ЛЕКЦІЯ 10

ТЕМА 1.6 КОЛЕКТОРНІ ДВИГУНИ

Колекторні двигуни – це двигуни, що можуть працювати, як від мережі змінного, так і від мережі постійного струму. Щоб перетворити постійний струм мережі, у змінний в обмотці якоря, на валу двигуна є механічний інвертор – колектор (при живлені від мережі змінного струму – комутатор секцій). Наявність колектора суттєво ускладнює конструкцію і експлуатаційні показники колекторних двигунів.

1.6.1 СФЕРА ЗАСТОСУВАННЯ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Незважаючи на конструктивну складність двигунів постійного струму в порівнянні з двигунами змінного струму, вони досить широко використовуються в металургійній промисловості, у верстатобудуванні, на транспорті, в системах автоматичного регулювання – скрізь, де необхідно, за умовами виробництва, в значних межах регулювати частоту обертання.

Це пояснюється тим, що такі двигуни мають кращі експлуатаційні характеристики у відношенні регулювання частоти обертання, пуску, зміни напряму обертання (реверсування), а також допускають більш значні перевантаження в порівнянні з двигунами змінного струму.

Широкі межі використання двигунів постійного струму зумовили значний діапазон номінальних потужностей цих двигунів, що складає від кількох ват, в дитячих іграшках, до тисяч кіловат в електроприводах прокатних станів. Номінальною потужністю двигуна є механічна потужність на валу. Ця потужність зазначається в паспортних даних разом з номінальною напругою U_ном, номінальним струмом І_ном та номінальною частотою обертання n_ном.

Класифікуються двигуни постійного струму, як і генератори, за способом збудження і поділяються на двигуни магнітоелектричного та електромагнітного збудження (рис. 1.23). Слід зазначити, що на відміну від генераторів, двигуни незалежного і паралельного збудження можна було б розглядати як один тип двигуна, адже нераціонально мати окремі джерела живлення для обмоток збудження та якоря, але в системах регулювання зі зміною напруги в колі якоря, обмотка збудження завжди живиться від незалежного джерела.

Характер збудження двигуна суттєво впливає на характеристики двигуна, а отже, і на сферу його використання. Так двигуни магнітоелектричного збудження, магнітний потік яких створюється постійними магнітами, використовуються, як малопотужні двигуни, в системах автоматики, обчислювальної техніки, а також, в дитячих іграшках та як двигуни середньої потужності в системах з плавним регулюванням швидкості потужністю до 30 кВт. Двигуни послідовного збудження застосовуються як потужні тягові двигуни, в електротранспорті, в приводах металургії тощо. Двигуни паралельного збудження використовуються на електростанціях для приводу механізмів, що потребують широкого і плавного регулювання частоти обертання, а також, для приводу деяких особливо відповідальних резервних механізмів незначної потужності.

1.6.2 РІВНЯННЯ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Для двигунів, як і для генераторів постійного струму, складаються рівняння струмів, ЕРС, моментів та балансу потужностей.

Рівняння струмів, згідно з першим правилом Кірхгофа, складаються для двигунів паралельного та змішаного збудження. Двигун з послідовним збудженням має однакові струми в обмотках якоря і збудження:

І = І_а = І_з, (1.70)

де І – струм навантаження, тобто струм, що споживається з мережі, А; І_а; І_з – струми обмоток якоря та збудження відповідно, А.

Рівняння струмів двигунів паралельного і змішаного збудження аналогічні:

І = І_а + І_з, (1.71)

та

І = І_а + І_{з пр}, (1.72)

де І_{з пр}. – струм збудження паралельної обмотки збудження, А.

Як відомо, при обертанні якоря в магнітному полі в його обмотці буде створюватись ЕРС Е_а. Легко переконатись, скориставшись правилом правої руки, що направлена вона назустріч струму якоря І_а, тому її ще називають протиелектрорушійна сила (проти-ЕРС)(див. 1.1.2). Отже, за другим правилом Кірхгофа для контуру “мережа – обмотка якоря” маємо:

U – E_a = I_{a *} R_a, (1.73)

де U – напруга мережі, прикладена до обмотки якоря, В; R_a – визначається за (1.57), як і у генератора, електричний опір всіх послідовно ввімкнених в коло якоря елементів, включаючи опір контакту “щітка – колектор”, Ом.

Вираз (1.73) представляється, як правило, у вигляді:

U = E_a + I_{a *} R_a, (1.74)

який і є рівнянням ЕРС (напруги) двигуна, незалежно від способу його збудження.

