Частота вращения якоря электродвигателя постоянного тока регулируется

Способы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока и реостатный пуск

§ 82. Способы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока и реостатный пуск

Способы регулирования частоты вращения. Частоту вращения якорей тяговых двигателей можно регулировать, изменяя напряжение £/д на зажимах двигателя или магнитный поток Ф, т. е. коэффициент возбуждения 6. Напряжение С/д изменяют с помощью пускового реостата, включенного последовательно с двигателями, и тиристорных преобразователей, а также применением различных схем соединений тяговых двигателей.

Реостатный пуск. В момент пуска и разгона электровоза или моторного вагона электропоезда для увеличения напряжения на зажимах двигателя и поддержания необходимых тока и силы тяги выводят ступенями пусковой реостат, т. е. осуществляют реостатный пуск. Для длительной езды под током применяют различные соединения тяговых двигателей и ступени ослабления возбуждения. Скоростные характеристики v(I), соответствующие различным схемам соединения двигателей при выведенном пусковом реостате и коэффициентам возбуждения, называют экономическими (ходовыми); характеристики, соответствующие работе на различных ступенях реостатного пуска, — реостатными.

В период пуска и разгона поезда якоря тяговых двигателей должны развивать частоту вращения от нуля до значения, соответствующего выходу на безреостатную характеристику. На электровозах, где пусковой режим машинист изменяет в широкик пределах сообразно с весом поезда, профилем пути и условиями сцепления, чаше всего применяют неавтоматический ступенчатый реостатный пуск. Плавное изменение сопро-

тивления пускового реостата, рассчитанного на большой ток, принципиально возможно при импульсном регулировании его тиристорным преобразователем.

В процессе пуска почти всегда реализуется максимальная по сцеплению сила тяги. Отклонение пускового тока /„ и силы тяги от средних значений при ступенчатом реостатном пуске характеризуют соответственно коэффициентами неравномерности пуска по току и силе тяги кл[ и киР.

Чтобы пуск электровоза или электропоезда происходил без боксования, для любой позиции должно быть соблюдено уСЛОВИе / тах/Я < фк (ЗДесЬ ^тах —

максимальная сила тяги по условиям сцепления движущего колеса с рельсом; Я — нагрузка иа рельсы от колесной пары; фк — расчетный коэффициент сцепления, который выбирают согласно Правилам тяговых расчетов. Максимальная возможная по условиям сцепления сила тяги тем больше, чем меньше коэффициент неравномерности.

При различных пределах отклонения тока для разных позиций коэффициенты ки1 и к„р являются переменными и определяются отдельно. В случае уменьшения к„/ снижается вероятность нарушения сцепления, поскольку сила тяги нарастает более мелкими ступенями. Для электровозов принимают кн) не более 0,07 — 0,08, что соответствует при пуске колебаниям тока ±9—10%. На некоторых современных электровозах колебания пускового тока составляют ±4%. Для моторных вагонов электропоездов коэффициент к„/ выбирают в зависимости от ускорения а, полагая ас кн/ ж 0,075 -4—4- 0,085 м/с2.

Коэффициент к„/> обычно в 1,2—1,25 раза больше коэффициента кн1. Полученное значение /’тах для электровозов проверяют также по перегрузочной способности двигателя. Наибольшее значение

тока при пуске не должно превышать ^3*= кпЛ (здесь кпэ = 1,4 1,6 — коэффициент эксплуатационной перегрузки для электровозов с неавтоматическим пуском).

С уменьшением числа ступеней упрощается аппаратура, но вместе с тем увеличиваются колебания тока при переходе с позиции на позицию, а это приводит к уменьшению использования сцепного веса при пуске и торможении и резким толчкам тягового усилия. Поэтому в каждом конкретном случае стремятся принять решение, удовлетворяющее в необходимой степени обоим требованиям. Каждому соединению двигателей соответствует несколько кривых, характеризующих зависимость скорости движения v от тока / при различных сопротивлениях г. Совокупность таких кривых с указанием перехода с одной кривой (характеристики) на другую при максимальном токе называют пусковой диаграммой.

Для ограничения начального ускорения во время пуска электровоза с низкими скоростями при маневрах, а также для плавного натяжения упряжных приборов при трогании локомотива с составом на первом соединении тяговых двигателей, кроме позиций, полученных из условий пуска с расчетными пределами тока, вводят еще маневровые позиции, при которых пусковое сопротивление больше сопротивления, соответствующего первой пусковой позиции. Число маневровых позиций для электровозов обычно выбирают от четырех до шести.

