Краткие теоретические сведения. Расчетная схема двигателя параллельного приводится на рисунке 5.1.

Двигатели параллельного возбуждения, питаемые от источника постоянного напряжения, применяются обычно для длительного режима работы, когда требуется широкое регулирование частоты вращения, например для металло­обрабатывающих станков, для листоправильных машин в прокатных станах, для главных приводов трубопрокат­ных станов и т. п., а также широко приме­няются в системах генератор-двигатель и повсеместно заменяющей ее системе: тиристорный преобразователь-двигатель.

Расчетная схема двигателя параллельного приводится на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Расчетная схема двигателя параллельного возбуждения

 

Основой расчета характеристик двигателей является зависимость э.д.с. и момента от параметров двигателей:

 

где Ε – э. д. с. якоря, В; I_я – ток якоря, А; Ф – маг­нитный поток одного полюса, Вб; ω – угловая частота вра­щения, рад/с; р – число пар главных полюсов; Ν – число проводников на якоре; a – число пар параллельных ветвей якоря.

При использовании в расчетах вместо угловой скорости ω в рад/с частоты вращения n в об/мин конструктивный коэффициент С называют механической постоянной С_м, а электрическую постоянную С_Е определяют из выражения

(5.3)

Из приведенных формул (5.2) и (5.3) вытекает весьма полезное соотношение электрической постоянной С_Е и меха­нической постоянной С_м:

. (5.4)

Физический смысл этого отношения становится ясным, если произвести простые преобразования в (5.2) и (5.3):

откуда получим:

(5.5)

т. е. отношение постоянных электрической С_Е к механи­ческой С_м есть отношение электромагнитной мощности, выраженной в электрических величинах (EI_я, В×А), к той же электромагнитной мощности, выраженной в механи­ческих величинах (Мn, Н·м·об/мин).

Формула (5.2) дает электромагнитный момент. В расче­тах мы будем пренебрегать относительно малыми механи­ческими и вентиляционными потерями в двигателе и счи­тать моменты двигателя на валу равными электромагнит­ным моментам.

Чтобы представить (5.2) и (5.3) в относительных значе­ниях, примем за единицы:

U_н – номинальное напряжение двигателя, В;

I_{я н} – номинальный ток якоря, А;

I_н – номинальный ток параллельной обмотки воз­буждения, А;

Φ_н – номинальный поток (при I_н), Вб;

М_н – номинальный момент (при Ф_н и I_{я н}), Н·м;

n₀ – частота вращения идеального холостого хода, об/мин, т. е. частота вращения двигателя, при которой его э. д. с. равна U_н, если поток равен Ф_н.

Формулы (5.2) и (5.3) получат вид в относительных зна­чениях

Е* = Φ*n*; (5.6)

М* = Ф*I_я*. (5.7)

Перейдем теперь к рассмотрению естественных и искус­ственных характеристик.

Под естественными характеристиками двигателей па­раллельного возбуждения понимаются характеристики которыми он обладает при полном потоке и без внешних сопротивлений в цепи якоря.

Характеристики двигателя при наличии внешних со­противлений в цепи или при ослабленном потоке мы будем называть искусственными.

Можно доказать, что все механические характеристики двигателя параллельного возбуждения, естественная и искусственные, прямолинейны и пересекаются в одной точке (М = 0, n = n₀), соответствующей идеальному холостому ходу, как показано на рисунке 5.2. При номи­нальном потоке возбуждения можем (5.2) и (5.3) пред­ставить так:

Е = С'_En; (5.8)

М = С'_мI_я. (5.9)

Далее из схемы рисунка 5.2 следует, что при любой постоян­ной частоте вращения двигателя приложенное напряжение U_н уравновешивается э.д.с. якоря Ε и падением напря­жения I_яR в сопротивлении всей силовой цепи, т. е.

U_н = E+I_яR.

После подстановки в это равенство значений Е из (5.8) и I_я из (5.9) и преобразований получим частоту вращения в явном виде:

, (5.10)

где, очевидно, . Поэтому окончательно для искус­ственной характеристики

, (5.11)

или в относительных значениях

n* = 1 - R*M*. (5.12)

 

Рисунок 5.2 – Естественная характеристика и семейство искусствен­ных характеристик двигателя параллельного возбуждения при полном потоке и различных внешних сопротивлениях цепи якоря

 

Таким образом, мы доказали, что все механические характеристики, в частности и естественная при R = r_д, прямолинейны и пересекаются в одной точке: Μ = 0, n = n₀.

При выводе (5.11) мы исходили из того положения, что поток двигателя постоянен и не зависит от тока якоря. В некомпенсированной машине, как известно, с увеличением тока якоря растет реакция якоря и поток двигателя падает. В дальнейшем мы не будем учитывать ослабление потока от реакции якоря, считая, что стабилизирующие последо­вательные обмотки на главных полюсах, применяемые для малых и средних двигателей, и компенсационные, при­меняемые для крупных двигателей, полностью компенси­руют реакцию якоря.