Помноживши праву та ліву частини рівняння ЕРС на струм якоря І_а, отримаємо:

U _* I_a = E_{a *} I_a + I_a² _* R_a, (1.75)

де U _* І_a – електрична потужність, що підводиться до обмотки якоря з мережі; E_{a *} I_a – електромагнітна потужність, що чисельно рівна сумарній механічній потужності, яка створюється в двигуні згідно (1.26) та (1.28) E_{a *} I_a = М_{ем *} w; I_a² _* R_a – електричні втрати на елементах, ввімкнених в коло якоря, в тому числі, і втрати в контакті “щітка – колектор”.

Електромагнітний момент М_ем, щостворюється в двигуні, на відміну від аналогічного моменту в генераторі, є обертовим – саме він обертає не лише ротор двигуна, а і те механічне навантаження, що з’єднане з його валом. При w = const цей момент урівноважується моментом механічного навантаження на валу та моментом, що створюється силами тертя і вихровими струмами – моментом НХ, Нм:

М_ем = М₂ + М_о, (1.76)

де М₂ – момент механічного навантаження на валу, М_о – момент НХ.

При будь-якій зміні кутової частоти обертання (w = var), виникає складова електромагнітного моменту, що йде на розгін чи гальмування обертових мас двигуна та виконавчого механізму. Ця складова називається динамічним моментом М_д:

М_д = J _* d w / d t, (1.77)

де J = т _* r² – момент інерції, кгм²; d w / d t – швидкість зміни кутової частоти обертання; т – маса обертових частин, кг; r – радіус інерції, м. З урахуванням динамічної складової М_д,рівняння (1.76) набуває вигляду:

М_ем = М₂ + М_о + М_д (1.78)

Із (1.78) випливає:

– при М_ем > М₂ + М_о, М_д > 0 і d w / d t ≈ ∆ w / ∆ t > 0. Тобто додатному прирощенню часу d t буде відповідати додатне прирощення кутової частоти ∆ w, отже відбувається розгін обертових мас;

– при М_ем < М₂ + М_о, М_д < 0 і d w / d t ≈ ∆ w / ∆ t < 0. Тобто додатному прирощенню часу d t буде відповідати від’ємне прирощення кутової частоти ∆ w, отже відбувається гальмування двигуна та сполученого з ним механізму;

– при М_ем = М₂ + М_о, М_д = 0 і d w / d t ≈ ∆ w / ∆ t = 0. Тобто маємо w = const.

Якщо рівняння моментів (1.76) помножити на частоту обертання (враховуючи, що w = const), то отримаємо рівняння потужностей двигуна:

Р_ем = Р₂ + Р_о, (1.79)

де Р₂ – механічна потужність на валу, Вт; Р_о – як і у генератора, втрати НХ згідно (1.63) рівні сумі

механічних Р_мех, магнітних Р_маг та додаткових втрат Р_дод, Вт. Підставивши (1.79) в (1.75), будемо мати:

U _* І_a = P₂ +I² _* R_a + P_мех + Р_маг + Р_дод. (1.80)

Враховуючи (1.71), рівняння (1.80) можна представити як:

U _*(І – І_з) = P₂ +I² _* R_a + P_мех + Р_маг + Р_дод (1.81)

або

U _* І= P₂ +U _* І_з + I² _* R_a + P_мех + Р_маг + Р_дод, (1.82)

де U _* I = Р₁ – підведена до двигуна електрична потужність; U _* I_з= Р_з – втрати в обмотці збудження тобто потужність, що затрачується на збудження:

Р₁ = P₂ +Р_з + I² _* R_a + P_мех + Р_маг, + Р_дод (1.83)

Це рівняння і є рівнянням балансу потужностей, на основі якого будується енергетична діаграма двигуна постійного струму, що відображує процес перетворення електричної потужності в механічну та втрати, які мають місце при цьому (рис. 1.46).

1.6.3 ПУСК І РЕГУЛЮВАННЯ ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

У відповідності з (1.20) кутову частоту обертання двигуна можна виразити як:

w = Е_а /(k _* Ф), (1.84)

або враховуючи (1.74):

w = (U – I_{a *} R_a)/(k _* Ф), (1.85)

тобто кутова частота обертання пропорційна напрузі і зворотно пропорційна магнітному потоку збудження. Фізично це можна пояснити тим, що підвищення (зниження) напруги U або зниження (підвищення) потоку викличе збільшення (зменшення) різниці (U – Е_а), що в свою чергу, приводить згідно (1.73) до зростання (зниження) струму якоря І_а. Зростаючи (зменшуючись), струм підвищує (знижує) електромагнітний момент М_ем (1.25), а так як момент навантаження залишається незмінним, то зростає (знижується) частота обертання. Іншими словами, у двигунах постійного струму всяка зміна частоти обертання w зумовлюється необхідністю підтримки електричної рівноваги в колі якоря.