Первую маневровую позицию рассчитывают по начальному ускорению, равному 0,3—0,5 м/с2 при пуске электровоза без состава на площадке. Для электропоездов с ускорением 0,7—1,0 м/с2 при автоматическом пуске обычно предусматривают одну маневровую позицию, сопротивление которой рассчитывают исходя из начального ускорения 0,5—0,6 м/с2 при v = 0.

При малом пусковом токе переход на первую позицию второго соединения тяговых двигателей может сопровождаться значительным броском тока, для уменьшения которого на втором и последующих соединениях двигателей при ручном пуске добавляют две или три дополнительные реостатные позиции на электро-

возах и одну или две на моторных вагонах аналогично маневровым позициям на первом соединении

Для определения дополнительных ступеней, предшествующих первой позиции второго соединения двигателей, находят скорость, при которой бросок тока при переходе с предыдущей автоматической характеристики на первую реостатную следующего соединения был бы равен разности максимального и минимального пусковых токов.

Частота вращения якоря электродвигателя постоянного тока регулируется

Работа машины постоянного тока в режиме двигателя.

При включении двигателя постоянного тока в сеть под действием приложенного напряжения проходит ток как в обмотке якоря, так и в обмотке возбуждения.
Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов.

Схема включения генератора параллельного возбуждения в сеть

В результате взаимодействия тока в проводниках обмотки якоря о магнитным полем полюсов создается вращающий момент и якорь машины приходит во вращение.
Таким образом, электрическая энергия преобразуется в энергию механическую.

Положим, что генератор параллельного возбуждения включен в сеть большой мощности (изо).

Ток нагрузки генератора определяется следующим выражением:

где I — ток в обмотке якоря,
Rя — сопротивление этой обмотки;
Е — эдс, индуктируемая в этой же обмотке;
U — напряжение сети.

Направление эдс и тока в активных проводах якоря показано на схеме (изо, а ). Машина развивает электромагнитный момент Мэ , являющийся тормозным, т. е. потребляет механическую энергию и вырабатывает энергию электрическую.
Если понизить ток возбуждения, то уменьшится как магнитный поток, так и эдс, индуктируемая в обмотке якоря. Это вызовет уменьшение нагрузки генератора.

Схема работы машины постоянного тока в режимах: а — генератора, б — двигателя

Изменяя сопротивление регулировочного реостата, можно довести ток возбуждения до такой величины, при которой эдс в обмотке якоря равна напряжению сети
( E = U ) и ток в якоре равен нулю, т. е. генератор работает вхолостую.

При токе возбуждения, меньшем тока, соответствующего холостой работе генератора, эдс обмотки якоря будет меньше напряжения сети, и ток в якоре изменит направление на обратное (изо, б ).

При изменении направления тока в,проводниках обмотки якоря также изменится направление электромагнитного момента Мэ , развиваемого машиной, т. е. момент станет вращающим.
Таким образом, машина, потребляя электрическую энергию, вырабатывает энергию механическую, т. е. работает двигателем.

Если отключить первичный двигатель, то якорь машины будет продолжать вращаться под действием развиваемого электромагнитного момента Мэ .
При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется эдс, направление которой противоположно направлению тока. Поэтому ее называют противо-эдс или обратной эдс.
Противо-эдс играет роль регулятора потребляемой мощности, т. е. потребляемый ток изменяется вследствие изменения противо-эдс, равной Е = СnФ .

Вращающий момент, развиваемый двигателем, Мэ = КIФ .
Приложенное напряжение уравновешивается противо-эдс и падением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактов. Следовательно,
U = E + IRя .
Ток в обмотке и частота вращения якоря определяются следующими выражениями:
I = (U — E)/Rя и n = (U — IRя)/CФ .

Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Таким образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов, переключив обмотку возбуждения, либо изменить направление тока в обмотке якоря.

Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, и переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно заключается в переключении обмотки якоря.

Пуск двигателей постоянного тока.

В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен и противо-эдс равна нулю ( Е = 0 ). При непосредственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой ток I пуск = U/R я . Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателей очень малой мощности, у которых падение напряжения в якоре представляет относительно большую величину и броски тока не столь велики.

В машинах постоянного тока большой мощности падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. IR я = (0,02 0,1)U .
Следовательно, пусковой ток в случае включения двигателя в сеть с номинальным напряжением во много раз превышает номинальный.
Для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты, включаемые последовательно с якорем двигателя при пуске в ход.

Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы, и выполняются ступенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессе пуска его в ход.

Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом показана на изо, а.
Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые
буквами Л , Я , Ш .
Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с металлической шиной, помещенной на реостате (шунт).

Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочное сопротивление Rр присоединяется обмотка возбуждения. Вторые зажимы якоря и обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены ко второму полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть.

При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1 , так что последовательно с якорем соединено полное сопротивление пускового реостата ПР , которое выбирается таким, чтобы наибольший ток при пуске в ход I mах не превышал номинальный ток более чем в 1,7—2,5 раза, т.е.
Rп = U/I max — Rя .
При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент.
Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на валу двигателя ( М пуск > Мт ), то якорь машины придет во вращение.

Схема ( а ) и характеристики ( б ) двигателя параллельного возбуждения

Под действием инерции частота вращения не может претерпевать мгновенных изменений и будет постепенно увеличиваться. Вместе с ней возрастает противо-эдс и ток в якоре начнет уменьшаться, что вызывает уменьшение вращающего момента двигателя.

В рабочем режиме сопротивление пускового реостата должно быть полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковременный режим работы и при длительном прохождении тока выйдет из строя.

Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения I min , движок пускового реостата переводится на контакт 2 . При этом сопротивление пускового реостата уменьшится на одну ступень, что увеличит ток.
Сопротивление всех ступеней пускового реостата выбирают так, чтобы при переводе движка реостата с одного контакта на другой ток в якоре изменялся от I min до I max .
С увеличением тока в якоре возрастает вращающий момент, вследствие чего частота вращения вновь увеличивается. С увеличением частоты вращения якоря возрастает противо-эдс, что вызовет уменьшение тока в якоре.
Когда ток в якоре достигает вновь наименьшего значения, движок реостата переводится на контакт 3 .
Таким образом, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено (движок реостата на контакте 5 ), и в рабочем режиме ток и частота вращения якоря принимают установившиеся значения, соответствующие тормозному моменту на валу двигателя.

Наименьший ток при пуске в ход зависит от режима работы двигателя.
Если двигатель пускается при полной нагрузке, то I min = 1.1Iн .

При пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках этот ток может быть меньше номинального тока двигателя.

Число ступеней пускового реостата зависит от разности I max — I min , причем чем меньше разность этих токов, тем больше число ступеней. Обычно пусковые реостаты имеют от 2 до 7 ступеней. При пуске двигателя в ход регулировочное сопротивление Rv в цепи возбуждения должно быть полностью выведено, т. е. ток возбуждения должен быть наибольшим, что дает возможность уменьшить пусковой ток.

Для пуска двигателя необходимо создать пусковой момент, больший тормозного момента на валу.
Так как M пуск = KI пуск Ф , то для уменьшения пускового тока надо увеличить магнитный поток, т. е. увеличить ток в обмотке возбуждения.

Металлическая шина пускового реостата соединена с зажимом 1 . Это необходимо для того, чтобы при отключении двигателя от сети не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющей значительную индуктивность.

При отключении двигателя движок пускового реостата переводится на холостой контакт 0 и рубильник отключается. При этом обмотка возбуждения будет замкнута на сопротивление пускового реостата и якоря, что дает возможность избежать перенапряжений и дугообразования.

Характеристики двигателей постоянного тока.

Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависимости
частоты вращения n ,
вращающего момента Мэ ,
потребляемого тока I ,
мощности P 1 и кпд от полезной мощности на валу Р 2 .

Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы двигателя, т. е. машина не регулируется и напряжение сети остается постоянным.
При изменении полезной мощности P 2 (т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины, поэтому рабочие характеристики часто строятся в зависимости от тока в якоре.

Зависимости вращающего момента и частоты вращения от тока в якоре для двигателя параллельного возбуждения изображены на изо, б .
Частота вращения двигателя определяется следующим выражением:
n = (U — IRя)/СФ .

С увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает также и ток в якоре.
Это вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах.
Так как ток возбуждения остается неизменным (машина нерегулируема), то магнитный поток также постоянен.
Однако при повыше нии тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Ф несколько уменьшится.
Увеличение IRя вызывает понижение частоты вращения двигателя, а уменьшение Ф повышает частоту.
Обычно падение напряжения влияет на изменение частоты в несколько большей степени, чем реакция якоря, так что с увеличением тока в якоре частота уменьшается.

Изменение частоты вращения у двигателя этого типа незначительно и не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до номинальной, т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют жесткую скоростную характеристику.
Вращающий момент двигателя Mэ = КIФ .

