Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 19 )

22.3. Условия устойчивой работы двигателей постоянного тока

На практике важно, чтобы работа двигателя вместе с произ­водственным механизмом протекала устойчиво. Под статически устойчивой работой двигателя понимается его способность вер­нуться в исходную точку равновесия после кратковременного дей­ствия возмущающих сил, нарушивших это равновесие. Оценка ус­тойчивости производится путем совместного рассмотрения меха­нических характеристик двигателя и приводимого им в движение производственного механизма.

Рассмотрим работу двигателя независимого возбуждения, меха­нические характеристики которого могут быть как возрастающими, так и падающими (см. рис. 22.1).

Рис. 22.7. К анализу устойчивости работы двигателя постоянного тока

Пусть момент сопротивления не зависит от скорости враще­ния, т. е. Мс = const. Тогда точки 1 и 2 (рис. 22.7) пересечения ме­ханических характеристик с мо­ментом сопротивления будут яв­ляться точками равновесия мо­ментов (М - Мс = 0) и соответ­ствовать установившемуся режи­му работы двигателя.

Теперь предположим, что момент сопротивления Мс скач­ком увеличился на ΔМс, и рассмотрим работу двигателя сначала в точке 1. В соответствии с урав­нением движения (22.4) можно утверждать, что скорость двига­теля скачком измениться не может, и тогда для точки 7 справед­ливо неравенство dω/dt<0. Иными словами, при увеличении мо­мента сопротивления скорость двигателя будет уменьшаться, т. е. ее значение будет перемещаться на механической характеристике в сторону точки 1’.

Предположим, что при достижении точки 1’ характеристики момент сопротивления восстанавливает свое первоначальное зна­чение Мс.

Так как скорость не может измениться скачком, для этой точ­ки будет справедливо неравенство dω/dt>0 т. е. скорость двига­теля начнет увеличиваться и ее значение на механической ха­рактеристике будет перемешаться в сторону точки 1. В этой точке М = Мс, и дальнейшего изменения скорости происходить не будет. Таким образом, после исчезновения возмущения двигатель воз­вращается в исходную точку работы. Следовательно, падающая механическая характеристика является статически устойчивой.

Условие устойчивой работы двигателя можно записать следую­щим образом:

dМ/dω <dМс/dω.

Теперь рассмотрим работу двигателя в точке 2. Как и в преды­дущем случае, скорость двигателя скачком измениться не может, и тогда для точки 2 справедливо неравенство dω/dt < 0. Иными словами, при увеличении момента сопротивления скорость дви­гателя будет уменьшаться, т. е. ее значение на механической ха­рактеристике будет перемещаться в сторону точки 2'.

Предположим, что при достижении точки 2' характеристики момент сопротивления восстанавливает свое первоначальное зна­чение Мс. В отличие от предыдущего случая в точке 2' момент сопротивления по-прежнему остается больше электромагнитного момента, а dω/dt < 0, что приводит к дальнейшему уменьшению скорости вращения двигателя (в направлении ω0). Следовательно, восходящая механическая характеристика является статически неустойчивой.

В современных высокоиспользуемых двигателях сильно про­является размагничивающее действие реакции якоря и получить падающую механическую характеристику не удается. В этом случае для получения статически устойчивой характеристики на глав­ных полюсах размещают дополнительно последовательную об­мотку возбуждения, имеющую всего несколько витков и пред­назначенную только для компенсации размагничивающего дей­ствия реакции якоря. Эта обмотка называется стабилизирующей. При наличии такой обмотки магнитный поток двигателя прак­тически не будет меняться (ΔФ ≈ 0) при изменении тока якоря, т. е. он будет стабилизирован, а механическая характеристика дви­гателя в этом случае будет падающей. Несмотря на то что такой двигатель имеет смешанное возбуждение, его называют двигате­лем параллельного (независимого) возбуждения со стабилизиру­ющей обмоткой.