Рассматривая свойства естественной характеристики (R = r_д), нетрудно видеть, что наклон ее зависит от внутрен­него сопротивления двигателя. Если бы оно было равно нулю, то мы получили бы постоянную частоту вращения n* = 1, не зависящую от момента М* (5.12). Чем больше внутреннее сопротивление, двигателя, тем больше сниже­ние частоты вращения от падения напряжения в цепи якоря и тем больший наклон имеет естественная характе­ристика.

Двигатели малой мощности имеют более высокие отно­сительные внутренние сопротивления, чем крупные, и потому обладают более мягкими естественными характе­ристиками.

Нетрудно также видеть, что наклон искусственных ме­ханических характеристик определяется полным сопротив­лением цепи якоря R = r_д + r_в.

Для построения механических характеристик двигате­лей параллельного возбуждения будем пользоваться услов­ным понятием «относительное падение частоты вращения»:

Dn* = 1 – n*

Из (5.12) следует, что

Dn* = R*M*.

В частности, при номинальном моменте (М* = 1) по­лучим:

Dn* = R*, (5.13)

т. е. при номинальном моменте двигателя параллельного возбуждения с полным полем относительное падение частоты вращения равно относительному полному сопротивлению цепи якоря.

Пользуясь (5.13), легко построить естественную механи­ческую характеристику двигателя параллельного возбуж­дения, проводя прямую из точки идеального холостого хода (М* = 0, Δn* = 0) через точку М* = 1, Δn* = r_д*. Так же можно построить искусственную механическую характеристику для любого внешнего сопротивления r_в*, проводя прямую через точку М* = 1, Δn* = R* = r_д* + r_в*, как показано на рисунке 2.

Заметим, что при номинальном потоке относительные значения тока якоря Iя* равны относительным значениям момента М*, поэтому представленные механические ха­рактеристики будут одновременно являться и характери­стиками тока.

Для двигателей рассматриваемого типа возможны тормозные режимы противовключением и динамическим торможением.

Противовключением называется генераторный режим двигателя, при котором он вращается в направлении, противо­положном тому, для которого включены его обмотки.

Рассмотрим способы получения противовключения и режимы двигателей.

Перетягивающий груз. Представим себе двигатель с последовательным резистором в цепи якоря, соединенный с барабаном, на который намотан канат и подвешен груз G (рисунок 5.3).

 

Рисунок 5.3 – Режим противовключения перетягивающим грузом

 

Если статический момент от груза равен М_а, то включен­ный в сеть двигатель в направлении подъема ускорит бара­бан до установившейся частоты вращения в точке А своей характеристики. В этой части характеристики двигатель работает в двигательном режиме и приложенное напряже­ние сети уравновешивается противоположно направленными ему э.д.с. якоря и падением напряжения во всей силовой цепи двигателя. Ток двигателя равен:

.

Если теперь увеличить груз так, чтобы статический момент стал равным М_b, то двигатель замедлится по харак­теристике АВ и остановится в точке В, удерживая груз неподвижно. При этом якорь не генерирует э. д. с. и ток равен:

I_я = U_н/R.

При дальнейшем увеличении груза он начнет опускаться, перетягивая двигатель и вращая его в направлении, проти­воположном тому, которое он имел бы, если бы был пре­доставлен самому себе. Мы получим режим противовключения. Если статический момент от груза сделать равным М_с, то устойчивая частота вращения получится в точке С харак­теристики двигателя. Поскольку полярность магнитного поля осталась прежней, а якорь вращается в обратную сторону, его э. д. с. изменит направление и станет согласной приложенному напряжению сети. Таким образом, в режиме противовключения ток в двигателе получается от суммы напряжения сети и э. д. с. якоря

, (5.14)

а не разности, как в случае двигательного режима.

Здесь уместно дать общие признаки двигательного и генераторного режимов: в двигательном режиме ток дви­гателя направлен встречно э. д. с., а в генераторном режиме ток двигателя направлен согласно э. д. с.

Для более ясного представления режима противовклю­чения предположим, что генератор сети имеет только одну нагрузку – рассматриваемый двигатель. Тогда в режиме противовключения двигателя получим как бы два генера­тора, работающих последовательно на одно общее внешнее сопротивление, т. е. в режиме противовключения двигателя постоянного тока во внешнем последовательно включенном резисторе расходуется мощность двигателя, преобразующего механическую энергию привода в электрическую, и доба­вочная мощность из сети. Это обстоятельство является отрицательным, поскольку мы не можем не только исполь­зовать энергию, отдаваемую приводом, но, кроме того, еще забираем энергию из сети.