При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в якоре может быть представлена прямой линией. Но под воздействием реакции якоря с увеличением нагрузки в некоторой степени уменьшится магнитный поток и зависимость момента отклонится вниз от прямой линии.
Схема двигателя последовательного возбуждения показана на изо, а .
Пусковой реостат этого двигателя имеет только два зажима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь.
Характеристики двигателя изображены на изо, б .

Частота вращения двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением: n = (U — I(Rя + Rc))/СФ ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки, что вызывает значительное изменение частоты вращения. Так как падение напряжения в сопротивлении якоря и в обмотке возбуждения очень мало в сравнении с приложенным напряжением, то частоту вращения можно приближенно определить следующим выражением:
n = U/СФ .
Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который равен току в якоре. Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения частота вращения обратно пропорциональна току в якоре и она резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристику.

Схема ( а ) и характеристики ( б ) двигателя последовательного возбуждения

С уменьшением нагрузки частота вращения двигателя увеличивается. При холостом ходе ( Iя = 0 ) частота вращения двигателя беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в разнос.
Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках.
Двигатель имеет минимальную допустимую нагрузку, составляющую 25—30% номинальной.
При нагрузке меньше минимально допустимой частота вращения двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разрушение. Поэтому, когда возможны сбросы или резкие уменьшения нагрузки, двигатели последовательного возбуждения не применяют.

В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает разноса, так как механические потери их будут достаточно большой нагрузкой для них.
Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре
( Ф = С’I ), можно определить следующим выражением:
Mэ = KIФ = К’I
где К’= КС’ , т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока.

Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии. Таким образом, двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты, что имеет существенное значение при пуске больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели широко используют в транспортных и подъемных устройствах.

При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и встречное включение обмоток возбуждения.
Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого применения, так как они обладают плохими пусковыми свойствами и работают неустойчиво.

Характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока.

Двигатели постоянного тока получили широкое распространение и часто являются незаменимыми благодаря ценному свойству — возможности плавно и экономично регулировать частоту вращения в широких пределах.

Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением: n = (U — I(Rя — Rc))/СФ ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для двигателя параллельного возбуждения Rс = 0 ).

Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.

Для регулирования частоты вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используют регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем.

В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается кпд двигателя.

Регулируют частоту вращения якоря двигателя изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения.
В двигателях параллельного и смешанного возбуждения для изменения тока включают регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением.
Последний способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.

Потери и кпд машин постоянного тока

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющей являются потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.

Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.

Магнитная индукция определяет эдс машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его вращения постоянны.

Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, — Робм .
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными — меняются при изменениях нагрузки.

Третья составляющая — механические потери Рмех , представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери также постоянны, не зависят от нагрузки.
Кпд машины в процентах:
= P 2 /P 1 x 100%
где Р 2 — полезная мощность; Р 1 — потребляемая машиной мощность.

При работе машины генератором полезная мощность P 2 = UI ,
где U — напряжение на зажимах генератора; I — ток в нагрузке.

Потребляемая мощность
P 1 = P 2 + Pст + Pобм + Pмех = UI + Pст + Pобм + Pмех

и кпд = (UI/ (UI + Pст + Pобм + Pмех)) x 100%.

При работе машины двигателем потребляемая мощность
P1 = UI ,
где U — напряжение питающей сети; I — ток, потребляемый двигателем из сети.

Полезная мощность
P 2 = P 1 — Pст — Pобм — Pмех = UI — Pст — Pобм — Pмех
и кпд
= ((UI — Pст — Pобм — Pмех )/UI) x 100%.

§36. Регулирование частоты вращения якоря электродвигателя

Из формулы (65) следует, что частота вращения якоря электродвигателя постоянного тока зависит от падения напряжения I_я?R_я в цепи обмотки якоря, питающего напряжения U и магнитного потока Ф. Поэтому ее можно регулировать тремя способами:

включением реостата с сопротивлением R_п в цепь обмотки якоря;

изменением питающего напряжения U;

изменением магнитного потока Ф.

Рассмотрим более подробно эти способы на примере двигателей с последовательным и параллельным возбуждением.

Включение реостата в цепь обмотки якоря. При включении реостата с сопротивлением R_п в цепь обмотки якоря, кроме естественной механической характеристики 1, получают и ряд реостатных характеристик 2, 3 и 4 (рис. 133). При этом заданному нагрузочному моменту М_вн соответствуют различные значения частоты вращения n₁, n₂, n₃ и n₄; чем больше сопротивление R_п тем меньше частота вращения якоря двигателя. Такой способ регулирования весьма прост и позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. (Однако при этом возникают большие потери энергии в регулирующем реостате, вследствие чего его практически применяют только при кратковременных режимах работы двигателя (например, при пуске). Другим недостатком рассматриваемого способа регулирования является то, что частоту вращения п можно только уменьшать от n₁ до нуля.