22.4. Способы и условия пуска двигателей постоянного тока

При пуске двигателя (n = 0) ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна нулю, а следовательно, в соответствии с уравнением (22.2) пусковой ток

Iaп =U/ ∑ Rа (22.15)

Поскольку сопротивление цепи якоря ∑ Rа невелико, то при пуске с номинальным напряжением (U=Uном) ток якоря в 10...50 раз будет превышать свое номинальное значение. Такой ток недо­пустим ни для щеток (из-за чрезмерных плотностей тока и силь­ного искрения под ними), ни для обмоток (из-за больших элект­родинамических усилий, пропорциональных квадрату тока яко­ря), ни для сети (из-за больших падений напряжения в ней). Кроме того, в соответствии с формулой (22.6), пропорционально росту тока увеличивается электромагнитный момент двигателя, что мо­жет привести к поломке узла, соединяющего вал двигателя и при­водимого механизма. По условиям работы коллекторно-щеточно­го узла допустимый пусковой ток Iап< 2,5Iaном.

Таким образом, прямой пуск (прямое включение в сеть) допу­стим только для двигателей малой мощности с относительно боль­шим сопротивлением цепи якоря. Пусковой ток более мощных двигателей необходимо уменьшать до указанных выше значений, что достигается снижением подводимого напряжения или вклю­чением последовательно с обмоткой якоря добавочного активно­го сопротивления (пускового реостата).

Пуск при пониженном напряжении можно осуществить, если двигатель подключен к отдельному регулируемому источнику по­стоянного тока. В этом случае напряжение источника плавно увели­чивают при включении двигателя, что позволяет избежать больших толчков тока. Начальное напряжение при пуске должно обеспечи­вать в первый момент (n= 0) пусковой ток в цепи якоря Iап≤ 2,5Ia ном.

При использовании пускового реостата максимальное значе­ние его сопротивления должно обеспечивать в первый момент пуска (п = 0) ток в цепи якоря Iап≤ 2,5Ia ном. По мере разгона двигателя растет наводимая в его обмотке ЭДС, вследствие чего ток якоря уменьшается, а следовательно, сопротивление пускового реостата также постепенно надо уменьшать. Когда частота вращения двигателя достигает установившегося значения, реостат выводят пол­ностью (Rп = 0), поскольку по условиям охлаждения пусковые ре­остаты рассчитаны на кратковременное протекание тока. Этот спо­соб пуска наиболее распространен.

Условия пуска двигателей независимого, параллельного и сме­шанного возбуждения. Первым условием является ограничение пус­кового тока одним из двух рассмотренных выше способов.

Второе условие вытекает из требования обеспечения минималь­ного времени пуска, для чего, согласно уравнению движения, необходимо максимизировать пусковой момент. Увеличить же пус­ковой момент МП при ограниченном значении тока Iап можно, как следует из формулы (19.6), только за счет увеличения магнит­ного потока Ф. Следовательно, второе условие — это пуск при мак­симальном потоке возбуждения. Для этого при пуске обмотку воз­буждения включают на полное напряжение сети и полностью вы­водят регулировочный реостат RВ (рис. 22.8).

Рис. 22.8. Схема включения пускового реостата для пуска двигателя па­раллельного возбуждения:

Я, Ш, Л — выводы пускового реостата для подключения соответственно обмо­ток якоря, возбуждения и сети

Нельзя включать обмотку возбуждения так, как показано штри­ховой линией на рисунке, т. е. после пускового реостата (РП).

В начальный момент пуска напряжение, подводимое к двига­телю, уравновешивается падением напряжения в цепи якоря и пусковом реостате. Так как сопротивление пускового реостата RП » ∑ Rа на цепь якоря и параллельную обмотку возбуждения будет приходиться небольшая часть напряжения сети (10...20 %), а значит, ток возбуждения и магнитный поток будут малы, что приведет к значительному снижению электромагнитного момен­та. При этом, если пуск производится с нагрузкой на валу, может оказаться, что Мп < Мс, и двигатель не придет во вращение. При пуске на холостом ходу (Мс ≈ 0) из-за малого магнитного потока будет сильно возрастать частота вращения двигателя, т. е. двига­тель пойдет вразнос, что также недопустимо.

