Регулирование двигателей постоянного тока (Лекция №10)

1. Лекция №10 по дисциплине «Электрический привод»

Тема: «Регулирование
двигателей постоянного тока»

2. Способы регулирования скорости ДПТ НВ

Анализ уравнений статической (динамической) механической и
электромеханической характеристик
позволяет указать способы регулирования координат (скорость,
электромагнитный момент и ток якорной цепи) электропривода:
1)
изменением добавочного сопротивления в якорной цепи;
2)
изменением тока возбуждения (как следствие магнитного
потока);
3)
изменением подводимого к якорю напряжения.

3. Регулирование введением добавочного сопротивления в цепь якоря:

При введении добавочного сопротивления RДОБ в цепь якоря
снижается ток I, уменьшается момент двигателя М, динамический
момент MДИН = (М – МС) < 0 – становится отрицательным, начинает
снижаться скорость ω, уменьшается ЭДС двигателя E, что приводит
к росту тока и момента. Момент М стремится к МС, но
установившееся значение скорости ω будет меньше скорости
предыдущего режима.
Введение
RДОБ
–
простейший
способ
регулирования скорости
и ограничения тока в
переходных процессах.

4. Регулирование введением добавочного сопротивления в цепь якоря:

Поскольку напряжение U = UН и поток kФ = kФН остались равными
номинальным значениям, то скорость ω0Н остается постоянной
Жесткость искусственной механической характеристики
Электромеханическая характеристика при
таком способе регулирования будет иметь
вид:

5. Регулирование введением добавочного сопротивления в цепь якоря:

Реостатное регулирование как правило ступенчатое и только с
двигателями малой мощности возможно плавное регулирование
скорости при включении в цепь якоря переменного реостата.
Диапазон регулирования таким способом составляет D=1,5:1
Такое регулирование имеет существенно недостатки:
– уменьшается жесткость механических характеристик при
снижении угловой скорости, а потери мощности в главной цепи
возрастают;
– диапазон регулирования ограничен, особенно при малых нагрузках;
– невелики плавность и точность регулирования.
По этим причинам такой способ регулирования в приводе
постоянного тока используется редко.
Регулирование скорости производят только вниз от основной
(первая зона регулирования)

6. Расчет добавочных резисторов в цепи якоря:

Если
известна
естественная
электромеханическая
или
механическая
характеристика
1
двигателя
(см.
рис.)
и
его
паспортные данные, то расчет
сопротивления Rд, при включении
которого в цепь якоря желаемая
искусственная характеристика 2
пройдет через точку А с заданными
координатами ωи, Iи или ωи, Ми,
можно выполнить следующими
наиболее
распространенными
методами.

7. Метод пропорций:

Запишем
отношение
перепадов
скорости при токе Iи или моменте Ми
на естественной Δωе и желаемой
искусственной Δωи характеристиках:
Δωе / Δωи = Iи Rя / (Iи (Rя + Rд)) =
= Rя / (Rя + Rд).
Тогда искомая величина
Rд = Rя (Δωи / Δωе – 1).

8. Метод отрезков:

Метод отрезков не требует знания значения собственного
сопротивления двигателя Rя (более того, его значение можно
определить по известной естественной характеристике).
Запишем выражение для скорости двигателя на заданной
искусственной характеристике при номинальных токе Iн, моменте
Мн, магнитном потоке Фн и напряжении Uн:
ωи = Uн / (кФн) (1 – Iн R / Uн), где Uн / (кФн) = ω0.
Тогда ωи = ω0 (1 – R / Rн).
Здесь Rн = Uн / Iн – так называемое номинальное сопротивление,
являющееся базовой величиной при расчетах, Ом.
Соотношение R / Uн = (ω0 – ωи) / ω0 = δ отражает важное свойство
ДПТ НВ: относительный перепад скорости δ = Δω / ω0 равен
относительному активному сопротивлению цепи якоря R / Rн.

9. Метод отрезков:

Обозначим на рис характерные
точки а, b, с, d и отметим, что ω0 –
ωи = Δω = ас, ω0 = аd. Тогда R = Rн
Δω / ω0 = Rн ас/ аd; Rд = Rн bс / аd;
Rя = Rн аb / аd.
Таким образом, для нахождения
Rд
необходимо
сначала
по
характеристикам
определить
длины отрезков bс и аd при
номинальном токе или моменте и
рассчитать
номинальное
сопротивление Rн = Uн / Iн.
.

