Меню

Какие существуют способы регулирования скорости двигателей постоянного тока

Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока

Принципы регулирования частоты вращения в двигательном режиме реализуются в четырех основных способах регулирования:

1) реостатно-контакторное регулирование;

2) регулирование по системе «генератор — двигатель»;

3) регулирование по системе «управляемый выпрямитель — двигатель»;

4) тиристорно-импульсное регулирование.

Реостатно-контакторное регулирование.В настоящее время это управление широко применяется для регулирования частоты вращения двигателей малой и средней мощности, а иногда (на железнодорожном транспорте) и для мощных двигателей. Обычно при реостатно-контакторном управлении используются два метода регулирования: 1) при частотах вращения, меньших номинальной, в цепь якоря включают дополнительные сопротивления (Рис. 7 28). 2) при повышенных торного регулирования частоты вращения регулируют с последовательным. Машины малой мощности при отсутствии автоматизированного управления имеют два ползунковых регулировочных реостата, один из которых включен в цепь якоря, а другой — в цепь возбуждения. При больших мощностях, а также при необходимости автоматизации процесса сопротивления изменяют ступенчато (рис. 7.28) с помощью контакторов. Если требуется точное регулирование, то контакторов должно быть очень много, вся установка становится громоздкой, дорогой и сравнительно малонадежной. Реостатно-контакторная система при двигателях с параллельным возбуждением позволяет в зоне высоких частот вращения осуществлять рекуперативное торможение путем увеличения тока возбуждения. В зоне низких частот вращения применяют реостатное торможение, причем регулирование тормозного усилия осуществляют с помощью той же реостатно-контакторной установки, которая регулирует двигательный режим, после соответствующего переключения схемы. В связи со сложностью автоматизации и большими расходами на ремонт и эксплуатацию реостатно-контакторное управление в настоящее время постепенно заменяют более совершенными системами управления.

Регулирование по системе «генератор — двигатель.В этой установке (рис. 7.29) двигатель Д получает питание от автономного генератора Г с независимым возбуждением, который приводится во вращение каким-либо первичным двигателем ПД (например, электродвигателем, дизелем) Регулирование частоты вращения осуществляют изменением:

1) напряжения на якоре двигателя путем изменения тока возбуждения генератора /вГ;

Рис. 7 28. Схема реостатно-контак-торного регулирования частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением.

2) магнитного потока двигателя путем регулирования тока возбуждения двигателя /в.д.

Пуск в ход и получение низких частот вращения производят при максимальном токе возбуждения двигателя, но при уменьшенном токе возбуждения генератора, т. е. при пониженном напряжении. Ослабление магнитного потока двигателя (уменьшение его тока возбуждения) производят только после того, как исчерпана возможность повышения напряжения, т. е. когда установлен максимальный ток возбуждения генератора. Изменение направления вращения двигателя производят переменой полярности подводимого к якорю напряжения, для чего меняют направление тока в обмотке возбуждения генератора. Система «генератор — двигатель» выгодно отличается тем, что в ней отсутствуют силовые контакторы, реостаты и т. п. Управление легко поддается автоматизации, так как осуществляется путем регулирования сравнительно небольших токов возбуждения. Установки типа «генератор — двигатель» широко распространены в промышленности и на транспорте, в тех устройствах, где требуется регулирование частоты вращения в широких пределах. В транспортных установках генератор приводится во вращение дизелем, в промышленности — трехфазным синхронным или асинхронным двигателем. Систему «генератор — двигатель» широко применяют в металлургической промышленности для привода прокатных станов с двигателями мощностью 10 МВт и более при диапазоне регулирования частоты вращения 1 : 200 и точности поддержания заданной частоты вращения (погрешности) менее 1%. В рассматриваемой системе уменьшение частоты вращения производят с использованием рекуперативного торможения: сначала увеличивая ток возбуждения двигателя, а затем постепенно уменьшая ток возбуждения генератора, можно перевести двигатель в генераторный режим и быстро затормозить механизм. При этом накопленная кинетическая энергия якоря и механизма отдается в электрическую сеть. Если нагрузка толчкообразная, то иногда на валу первичного двигателя, вращающего генератор, ставят маховик, который уменьшает перегрузки первичного двигателя. Недостатки системы «генератор — двигатель» — большие масса, габариты, высокая стоимость установки; сравнительно низкий КПД (примерно 0,6 . 0,7), так как производится трехкратное преобразование энергии.

