Судовые электроприводы с двигателями независимого возбуждения

Двигательный режим (рис. 1). Аналитическое выражение механической характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения можно получить из уравнения равновесия напряжений для цепи якоря. В установившемся режиме приложенное напряжение U уравновешивается э. д. с. Е, наведенной в обмотке якоря, и падением напряжения Ir в ее цепи

где I — ток в цепи якоря, А; r — сопротивление цепи якоря, Ом.

Подставив в выражение Е = сФw, получим выражение для угловой скорости электродвигателя постоянного тока, являющееся уравнением его электромеханической характеристики,

где с — постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами электрической машины; Ф — магнитный поток, Вб.

При постоянном токе возбуждения и без учета реакции якоря магнитный поток двигателя независимого возбуждения можно считать постоянным. Обозначив k=cФ, w₀=U/k и представив I через вращающий момент М, с помощью уравнения M = cIФ получим выражение механической характеристики двигателя независимого возбуждения

Из выражения видно, что механическая характеристика линейна. Ее наклон зависит от величины сопротивления цепи якоря r и коэффициента k. Увеличение r приводит к увеличению наклона механической характеристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 1, б). Угловая скорость идеального холостого хода w₀ определяется при этом напряжением U и магнитным потоком Ф.

В процессе работы электропривода часто возникает необходимость в реверсировании — изменении направления вращения двигателя, для чего необходимо изменить направление развиваемого двигателем момента М. 

Как видно из выражения M = cIФ, для этого достаточно изменить направление тока якоря I, либо магнитного потока Ф. Реверс обычно осуществляют изменением полярности напряжения на зажимах якоря, что приводит к изменению направления тока I.

Рис. 1. Схема включения (а) и механические характеристик (б) двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Для ограничения тока при пуске двигателя в цепь якоря вводят пусковые резисторы, состоящие обычно из нескольких ступеней. По мере разгона двигателя эти резисторы шунтируются.

Расчет ступеней пусковых резисторов можно выполнить следующим графическим методом.

Первоначально строят естественную механическую характеристику по точкам, соответствующим холостому ходу М = 0; w = w₀ и номинальному режиму М = Mн; w = w_н. 

Затем строят искусственные механические характеристики, на которых двигатель работает в процессе пуска. С этой целью на оси абсцисс откладывают момент включения М1, ограничиваемый по условиям коммутации величиной  (2,0 - 2,5) Мн; момент переключения М2, который для обеспечения соответствующих ускорений при пуске выбирают в пределах (1,2 — 1,5) Мc) где Мс — момент сопротивления на валу двигателя (см. рис. 1, б). Соединяя точки е₁ и w₀, получают искусственную механическую характеристику, 4 при работе двигателя с полностью введенными пусковыми резисторами. 

По мере разгона двигателя развиваемый им момент уменьшается. Когда угловая скорость достигнет значения, соответствующего точке е, момент будет равен моменту переключения М2. 

При этом шунтируют первую ступень пускового резистора. За время шунтирования, вследствие инерционности электропривода, угловая скорость не уcпевает измениться. Поэтому двигатель переходит на следующую искусственную характеристику 3 по линии ed₁ параллельной оси абсцисс. 

При достижении двигателем угловой скорости, соответствующей точке d, шунтируют вторую ступень пускового резистора. Двигатель переходит на искусственную характеристику 2 и т. д. (r_доб2 < r_доб3 < r_доб4). По окончании процесса пуска все ступени пусковых резисторов зашунтированы: двигатель работает на естественной характиристике 1 (r_доб1 = 0). Установившееся значение угловой скорости wc определяется  при этом величиной момента сопротивления Мс.

Из выражения:

видно, что при одном и том же значении момента М падение скорости пропорционально полному сопротивлению цепи якоря r. Например, при моменте М2 отрезок ab, дающий величину падения угловой скорости двигателя при его работе на естественной характеристике, пропорционален сопротивлению обмотки якоря и дополнительных полюсов,. Отрезок ае пропорционален полному сопротивлению цепи якоря двигателя при пуске, отрезок ad — сопротивлению цепи якоря за вычетом сопротивления первой ступени и т. д. Отрезки bc, cd, de между механическими характеристиками пропорциональны сопротивлению отдельных ступеней. Таким образом, их величину (Ом) можно определить из соотношений вида:

где r_я — сопротивление обмотки якоря; r₁, r₂, r₃ — сопротивления первой, второй, третьей ступеней пускового резистора. 