10. Метод отрезков:

Расчет добавочных резисторов можно выполнить также по
следующим формулам для заданного допустимого тока Iдоп,
который определяется величиной допустимого момента Мдоп или
условиями пуска, реверса и торможения.
Сопротивление резистора Rд1 при пуске (Е = 0)
Rд1 = (U / Iдоп) – Rя.
Сопротивление резистора Rд2 при динамическом торможении
Rд2 = (Е / Iдоп) – Rя ≈ (U / Iдоп) – Rя).
Сопротивление резистора Rд3 при реверсе или торможении
противовключением
Rд3 = ((U + Е) / Iдоп) – Rя ≈ (2U / Iдоп) – Rя.

11. Регулирование уменьшением тока возбуждения:

Увеличение потока двигателя Ф > ФН выше номинального возможно
лишь на (10…20)% из-за насыщения магнитной системы двигателя, но и
это можно выполнить лишь за счет существенного (в несколько раз)
увеличения тока возбуждения. Это увеличивает нагрев обмотки
возбуждения, рассчитанной только на номинальное значение тока. Поэтому
изменение потока Ф производят только вниз от номинального.
Снижение тока возбуждения iВ путем уменьшения напряжения UВ
на обмотке возбуждения или введением добавочного
сопротивления RВ в цепь обмотки возбуждения вызывает
уменьшение потока Ф, снижение Е, вследствие чего растет ток
якоря I, растет момент M, появляется и становится
положительным динамический момент MДИН > 0, что приводит к
росту скорости ω. С ростом скорости увеличивается E, снижается
ток I, момент M, который стремится к MC, но установившееся
значение скорости ω будет больше скорости предыдущего режима.

12. Регулирование уменьшением тока возбуждения:

Поскольку напряжение U = UН равно номинальному и сопротивление
якорной цепи R = rЯ равно невыключаемому, то уменьшение потока kФ
приводит к увеличению скорости идеального холостого хода
Жесткость механической характеристики уменьшается

13. Регулирование уменьшением тока возбуждения:

Режим изменения потока (ослабления поля) широко
применяется в установках, требующих регулирования скорости
при постоянстве мощности (например, в металлорежущих
стенках), в связи с его высокой экономичностью (мощность цепей
возбуждения составляет 2…5% от мощности двигателя).
Достоинства:
-высокая энергетическая эффективность;
-высокая плавность.
Недостатки:
- низкая стабильность (неустойчивая работа при высоких
скоростях);
- практически невозможно регулирование скорости вниз
(насыщение магнитной цепи).
Регулирование скорости возможно только вверх от основной
(вторая зона регулирования).

14. Регулирование изменением напряжения в якорной цепи:

Уменьшение напряжения U на якоре двигателя приводит к
снижению тока I, уменьшению момента M, динамический момент
становится отрицательным MДИН < 0, что приводит к снижению
скорости ω, уменьшается E, снижение которой ведет к росту тока I,
нарастанию момента M, который стремится к MC, но установившееся
значение скорости ω меньше скорости предыдущего режима.
Поскольку поток k⋅Ф = k⋅ФН равен номинальному и сопротивление
якорной цепи R = rЯ равно невыключаемому, то изменение
напряжения U приводит к изменению скорости идеального холостого
хода

15. Регулирование изменением напряжения в якорной цепи:

Жесткость
механической
характеристики
остается
постоянной
и
искусственные
характеристики
получаются
параллельным
переносом естественной характеристики.
Это основной способ регулирования скорости ДПТ
НВ является способ, основанный на изменении
подводимого к якорю напряжения, которое
осуществляется
с
помощью
специального
регулируемого преобразователя. В качестве
индивидуальных источников питания используют в
основном тиристорные преобразователи.

16. Регулирование изменением напряжения в якорной цепи:

Достоинства:
Высокая энергетическая эффективность
Высокая стабильность
Высокий диапазон регулирования.
Регулирование магнитного потока и напряжения в
якорной цепи могут быть совмещены, а также могут
применяться
в
современных
автоматизированных
системах:
Генератор-двигателя (Г-Д)
Управляемый выпрямитель – двигатель (УВ-Д)
Широтно-импульсный регулятор – двигатель (ШИР-Д)
Регулирование можно производить только вниз от основной
скорости (первая зона регулирования).