рис. 7.29. Схема «генератор—двигатель»

В последнее время на транспорте (в тепловозах, больших автомобилях, кораблях) вместо генератора постоянного тока в системе «генератор — двигатель» применяют синхронный генератор с полупроводниковым выпрямителем. Это позволяет снизить массу и уменьшить стоимость генератора. В промышленных установках такое усовершенствование обычно не применяется, так как для рекуперативного торможения требуется управляемый выпрямитель-инвертор, в связи с чем выгоднее перейти к схеме «управляемый выпрямитель — двигатель», исключив генератор и первичный двигатель.

Читайте также:  При последовательном соединении обмоток возбуждения постоянный ток

Регулирование по системе «управляемый выпрямитель — двигатель».Развитие полупроводниковой техники позволило применить для регулирования частоты вращения двигателя управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах, где одновременно с выпрямлением производится регулирование выпрямленного напряжения (рис. 7.30). Применение системы «управляемый выпрямитель — двигатель» позволяет увеличить КПД и уменьшить массу установки. Если требуется быстрая остановка механизма с последующим реверсированием, то для рекуперативного торможения параллельно с выпрямителем ставят инвертор, т. е. еще один полупроводниковый преобразователь, позволяющий отдавать энергию от машины постоянного тока в сеть переменного тока. Недостаток системы «управляемый выпрямитель — двигатель» — низкий коэффициент мощности при пониженном выходном напряжении. Кроме того, из-за пульсаций напряжения возникают пульсации тока, что ухудшает работу двигателя: возрастают потери, ухудшается коммутация и т. д. Особенно велики пульсации тока при питании от сети однофазного тока (в электровозах переменного тока), где обеспечение удовлетворительной коммутации — серьезная проблема.

Тиристорно-импульсное регулирование. При управлении тяговыми двигателями возникает необходимость регулировать возбуждение тягового дви­гателя, как правило, в трех случаях:

1) в начальной стадии пуска для получения более плавного на­растания силы тяги. Для этого в момент подключения двигателей к источнику питания осуществляют максимальное или частичное ослабление возбуждения с последующим его усилением до полно­го возбуждения;

2) в заключительной стадии пуска для увеличения скорости дви­жения подвижного состава. С этой целью после достижения пол­ного напряжения на двигателях постепенно ослабляют магнитное поле (уменьшают ток возбуждения) до предельного или промежу­точного значения коэффициента регулирования возбуждения а = Iв/Iя;

3) в начальной стадии электрического торможения (как рекупе­ративного, так и реостатного) с целью ограничения напряжения на двигателях при высоких скоростях движения, а также для более плавного нарастания тормозной силы. Для этого вначале торможе­ние осуществляется при ослабленном возбуждении с последующим постепенным усилением его до полного (а=1).

Все указанные режимы регулирования возбуждения двигателей могут с успехом осуществляться при тиристорно-импульсном управлении. В метровагонах типа

81-717.5М/714.5М используется именно эта система. Если регулирование тока возбуждения (а следовательно и магнитного поля) двигателей при разгоне осуществляется ступенчато за счёт реостатов, то в режиме реостатного торможения регулирование уже плавное, что позволяет поддерживать максимально возможную тормозную силу до 55-60 км/ч. Это достигается за счёт применения тиристорного регулятора РТ-300/300А. Этот регулятор состоит из силового блока, блока управления и датчика тока двигателей. Силовой блок состоит из двух идентичных тиристорных ключей-фаз, каждая из которых обслуживает отдельную группу тяговых двигателей. Тиристорные ключи, помимо самих тиристоров, состоят из коммутирующих диодов, дросселей, конденсаторов и резисторов. Оба тиристорных ключа размещены в одном модуле, что располагается под вагоном. В этом же модуле размещён блок защиты, который в аварийных ситуациях отключает тиристорный регулятор, при этом на данном вагоне электрическое (реостатное) торможение не работает, остаётся только пневматическое.

