Элементы автоматических устройств ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПУСК
ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПУСК

Общие сведения о двигателях постоянного тока. Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т.д.)

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подразделяются аналогично генераторам на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащую величину пускового момента и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.

Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непосредственно к сети;

2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока;

3) путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения IHOMΣRa во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5..10% от UΗΟΜ, поэтому при прямом пуске ток якоря Iп= Uном/ΣRа = (10...20)Iном, что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. Поэтому прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ΣRa относительно велико, и лишь в отдельных случаях для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт. При прямом пуске таких двигателей IП = (4...6)IНОМ.

Переходный процесс изменения частоты вращения η и тока якоря ia в процессе пуска определяется нагрузкой двигателя и его электромеханической постоянной времени Тм.

Время переходного процесса при пуске принимается равным (3...4)ТМ. За это время частота вращения η достигает (0,95...0,98) от установившегося значения пн, а ток якоря 1а также приближается к установившемуся значению.

Реостатный пуск. Этот способ получил наибольшее применение. В начальный момент пуска при п = 0 ток Iп= U/(ΣRa+Rn). Максимальное сопротивление пускового реостата RΏ подбирается так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пуске IП = (1,4...1,8)IНОМ, а для машин малой мощности Iп = (2...2,5)Iном ..

Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 6 (рис. 7-1,а), соответствующей максимальному значению сопротивления Rn пускового реостата; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мпmах. Регулировочный реостат Rp.B в этом случае выводится так, чтобы ток возбуждения Iв и поток Φ были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением частоты вращения возрастает ЭДС Ε и уменьшается ток якоря 1а = (U-Е)/(ΣRа + RП). При достижении некоторого значения Mnmin часть сопротивления пускового реостата выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Mпmах. При этом двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 5 и разгоняется до значения Mnmin.

Рис. 7-1. Графики изменения частоты вращения, момента и тока якоря при реостатном пуске двигателя с параллельным и последовательным возбуждением

Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатных характеристик 6, 5, 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис.7-1,а) до выхода на естественную характеристику 1. Средний вращающий момент при пуске Мп.ср = 0,5(Mnmax + Mnmin) = const, вследствие чего двигатель разгоняется с некоторым постоянным ускорением. Таким же способом пускается в ход двигатель с последовательным возбуждением (рис.7-1,б). Количество ступеней пускового реостата зависит от жесткости естественной характеристики и требований, предъявляемых к плавности пуска (допустимой разности MnmaxMnmin). Пусковые реостаты рассчитывают на кратковременную работу под током.

При выводе отдельных ступеней пускового реостата ток якоря 1а достигает некоторого максимального значения (рис.7-1,в), а затем уменьшается до минимального значения. В соответствии с изменением тока якоря изменяется и электромагнитный момент М. Заштрихованная на рис. 7-1,в область соответствует значениям динамического момента МДИН = М-Мн, обеспечивающего разгон двигателя до установившейся частоты вращения.

Пуск путем плавного изменения питающего напряжения. При реостатном пуске возникают довольно значительные потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пуск двигателя осуществить при пониженном напряжении с последующим плавным повышением напряжения, подаваемого на его обмотку. Однако для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой источник используют также для регулирования частоты вращения двигателя.

Свойство саморегулирования. Двигатели постоянного тока, как впрочем, и двигатели переменного тока, обладают при соблюдении условий устойчивости замечательной способностью автоматически, без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться к изменившимся условиям работы. В этом смысле можно сказать, что электрические двигатели обладают свойством саморегулирования. Проиллюстрируем сказанное на примере двигателя параллельного возбуждения.

Допустим, что такой двигатель работает при U=const, iв=const и, следовательно, Фδ≈const и статический момент сопротивления Мст, развиваемый рабочей машиной, увеличивается. Тогда М<Мст, возникает динамический момент Мдин<0, исходя из равенства М=Мстдин. Также n начинает уменьшаться. Но при этом будет уменьшаться также Еа, ток Iа (из уравнения скоростной характеристики двигателя) и момент М (согласно выражению М=смФδIа) начнут увеличиваться, причем это будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов М=Мст. Аналогичным образом изменяется также режим, если Мст уменьшится, причем в этом случае n и Еа начнут увеличиваться, а Iа и М – уменьшаться до тех пор, пока снова будет М=Мст и Мдин=0.

Изменение направления вращения (реверс). Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного момента М, действующего на якорь. Это можно осуществить двумя способами: путем изменения направления тока 1а в обмотке якоря или изменения направления магнитного потока Ф, т. е. тока возбуждения. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или обмотке возбуждения.