Регулювання частоти обертання двигунів незалежного і паралельного збудження
Хороші регулюючі властивості двигунів постійного струму – одна з головних причин їх використання в сучасному електроприводі, недивлячись на істотні недоліки, обумовленні наявністю в них щітково-колекторного вузла. Кращі регулюючі властивості у двигунів незалежного і паралельного збудження. Способи регулювання частоти обертання характеризуються показниками: діапазон і плавність регулювання, економічність, що визначається вартістю регулюючої апаратури і величиною втрат в ній.
Розглянемо деякі способи регулювання частоти обертання колекторних двигунів незалежного і паралельного збудження.
Регулювання частоти обертання зміною підведеної до якоря напруги. Як слідує з (1.2.10), з зміною напруги U частота обертання змінюється. Так як перевищення номінальної напруги неприпустиме, то цей спосіб дозволяє змінювати частоти обертання тільки в бік зменшення від номінальної. В двигунах потужністю 100-120 Вт напругу, підведену до обмотки якоря, можна змінювати завдяки потенціометру (рис.1.2.6,а), втрати в якому внаслідок невеликої потужності, що передається, невеликі. Якщо живлення двигуна відбувається через автономні випрямлячі (В1 – в колі обмотки якоря і В2 – в колі обмотки збудження ОЗ), то регулювати частоту обертання можна завдяки автотрансформатору АТ, на вихід якого ввімкнений випрямляч В1 (рис.1.2.6,б). При цьому напруга збудження залишається незмінною. Цей спосіб регулювання частоти обертання успішно використовується при потужності двигуна до 500-600 Вт. Використання двигуна з збудженням постійними магнітами спрощує схему ввімкнення, так як зникає необхідність використання випрямляча В2.
Регулювання частоти обертання зміною додаткового опору в колі обмотки якоря. Цей спосіб регулювання також дозволяє змінювати частоту обертання тільки в бік зменшенння від номінальної і відбувається завдяки реостату Rдод (див.рис.1.2.3). Недоліки способу, що розглядається: значні втрати на нагрів реостату (І2аRдод) – з зміною опору Rдод змінюється жорсткість механічних характеристик двигуна (див. рис.1.2.5,а).
Рис.1.2.6. Схеми регулювання частоти обертання двигунів постійного струму невеликої потужності
Рис.1.2.7. Регулююча характеристика двигуна незалежного збудження
Регулювання частоти обертання зміною магнітного потоку збудження. Цей спосіб регулювання досить економічний, так як зміна магнітного потоку здійснюється реостатом в колі обмотки збудження, струм в якому у двигунах, що розглядаються, в декілька разів менший струму в колі обмотки якоря. Спосіб дозволяє змінювати частоту обертання в бік збільшення від номінальної. При збільшенні опору реостата rрег (див. рис.1.2.3) зменшується струм в обмотці збудження Із, а відповідно, і магнітний потік Ф, що викликає збільшення частоти обертання якоря двигуна [див. (1.2.10)].
Залежність частоти обертання двигуна від магнітного потоку n = f(Ф) при незмінних значеннях напруги U і навантажувального моменту М2 називається регулювальною характеристикою двигуна. З регулювальної характеристики (рис.1.2.7,графік 1) випливає, що при зменшенні магнітного потоку Ф до значення Ф¢ частота обертання n збільшується за гіперболічним законом [див. (1.2.10)] і при Ф¢ досягає максимального значення nmax. При подальшому зменшенні магнітного потоку частота обертання зменшується. Це пояснюється тим, що зменшення потоку Ф супроводжується збільшенням струму в колі якоря Іа (рис.1.2.7, графік 2). Така залежність випливає з формули Іа = М/смФ, отриманої перетворенням (1.2.12). При Ф < Ф¢ струм досягає значень, при яких падіння напруг в колі якоря ІаSr наближається до напруги U. З (1.2.10) випливає, що з збільшенням струму Іа збільшується другий доданок чисельника цього виразу, а тому при значному струмі Іа зменшення потоку Ф супроводжується зменшенням частоти обертання n.