Схема включения ТИР при регулировании возбуждения тягового дви­гателя (а) и осциллограм­мы (б)

Список используемой литературы:

1. Г.Г. Рекус. Общая электротехника и основы промышленной электроники. «Высшая школа», 2008 г.

2. Ю.А. Комиссаров и др. Основы элетротехники, микроэлектроники и управления. т.1 «Химия», 2007

3. Ю.М. Борисов и др. Электротехника. «Электроатомиздат» 1985 г.

4. А.С. Касаткин, М.В. Немцов. Электротехника. «Электроатомиздат», 1983 г.

5. Раздаточный материал по курсу электротехники, электроники и электрооборудованию промышленных предприятий (№3240).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Регулирование частоты вращения электродвигателей

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Порядка 70 % потребляемой промышленностью мощности, приходится на электропривод. Огромное разнообразие технологических процессов диктует свои правила, вследствие чего, появилась необходимость в изменении скорости вращения электродвигателя непосредственно во время технологического процесса. В данной статье мы раскроем различные способы регулирования скорости вращения электродвигателей.

Параметры, изменив которые, мы изменим скорость двигателя переменного тока (ДПТ):

  • частота напряжения;
  • число пар полюсов;
  • величина напряжения;
  • добавочное сопротивление в цепи ротора;
  • вентильный каскад.

Изменяемые параметры для ДПТ:

  • напряжение питания;
  • сопротивление цепи обмотки якоря;
  • магнитный поток.

Методы регулирования частоты вращения электродвигателя

Далее мы подробно рассмотрим эти способы и их применимость к различным типам электродвигателей.

Частотное регулирование

Наиболее эффективный, постоянно совершенствующийся способ.
Применение: двигатели переменного тока (синхронные и асинхронные с кз ротором).
Корректируя частоту питающего напряжения, мы изменим угловую скорость магнитного поля статора, следовательно, скорость двигателя в значительном диапазоне, имея достаточно жесткие механические характеристики. Для сохранения в норме коэффициента мощности и допустимости кратковременных перегрузок, меняя частоту, следует изменять и саму величину питающего напряжения.

Читайте также:  Первая доврачебная помощь при поражении людей электрическим током

Характеристики для нагрузки с постоянным статическим моментом сопротивленияХарактеристики при статическом моменте нагрузки обратно пропорциональном угловой скорости вращения

Преимущества способа:

  • обширный диапазон регулировки;
  • «жесткость» механических характеристик;
  • минимум потерь «скольжения», мощности.

Недостаток — высокая стоимость (в последние годы становится менее актуально).

Регулирование изменением числа пар полюсов

Применение: т.к. промышленность не выпускает серийно синхронные двигатели с изменяемым количеством пар полюсов, будем считать, что способ актуален только для асинхронных двигателей (далее АД) с кз ротором.
Способ реализуется изменением числа пар полюсов у обмоток. Этого можно добиться, изготовив двигатель с двумя независимыми обмотками. Но этот метод приводит к удорожанию конструкции и увеличению размеров машины. Поэтому наиболее выгодным является увеличение числа пар полюсов без использования второй независимой обмотки.
Промышленностью выпускаются двухскоротсные, трёхскоростные и четырёхскоростные электродвигатели.

Достоинства:

  • экономичность;
  • «жёсткие» механические характеристики.

Недостатки:

  • ограниченное количество возможных скоростей;
  • ступенчатость переключения скоростей.

Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Изменение питающего напряжения

Применение: асинхронные двигатели.

Изменять напряжение на статоре можно, включая в его цепь резисторы (старый и неэкономичный способ), автотрансформаторы или тиристорные регуляторы.
При регулировании скорости изменением напряжения, критический момент пропорционален квадрату подводимого напряжения. Снижается устойчивость к кратковременным перегрузкам и КПД, поэтому метод предпочтителен при «вентиляторной» нагрузке. Еще один недостаток — малый диапазон регулирования.

Добавочное сопротивление в цепи ротора Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Применение: АД с фазным ротором.
При изменении сопротивления ротора прямо пропорционально изменяется скольжение. Но величина критического момента остается постоянной. Это позволяет подобрать сопротивления так, чтобы уравнять критический момент с пусковым, что благоприятно сказывается на пуске двигателя под нагрузкой.