Возможные способы регулирования частоты вращения n (угловой скорости) двигателей постоянного тока — согласно уравнению

изменением сопротивления цепи якоря r; изменением магнитного потока двигателя Ф; изменением напряжения U, подводимого к якорю двигателя.

Регулирование n изменением сопротивления цепи якоря r осуществляется ступенчато, вниз от номинальной.

Диапазон регулирования при этом в значительной степени зависит от величины и характера нагрузки. При уменьшении момента сопротивления на валу двигателя диапазон регулирования n уменьшается. 

В режиме идеального холостого хода регулировать этим способом нельзя. При введении резисторов в цепь якоря жесткость механических характеристик уменьшается (см. рис. 1, б), что снижает стабильность работы двигателя. Метод неэкономичен; используется в приводах с кратковременной работой при пониженных частотах вращения; достоинства — простота и сравнительно невысокая стоимость оборудования.

Регулирование n изменением магнитного потока Ф. Применяется для изменения частоты вращения двигателей вверх от номинальной (рис. 2, а). При введении резистора в цепь обмотки возбуждения Ф двигателя уменьшается. Это приводит к уменьшению коэффициента k, к увеличению угловой скорости идеальною холостого хода w₀. Как видно из уравнения

наклон механической характеристики при этом возрастает. В регулируемых двигателях диапазон регулирования частоты вращения ослаблением магнитного потока лежит в пределах от 2:1 до 5:1. Регулирование осуществляется плавно и экономично.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения U. Применяется для изменения n вниз от номинальной. Магнитный поток двигателя Ф при этом остается постоянным. Как видно из уравнения, уменьшение U при Ф = const приводит к уменьшению угловой скорости идеального холостого хода w₀. Наклон механических характеристик при этом не меняется: k = const; r = const (рис. 2, б). Изменение напряжения на зажимах якоря может быть осуществлено при питании двигателя от отдельного генератора (система генератор — двигатель) путем изменения тока возбуждения последнего. 

Рис. 2. Механические характеристики двигателя независимого возбуждения: а — при ослаблении магнитного потока Ф и при r = const; б — при уменьшении напряжения U и Ф = const; 1 — естественная; 2, 3, 4 — искусственные характеристики

Для этой же цели используют ионные и полупроводниковые преобразовательные устройства. Диапазон регулирования частоты вращения двигателя в этих системах может быть очень большим, до 1000 : 1 и выше. Регулирование осуществляется плавно и достаточно экономично. Однако затраты на оборудование значительны.

Тормозные режимы. Для осуществления быстрой остановки и реверса рабочего механизма широко используют тормозные режимы электродвигателей, позволяющие без дополнительных механических устройств сократить время торможения и реверса, что увеличивает производительность механизма. В ряде случаев быстрая остановка необходима для предотвращения аварии.

В приводах с двигателями независимого возбуждения находят применение следующие тормозные режимы: генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное); торможение противовключением; динамическое торможение.

Рис. 3. Механические характеристики двигателя независимого возбуждения: 1, 2 (II квадрант); 4 IV квадрант) — в режиме рекуперативного торможения; 3 (IV квадрант, 5 (II квадрант) — в режиме торможения противовключением; 6, 7 (II, IV квадранты) — в режиме динамического торможения

Генераторное (рекуперативное) торможение

При угловой скорости двигателя w, большей угловой скорости идеального холостого хода w₀, он переходит в режим генераторного торможения. Э. д. с. двигателя становится больше напряжения сети. Механическая энергия, поступающая с вала рабочей машины, превращается в электрическую и отдается в сеть. Направление в цепи якоря и знак момента изменяются. Двигатель развивает тормозной момент. Выражение для механической характеристики при этом примет вид:

Механические характеристики в режиме генераторного торможения представляют собой продолжение механических характеристик двигательного режима во II либо IV квадранты (рис. 3, прямые 1, 2, 4). Увеличение сопротивления цепи якоря при этом приводит к уменьшению тормозного момента. Генераторное торможение с отдачей энергии в цепь экономично, но может быть использовано только при w > w₀. Оно находит применение на электрифицированном транспорте и в грузоподъемных механизмах для тормозного спуска груза с w > w₀.