Изменение питающего напряжения. При изменении питающего напряжения частота вращения п изменяется пропорционально U. Следовательно, подавая на обмотку якоря различные напряжения U₁, U₂, U₃, можно получить семейство механических характе-

Рис. 133. Механические характеристики электродвигателей с последовательным (а) и независимым или параллельным (б) возбуждением при регулировании частоты вращения включением реостата в цепь обмотки якоря

Рис. 134. Механические характеристики электродвигателя с последовательным (а) и независимым (б) возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения питающего напряжения

Рис. 135. Схемы питания электродвигателя с последовательным возбуждением от генератора (а) и выпрямителя (б)

ристик 1, 2 и 3, у которых при любой нагрузке n₁:n₂:n₃ = U₁:U₂:U₃ (рис. 134). При уменьшении питающего напряжения механические характеристики двигателя смещаются в область меньших частот вращения и располагаются параллельно. Для осуществления указанного способа регулирования частоты вращения двигатель должен быть подключен к источнику постоянного тока с регулируемым напряжением: к генератору Т с независимым возбуждением (рис. 135, а) или выпрямителю В_n (рис. 135,б). Питание тяговых двигателей от генератора осуществляется на тепловозах, а от выпрямителя — на электровозах и электропоездах переменного тока. На электровозах и электропоездах выпрямитель подключают к трансформатору, позволяющему изменять напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, а следовательно, и его выходное напряжение U. На тепловозах в цепях управления имеется специальная электрическая аппаратура, позволяющая изменять ток возбуждения генератора, т. е. его выходное напряжение U, ручным способом или автоматически.

Несмотря на то, что рассмотренный способ требует довольно сложного оборудования, его широко применяют на современных локомотивах и электропоездах, так как он обеспечивает плавное и экономичное (без потерь энергии в реостатах) регулирование частоты вращения в очень широких пределах. Следует отметить, что для электродвигателей с параллельным возбуждением указанный способ регулирования применять нельзя, так как при уменьшении питающего напряжения соответственно уменьшался бы магнитный поток двигателя и увеличивался ток обмотки якоря. В этом случае двигатель должен быть переведен на независимое возбуждение.

На э. п. с. постоянного тока напряжение, подводимое от контактной сети к электровозу или моторному вагону, не может регулироваться, поэтому здесь для изменения подаваемого к двигателям напряжения применяют последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей. При этом изменяется напряжение, приходящееся на каждый двигатель локомотива, и частота вращения.

При регулировании частоты вращения двигателей путем их последовательно-параллельного переключения число возможных схем соединений зависит от числа двигателей, установленных на данном локомотиве. Например, на четырехосных электровозах может быть использовано последовательное соединение тяговых двигателей (рис. 136, а); при этом напряжение, подводимое к двигателю, в 4 раза меньше напряжения U в контактной сети и двигатель имеет некоторую минимальную частоту вращения n_min при заданном моменте М_вн. При соединении двигателей в две параллельные группы (рис. 136, б), в каждую из которых включено по два последовательно соединенных двигателя, напряжение, подводимое к каждому двигателю, будет в 2 раза меньше напряжения U в контактной сети и частота его вращения будет составлять 2n_min. Характеристики двигателей при этом располагаются одна над другой (рис. 136, в).

Последовательно-параллельное переключение тяговых двигателей применяют также на тепловозах. Это позволяет ограничить диапазон регулирования напряжения генератора, от которого зависят его габаритные размеры и масса.

Изменение магнитного потока. Для того чтобы изменить магнитный поток Ф, регулируют ток возбуждения двигателя с помощью

Рис. 136. Схемы соединения тяговых двигателей на четырехосных электровозах или электропоездах (а и б) и механические характеристики двигателей при различных схемах соединения (в): 1 — последовательное соединение; 2— последовательно-параллельное соединение

Рис. 137. Схема включения регулировочного реостата параллельно обмотке возбуждения в двигателе с последовательным возбуждением (а) и механические характеристики (б) при различных сопротивлениях реостата

регулировочного реостата R_рв (рис. 137, а). В двигателях с после-довательньм возбуждением регулировочный реостат включают параллельно обмотке возбуждения, вследствие чего через обмотку возбуждения будет протекать только часть тока якоря (другая часть ответвляется в точке О в реостат R_рв). Обычно регулировочный реостат имеет несколько ступеней с сопротивлениями R₁, R₂, R₃, которые позволяют получать несколько ступеней регулирования тока возбуждения двигателя.