Достоинства способа:

  • простота реализации;
  • критический момент = const;

Недостатки:

  • большие потери (при изменении скорости половина мощности тратится на выделение тепла);
  • малый диапазон;
  • «мягкие» механические характеристики.

Механические характеристики электромеханического и электрического каскадовАсинхронный вентильный каскад

Применение: АД с фазным ротором.

Смысл регулирования каскадными схемами заключается в подаче в цепь ротора добавочной ЭДС. Изменяя добавочную ЭДС ротора, мы изменяем ток ротора, а значит его момент и скорость. Создать добавочную ЭДС, помимо устройства вентильного каскада, может и ДПТ — машинно-вентильный каскад.

Достоинства:

  • Минимум сопутствующей силовой и контактной аппаратуры;
  • плавность регулировок;
  • малая мощность управления.

Недостатки:

  • стоимость;
  • низкий коэффициент мощности;
  • плохая устойчивость к перегрузкам.

Изменение напряжения питания якоря

Применение: любые ДПТ.
Способ можно использовать если источником электрической энергии является генератор. Реализовать от общей сети невозможно.

Достоинства:

  • плавность регулировок;
  • простота пусков и торможений;
  • экономичность.

Недостатки:

  • необходимость трехкратного преобразования энергии→низкий КПД;
  • три электрические машины в системе;
  • дорогая эксплуатация.

Введение добавочного резистора в цепь якоря Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Применение: любые ДПТ.

Заключается в последовательном включении в цепь якоря регулировочного реостата. Но способ не получил распространения ввиду своей неэкономичности и плохого влияния на КПД двигателя, т.к. в цепи реостата теряется очень большое количество энергии.

Регулирование изменением магнитного потока

В цепь возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения подключается реостат. В машинах последовательного возбуждения изменение магнитного потока в обмотке возбуждения производится шунтированием этой обмотки регулируемым сопротивлением. Максимальная скорость вращения двигателя ограничивается лишь механической прочностью якоря. Скорость двигателя регулируется в диапазонах 2:1-5:1, в частных случаях 8-10:1.

Преимущества:

  • минимальные потери→экономичность;
  • широкий диапазон регулирования

Недостатки:

  • невозможно бесконечно уменьшать ток в обмотке возбуждения, двигатель уйдет «в разнос».

Источник

Регулирование скорости оборотов двигателя постоянного тока

Моторчик

С точки зрения регулирования скоростью вращения электродвигателей, интересно уравнение для электромеханических характеристик, соответствующее Второму закону Кирхгофа:

ω = U/C×Φ – ΥЯ /( C×Φ) 3 ×M

При описании технических характеристик электродвигателя скорость, выражаемая оборотами в минуту, зачастую называется частотой вращения ν по известному соотношению:

ω = 2p/T = 2pn

Поэтому эти две разноименные величины часто применяются в одном и том же смысле. Скорость w (частота ν) находится в прямой зависимости от напряжения питания U и в обратной от магнитного потока Ф. Исходя из приведенной выше формулы, возникает вывод, что скоростью можно управлять, регулируя сопротивление якоря, магнитный поток и напряжение питания.

1

Методы регулировки

Итак, различают три основных варианта регулирования скоростью:

  1. Изменением напряжения сети. Меняя подводимое питание можно управлять частотой вращения двигателя;
  2. Добавлением пускового реостата в цепь якоря. Регулируя сопротивление, можно уменьшить скорость вращения;
  3. Управлением магнитного потока. Двигатели с электромагнитами дают возможность регулировать поток путем изменения тока возбуждения. Однако нижний предел ν min ограничен насыщением магнитной цепи двигателя, что не позволяет увеличивать в большой степени магнитный поток.
Читайте также:  Как выбрать автомат защиты по току для электродвигателя

К каждому из вариантов соответствует определённая зависимость механических характеристик.

Методы регулирования применительны к двигателям с различными:

  • типами возбуждения;
  • величиной мощности.

На практике в современных электрических моторах, в связи с недостатками и ограниченности диапазонов, рассмотренные методы не всегда применяются.

