Судовые электроприводы с двигателями последовательного возбуждения

Как видно из схемы включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 1), ток якоря двигателя является его током возбуждения. Это обусловливает изменение магнитного потока в широком диапазоне, что оказывает существенное влияние на вид механической характеристики.

Считая магнитную цепь двигателя ненасыщенной и зависимость между током возбуждения и магнитным потоком линейной, можно написать:

Как видно из выражения, механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения имеет гиперболический характер. В реальных машинах зависимость между током возбуждения и магнитным потоком нелинейна и определяется кривой намагничивания. В связи с этим выражение дает лишь общее представление о механической характеристике.

Для построения механических характеристик двигателя последовательного возбуждения используют графические либо графоаналитические методы. Естественную механическую характеристику при этом строят по зависимостям n = f(I) и М = ф(I), приводимым в каталогах. На рис. 1 показаны механические характеристики двигателя последовательного возбуждения в различных режимах. Уменьшение магнитного потока, вызванное уменьшением тока якоря, приводит к повышению угловой скорости двигателя, особенно значительному в зоне малых моментов. Работа в режиме холостого хода невозможна. При введении резисторов в цепь якоря механические характеристики смещаются вниз, наклон их возрастает. Искусственные механические характеристики строят по точкам. 

Для этого определяют угловую скорость двигателя при работе с введенными в цепь якоря резисторами. Угловая скорость двигателя на естественной характеристике:

где r_д  — сопротивление двигателя — обмотки якоря в возбуждения.

Угловая скорость двигателя на искусственной характеристике:

где r_р — сопротивление резистора.

Рис. 1. Схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения: 1 - естественная; 2, 3, 4, 5 - искусственные

При работе двигателя на естественной и искусственной характеристиках с одинаковыми токами якоря величина сФ будет одной и той же. Это позволяет записать:

Задаваясь рядом значений токов I и определяя по естественной характеристике соответствующие им значения we, подсчитываю w_и. По заданной зависимости M = ф(I) находят величину М, соответствующую токам I. По точкам w_и, М строят искусственную механическую характеристику.

Пусковые резисторы для двигателей последовательного возбуждения можно рассчитать, воспользовавшись следующим графо-аналитическим методом (рис. 2). На оси абсцисс вправо от начала координат откладывают ток включения I₁ и ток переключения I₂. Точки на естественной характеристике, соответствующие угловым скоростям при этих токах, сносят на вертикаль Af (точки f, е). Отрезок АО при этом дает в масштабе величину сопротивления двигателя r_д. Находят сопротивления r₁ = U/I₁ и r₂ = U/I₂. Их величину в масштабе откладывают влево от начала координат (отрезки Оа, Og). Точки g и f, а и е соединяют прямыми, которые представляют собой зависимость w = f(r) при I₂ = const и I₁ = const соответственно.

Рис. 2. К расчету пусковых резисторов двигателя последовательного возбуждения

Пуск двигателя осуществляется с полным сопротивлением цепи якоря, равным r₁ (отрезок Оа), и током, потребляемым из сети I₁ (точка а). По мере разгона двигателя (отрезок ab) ток якоря уменьшается, сопротивление цепи якоря остается постоянным (отрезок Оа). 

В точке b угловая скорость двигателя равна w₁, ток якоря равен току переключения I₂.

Происходит шунтирование первой ступени пускового резистора. Полное сопротивление цепи якоря при этом определяется отрезком сс1; ток в цепи якоря возрастает до величины I₁ (точка с). 

Продолжается разгон двигателя (отрезок cd). В точке d угловая скорость двигателя достигает величины w₂, ток — I₂. Шунтируют вторую ступень пускового резистора. Ток двигателя возрастает при этом до величины I₁, полное сопротивление цепи якоря определяется отрезком ее₁, равным сопротивлению r_д. Двигатель выходит на естественную характеристику. Как видно из построения, отрезки bс и de дают величину сопротивления первой и второй ступени соответственно.

Торможение в приводах с двигателями последовательного возбуждения: используется только два режима — торможение противовключением и динамическое торможение.

Торможение противовключением осуществляется так же, как и у двигателя независимого возбуждения — введением резисторов в цепь якоря (тормозной спуск в грузоподъемных механизмах), либо изменением полярности напряжения на зажимах якоря двигателя. Для ограничения тока одновременно вводится резистор. Механические характеристики при этом показаны на рис. 1, б — участки cd и ef характеристик 4, 5.

Динамическое торможение двигателя может быть осуществлено как при независимом возбуждении, так и с самовозбуждением.

В первом случае обмотка последовательного возбуждения подключается к сети вместе с ограничительным резистором. Двигатель работает в режиме генератора независимого возбуждения. Механические характеристики при этом будут такими же, как и у двигателей независимого возбуждения (см. рис. 3, прямые 6, 7).

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

Во втором случае обмотка якоря, включенная последовательно с обмоткой возбуждения, замыкается на резистор. Двигатель работает в режиме генератора последовательного возбуждения. Для осуществления самовозбуждения при этом направление тока в обмотке возбуждения должно остаться неизменным.

Регулирование частоты вращения n двигателей последовательного возбуждения осуществляется как и у двигателей независимого возбуждения изменением сопротивления в цепи якоря, изменением величины магнитного потока, либо напряжения на якоре двигателя.

Регулирование n изменением сопротивления в цепи якоря осуществляется ступенчато, вниз от номинальной (характеристики 2, 3, 4 на рис. 1, б). Диапазон регулирования зависит от величины момента сопротивления и не превышает 3:1. Регулирование неэкономично, однако благодаря своей простоте находит применение в крановых и тяговым установках.

Для получения жестких механических характеристик при низких частотах вращения используются схемы с шунтированием якоря (рис. 4). Ток возбуждения I_п в этом случае равен сумме токов якоря I и Iш. При данном значении тока якоря I и уменьшении сопротивления резистора rш токи I_ш и I_п возрастают. Это приводит к увеличению магнитного потока двигателя и падению напряжения на резисторе r_п. Угловая скорость двигателя снижается. При этом возможна работа двигателя на низких угловых скоростях и в режиме холостого хода (рис. 4, кривые 2, 3).

Вследствие низкой экономичности схемы с шунтированием якоря используют только для кратковременной работы на небольших угловых скоростях.

Регулирование n изменением тока возбуждения осуществляется ступенчато, вверх от номинальной. С этой целью обмотку возбуждения шунтируют резистором с небольшим сопротивлением, что приводит к уменьшению тока возбуждения при данном значении тока якоря, к ослаблению магнитного потока и росту угловой скорости. Диапазон регулирования в этом случае не превышает 2:1. Регулирование экономично.

Регулирование n изменением напряжения. Изменение U осуществляют либо путем питания двигателя от отдельного источника с регулируемым напряжением, либо за счет последовательно-параллельного включения якорей двух двигателей, приводящих в движение один и тот же механизм.

Рис. 4. Схема включения и механические характеристики двигателя последовательного возбуждения: 1 — естественная; 2, 3 — искусственные при шунтировании якоря

При последовательном включении якорей напряжение на их выводах уменьшается в два раза, соответственно уменьшается и частота вращения. Регулирование— экономично, без потерь в каких-либо резисторах.