Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателя

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений' (10-7) и (10-9). Возможны три способа регулирования скорости вращения.

1. Наиболее удобным, распространенным и экономичным является способ регулирования скорости путем изменения потока Ф₆, т. е. тока возбуждения t_B.

С уменьшением Фа, согласно выражению (10-7), скорость возрастает. Двигатели рассчитываются для работы при номинальном режиме с наибольшим значением Фе, т. е. с наименьшей величиной п. Поэтому практически можно только уменьшать Ф^.

Следовательно, рассматриваемый способ позволяет регулировать скорость вверх от номинальной. При таком регулировании к. п. д. двигателя остается высоким, так как мощность возбуждения мала, в частности мала мощность реостатов для регулирования тока возбуждения. К тому же при уменьшении i_B мощность возбуждения Ш_в уменьшается.

Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями ее коммутации.

При высоких скоростях коммутация ухудшается вследствие увеличения вибрации щеточного аппарата, неустойчивости щеточного контакта и возрастания реактивной э. д. с, а также вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря (см. § 5-3).

Для увеличения диапазона регулирования п посредством ослабления поля в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря иногда применяют раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют i_B = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов t_B и поток уменьшают. Искажающее влияние поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из э. д. с. р секций, расположенных под всеми полюсами (см. § 3-5), то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным.

2. Другой способ регулирования скорости заключается во включении последовательно в цепь якоря реостата или регулируемого сопротивления R_pa,

Вместо выражения (10-7) при этом имеем

т. е. в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря. По этой причине

данный способ применяется в основном для двигателей небольшой мощности, а для более мощных двигателей используется редко и только кратковременно (пуско-наладочные режимы и т. д.).

3. Регулирование скорости осуществляется также путем регулирования напряжения цепи якоря. Так как работа двигателя при U > U_H недопустима, то данный способ, согласно выражениям (10-7) и (10-9), дает возможность регулировать скорость также вниз от номинальной. К. п. д. двигателя при этом остается высоким, так как никаких добавочных, источников потерь в схему двигателя не вносится.

Однако в этом случае необходим отдельный источник тока с регулируемым напряжением, что удорожает установку.

Отметим, что регулирование скорости путем изменения 1_а невозможно, хотя такая возможность на первый взгляд вытекает' из равенства.(10-7). Дело в том, что, согласно равенству (10-3), двигатель при каждой скорости вращения должен развивать определенный момент М, равный моменту сопротивления приводимого механизма М„ при данном значении п. Но при этом в соответствии с выражением (10-8) при данном значении Ф₆ величина 1_а в двигателе будет при каждом значении М тоже вполне определенной.

Различные способы регулирования п более конкретно, применительно к двигателям с различными способами возбуждения; рассматриваются в последующих параграфах.

Условия устойчивости работы двигателя. При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и т. д.). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы [см. выражение (10-3)], вследствие чего возникает момент М_юв и изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях его работы, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы (например, скорость вращения, ток якоря и т. д.). Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение

режима (п, I_a и т. д.) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму работы с возрастанием амплитуд колебаний п, 1_а и т. д. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Неустойчивая работа возможна также и у генераторов. В § 9-7 была рассмотрена неустойчивость параллельной работы генераторов смешанного возбуждения при отсутствии уравнительного провода. Режим самовозбуждения генераторов постоянного тока (см. § 9-4) также в сущности представляет собой неустойчивый режим работы, так как i_B и U непрерывно изменяются. Работа генератора параллельного возбуждения при R_s = R_B._Kp также неустойчива, так как если несколько изменить величину R_B, то напряжение U значительно изменится, т. е. возрастет до некоторой конечной величины или упадет почти до нуля.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики М = f{n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения М_ст = /(«)• Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, М„ да const, т. е. М_ст не зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов М„ ~ п².

