Доклад на тему: "Двигатели постоянного тока"

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов. Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса. Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех. Асинхронные машины относятся к классу электромеханических преобразователей, т.е. преобразователей электрической энергии в механическую или механической в электрическую. В первом случае они называются двигателями, а во втором - генераторами. Все электрические машины обладают свойством обратимости и могут осуществлять преобразование энергии в обоих направлениях, поэтому при изучении процессов в машинах пользуются понятиями двигательного и генераторного режимов. Однако при разработке и изготовлении машины оптимизируются для условий работы в одном из режимов и используются в соответствии с назначением. Асинхронные машины не являются исключением из этого правила, но асинхронные генераторы значительно уступают синхронным по многим параметрам и редко используются на практике, в то время как асинхронные двигатели являются самыми распространёнными электромеханическими преобразователями. Суммарная мощность асинхронных двигателей составляет более 90% общей мощности всех существующих двигателей, поэтому в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только этого типа машин. Асинхронные двигатели относятся к бесколлекторным машинам переменного тока или машинам с вращающимся магнитным полем. Название асинхронные (несинхронные) объясняется тем, что в статическом режиме работы скорость вращения ротора (вращающейся части) двигателя отличается от скорости вращения магнитного поля, т.е. ротор и поле вращаются несинхронно.1. Жесткость механических характеристикСтепень изменения скорости с изменением момента для различных машин различна и характеризуется жесткостью их механических характеристик.Жесткость механической характеристики — отношение разности моментов к соответствующей разности угловых скоростейПо жесткости механические характеристики ЭД можно разделить на четыре основные категории.1. Абсолютно жесткая — это характеристика, при которой скорость с изменением момента остается постоянной (синхронные двигатели — рис. 1, характеристика 1; двигатели постоянного тока с компаундной (смешанной) обмоткой возбуждения — характеристика 1а). Для них р = «>.Рис. 1.. Механические характеристики электрических двигателей2. Жесткая — характеристика, при которой незначительное изменение скорости вызывает значительное изменение момента (см. рис. 1., характеристика 2).Такой характеристикой обладают «шунговые» двигатели постоянного тока (с параллельной обмоткой возбуждения, характеристика 2), а также асинхронные двигатели в пределах рабочей ветви механической характеристики (рабочая ветвь характеристики 2а).3. Мягкая — характеристика, при которой с изменением момента скорость изменяется значительно. Ею обладают «сериесные» двигатели постоянного тока (с последовательной обмоткой возбуждения, характеристика 3).4. Абсолютно мягкая — характеристика, при которой момент двигателя с изменением угловой скорости остается практически постоянным. Абсолютно мягкой характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании их от постороннего источника тока (характеристика 4). Такие характеристики называют специальными.Жесткость механических характеристик двигателя с независимым возбуждением.;;;;;На практике для оценки жесткости механических характеристик двигателя используют параметры падения скорости по сравнению с w0.w=w0-w; ; .Для естественной характеристики надо принимать, что rпя=0.wхарактеризует крутизну механической характеристики, т.е. величину обратную жесткости и, чем больше крутизна механических характеристик, тем меньше модуль жесткости.Понятие об относительных единицах.Для сравнения характеристик машин различной мощности и машин различных серий, их удобно представить в относительных единицах, т.е. привести к базовым величинам.Iб=Iн;Uб=Uсн;Фб=Фн;;;Нб=Мн=КФIян;Рб=UбIя=UснIян.В относительных единицах параметры записываются следующим образом:;;;;;;;.Тогда уравнение механических и электромеханических характеристик в относительных единицах примут следующий вид:;.При Uс=UниФ=Фнэти уравнения примут следующий вид:w=1-Iя(rя+rпя);w=1-Мя(rя+rпя);Если Iя=1 w=rя+rпяДля естественной характеристики: w=rя;Iя=1(Iя+Iн); Мя= IяприФ=Фн.