36159

СПОСОБЫ ПУСКА, РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Лекция

Физика

Способы пуска электродвигателей постоянного тока влияние против ЭДС обмотки якоря. Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока. Электрическое торможение двигателей постоянного тока

Русский

2014-03-28

244.51 KB

45 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 13

СПОСОБЫ ПУСКА, РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Способы пуска электродвигателей постоянного тока влияние противо ЭДС обмотки якоря
  2.  Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока
  3.  Электрическое торможение двигателей постоянного тока
  4.  Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения
  5.  Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока
  6.  Реверс двигателей постоянного тока
  7.  Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока

 1. Способы пуска электродвигателей постоянного тока

1.1. Основные сведения

Для пуска электродвигателей постоянного тока применяют два способа:

  1. прямой пуск;
  2. реостатный пуск.

1.2. Прямой пуск

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть ( рис. 9.1 ), для

чего вручную ( при ручном управлении ) или при помощи аппаратуры ( при автоматизированном пуске ) замыкают контакты К1 и К2..

Рис. 13.1. Прямой пуск двигателя: а – схема пуска; б – пусковая диаграмма

При этом ток I, потребляемый двигателем из сети, в точке «А» разделяется на 2 тока: ток обмотки якоря Iи ток обмотки возбуждения I. В точке «В» эти два тока соединяются. Следовательно, через каждый из контактов, К1 и К2, протекает один и тот же ток I.

По Правилам Регистра, прямой пуск электродвигателей допускается при условии, что номинальная мощность двигателя не превышает 0,5 кВт, т.е. Р≤ 0,5 кВт.

Такое ограничение мощности объясняется тем, что при прямом пуске пусковой ток якоря двигателя превышает номинальный в десятки раз.

 Объясним это на примере.

Пусть электродвигатель имеет такие данные: напряжение U = 220 В, номинальная противоЭДС обмотки якоря Е = 210 В, сопротивление обмотки якоря двигателя R= 1 Ом.

Тогда номинальный ток якоря

   I= = = 10 А.

При пуске скорость якоря ω = 0, поэтому противоЭДС обмотки якоря

Е = сωФ = с0Ф = 0

(с – конструктивный коэффициент, величина постоянная, ω – угловая скорость якоря, Ф – магнитный поток, созданный параллельной обмоткой возбуждения L).

Тогда пусковой ток якоря

  I= = = = 220 А.                 (13-1)

Таким образом, пусковой ток якоря I= 220 А превышает номинальный I= 10 А в 22 раза, что недопустимо.

Сказанное подтверждается графиком электромеханической характеристики двигателя ω (I) на рис. 13.1б. При пуске двигатель переходит из точки «0» ( начало координат ) в точку «А», в которой пусковой ток I(отрезок «ОА») гораздо больше номинального.

После пуска двигатель начнет разгоняться, в обмотке якоря появится и станет увеличиваться противоЭДС обмотки якоря, которая возростает с увеличением скорости якоря ↑Е = с↑ωФ, а ток якоря – уменьшаться в соответствии с выражением (13-1).

Процесс пуска прекратится в точке «В», в которой скорость якоря и ток якоря имеют номинальные значения: ω = ω, I= I.

Из сказанного следует, что причина больших пусковых токов – отсутствие противо ЭДС обмотки якоря в момент пуска, когда якорь неподвижен.Большие пусковые токи вызывают ухудшение коммутации вплоть до возникновения кругового огня на коллекторе, а также провалы напряжения сети, нарушающие нормальную работу остальных приемников электроэнергии.

Допускаемые по условиям коммутации значения пусковых токов не должны превышать номинальный более чем в 2,5 раза, т.е. не должно нарушаться соотношение

I2,5 I

Выясним, как можно уменьшить пусковые токи.

Как следует из формулы пускового тока якоря

I= ,

его можно уменьшить двумя способами:

  1. увеличить знаменатель, т.е. увеличить при пуске сопротивления цепи обмотки якоря ( реостатный пуск );
  2. уменьшить числитель, т.е. уменьшить при пуске напряжение на обмотке якоря.

Рассмотрим поочередно эти два способа.

                                   Реостатный пуск

Схема реостатного пуска изображена на рис. 9.2.При пуске замыкаются контакты К1 и К2, контакт К3 разомкнут. Через контакты К1 и К2 на обмотку якоря «А» и параллельную обмотку возбуждения «L» подается питание сети, а через разомкнутый контакт КМ3 в цепь обмотки якоря вводится пусковой резистор R, поэтому полное сопротивление обмотки якоря увеличивается до значения (R+ R).

