПД двигателя уменьшается.

Изменение частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря возможно при включении реостата R_р3 последовательно в цепь якоря (рис. 1.31). Реостат R_р3 увеличивает сопротивление цепи якоря, что ведет к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. (В (1.11) вместо R_я надо подставить R_я + R_р3.) Механические характеристики при этом способе регулирования представлены на рис. 1.32, кривые 6, 7. Подобное регулирование используется сравнительно редко из-за больших потерь в регулировочном реостате.

Наконец, регулирование частоты вращения изменением напряжения сети, как и в двигателях параллельного возбуждения, возможно только в сторону уменьшения частоты вращения при питании двигателя от отдельного генератора или управляемого выпрямителя. Механическая характеристика при этом способе регулирования изображена на рис. 1.32, кривая 8. При наличии двух двигателей, работающих на общую нагрузку, они с параллельного соединения могут переключаться на последовательное, напряжение U на каждом двигателе при этом уменьшается вдвое, соответственно уменьшается и частота вращения.

Тормозные режимы двигателя последовательного возбуждения. Режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в двигателе последовательного возбуждения невозможен, так как получить частоту вращения n>n_x не представляется возможным (n_х = ).

Режим торможения противовключением можно получить, так же как в двигателе параллельного возбуждения, путем переключения выводов обмотки якоря или обмотки возбуждения.

Уравнения двигателя с последовательным возбуждением

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения представляет собой электрическую машину постоянного тока, в которой обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Для данного типа двигателей справедливо равенство: ток, протекающий в якорной обмотке, равен току в обмотке возбуждения I=I в =I я , что является его главной отличительной особенностью от остальных типов двигателей .

Рисунок 1 – Схема подключения ДПТ ПВ

Стоит обратить внимание на зависимость магнитного потока от нагрузки Ф=f(I_я). Если двигатель будет работать на 25% своей номинальной мощности или меньше, то магнитный поток будет крайне мал, что приведет к постоянному увеличению скорости вала. Препятствовать разгону будут лишь механические потери, и двигатель пойдет в «разнос» . Это приведет к быстрому выходу машины из строя. Все описанное в соответствии с формулой:

Исходя из вышесказанного, ДПТ ПВ нельзя использовать на холостом ходу , постоянно требуется контроль тока якоря. С этой целью последовательно с обмоткой возбуждения устанавливают минимальное токовое реле, которое замыкает якорную цепь только в том случае, если нагрузка на валу достаточна для поддержания номинальной работы двигателя.

Пуск двигателя производят с пусковым сопротивлением, также включенным последовательно в цепь якоря. После пуска это сопротивление выводят, и машина продолжает работать в номинальном режиме на своей естественной характеристике.

Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ одинаковы и имеют гиперболический вид (рисунок 2).

Рисунок 2 – Механическая и электромеханическая характеристики ДПТ ПВ

Скорость вращения ротора двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением производится регулированием двух параметров:

Для изменения скорости при помощи входного напряжения, в роторную цепь вводят специальное добавочное сопротивление, или же можно использовать пусковой реостат и для этой цели. Но следует заметить, данный способ является крайне неэкономичным и нецелесообразным, так как большое количество энергии будет рассеиваться на реостате.

Регулировка скорости изменением магнитного потока, осуществляется включением реостата параллельно обмотке возбуждения. Изменяя сопротивление – меняем ток, протекающий через обмотку возбуждения. Иногда обмотку возбуждения разбивают на несколько параллельных секций. В некоторых типах двигателей предусмотрена возможность отключения витков обмотки, так добиваются того же эффекта регулирования.

Тормозные режимы

В данном двигателе отсутствует режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть. На рисунке 2 вы можете видеть, что ветка гиперболы естественной характеристики не пересекает ось ординат (отрицательная скорость отсутствует).

Торможение противовключением получают путем переключения выводов якорной обмотки.