Включение ступеней R₁, R₂, R₃ осуществляется контакторами 1, 2 и 3; при этом механические характеристики двигателя 2 (при включении ступени R₁), 3 (при включении R₁ и R₂ и 4 (при включении R₁, R₂ и R₃) располагаются выше естественной характеристики 1 (рис. 137,б).

Степень регулирования тока возбуждения характеризуется коэффициентом регулирования возбуждения ?, который представляет собой отношение тока возбуждения I_в0 при ослабленном возбуждении (включен регулировочный реостат R_рв) к току возбуждения I_вн при нормальном возбуждении при одном и том же токе в обмотке якоря:

? = Iв0/Iвн = Rвн/(Rв+Rвн)

где Rв — сопротивление обмотки возбуждения.

Рассмотренный способ регулирования прост и экономичен, поэтому его широко применяют на локомотивах и электропоездах. Однако в этом случае регулирование частоты вращения можно осуществлять только в сравнительно небольшом диапазоне. Нижний предел n_min ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток, верхний предел n_max—условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет вразнос), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения сильно увеличивается ток якоря I_я, что приводит к возрастанию реактивной э. д. с. и искажающего действия реакции якоря. При этом повышается опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня. По этой причине двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослабления возбуждения, обязательно должны иметь компенсационную обмотку и пониженное значение реактивной э. д. с. при номинальном режиме. Обычно предельное значение коэффициента возбуждения ? для двигателей без компенсационной обмотки составляет 0,3—0,33, а при наличии компенсационной обмотки — 0,2.

В двигателях с независимым и параллельным возбуждением регулировочный реостат, посредством которого изменяют ток возбуждения I_в и магнитный поток Ф, включают последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 125). В этом случае при изменении тока возбуждения частота вращения n₀ при холостом ходе будет изменяться, т. е. механическая характеристика 2 при ослабленном возбуждении будет располагаться выше характеристики 1 при нормальном возбуждении (рис. 138). Однако характеристики 1 и 2 при различных значениях Ф не будут параллельны, так как согласно формуле (65) изменяется снижение частоты вращения, обусловленное падением напряжения I_я?R_я в цепи обмотки якоря.

Работа электродвигателя с ослабленным возбуждением при переходных процессах. При включении регулировочного реостата параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 137, а) приходится применять специальные меры для сохранения требуемого распределения тока между нею и реостатом при переходных процессах, возникающих в случаях резкого изменения режима работы двигателя, изменения напряжения в контактной сети и пр.

При переходных процессах, когда токи I_я, I_в и I_рв изменяются, в обмотке возбуждения возникает значительная э. д. с. самоиндукции е_L. В результате ее действия ток I_в уменьшается по сравнению с его значением при стационарном режиме, а ток I_рв возрастает, т. е. происходит значительно большее ослабление возбуждения. Наиболее опасным переходным процессом для тяговых двигателей, работающих с ослабленным возбуждением, является включение их на полное напряжение после кратковременного отключения от

Рис. 138. Механические характеристики электродвигателя с независимым и параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

Рис. 139. Направление электромагнитного момента М при различном направлении тока в обмотке якоря и различной полярности полюсов

Рис. 140. Схемы переключений обмотки электродвигателя с последовательным возбуждением при изменении направления вращения

сети (при отрыве токоприемника от контактного провода). В этом случае из-за большой э. д. с. самоиндукции е_L в первый момент после включения почти весь ток I_я пойдет по регулировочному реостату R_рв, а ток I_в в обмотке возбуждения будет мал. Это приведет к значительному возрастанию тока I_я в обмотке якоря из-за уменьшения э. д. с. Е, индуцированной в ней. Практически при этих условиях возникает резкий бросок тока I_я, сопровождающийся нарушением нормальной коммутации (искрением под щетками) и образованием кругового огня. Кроме того, из-за большой скорости изменения тока создаются большие коммутационные перенапряжения, которые могут вызвать пробой изоляции обмоток якоря и возбуждения.