На практике рассмотренным методом получения про­тивовключения от перетягивающей нагрузки пользуются для опускания грузов на кранах с простейшим управле­нием, при этом превышение статического момента над моментом двигателя, когда он неподвижен, получают вве­дением добавочных ступеней резистора в цепи якоря.

Переключение вращающегося якоря. Режим противо­включения можно еще получить, если при работе двигателя переключить его якорь. Благодаря кинетической энергии привода якорь будет продолжать вращаться в том же направ­лении и, следовательно, сохранит направление э. д. с., но она будет теперь направлена в силовой цепи не против напряжения сети, как в предшествующем двигательном режиме, а согласно ему.

Ток якоря станет согласным э. д. с., т. е. изменит направ­ление; изменит направление и момент, который будет тор­мозить привод.

Под действием напряжения сети и э. д. с. якоря в сило­вой цепи получится очень большой ток, если даже ввести все ступени пускового резистора. Действительно, если при трогании двигателя ток, определяемый одним напряжением сети и сопротивлением пускового резистора, был, например, 2-кратным, то при противовключении с номинальной час­тоты вращения, когда э. д. с. якоря почти равна приложен­ному напряжению, получится почти 4-кратный ток.

Такой большой ток не может быть допущен для двига­теля, и чтобы его ограничить до допускаемого, примерно такого же, как пусковой, вводится ступень противовклю­чения. Реле и контактор, управляющие этой ступенью, назы­ваются реле противовключения и контактор противовклю­чения.

Очевидно, что сопротивление ступени противовключения пускового резистора должно быть примерно равно полному пусковому сопротивлению. Поэтому эта ступень закорачивается при пуске, чтобы не снижать пускового тока и момента.

Сказанное иллюстрируется механи­ческими характеристиками (рис. 5.4). Заметим, что для дви­гателей параллельного возбуждения обычно применяются три ступени ускорения, а не две, как показано для двига­теля смешанного возбуждения.

 

Рисунок 5.4 – Механические характеристики пусковые и про­тивовключения для двигателя параллельного возбуждения

 

Динамическое торможение. Динамическим торможением двигателя называется его гене­раторный режим его, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую и расходуется в замкну­том контуре, электрически не связанном с сетью.

Поясним режим динамического торможения на при­мере для двигателя параллельного возбуждения, управляе­мого по схеме рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 – Характеристики пусковые и динамического торможения
для нерегулируемого двигателя параллельного возбуждения

 

Если при работе двигателя разомкнуть контактор Л и замкнуть Т, как показано на левой схеме, якорь отклю­чится от сети и к его щеткам подключится резистор r_т. Благодаря инерции привода якорь будет продолжать вращаться в магнитном поле и генерировать э. д. с., которая создаст в замкнутом контуре ток, ограничиваемый его сопротивлением R_т = r_д + r_т. Этот ток теперь будет направлен так же, как э. д. с., т. е. он изменит свое на­правление, а следовательно, изменит направление и мо­мент, становясь противоположно направленным вращению двигателя. Таким образом, мы получим динамическое торможение. Якорь будет снижать свою частоту вращения и, вместе с тем, будут уменьшаться до нуля его э. д. с., ток и момент.

При данной величине статического момента двигатель ускорится до частоты вращения, соответствующей точке а его естественной характеристики.

Если теперь открыть контактор Л и мгновенно закрыть контактор Т, то двигатель перейдет в режим динамиче­ского торможения. Допустим, что сразу после переключе­ния на динамическое торможение получился тормозной момент, соответствующий точке b во втором квадранте. Двигатель будет замедляться и при этом, как указывалось выше, будут падать его э. д. с., ток и момент.

Выведем зависимость изменения момента двигателя в функции частоты вращения при замедлении. В режиме динамического торможения э. д. с. якоря создает ток в замкнутом контуре:

.

Подставляя в это равенство значения I_я и Е, выражен­ные через момент и частоту вращения, получаем:

. (5.16)

Из этого выражения вытекает, что в режиме динамиче­ского торможения при любых сопротивлениях контура якоря все механические характеристики прямолинейны, пересекаются в одной точке, n = 0, М = 0 и тем положе, чем меньше сопротивление контура. Поскольку при динамическом тор­можении остается полное поле, относительные моменты равны относительным токам.

При динамическом торможении запа­сенная в приводе кинетическая энергия частично израс­ходуется на механическую работу, а частично преобразуется двигателем в электрическую энергию, которая затем превратится в тепло в сопротивлениях элементов замкнутого контура якоря. Из сети берется ток лишь для возбуждения двигателя. Динамическое торможение применяется для быстрой и точной остановки приводов, требуемой технологией производства. Быстрая остановка двигателя может понадобиться также для предотвращения аварии с машиной или с людьми или для предотвращения брака продукции.