ДПТ ПВ нельзя соединять с механизмом при помощи ременной передачи, так как соскакивание или разрыв ремня приведет к разгрузке двигателя, что вызовет мгновенное повышение числа оборотов и последующему выходу из строя.

ДПТ ПВ нашли свое основное применение в качестве тяговых двигателей подвижного состава электровозов общего назначения, электровозов метрополитена и в трамваях.

Особенность двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Отличительные характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения имеют решающее значение в выборе его установки на аппараты. Особенности подключения и механических характеристик определяют заключительное решение. Преимущества и область применения.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Устройство двигателя постоянного тока

2. Особенности схемы подключения

3. График характеристик

4. Скоростное управление

5. Торможение двигателя

6. Причины поломок

7. Исследования и подбор ДПТ

8. Достоинства и недостатки

УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Конструкция ДПТ одинакова независимо от схемы подключения обмоток возбуждения. Она лишь определяет тип двигателя: последовательного возбуждения и параллельного. В данной статье будет рассмотрен редуктор именно с последовательным соединением кабельных блоков. Подобный электромотор применяется в случае необходимости плавного пуска, устойчивого тягового функционирования аппарата при постоянных скоростях вращения вала. По своим показателям этот двигатель отличается от приводов смешанного и последовательного подключения. Особенности электрических процессов обуславливают их широкое применение.

Основными частями механизма являются движимый ротор (якорь) и неподвижный статор. Якорь состоит из стального сердечника и уложенного в пазы медного лакированного кабеля, который по виду образует закольцованный контур. Медный каркас выполнен большим числом витков проволоки. Концы обмотки припаяны к коллекторным кольцам. В якоре происходит преобразование энергии и наводится ЭДС. Через щетки из источника питания на ламели подается ток. Коллектор — обычный инвертор. Индуктор представлен постоянным магнитом. Создает магнитный поток для получения стабильного момента. В данной электрической машине роторная катушка и обмотка возбуждения соединены последовательно. Протекающие в них токи имеют равные значения, что и определяет особенность данного типа двигателей.

ОСОБЕННОСТИ СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

Принципиальная схема подключения дает возможность приводу работать в условиях значительных перегрузок и тяжелых пусковых условий. Момент вращения пропорционален квадратному значению силы тока. Мощные тяговые характеристики обеспечили область применение подобных двигателей в конструкции транспорта: поездов, электричек, трамваев, троллейбусов, подъемных кранов, канатных дорог, производственных станках, грузоподъемных кранах, тяговых агрегатов.

За счет последовательного соединения общий магнитный поток находится в зависимости от силы тока. При условии работы ДПТ ПС меньше 25% от номинального значения резко снижается магнитный поток. Это приводит к резкому ускорению машины. Скорость становится неконтролируемой и двигатель идёт в разнос. На этом основании работа двигателя на холостом ходу недопустима. Во избежание непоправимых ситуаций, для контроля работы в цепь якоря последовательно подключают реостат. Тепловые реле защищают устройство от перегрева.

Двигатели последовательного возбуждения запрещено соединять с устройством посредством ременной передачи. Ремень может порваться или соскочить, вызывая тем самым немедленное ускорение и последующую поломку машины.

Запуск агрегата производят на дополнительном сопротивлении, подсоединенным в цепь параллельно. С началом работы его отключают, и двигатель продолжает работу на номинальных показателях при естественной характеристике. Искусственные механические характеристики определяются принудительным изменением физических показателей системы.

ГРАФИК ХАРАКТЕРИСТИК

Механическая и естественная характеристики на графике зависимости имеют вид гиперболы. Обычно на чертеже выражают соотношение момента (ось Х) и частоты вращения якоря (ось Y).

Смещение графика механической характеристики параллельно к оси ординат объясняет плавное регулирование скорости (мягкая скоростная характеристика).

СКОРОСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Регулирование скорости ротора осуществляют несколькими методами в принудительном режиме:

-изменение показателей магнитного потока

-изменение напряжения сетевого источника питания.