Максимальна частота обертання nmax при невеликому навантаженні на валу двигуна в багато разів перевищує номінальну частоту обертання nном і неприпустима за умовами механічної міцності двигуна. Тому при виборі реостата rрег необхідно слідкувати, щоб при повністю введеному його опорі частота обертання двигуна не перевищувала допустимого значення. Наприклад, для двигунів серії 2П допускається частота обертання не більше (2 ¸ 3) nном. Необхідно слідкувати за надійністю електричних з’єднань в колі обмотки збудження двигуна, так як при розриві цього кола магнітний потік Ф зменшується до значення потока залишкового магнетизму Фзал, при якому у випадку малих навантажень на валу двигуна частота обертання може перевищувати максимальне значення.
Недолік даного способу регулювання полягає в тому, що при зміні потоку Ф в значній мірі змінюється жорсткість механічних характеристик двигуна (див. рис.1.2.5, б).
Імпульсне регулювання частоти обертання. Розглянемо схему (рис.1.2.8,а), що пояснює цей спосіб регулювання. Коло обмотки якоря двигуна незалежного збудження періодично підключається до джерела напруги ключом К. При замиканні кола якоря на час t1 до обмотки якоря підводиться напруга U = Uном, струм збільшується до значення Іmax (рис.1.2.8,б). При розмиканні ключа струм зменшується, досягаючи значення Іmin, замикаючись через діод VD. При наступному замиканні ключа К струм в якорі знову досягає значення Imax і т.д. Таким чином, до кола обмотки якоря підводяться імпульси напруги, амплітудн1 значення яких рівні напрузі U джерела.
Середнє значення, що прикладається до двигуна, В,
(1.2.26)
де t1 – протяжність імпульсу напруги; Т – час між двома слідуючими один за одним імпульсами напруги (рис.1.2.8,б); g = t1/Т – коефіцієнт керування.
Рис.1.2.8. Принципові схеми (а,в) і графіки u=f(t), i=f(t) при імпульсному
регулюванні частоти обертання двигуна (б)
Струм в обмотці якоря визначається середнім значенням
(1.2.27)
Частота обертання двигуна при імпульсному регулюванні
(1.2.28)
Імпульсне регулювання забезпечує зміну частоти обертання лише в бік зменшення від номінальної. Для зниження пульсацій струму в коло якоря вмикають дросель L. Частота роботи ключа складає 200-400 Гц.
На рис.1.2.8,в зображена одна з можливих схем імпульсного регулювання напруги, де в якості ключа використовують тиристор VS. Вмикається тиристор (що відповідає замиканню ключа) подачею короткочасного імпульсу від генератора імпульсів ГІ на керуючий електрод КЕ. Коло з дроселя L1 і конденсатора С, що шунтує тиристор, служить для вимкнення останнього в інтервалі між двома керуючими імпульсами. При ввімкненні тиристора конденсатор С перезаряджається по контуру С-VS-L1-C і до тиристора прикладається напруга, обернена напрузі мережі. Час відкритого стану тиристора (с) визначається параметрами кола L1C:
(1.2.29)
де L1 – індуктивність дроселя, Гн; С – ємність конденсатора, Ф.
Середнє значення напруги Uсер, підведеної до обмотки якоря, регулюється зміною частоти слідування керувальних імпульсів.
Частота обертання двигунів з постійними магнітами регулюється зміною напруги на обмотці якоря (реостатом Rдод або імпульсним методом) тільки в бік зменшення від номінального значення.
Для зміни напрямку обертання якоря (реверса) двигуна необхідно змінити напрямок струму в обмотці якоря або в обмотці збудження. При одночасній зміні напрямку струму в обох обмотках якір не змінює напрямку обертання. В двигунах з постійними магнітами реверс відбувається зміною полярності клем обмотки якоря.
Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”