17. Импульсное регулирование:

Принцип импульсного регулирования частоты
вращения двигателя постоянного тока состоит в
том, что цепь якоря двигателя периодически
подключается к сети напряжением Uн, а затем
отключается. Выполняется это посредством ключа
SA (обычно бесконтактного). Обмотка возбуждения
ОВ двигателя при этом остается постоянно
включенной в сеть постоянного тока на напряжение
UB и возбуждение двигателя не прерывается. На
диаграмме
импульсы
напряжения
имеют
прямоугольную форму высотой Uном. При этом
импульсы продолжительностью tи чередуются с
паузами продолжительностью tп.

18. Импульсное регулирование:

За время импульса ток в цепи якоря Iя,
обладающей
некоторой
индуктивностью
Lя,
нарастает постепенно, достигая в конце импульса
наибольшего значения Imax При прекращении
импульса, т.е. при размыкании цепи якоря ключом
SA, ток в цепи якоря, обладающей индуктивностью,
уменьшается
также
постепенно,
так
как
поддерживается за счет ЭДС самоиндукции,
наводимой в цепи якоря с дросселем L1. Поэтому за
время паузы, когда цепь якоря разомкнута, ток якоря
не исчезает, а, замыкаясь через диод VD,
уменьшается постепенно, достигнув с двигателем
постоянного тока значения Imin к началу следующего
импульса напряжения.

19. Импульсное регулирование:

При этом цепь якоря оказывается под некоторым
постоянно действующим средним напряжением Ucp,
величина которого равна
U ср U ном tи / T U ном
где t и / T коэффициент управления
(скважность)
Уравнение механической характеристики при таком
регулировании будет иметь вид:
U ном I я rя
kФном

20. Задача. Условие

ДПТ НВ типа ПБСТ-53 имеет следующие паспортные данные:
Рн = 4,8 кВт; nн = 1500 об/мин; Uн = 220 В; Iн = 24,2 А;
Rя = 0,38 Ом; Iв.н = 0,8 А. Требуется определить:
1) сопротивление резистора, включение которого в цепь якоря
двигателя обеспечит прохождение искусственной механической
характеристики через точку с координатами ωи = 90 рад/с, Мн =
25 Н м;
2) сопротивления резисторов, включение которых ограничит
ток при пуске и торможении противовключением до уровня Iдоп
= 3 Iн.

21. Задача. Решение

1. Для нахождения сопротивления Rд используем метод пропорций,
предварительно определив требуемые параметры двигателя:
ωн = 2π nн /60; Мн = Рн / ωн; кФн = Мн / Iн;
ω0 = Uн / кФн; Δωе = (Ми Rя)/(кФн)2; Δωи = ω0 – ωи.
Тогда искомое сопротивление резистора
Rд = Rя ((Δωи / Δωе) – 1. )
2. Сопротивление пускового резистора
Rд1 = (U / Iдоп) – Rя
Сопротивление резистора, используемого при торможении:
Rд3 = ((U + Е) / Iдоп) – Rя ≈ (2U / Iдоп) – Rя

22. Задача. Решение

Для нахождения сопротивления Rд используем метод пропорций, предварительно
определив требуемые параметры двигателя:
ωн = 2π nн /60 = 2 3,14 1500/60 = 157 рад/с; Мн = Рн / ωн = 4800/157 = 30,6 Н м;
кФн = Мн / Iн = 30,6/24,2 = 1,3 В с; ω0 = Uн / кФн = 220/1,3 = 169 рад/с;
Δωе = (Ми Rя)/(кФн)2 = (25 0,38)/1,32 = 6 рад/с; Δωи = ω0 – ωи = 169 – 90 = 79 рад/с.
Тогда искомое сопротивление резистора
Rд = Rя ((Δωи / Δωе) – 1) = 0,38·((79/6) – 1) = 4,62 Ом.
Сопротивление пускового резистора
Rд1 = (U / Iдоп) – Rя = (220/3 24,2) – 0,38 = 2,65 Ом.
Сопротивление резистора, используемого при торможении:
Rд3 = ((U + Е) / Iдоп) – Rя ≈ (2U / Iдоп) – Rя = (2 220/3 24,2) – 0,38) = 5,7 Ом.

23. Контрольные вопросы:

Какие способы регулирования скорости ДПТ вы знаете?
Какие достоинства и недостатки регулирования скорости
ДПТ реостатным способом? В каком направлении можно
регулировать скорость данным способом?
3) Какие достоинства и недостатки регулирования скорости
ДПТ изменением тока возбуждения? В каком направлении
можно регулировать скорость данным способом?
4) Какие достоинства и недостатки регулирования скорости
ДПТ изменением напряжения, подводимого к якорю? В каком
направлении можно регулировать скорость данным способом?
5) В чем заключается сущность импульсного регулирования?
1)
2)