Вираз (1.85) вказує на можливі шляхи регулювання частоти обертання двигуна постійного струму:

– зміною напруги U, яка підводиться до обмотки якоря; при цьому частота обертання може бути зміненою від нуля до 1,15 w_ном [підвищення напруги більше ніж (10 – 15) % від номінального значення небажане через підвищення напруги між колекторними пластинами і погіршення комутації];

– введенням додаткових опорів у коло якоря, що дає можливість змінювати кутову частоту обертання від номінального значення w_ном до нуля;

– зміною магнітного потоку (не може бути реалізованим у двигунів з постійними магнітами), в насиченій машині потік можна лише знижувати і тим самим збільшувати частоту обертання (це досягається зменшенням струму обмотки збудження) від номінальної частоти обертання до (2 – 3) w_ном. Підвищення частоти обертання більше ніж у (2 – 3) рази обмежене умовами комутації та механічною міцністю обертових частин.

Струм якоря двигуна постійного струму визначиться згідно (1.73) як:

I_a =(U – Е_а)/ R_а (1.86)

При незмінних напрузі U таопорі кола якоря R_а,струм І_а залежить лише від проти-ЕРС Е_а, тому найбільшого значення струм якоря досягає в момент пуску, коли проти-ЕРС в обмотці якоря не створюється, так як w = 0. Отже безпосередньо в момент пуску, пусковий струм двигуна

І_пуск = U / R_а (1.87)

можна вважати справедливим і для двигунів паралельного та змішаного де І_{а пуск} ≈ І_пуск, враховуючи що (І_{а пуск} >> І_з).

Загальний опір кола якоря незначний, тому пусковий струм при номінальній напрузі досягає недопустимо великих значень, що в (10 – 20) разів перевищують номінальний струм двигуна. Такий струм дуже небезпечний для двигуна. По-перше, він може викликати круговий вогонь по колектору, по-друге, такий струм викликає значний пусковий момент, який своєю ударною дією може привести до механічного руйнування обертових частин якоря і, нарешті, цей струм викликає значне падіння напруги в мережі, що шкідливо діє на роботу інших споживачів, які ввімкнені в мережу. Враховуючи все це, пуск безпосереднім ввімкненням двигуна в мережу (безреостатний пуск) можна застосувати лише для двигунів потужністю не більше (0,7 – 1,0) кВт. В таких двигунів, завдяки збільшеному опору кола якоря, пусковий струм не перевищує номінальний більше, ніж (3 – 5) раз, що не уявляє небезпеки ні для двигуна, ні для мережі. Що ж стосується двигунів більшої потужності, то при їх пуску, для обмеження пускового струму, слід, згідно (1.87), або знижувати напругу, або збільшувати опір кола якоря.

Пуск на зниженій напрузі застосовується лише в двигунах великої потужності, наприклад, у тягових двигунах електровозів, на момент пуску вони умикаються послідовно, а після пуску – паралельно один другому.

Пуск збільшенням опору в колі ротора досить поширений для двигунів потужністю більше 1 кВт. Такий пуск називається реостатним пуском і здійснюється із застосуванням спеціальних пускових реостатів, що вмикаються послідовно з обмоткою якоря і дозволяють ступінчасте зниження пускового опору від максимального значення [при якому І_пуск = (2 – 3) І_ном ] до нуля.

Враховуючи, що електромагнітний момент пропорційний основному потоку Ф (1.25), для зниження пускового струму, магнітний потік повинен бути найбільший, а отже обмотки збудження двигунів паралельного і змішаного збудження вмикається в мережу без регулювальних опорів.

Реверсування двигуна (зміна напряму обертання) досягається або зміною напряму струму в обмотці якоря при незмінному напрямі струму в обмотці збудження, або, навпаки, зміною струму в обмотці збудження при незмінному напрямі струму в обмотці якоря. Зміна полярності затискачів двигуна до реверсування не призводить, тому що змінює одночасно напрям струму в обох обмотках.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– двигун постійного струму обертається під дією моменту електромагнітного, що створюється взаємодією струму якоря та магнітного поля наведеного обмоткою збудження;

– робота двигуна, як і генератора, може бути описана трьома рівняннями: струмів, ЕРС та моментів;

– регулювання частоти обертання двигуна постійного струму можливе в широких межах зміною опору в колі ротора, основного потоку та напруги;

– пусковий струм двигуна необхідно обмежувати або введенням в коло якоря пускового опору, або зниженням підведеної напруги;

Реверсування двигуна постійного струму можна здійснити змінивши полярність затискачів або обмотки якоря, або обмотки збудження, зміна полярності затискачів двигуна не приводить до реверсування.

Дата добавления: 2015-07-14