Условия пуска двигателя последовательного возбуждения. Пер­вым условием также является ограничение пускового тока одним из двух рассмотренных ранее способов. При этом, если ограниче­ние тока осуществляется с помощью пускового реостата, схема его включения будет проще приведенной на рис. 22.8, так как в этом случае используются всего два зажима: Л, к которому под­ключается один из сетевых зажимов, и Я, к которому подключа­ется цепь якоря. Зажим Ш, к которому подключается параллель­ная обмотка возбуждения, здесь не потребуется.

Как следует из формулы (22.12), при заданном максимальном пусковом токе Iап пусковой момент становится максимально воз­можным, т. е. второе условие пуска двигателей независимого (па­раллельного) возбуждения в этом случае выполняется автомати­чески при соблюдении первого условия.

При пуске вхолостую ток якоря и, следовательно, магнитный поток по мере разгона двигателя будут уменьшаться и стремиться к нулю. В результате этого частота вращения двигателя будет силь­но увеличиваться, т. е. двигатель пойдет вразнос. Следовательно, второе условие — это запрещение пуска двигателя без нагрузки. Обыч­но пуск можно проводить, если Мс ≥ (20…30 %) Мном.

22.5. Способы изменения направления вращения (реверсирования)

Направление вращения якоря двигателя постоянного тока в установившемся режиме работы совпадает с направлением элек­тромагнитного момента, которое определяется по правилу ле­вой руки. На рис. 22.9 направление тока в обмотке якоря показа­но точками и крестиками, а потока возбуждения Ф — стрелками.

Рис. 22.9. Схемы включения обмоток двигателя в рабочем режиме (а) и при реверсировании посредством изменения направления тока возбуж­дения (б) и полярности напряжения, подводимого к цепи якоря (в):

Ш1, Ш2 — выводы обмотки параллельного возбуждения

На рис. 22.9, а при заданном направлении тока якоря и потока возбуждения электромагнитный момент и скорость двигателя на­правлены по часовой стрелке. Если поменять полярность подводи­мого напряжения, как указано в скобках, то ток якоря и поток возбуждения изменят свое направление, но направление момента и скорости останется тем же.

Направление момента и, следовательно, направление враще­ния якоря можно изменить, либо изменив направление магнит­ного потока при сохранении направления тока якоря, либо — направление тока в обмотке якоря при сохранении направления магнитного потока. Для этого необходимо поменять местами или выводы обмотки возбуждения (см. рис. 22.9, б), или полярность подводимого к цепи якоря напряжения (см. рис. 22.9, в).

При изменении направления магнитного потока в двигателях смешанного возбуждения, для того чтобы не нарушать согласное действие обмоток следует поменять между собой концы подводя­щих проводников как параллельной, так и последовательной об­мотки.

В начальный момент реверсирования посредством изменения направления потока возбуждения скорость скачком измениться не может, однако ЭДС обмотки якоря изменяет свой знак. Следо­вательно, для этого момента времени уравнение равновесия (22.2) можно записать в виде

U=-E+ Iа ∑ Rа,

откуда начальное значение тока якоря при реверсировании

Iаp = (U+E) /∑ Rа, (22.16)

Из уравнения (22.16) следует, что ток Iаp ≈ 2Iап, поэтому для ограничения тока при реверсировании в цепь якоря необходимо включать реостат, сопротивление которого вдвое больше сопро­тивления пускового реостата. По мере уменьшения скорости вра­щения до нуля и далее при изменении направления вращения ЭДС будет уменьшаться, а затем изменять свой знак. Соответственно будет уменьшаться и ток якоря. Это позволяет уменьшать сопро­тивление реостата для сохранения максимально допустимого тока, т. е. для ускорения процесса реверсирования путем сохранения мак­симального электромагнитного момента.