Бросок тока I_я при включении двигателя под напряжение и скорость его изменения зависят от распределения токов I_в и I_рв между обмоткой возбуждения и регулировочным реостатом R_рв. Чтобы обеспечить при переходных процессах такое же распределение токов I_в и I_рв, как и при стационарном режиме, последовательно с реостатом R_рв включают индуктивный шунт ИШ, представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Индуктивность этой катушки подбирают так, чтобы отношение индуктивностей обмотки возбуждения и цепи реостата R_рв было приблизительно равно отношению их сопротивлений. При этом условии возникающие при переходных процессах э. д. с. самоиндукции e_L в обмотке возбуждения и e_L1 в индуктивном шунте не будут влиять на распределение токов I_в и I_рв и возрастание тока I_я будет небольшим.

Изменение направления вращения. Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного момента М, действующего на якорь. Направление момента М определяется правилом левой руки (см. рис. 68,б). Изменить направление М можно двумя способами (рис. 139, а — в): 1) изменением направления тока I_я в обмотке якоря; 2) изменением полярности полюсов, т. е. направления магнитного потока Ф, путем изменения направления тока возбуждения I_в. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или к обмотке возбуждения. Например, если при вращении электродвигателя в направлении Вперед ток I_я проходил от щетки А к щетке Б (рис. 140, а), а ток возбуждения I_в — от зажима В1 к зажиму В2, то для перевода двигателя в направление Назад необходимо переключить цепь обмотки якоря так, чтобы ток I_я проходил от щетки Б к щетке А, оставив неизменным направление тока I_в (рис. 140,б), или, оставив неизменным направление тока I_я от А к Б, переключить цепь возбуждения так, чтобы ток I_в проходил от зажима В2 к зажиму В1 (рис. 140, в).

Регулирование скорости вращения электродвигателя постоянного тока

Для получения высокой производительности и требуемой точности или шероховатости обработки изделий, остановки исполнительного органа производственной машины в нужном месте с заданной степенью точности и т.д. приходится принудительно изменять частоту вращения или скорость линейного перемещения исполнительного органа. Принудительное изменение частоты вращения или линейного перемещения исполнительного органа производственной машины в соответствии с требованием производственного процесса называется регулированием скорости.

В настоящее время взамен коробок скоростей, вариаторов и т.п. все больше применяется электрическое регулирование частоты вращения, в основе которого лежит использование искусственных, механических характеристик электродвигателей. Электрическое регулирование частоты вращения приводит к упрощению, облегчению и удешевлению механической части машин и механизмов, упрощению управления, возможности получения плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

При питании двигателей от источника постоянного напряжения частоту вращения можно регулировать следующим образом: 1) изменением сопротивления цепи якоря; 2) изменением значения магнитного потока.

Естественно, что второй метод регулирования применим лишь к двигателям параллельного и смешанного возбуждения.

Для регулирования частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря обычно используют тот же реостат, что и для пуска двигателя. Реостат, используемый как для пуска, так и для регулирования частоты вращения, находится в отношении нагревания в более тяжелых условиях, чем реостат, служащий только для пуска.

Рассматриваемый способ регулирования частоты вращения не требует сложного оборудования и дает возможность получить любую пониженную частоту вращения при заданной нагрузке. Однако он имеет и существенные недостатки. Одними из из них являются «мягкие» искусственные механические характеристики, благодаря чему частота вращения при данном сопротивлении сильно зависит от нагрузки двигателя. «Мягкие» характеристики затрудняют получение требуемых, особенно низких частот вращения при различных нагрузках. Другой недостаток заключается в том, что регулирование частоты вращения сопровождается потерями мощности в реостате, которые возрастают по мере увеличения сопротивления r и снижения частоты вращения.

Умножив правую и левую части уравнения на ток якоря, получим уравнение баланса мощности цепи якоря

где UI_я — мощность, потребляемая из сети; ЕI_я— электромагнитная мощность, т.е. мощность, преобразуемая электродвигателем из электрической в механическую; I_я 2 (r_я + r) — потери мощности в сопротивлениях цепи якоря.

Рис. 1. Электромеханическая характеристика n_е(I) и зависимость М(I) (а); механические характеристики n(М) двигателя последовательного возбуждения

Так как при работе двигателя с М = М_с = const ток якоря не зависит от сопротивления в цепи якоря, то при увеличении последнего мощность UI_я остается постоянной. Происходит лишь ее перераспределение: с увеличением сопротивления снижением частоты вращения электромагнитная мощность уменьшается, а потери мощности возрастают.

При n→ 0 ЕI_я→ 0, а I 2 (r_я + r) → UI_я. Значительные потери мощности в цепи якоря приводят к снижению КПД установки.

Искусственная механическая характеристика n_n(М) приведена на рис.1б. Для регулирования частоты вращения двигателей параллельного и смешанного возбуждения путем изменения магнитного потока в цепь шунтовой обмотки включают реостат r_р. Изменение сопротивления последнего приводит к изменению тока I_в и, следовательно, магнитного потока. При регулировании частоты вращения указанным методом резистор rиз цепи якоря обычно выключают.

