§ 49. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Регулирование частоты вращения электроприводов является одной из важнейших задач современной электротехники. Разработка и применение рациональных способов регулирования позволяют повысить производительность механизмов, улучшить качество выпускаемой продукции, упростить механическую часть привода, уменьшить расход электроэнергии и т. д.
С регулированием частоты вращения не следует смешивать естественное изменение частоты вращения электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой, когда изменяется нагрузка на валу привода. Регулирование — это принудительное изменение частоты вращения электропривода в зависимости от требований Приводного механизма.
Любой способ регулирования характеризуют следующие основные показатели:
диапазон регулирования — отношение максимальной частоты вращения к минимальной, которое можно получить в приводе, т. е.
плавность регулирования — число устойчивых скоростей, получаемых в данном диапазоне регулирования;
экономичность — учет затрат, связанных с созданием самого способа регулирования, и дополнительных потерь энергии, возникающих в привода;
стабильность работы привода — изменение частоты вращения при изменении момента на валу двигателя. Стабильность работы целиком определяется жесткостью механических характеристик;
направление регулирования показывает, что частота вращения изменяется только вниз или только вверх от основной частоты вращения привода или же возможно регулирование и вверх и вниз.
Анализируя формулу (70), нетрудно видеть, что частоту вращения двигателя постоянного тока можно регулировать изменением: сопротивления резистора в цепи якоря, потока возбуждения, напряжения питания двигателя.
Изменение сопротивления резистора в цепи якоря.
Механические характеристики двигателя (см. рис. 110) показывают, что увеличение сопротивления в цепи якоря приводит к уменьшению частоты вращения. Кратко процесс регулирования можно записать следующим образом: М=Мс; n=const — исходное состояние привода;
.
Этот процесс заканчивается, когда вновь наступит равенство М=Мс, но уже при меньшей частоте вращения. Краткая запись поясняется уравнениями (62), (68), (69), (71). Такая последовательность рассуждений позволяет понять физические процессы, происходящие в электроприводе при изменении тех или иных параметров.
Оценка этого способа регулирования частоты вращения с точки зрения принятых показателей получается следующей. Диапазон регулирования составляет около 5:1 и ограничивается тем, что при большом сопротивлении реостата работа двигателя становится нестабильной, особенно если момент сопротивления колеблется. Плавность регулирования принципиально может быть любой, но при увеличении числа ступеней усложняется схема управления.
Экономичность этого способа регулирования низкая, поскольку в цепи якоря выделяются потери энергии в виде тепла, пропорциональные перепаду частот вращения. Так, при снижении частоты вращения вдвое по сравнению с номинальной половина всей мощности, потребляемой двигателем из сети, превращается в тепло на резисторах и обмотке якоря. Благодаря относительной простоте способ сравнительно широко применяли на судах.
Изменение потока возбуждения.
У двигателей параллельного и смешанного возбуждения для изменения потока возбуждения используют резистор rр (см. рис. 109 и 112), который включен последовательно в цепь параллельной обмотки возбуждения.
У двигателей последовательного возбуждения для этой цели реостат включают параллельно обмотке возбуждения.
Процесс регулирования кратко записывается так: М=МС: n=const — исходное состояние привода;
•
Следует заметить, что сразу же при уменьшении потока Ф в соответствии с формулой (69) уменьшается э. д. с. Е, а в соответствии с формулой (71) должен уменьшиться момент М. Однако при уменьшении э.д.с. увеличивается ток якоря [см. формулу (68)] в значительно большей степени, чем уменьшился поток, поэтому вращающий момент двигателя увеличивается, что приводит к увеличению его частоты вращения.
Обычные двигатели постоянного тока допускают увеличение частоты вращения не более чем на 30—40% выше номинальной за счет ослабления поля. Ограничение допустимой частоты вращения при этом происходит из-за ухудшения условий коммутаций на коллекторе. Двигатели, допускающие двукратное увеличение частоты вращения, рассчитывают специально.
Для уменьшения частоты вращения электродвигателя нужно увеличивать поток возбуждения, но магнитная система машины уже при номинальном потоке находится в насыщенном состоянии. По этой причине сколько-нибудь существенно увеличить поток невозможно, т. е. регулирование частоты вниз весьма ограничено, а практически вообще невозможно, поскольку обмотка возбуждения у двигателей рассчитывается на полное напряжение сети.
Регулирование частоты вращения изменением потока возбуждения экономично, поскольку потери энергии в цепях возбуждения электрических машин составляют 1—5% их мощности.
Этот способ регулирования частоты вращения на практике часто применяют в сочетании с другими способами.
Изменение напряжения питания двигателя.
Изменять напряжение, подаваемое на якорь двигателя, можно в том случае, если двигатель получает питание от отдельного источника электроэнергии или от статического преобразователя.
Электропривод, в котором исполнительный двигатель ИД (рис. 115) получает питание от отдельного генератора Г, называется системой генератор—двигатель (Г—Д). В качестве приводного двигателя ПД, вращающего генератор с постоянной частотой, может быть использован любой электрический или механический двигатель.
Напряжение генератора регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора ОВГ потенциометром управления.