На рис. 10-4, а я б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (М = М„) со скоростью вращения п₀ соответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости М = f (п) и М _ст = / (п) имеют вид, изображенный на рис. 10-4, а, то при случайном увеличении п в результате возмущения на An тормозящий момент М_сг станет больше движущего М (М_ст > М) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости п₀. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на An, то будет М„ < М, поэтому ротор станет ускоряться и снова будет п = п₀. Таким образом, в рассматриваемом

Рис. 10-4. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режимы работы двигателя

случае работа устойчива. Как следует из рис. 10-4, а, в этом случае

что и является признаком, или критерием, устойчивости работы двигателя.

При зависимостях М = f (п) и М_ст = / (п) вида рис. 10-4, б работа неустойчива. Действительно, при увеличении п от п = п₀ до п = п₀ + An будет М > М_ст, возникнет избыток движущего момента, скорость п начнет нарастать, причем избыточный момент М — УИ_СТ увеличится еще больше, п еще возрастет и т. д. Если в результате возмущения п = п₀ — An, то М< М_сг и п будет непрерывно уменьшаться. Поэтому работа в точке М = М_ст и п = п₀ невозможна. Как следует из рис. 10-4, б, в этом случае

что является признаком неустойчивости работы двигателя.

Из изложенного следует, что двигатель с данной механической характеристикой М = f (n) может работать устойчиво или неустойчиво в зависимости от характеристики М_ст = / (п) рабочей машины. Возникновение неустойчивости наиболее вероятно при такой механической характеристике двигателя М = f (п) или п = f (M), когда Мига увеличиваются или уменьшаются одновременно (рис. 10-4, б). В частности, в этом случае работа неустойчива при Мст = /(«)= const (например, металлорежущие станки). Поэтому двигателей с такими механическими характеристиками не строят.

Изложенное здесь в равной мере относится к устойчивости двигателей как постоянного, так и переменного тока, а также любых видов двигателей.

Изменение режима работы. Двигатели постоянного тока, как, впрочем, и двигатели переменного тока, обладают при соблюдении условий устойчивости замечательной способностью автоматически, 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, i_e = = const и, следовательно, Фв «const и нагрузочный момент М„, развиваемый рабочей машиной, увеличивается. Тогда М < M_zr, возникает М_тн < 0 [см. выражение (10-2)] и п начинает умень-

шаться. Но при этом будет уменьшаться также Е_а, ток 1_а [см. выражение (10-5)] и момент М Гсм. выражение (10-8)] начнут увеличиваться, причем это будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов М = М„. Аналогичным образом изменяется также режим, если М„ уменьшится, причем в этом случае я и Е_а начнут увеличиваться, а 1_а и М — уменьшаться до тех пор, пока снова будет М = М_ст и М_тш = 0.

Допустим теперь, что с помощью реостата R_{p в} (см. рис. 10-2) произведено уменьшение i_B. При этом Фв будет уменьшаться, однако вследствие механической инерции ротора скорость п в первый момент не изменится. Тогда, согласно выражению (10-6), Е_а уменьшится, а вследствие этого 1_а и М возрастут [см. выражения (10-5) и (10-8)1. При этом будет М > М„, в соответствии с равенством (Ю-2) Мдин > 0, и скорость п начнет увеличиваться. Это вызовет, согласно тем же соотношениям, увеличение Е_а и уменьшение 1_а и М до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов М = = М„ и М_дин = 0 (рис. 10-5). При увеличении i_B явления развиваются в обратном направлении. Необходимо отметить, что резких изменений i_B при регулировании допускать нельзя, так как U и Е_а [см. выражение(10-5)] являются близкими величинами и небольшое изменение Фв и Е_а ведет к большим изменениям /_а и М.

Аналогичным образом происходит переход к новому режиму при изменении других внешних условий (например, введение сопротивления в цепь якоря и т. д.), а также в двигателях с другими способами возбуждения.

Из изложенного следует, что поведение двигателя при установившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы всецело определяется уравнениями равновесия моментов (10-2) и напряжения цепи якоря (10-4).

Дата добавления: 2015-07-18