Торможение противовключением имеет место в случае, когда якорь вращается в направлении, противоположном действию момента, развиваемого двигателем за счет массы груза, либо запаса кинетической энергии. Механические характеристики в режиме противовключения показаны на рис. 3. Точка а здесь соответствует двигательному режиму. Ток, потребляемый двигателем, при этом будет:

Введение резистора r_доб в цепь якоря двигатели механизма, поднимающего груз (точка а), переводит его на крутопадающую искусственную характеристику 3. Момент, развиваемый двигалем, становится меньше момента сопротивления Мс, обусловленого массой груза (точка b). Последнее приводит к снижению угловой скорости двигателя (участок bс). В точке с w = 0 и ток якоря:

Если при этом момент Мс будет больше момента, развиваемого двигателем, якорь начнет вращаться в сторону спуска груза. Изменение направления вращения приведет к изменению знака э. д. с. Ток, потребляемый якорем двигателя, при этом будет:

Двигатель переходит в режим торможения противовключением (характеристика 3, участок се). Точка d на этом участке соответствует установившемуся режиму. Момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления. Осуществляется тормозной спуск груза с установившейся угловой скоростью wd.

В электроприводах механизмов с моментом сопротивления, обусловленным силами трения, для перевода двигателя в режим противовключения необходимо изменить направление его момента. 

С этой целью обычно меняют полярность напряжения на зажимах якоря. Одновременно для ограничения тока в его цепь вводят резистор r_доб. На рис. 3 этому соответствует переход из точки а в точку f. 

Под действием запаса кинетической энергии якорь двигателя вращается в прежнем направлении, в то время как развиваемый им момент действует в обратном направлении. Осуществляется торможение противовключением (отрезок fg характеристики 5). Если реверс двигателя не нужен при w = 0 (точка g), двигатель отключают от цепи. В режиме противовключения электродвигатель может развивать большие тормозные моменты. Недостатком этого вида торможения является малая экономичность. Торможение противовключением находит широкое применение в реверсивных приводах.

Динамическое торможение — для осуществления его обмотку якоря отключают от цепи и замыкают на резистор. Обмотка возбуждения остается подключенной к цепи. Электродвигатель в этом случае работает в режиме генератора. Кинетическая энергия, запасенная в движущихся элементах системы двигатель — рабочая машина, превращается в электрическую и рассеивается в виде тепла в сопротивлениях цепи якоря. Выражение механической характеристики при этом принимает вид:

Механические характеристики в режиме динамического торможения представляют собой прямые, проходящие через начало координат (рис. 3, прямые 6, 7). Для данных значений коэффициента k наклон механических характеристик зависит от величины сопротивления цепи якоря r. Увеличение r ириводиг и уменьшению тормозного момента при одинаковых скоростях.

Динамическое торможение экономично. Оно широко используется в нереверсивных приводах.

Система управляемый полупроводниковый выпрямитель — двигатель (УПВ-Д). Развитие полупроводниковой техники привело к созданию статических преобразователей электроэнергии на основе управляемых полупроводниковых приборов — тиристоров и к использованию их для регулируемого электропривода (рис. 4, а).

Рис. 4. Принципиальная схема (а) и механические характеристики (б) системы УПВ-Д при различных значениях угла открытия тиристоров a(a₁<a₂<a₃<a₄<a₅)

Преобразование переменного тока в постоянный и изменение величины его напряжения для регулирования частоты вращения двигателя осуществляются управляемым полупроводниковым выпрямителем, выполненным на основе тиристоров. При изменении угла открытия тиристоров Т1—Т6 в трехфазной мостовой схеме выпрямителя, осуществляемом системой управлений СУ, изменяется величина среднего напряжения на выводах якоря двигателя. 

При увеличении угла открытия а среднее напряжение уменьшается, угловая скорость двигателя снижается. В зависимости от величины а, нагрузки на валу двигателя и индуктивности цепи якоря двигатель может работать в режиме непрерывных либо прерывистых токов якоря. 

В режиме непрерывных токов механические характеристики в системе УПВ—Д отличаются от соответствующих характеристик в системе Г—Д (генератор-двигатель) только несколько меньшей жесткостью (прямые на рис. 4, б - справа от пунктирной линии). 

В зоне прерывистых токов при снижении нагрузки на валу двигателя его угловая скорость значительно возрастает (участки характеристики слева от пунктирной линии рис. 4, б). За счет введения сглаживающих дросселей СД в цепь якоря двигателя зона прерывистых токов может быть сокращена до нескольких процентов номинального тока. По сравнению с системой Г—Д система УПВ—Д имеет более высокий к. п. д., меньшие массу и габариты. Диапазон регулирования частоты вращения электроприводов в системе УПВ—Д с тиристорными преобразователями достигает 2000: 1.