Рис. 13.2. Реостатный пуск двигателя: а – схема пуска; б – пусковая диаграмма

 

Двигатель развивает пусковой ток

I= I= 2,5 I

На электромеханической характеристике ω(I) двигатель переходит из точки «0» в точку «А», после чего начинает разгоняться по участку «АВ» характеристики.

В точке «В», при токе I(обычно  I= 1,1…1,2 I) контакт К3 замыкается, вследствие чего двигатель с броском тока переходит из точки «В» в точку «С» и далее продолжает разгоняться до точки «D», в которой наступит установившийся номинальный режим.

Бросок тока при переходе точки «В» в тоску «С» объясняется тем, что при замыкании контакта К3 сопротивление цепи обмотки якоря скачком уменьшается от значения (R + R ) до значения R.

Рассмотренная схема пуска была упрощена (для облегчения понимания процесса пуска) тем, что для пуска использовалась одна ступень пускового резистора.

На практике для ручного пуска применяют пусковые реостаты (отсюда название этого способа – реостатный), имеющие несколько ступеней.

Перед пуском маховичок реостата должен быть повернут влево до упора,  (при пуске его поворачивают по часовой стрелке, постепенно выводя ступени пускового резистора из цепи обмотки якоря двигателя). Процесс пуска не должен превышать 6…8 с. Нельзя оставлять маховичок реостата в промежуточном положении, при котором в цепи обмотки якоря останутся ступени пускового реостата, т.к. они сгорят. Эти ступени рассчитаны лишь на кратковременное протекание через них пускового тока.

  1.  Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока
  2.  

2.1. Основные сведения

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока на примере электродвигателя с независимым ( параллельным ) возбуждением.

Уравнение естественной механической характеристики двигателя имеет вид

ω = – ,                                    (13-2)

 где:  ω – угловая скорость якоря;

U – напряжение на обмотке якоря;

k  – постоянный коэффициент;

Ф – магнитный проток обмотки ( обмоток ) возбуждения;

М – электромагнитный момент электродвигателя;

R – сопротивление обмотки якоря электродвигателя.  

Из уравнения (13-2) следует, что скорость двигателей с независимым (параллельным) возбуждением можно регулировать тремя способами:

1. изменением напряжения на обмотке якоря двигателя –U;

2 изменением сопротивления цепи обмотки якоря –R;

3. изменением магнитного потока полюсов –Ф.

Первый способ регулирования – изменением напряжения на обмотке якоря, применяется только для двигателей с независимым возбуждением в «системах генератор – двигатель».

 Второй способизменением сопротивления цепи обмотки якоря, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с обмоткой якоря.

Этот способ позволяет изменить скорость двигателя только вниз от основной, причем с увеличением сопротивлений скорость двигателя уменьшается. Это объясняется увеличением падения напряжения в добавочных резисторах и уменьшением напряжения на зажимах якоря.

Положительное качество данного способа регулирования –простота, т.к. он осуществляется  путем введения (выведения) ступеней регулировочного реостата в цепь обмотки якоря двигателя.

Основным недостатком способа является  большой расход энергии в добавочных резисторах.

Этот способ применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно–швартовных устройств на постоянном токе.

 Третий способизменением магнитного потока полюсов, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с параллельной обмоткой возбуждения. При этом магнитный поток возбуждения уменьшается, а скорость якоря увеличивается.

Скорость двигателей, специально сконструированных для работы с регулируемым потоком, может превышать номинальную в три раза и более, скорость остальных двигателей повышается на 10 – 20 %. Верхний предел скорости ограничен условиями коммутации, механической прочности или температурой нагрева двигателя.

Положительное качество данного способа регулирования –экономичность, т.к. расход электроэнергии в регулировочном резисторе мал из-за небольшого значения тока возбуждения в цепи параллельной обмотки.

Основными недостатками способа являются возможность регулирования скорости только вверх от номинальной, а также увеличение тока якоря во столько раз, во сколько раз ослаблен магнитный поток.

Последняя особенность не позволяет применять этот способ регулирования при работе электропривода с номинальным моментом, т.к. при ослаблении потока ток якоря превысит номинальный, что недопустимо.

Поэтому этот способ регулирования применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно –швартовных устройств для получения высоких скоростей при перемещения холостого гака (грузовые лебедки и краны) или швартовного каната (брашпили, шпили), т.е. при небольшой нагрузке на валу электродвигателя.

Электрическое торможение двигателей постоянного тока

3.1. Основные сведения

В электроприводах различают механическое и электрическое торможение.

Под механическим понимают торможение электропривода при помощи тормозных устройств, принцип действия которых основан на использовании трения.