Процесс регулирования частоты вращения исполнительного двигателя в системе Г—Д можно кратко записать следующим образом: Мид = МС; n = const — исходное состояние привода:
Все это происходит до тех пор, пока момент Мид вновь станет равным моменту сопротивления Мс, но уже при большей частоте вращения исполнительного двигателя.
Рис. 115. Схема электропривода системы Г—Д
Механические характеристики для этого случая приведены на рис. 110, б. Важно, что жесткость их почти не меняется, следовательно, и стабильность работы исполнительного двигателя высокая. Благодаря этому диапазон регулирования может быть 10:1 и более. Кроме того, регулировать частоту вращения можно изменением потока возбуждения исполнительного двигателя. При этом общий диапазон регулирования в системе Г—Д расширяется до 20:1. Реверсирование исполнительного двигателя осуществляется изменением направления тока возбуждения генератора, т. е. без разрыва цепи главного тока.
Очень важно, что в системе Г—Д рекуперативное торможение исполнительного двигателя может осуществляться почти до полной остановки, так как частоту вращения идеального холостого хода, зависящую от напряжения генератора, можно уменьшать сколько угодно.
В мощных системах Г—Д обмотки возбуждения генератора и исполнительного двигателя получают питание от отдельных возбудителей, и тогда регулировочные резисторы rу и rр переносятся в цепи обмоток возбуждения возбудителей. При этом сохраняется высокая плавность регулирования и уменьшаются потери энергии в регулировочных резисторах.
В электроприводах рулевого устройства, брашпиля, шпиля и некоторых других в процессе работы возможны случаи заклинивания (перо руля во льдах, отрыв якоря от грунта, втягивание якоря в клюз и т. д.). При этом момент, развиваемый неподвижным двигателем,, может вызвать поломки в механической части,, а чрезмерное увеличение тока — повреждение самого двигателя.
В системе Г—Д в этих случаях применяют генератор со смешанным возбуждением, причем последовательная обмотка возбуждения включается встречно с независимой. Увеличение нагрузки на двигатель, а следовательно, увеличение тока главной цепи приводит к тому, что последовательная обмотка размагничивает генератор, напряжение его и частота вращения уменьшаются.
Механическая характеристика системы Г—Д для этого случая показана на рис. 116, а. Число витков последовательной обмотки по Правилам Регистра СССР должно быть таким, чтобы ИД мог стоять под током не менее 1 мин и момент стоянки Мст не вызывал механических поломок привода.
Рис. 116. Механические характеристики ИД в системе Г—Д с последовательной размагничивающей обмоткой генератора и с трехобмоточным генератором
Система Г—Д широко распространена на судах и с точки зрения регулировочных свойств до последнего времени остается лучшим электроприводом. Вместе с тем экономичность системы невысока. Общий к. п. д. ее определяется как произведение к. п. д. отдельных машин.
Первоначальная стоимость трех машин также относительно высока. Нельзя забывать и об увеличении массы и размерах системы, а также об эксплуатационных расходах связанных с уходом за коллекторами и щеточными аппаратами.
Применение в системе Г—Д размагничивающей последовательной обмотки (иногда она называется противопоследовательной) приводит к тому, что механические характеристики исполнительного двигателя становятся мягкими не только в области перегрузок, но и в рабочей части, т. е. при допустимых значениях момента. Предпочтительнее была бы механическая характеристика ИД, изображенная на рис. 116, б. Она отличается жесткостью в рабочей части и резким снижением частоты вращения в области перегрузок, т. е. объединяет достоинства характеристик, изображенных на рис. 110, б и 116, а. Такая характеристика получила название «экскаваторной». Ее можно получить в системе Г—Д, если применять генератор с тремя обмотками возбуждения.
На рис. 117, а приведена система Г—Д с трехобмоточным генератором (приводной двигатель генератора не показан).
Намагничивающие силы независимой (задающей) ОВ1 и параллельной ОВ2 обмоток возбуждения действуют согласно, а намагничивающая сила последовательной обмотки ОВ3 действует встречно. Обмотки ОВ1 и ОВ2 рассчитывают так, чтобы магнитная система возбужденного генератора на холостом ходу находилась в сильно насыщенном состоянии.
Рис. 117. Схема электропривода системы Г—Д с трехобмоточным генератором и характеристика намагничивания последнего
На рис. 117, б показана характеристика намагничивания генератора: O=f(F); F1 и F2 — намагничивающие силы обмоток ОВ1 и ОВ2. До тех пор, пока нагрузка на генератор не превышает допустимого значения, размагничивающее действие (F3). обмотки ОВ3 проявляется слабо, поток возбуждения, а значит, э.д.с. и напряжение генератора изменяются незначительно. При перегрузке магнитная система генератора выходит из насыщения и напряжение генератора начинает резко уменьшаться. Этому способствует уменьшение намагничивающей силы обмотки ОВ2. Частота вращения исполнительного двигателя уменьшается.
В мощных системах Г—Д (гребной электрической установке) для получения специальных механических характеристик применяют трехобмоточные возбудители генераторов.
Кроме рассмотренных, существуют и другие, менее распространенные способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, но в конечном счете любой из них связан с изменением одного из трех параметров двигателя: Rp, Ф, U.
Особый интерес представляют электроприводы с двигателями постоянного тока, в которых напряжение, подводимое к якорю, изменяется при помощи различных статических преобразователей. Об этом подробнее пойдет речь в § 51.