Последний крайне неэкономичен, требует установки дополнительного пускового реле. Чаще производят смену магнитного потока. Параллельно обмотке возбуждения подключают реостат, введение сопротивления меняет ток, соответственно и скорость.

ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

Остановка двигателя производится двумя способами. Механическим, характеризуется наложение тормозных колодок на шкив, и электрическим. Перевод привода в режим генератора для торможения в данном двигателе отсутствует. Используют шунтирование и противовключение якоря. Происходит реверс направления вращения. Динамический тормоз обусловлен отключением роторной обмотки и ее замыканием на многоступенчатый остановочный резистор. Управление производится контроллером оборотов или заданием времени. Процесс торможения происходит интенсивно.

ПРИЧИНЫ ПОЛОМОК

Если возникают внештатные ситуации, требуется немедленное реагирование. Несоблюдение правил безопасности при работе с электрооборудованием, необдуманные действия персонала, скачки напряжения в сети, механическое повреждение устройства, корочение и межвитковый обрыв в цепи якоря приводят к тяжелым последствиям и дорогостоящему ремонту. Экстренное отключение проводится автоматической аппаратурой. Устранение неполадок производится строго при отключенной нагрузке. Чаще всего двигатель идет вразнос по причине человеческого фактора. Недобросовестное обслуживание комплектующих, отсутствие своевременного ремонта, игнорирование предвестников поломки приводит к таким тяжелым последствиям. При межвитковых разрывах резко снижается магнитный поток, скорость возрастает и становится неуправляемой. Двигатель резко набирает обороты и выдает характерный свистящий шум. Агрегат не взрывается, но персоналу лучше отойти на безопасное расстояние во избежание травматизации. Поэтому необходимо совершать своевременную плановую профилактику аварий.

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОДБОР ДПТ

Исследование двигателей постоянного тока последовательного возбуждения и параллельного дает возможность сопоставить их рабочие показатели и характеристики для точного целесообразного выбора установки в тот или иной аппарат. Экспериментальный анализ проводят инженера, технологи, конструкторы. Расчеты имеют особенности и занимают много времени. Для упрощения проверки и экономии времени проектировщики зачастую пользуются набором утилитарных программ «Matlab» (матлаб). Они подходят ко всем операционным системам и с легкостью производят математические расчеты, построение трехмерных графиков, обработку данных и их анализ, создают рабочие алгоритмы.

Двигатели постоянного тока последовательного соединения устанавливаются в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Это нормативный документ, в котором обозначены конструктивные принципы, требования к электросистемам, подводимой к ним коммуникации, условий окружающей среды и эксплуатации. Правила одинаковы для всех форм собственности. Переиздаются каждые два года.

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

В настоящее время ДПТ используют в тех случаях, где переменнотоковые редуктора не дают необходимых характеристик.

Достоинства электродвигателей постоянного тока с последовательным соединением обмоток обуславливают их широкое применение в промышленности и сфере электротранспорта. Таковыми являются:

-зависимость момента вращения от квадратного значения силы тока позволяет передвигать машины больших габаритов и значительного веса;

-плавный запуск аппарата при малой частоте вращения якоря;

-использование машины без перегрузки двигателя;

-высокие мощностные показатели;

-отсутствие перехода в режим генератора дает дополнительную кинетическую энергию;

-отсутствие перегрузки двигателя;

-экономичность и простота изготовления обмотки якоря;

-крупное сечение медной проволоки для армировки дает меньшее число витков не требует усиления изоляции;

-конструктивное решение клетени обеспечивает необходимый магнитный поток при малых значениях тока возбуждения.

-дорогостоящая концепция изготовления;

-износ графитовых щеток;

-постоянное обслуживание щеточно-коллекторного контакта;

износ коллектора ограничивает эксплуатационный срок.

Обслуживать и производить ремонт должен специально обученный персонал. Для работы с электрооборудованием сотрудники обязаны быть компетентными и иметь допуск к работе.