Механическое торможение обеспечивает полную остановку электропривода и его фиксацию в заторможенном состоянии. Этот вид торможения применяется в судовых электроприводах, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести – грузоподъёмных и якорно-швартовных.

Под электрическим торможением понимают создание на валу электродвигателя электромагнитного момента, направленного навстречу вращению якоря (ротора). Для электрического торможения применяют специальные узлы в схемах управления электроприводами.

Как правило, электрическое торможение применяют не для полной остановки электропривода, а для предварительного уменьшения скорости до такой, при которой можно начинать механическое торможение.

Например, существующие электромагнитные тормоза серий ДПМ постоянного тока и ТМТ переменного можно отключать при начальной скорости не более 750 об /мин.

Значит, в электроприводе 3-скоростной лебёдки со скоростями 3000, 1500 и 750 об / мин нельзя начинать торможение со скоростей 3000 и 1500 об / мин, иначе на валу двигателя возникнут большие динамические усилия, которые могут повредить двигатель, передачу и механизм. Кроме того, из-за увеличенного трения тормоз будет перегреваться и быстро изнашиваться.

Электрическое торможение применяют в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, работающих с частыми пусками и остановками.

Различают 4 вида электрического торможения:

  1. динамическое;
  2. рекуперативное;
  3. торможение противовключением при активном статическом моменте;
  4. торможение противовключением при реактивном статическом моменте.

На судах из перечисленных видов торможения, в основном, применяется динамическое и рекуперативное.

Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения

В схеме динамического торможения ( рис. 9.8, а ) используются контакт КТ тормозного контактора контакт КЛ линейного. Эти контакты всегда находятся в противоположном состоянии: если замкнут контакт КЛ, разомкнут контакт КТ, и наоборот.

Рис. 13.3 Схема (а) и механические характеристики (б) при динамическом торможении двигателя постоянного тока

До начала торможения, при работе двигателя, контакт КЛ замкнут, контакт КТ разомкнут. Двигатель подключен к сети и вращается со скоростью ω.

Ток в обмотке якоря

I= (UE) / R,

где: Е = k ωФ – противоЭ.Д.С. обмотки якоря, пропорциональна скорости двигателя  ω.

Этот ток протекает через якорь в направлении слева направо (в соответствии с полярностью напряжения питающей сети).

Для торможения размыкают контакт КЛ и замыкают КТ. При размыкании контакта КЛ двигатель отключается от сети, поэтому напряжение на обмотке якоря U = 0.

При замыкании контакта КТ к обмотке якоря двигателя подключается тормозной токоограничивающий резистор R, причём обмотка якоря и резистор соединены последовательно.

Ток в такой цепи определяется по закону Ома

I= (U – E) / (R+ R) = (0–Е)/ (R+ R) = – Е/( R+ R).

В этой формуле ток якоря имеет знак «минус», значит, направление тока в обмотке якоря изменилось на обратное – справа налево.

Изменение направления тока приводит к изменению знака электромагнитного момента двигателя  М = k(– I)Ф <0, этот момент становится тормозным.

Двигатель переходит на искусственную тормозную характеристику во 2–м квадранте и постепенно уменьшает скорость. По мере уменьшения скорости уменьшается противо «ЭДС» Е = k ωФ, ток якоря и электромагнитный момент.

В момент остановки якоря (точка 0 на механической характеристики) скорость ω = 0, противо «ЭДС» Е = 0, ток якоря I= 0 и электромагнитный момент двигателя М = 0.

При реактивном статическом моменте (насос, вентилятор) процесс торможения закончится в точке 0 (Рис. 13.3).

При активном статическом моменте процесс может иметь продолжение, а именно: если в точке 0 двигатель не затормозить, он под действием груза реверсирует и станет разгоняться в обратном направлении до скорости ω.  

Полярность противоЭДС изменится на обратную

Е = k(– ω)Ф < 0

и на обратное изменится направление тока якоря I

I= – ( –Е) /( R + R) = Е /( R + R) > 0.

Поэтому знак электромагнитного момента изменится на обратный, т.е. он вновь направлен на подъём. При этом двигатель работает в режиме тормозного спуска, притормаживая груз и ограничивая скорость спуска груза значением скорости  ω (точка А).

Особенности торможения:

1. простота торможения, т.к. для его получения нужен тормозной контактор КТ и тормозной резистор;

2. торможение позволяет полностью остановить якорь ( т. «0» на рис. 9.8, б );

3. торможение широко применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов для предварительного сброса скорости перед срабатыванием основного, электромагнитного тормоза, обеспечивающего полную остановку груза.