Жесткость при относительных единицах:При естественной характеристике:2. Тормозной режим противовключения асинхронного двигателя при реактивном моменте сопротивления (условия подключения, принципиальная схема, графики механических характеристик)АД может работать во всех трех тормозных режимах:а) с рекуперацией энергии в сеть;б) противовключение;а) Торможение с рекуперацией энергии в сеть .При отсутствии внешнего статического момента на валу двигатель, подключенный к сети будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной. При этом из сети потребляется энергия, необходимая для покрытия потерь. Если за счет внешней силы ротор вращается с синхронной скоростью, то сеть будет покрывать только потери в статоре, а потери в роторе (механические и в стали) будут покрываться внешней силой.В двигательном режиме, когда вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмоток статора и ротора в одинаковом направлении, ЭДС статора Е1 и ротора Е2 совпадают по фазе. При w=w0 ЭДС в роторе не наводится, т.е. равна 0. При w>w0 проводники обмотки статора пересекаются вращающимся полем в прежнем направлении, а проводники ротора – в противоположном.ЭДС ротора Е2 меняет свой знак на обратный; машина переходит в генераторный режим с рекуперацией энергии. Что касается тока, то изменяет свое направление только его активная составляющая. Реактивная составляющая при отрицательном скольжении сохраняет свое направление. Это видно и из выражения для тока ротора (при S<0 S2>0).Такие же выводы можно сделать и на основе анализа активной (электромагнитной) и реактивной мощностей. Действительно, из выражения для РЭМ следует, что при S<0 PЭМ>0  Т.е. активная мощность меняет направление (передается в сеть), а из выражения для Q2 следует, что при S<0 реактивная мощность вторичного контура Q2 сохраняет свой знак независимо от режима работы машины.Это значит, что асинхронная машина как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля.Торможение с отдачей энергии в сеть используется в подъемно-транспортных установках, при спуске тяжелых грузов. Под действием груза ротор машины будет вращаться со скоростью w>w0, машина переходит в генераторный режим и начинает создавать тормозной момент. При равенстве M=Mc груз будет опускаться с установившейся скоростью wc, как показано на рисунке. Необходимо иметь в виду, что для обеспечения нормального спуска груза Mc не должен превышать критический момент в генераторном режиме. При реактивном моменте сопротивления кратковременно режим с рекуперацией энергии в сеть можно получить, если АД допускает переключение обмотки статора с одной пары полюсов на другую, как показано на приведенном графике. Режим с рекуперацией имеет место на участке ВС после переключения обмотки статора с числа пар полюсов rП=1 на rП=2 .б) торможение противовключением.В режиме противовключения ротор двигателя вращается в направлении, противоположном действию момента двигателя. Его скольжение S>1, а частота тока в роторе больше частоты питающей сети (  ). Поэтому несмотря на то, что ток ротора больше номинального в 7 –9 раз, т.е. больше пускового тока, момент в следствие большой частоты тока, следовательно большого индуктивного сопротивления роторной цепи (  ), будет невелик. Поэтому для увеличения момента и одновременного уменьшения тока в цепь ротора включают большое добавочное сопротивление, величину которого можно подсчитать по выражениюГде Е20 - номинальная ЭДС ротора при S=1Sн – номинальное скольжениеSн и – скольжение при номинальной нагрузке на искусственной характеристике.При спуске груза в режиме противовключения торможение протекает на прямолинейном участке механической характеристики, жесткость которой определяется активным сопротивлением в цепи ротора. Механическая характеристика АД при тормозном спуске груза в режиме противовключения изображена на рисунке. Для торможения противовключением при реактивном моменте сопротивления необходимо на ходу двигателя изменить порядок следования фаз питающего напряжения и одновременно ввести в цепь ротора добавочное сопротивление с целью ограничения первоначального броска тока и одновременного увеличения тормозного момента. Механическая характеристика в этом случае выглядит так, как показано на рисунке. Торможение противовключением КЗАД при реактивном моменте сопротивления не эффективно, так как начальный тормозной момент при скольжении, близком к 2, из-за большого реактивного сопротивления, равного , будет незначительным (см. рис. отрезок ).