Это еще связано с тем, что машины отличаются довольно небольшими КПД, и к тому же не позволяют плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения.

Электронные же схемы управления с регуляторами частоты, работающими от аккумуляторной батареи на 12 В, напротив, широко используются. Например, они очень актуальны для управления низковольтными электродвигателями 12 вольт в приборах автоматики, детских игрушках, электрических велосипедах, аккумуляторных детских автомобилях.

2

Принципиальной особенностью метода является то, что ток в цепи якоря и момент, развиваемый электродвигателем, зависят лишь от величины нагрузки на его валу. Регулировка осуществляется с помощью регулятора оборотов электродвигателя.

В течение очень долгого времени тиристорные преобразователи являлись единственным коммерчески доступными регуляторами двигателей. К слову сказать, они по-прежнему самые распространенные на сегодняшний день. Однако с появлением силовых транзисторов стали наиболее популярными регуляторы оборотов двигателя постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией. Приведём для примера ниже схему, работающую от источника постоянного тока 12 В.

2

Схема на практике даёт возможность, к примеру, увеличивать либо уменьшать яркость свечения ламп накаливания на 12 вольт.

Последовательно-параллельное управление используется в ситуациях, когда два или более агрегата постоянного тока соединены механически. Схема с последовательным соединением электродвигателей, в которой общее напряжение делится на всех, используется для низкоскоростных приложений. Схема с параллельным соединением машин, имеющих одинаковое напряжение, используется в высокоскоростных применениях.

Заключение

Рассмотренный метод регулировки напряжения сети считается самым эффективным и экономичным вариантом, так как:

  • им обеспечивается широкий диапазон изменения скоростей (wmin / wmax) и лучшие энергетические характеристики (КПД);
  • он работает без каких-либо потерь мощности в силовой цепи якоря.

Управление осуществляется плавно, и по точности регулировка частоты вращения является весьма высокой.

Источник



Регулирование скорости двигателей постоянного тока

date image2015-02-27
views image10758

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока можно определить, рассматривая уравнение механической характеристики:

Для двигателя независимого возбуждения возможны три способа регулирования:

Изменение питающего напряжения U. При этом способе изменяется скорость идеального холостого хода , а наклон механической характеристики не изменяется. Это наиболее эффективный способ регулирования, так как он обеспечивает наибольший диапазон регулирования (wмин / wмакс) и лучшие энергетические характеристики (к. п. д.). Регулирование происходит плавно, то есть точность регулирования может быть очень высока. Этот метод имеет один недостаток – требуется регулируемый источник питания в цепи якоря. Механические характеристики двигателя при этом способе регулирования приведены на рисунке 6.4, а.

Рисунок 6.4 — Механические характеристики двигателя независимого возбуждения при регулировании скорости за счет изменения питающего напряжения (а), реостатном регулировании (б) и регулировании за счет ослабления магнитного потока (в)

Изменение сопротивления якорной цепи rЯ. При этом скорость идеального холостого хода остается постоянной, а изменяется угол наклона механической характеристики. Регулирование происходит ступенчато, точность регулирования зависит от числа ступеней реостата в якорной цепи. Энергетическая эффективность при таком способе невелика, так как значительная мощность рассеивается на сопротивлении реостата. Механические характеристики двигателя при этом способе регулирования приведены на рисунке 6.4, б.

Изменение магнитного потока машины Ф.Изменение магнитного потока происходит за счет регулирования тока возбуждения двигателя. Так как ток возбуждения двигателя значительно меньше тока якоря, то реализовать этот способ легче реализовать, чем первый, так как регулируемые источники питания малой мощности достаточно просты и доступны. Однако практически все машины постоянного тока в номинальном режиме работают при насыщенной магнитной системе. То есть при увеличении тока возбуждения магнитный поток будет возрастать очень незначительно, в то время как ток возбуждения может достигнуть недопустимых значений. Поэтому изменение магнитного потока машины можно производить только в сторону ослабления поля. При этом скорость будет возрастать выше основной, а характеристики иметь вид аналогичный характеристикам двигателя последовательного возбуждения (рисунок 6.4, в). Этот способ зачастую применяется в комбинации с первым для расширения диапазона регулирования.

Источник