 

Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока

 

       Известно, что электрические машины обратимы, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как генератор, так и электродвигатель.

 При рекуперативном торможении электродвигатель переходит в генераторный режим. При этом двигатель преобразует механическую энергии, полученную от движущихся частей привода, в электрическую, которую двигатель возвращает в судовую электрическую сеть.

Рекуперативное торможение наступает в следующих случаях:

  1. при движении электровоза под уклон (что невозможно в судовых условиях);
  2. при переходе двигателя с большей скорости на меньшую (происходит каждый раз автоматически);
  3. при опускании тяжелых грузов.

В любом из этих случаев выполняется одно и то же условие рекуперативного торможения:  противо ЭДС обмотки якоря двигателя   Е = сωФ  должна cтать больше напряжения питающей сети U.

 

В этом случае ток якоря двигателя изменяет знак на обратный

   I= (UE) / r< 0.

 Соответственно  изменяет свой знак и электромагнитный момент двигателя 

М = с (– I

и момент двигателя становится тормозным.

В судовых условиях рекуперативное торможение может наступить при спуске тяжелого груза, когда двигатель переходит в режим генератора, преобразуя механическую энергию опускающегося груза в электрическую энергию, возвращаемую в сеть;

Однако использование энергии, возвращаемой в судовую сеть практически невозможно вследствие кратковременности работы двигателя в генераторном режиме (с учетом ограниченной высоты трюма).

Более того, это торможение опасно тем, что при одновременном переходе большого числа грузовых лебедок в режим рекуперативного торможения возможен переход генераторов судовой электростанции в двигательный режим с последующим их  отключением по обратному току (при помощи реле обратного тока). При этом судно обесточивается.  Такие случаи имели место на судах типа «Ленинский комсомол».

Поэтому на судах этой серии параллельно обмоткам якорей двигателей лебедок стали включать реле максимального напряжения, которые при напряжении на якоре U = 225…235 В, т.е. при переходе лебедок в режим рекуперативного торможения, отключали питание судовой сети от данной лебедки.

В то же время на электротранспорте электроэнергия, возвращаемая в сеть при рекуперативном торможении, позволяет уменьшить общий расход электроэнергии на 15…20%

При этом электровозы, идущие под уклон и работающие в режиме рекуперативного торможения, питают электроэнергией электровозы, идущие на подъем.

Положительная роль рекуперативного торможения при спуске тяжелых грузов состоит в том, что тормозной электромагнитный момент двигателя стабилизирует скорость спуска груза, не позволяя ему разгоняться свыше определенной скорости.

Реверс двигателей постоянного тока

4.1. Основные сведения

Под реверсом понимают изменение направления вращения двигателя на обратное.

Как следует из формулы электромагнитного момента двигателя             М = сIФ, изменить знак момента можно двумя способами:

  1. изменить направление тока в обмотке якоря, не изменяя знак магнитного потока

(т.е. не изменяя направление тока в обмотке возбуждения), при этом                       М = с (–I)Ф< 0;

2. изменить направление тока в обмотке возбуждения, не изменяя направление тока в обмотке якоря, при этом М = сI(– Ф) < 0.

4.2. Реверс изменением направления тока в обмотке якоря

Для реверса двигателя первым способом применяют схему реверсивного мостика, состоящую из контактов В1, В2 «Вперёд» и H1, H2 «Назад» (рис. 13.4.).

  

Рис. 13.4. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке якоря

Пары контактов В1-В2 и Н1-Н2 замыкаются поочерёдно. При направлении «Вперёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - В1 – обмотка якоря - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - H1 - обмотка якоря - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку якоря протекал в направлении сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх. При этом направление тока в параллельной обмотке возбуждения не изменялось.

Реверс изменением направления тока в параллельной обмотке возбуждения

Для реверса двигателя вторым способом применяют ту же схему реверсивного мостика, однако, меняют местами обмотку якоря и обмотку возбуждения (рис. 13.5).

Рис. 13.5 Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке возбуждения

При направлении «Вперёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - В1 - обмотка возбуждения - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - H1 - обмотка возбуждения - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку возбуждения протекал в направлении сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх.

При этом направление тока в обмотке якоря не изменялось.

Однако этот второй способ на практике не применяют из-за недостатков:

  1. при переключении контактов В1, В2 и H1, H2 существует момент времени, когда контакты К1, К2 уже разомкнулись, а контакты Н1,Н2 ещё не замкнулись. В этот момент ток в обмотке возбуждения равен 0, поэтому магнитный поток Ф, а значит, и противоЭДС обмотки якоря Е = k*ω*Ф = 0.

 При этом ток якоря двигателя увеличивается до значения

  I= (UE ) / R = ( U – 0 ) / R= U / R= I,

который в десятки раз больше номинального, что недопустимо;

2. одновременно в обмотке возбуждения индуктируется ЭДС самоиндукции

  е=  LdI/ dt

которая в десятки раз больше напряжения сети из–за крайне малого значения времени dt,  в течение которого ток возбуждения убывает до нуля (т.к. контакты В1, В2 и Н1,Н2 переключаются практически мгновенно).

Под действием этой ЭДС происходит пробой изоляции витков обмотки возбуждения.

Следует обратить внимание на то, что при изменении полярности напряжения питающей сети двигатель постоянного тока не реверсирует.

Это объясняется тем, что при переброске концов одновременно изменяется направление тока как в обмотке  двигателя, так и в параллельной обмотке возбуждения, а знак электромагнитного момента не изменяется:

М' = с ( I)( Ф) = М

Рис. 13.6 Схема включения двигателя постоянного тока при прямой (а) и обратной (б) полярности напряжения питающей сети

На рис. 13.6(а)  а ток якоря Iи ток возбуждения Iпротекают в направлении слева направо, а при изменении полярности – в направлении справа налево (рис. 13.6 б).

Реверс при этом не происходит.

Сказанное подтверждается на рис 13.6(в) и 13.6(г).

На рис. 13.6(в) произвольно выбрана полярность полюсов N и S и направление тока в верхнем проводнике (крестик) и нижнем (точка). Направление электромагнитных сил Fи F  найдено по правилу левой руки.  Якорь вращается в направлении против часовой стрелки.

 Если изменить полярность питающей сети, то одновременно изменится полярность полюсов (на рис. 13.6г  верхний полюс – S, а нижний – N) и направление тока в обмотке якоря (в верхнем проводнике – точка, в нижнем – крестик ).

Применяя правило левой руки, находим, что направление электромагнитных сил Fи F не изменилось, реверс не произошел.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70745. Исследование параллельного соединения катушки со стальным сердечником и конденсатора 61 KB
  Изменяя напряжение U с помощью автотрансформатора АТ снять вольтамперную характеристику катушки со стальным сердечником. По данным таблицы № 1 в одной системе координат построить вольтамперные характеристики катушки UkI конденсатора UCI и последовательного соединения катушки...
70746. Резонансный контур 718.5 KB
  Частоту свободных колебаний ω0 можно найти из равенства энергии: Учитывая что Um=ω0LIm находим: Период свободных колебаний как известно: Из равенства энергий найдем волновое сопротивление контура: На резонансной частоте реактивные сопротивления конденсатора и индуктивности равны...
70747. Статические характеристики и параметры полупроводниковых приборов 427.5 KB
  Цель работы изучить статические вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов рассчитать основные параметры биполярного транзистора. Если к переходам транзистора не приложено внешних разностей потенциалов то в pnпереходах существует...
70748. Простейшие усилительные каскады и обратная связь в усилителях 848 KB
  Устройство осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника источника питаний называется усилителем Общая структурная схема усилителя электрических сигналов представлена на рис.
70749. Операционный усилитель 456.5 KB
  В идеальном случае выходное напряжение ДУ не зависит от уровня каждого из входных сигналов а определяется только их разностью Это свойство ДУ обусловлено их применением в случаях когда измеряются очень слабые сигналы на фоне больших синфазных помех.
70750. Генерирование электрических колебаний 414 KB
  Цель работы экспериментально изучить некоторые схемы RС-генераторов квазигармонических и релаксационных колебаний.Это условие можно отдельно записать в виде двух условий для амплитуд и для фаз...
70751. Нелинейные ипараметрические преобразования сигналов 652.5 KB
  Сущность этого преобразования состоит о смещении спектра сигнала в ту или другую сторону по шкале частот. Вместе с тем в параметрический цепям возможны процессы связанные с возникновением новых частотных составляющих в спектре сигнала что существенно при переходе от линейных систем...
70752. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИИ 790 KB
  Физический эксперимент, проводимый с целью получения информации о количественной характеристике интересующего нас объекта или процесса; полученная информация содержит результат сравнения полученной величины с однородной величиной, принятой за единицу меры...
70753. Изучение зависимости момента инерции точечных тел от их расстояния до оси вращения с помощью крестообразного маятника Обербека 147.5 KB
  Цель работы: Изучить основной закон динамики вращательного движения тел определить момент инерции ненагруженного маховика и проверить зависимость момент инерции нагруженного маховика от распределения его массы в пространстве относительно оси.