Рассмотрим более подробно данный метод применительно к двигателю параллельного возбуждения.

Чтобы можно было составить представление о характере изменения частоты вращения, на рис. 2 приведены зависимости n(Ф).

Как видно, при работе двигателя вхолостую (M₁ = M_cl = 0) с уменьшением магнитного потока частота вращения возрастает и при Ф → 0 n → ∞. Если же двигатель нагружен (М = М_с ≠ 0), то при уменьшении магнитного потока частота вращения сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения, уменьшается. Одна и та же частота вращения в случае М = М_с ≠ 0 может быть получена при двух различных значениях магнитного потока. Однако рабочей областью, в которой обычно производится регулирование частоты вращения, является область, соответствующая большим магнитным потокам, где с уменьшением потока частота вращения возрастает.

На основании выражения М = k_M·Ф·I_я можно также сделать важный вывод о том, что при М = М_с = const и уменьшении магнитного потока ток I_я возрастет. Это необходимо учитывать при выборе мощности двигателя.

Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения n(М) при различных значениях магнитного потока прямолинейны; меньшим значениям магнитных потоков соответствуют большие частоты вращения и более «мягкие» механические характеристики (рис. 3). Например, установив потоки Ф₁, Ф₂ и Ф₃, получим при моменте сопротивления М_с частоты вращения п₁, п₂ и п₃.

Рис. 2. Зависимости n(Ф) двигателя параллельного возбуждения при различных моментах

Рис. 3. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при различных магнитных потоках

Переход от одной механической характеристики к другой происходит не при постоянной частоте вращения, а в соответствии с так называемой динамической характеристикой n(М), показанной на рис. 3 пунктиром. Это объясняется значительной индуктивностью обмотки возбуждения, из-за которой изменение магнитного потока происходит не мгновенно, а постепенно, одновременно с увеличением частоты вращения.

Одним из достоинств рассмотренного способа регулирования частоты вращения является его экономичность, так как дополнительные потери мощности в регулировочном реостате r_р невелики. К достоинствам следует отнести также достаточно «жесткие» механические характеристики, что облегчает получение нужных частот вращения при различных нагрузках.

Серьезным недостатком следует считать то, что регулирование частоты вращения путем изменения магнитного потока можно производить лишь в области вверх от естественной механической характеристики.

Серьезным недостатком регулирования частоты вращения путем изменения сопротивления в цепи якоря при обычных схемах включения двигателей является сложность получения при различных нагрузках пониженных частот вращения из-за слишком «мягких» механических характеристик.

Для устранения этого недостатка находят применение различные другие способы получения искусственных механических характеристик, отличающихся большей «жесткостью».

Например, довольно часто применяется потенциометрическое включение двигателей, при котором якорь двигателя подключается к делителю напряжения (потенциометру), с помощью которого можно получать пониженные напряжения на выводах якоря и как следствие — пониженные частоты его вращения при достаточно «жестких» механических характеристиках. Следует заметить, что с увеличением нагрузки напряжение якоря при потенциометрическом включении снижается, а это приводит к уменьшению «жесткости» характеристик.

В случаях особо высоких требований к «жесткости» механических характеристик находят применение различные варианты систем с регулируемым напряжением, подводимым к якорю двигателя.

Простейшая схема одного из вариантов такой системы (системы генератор — двигатель, Г — Д) приведена на рис.4. В этой системе якорь двигателя ЯД независимого возбуждения соединен с якорем генератора ЯГ независимого возбуждения, который приводится во вращение приводным двигателем ДП Обмотки возбуждения двигателя ОВД и генератора OBГ получают питание от постороннего источника постоянного тока через реостат r₁ и потенциометр r₂.

Рис. 4. Схема простейшей системы генератор — двигатель

Рис.5. Механические характеристики двигателя в системе генератор — двигатель

Перед пуском двигателя необходимо установить движки реостата r₁ и потенциометра r₂ в положения, указанные на рис. 4, и произвести пуск двигателя ДП. При этом МДС обмотки ОВД создает наибольший магнитный поток Ф_д двигателя, а магнитный поток Ф_г генератора и, следовательно, его ЭДС Е_г равны нулю. Очевидно, при этом якорь двигателя ЯД останется в покое.

Для пуска двигателя следует переместить движок потенциометра r₂ из указанного положения, например, влево. Тогда возникает ток I_в,г, МДС обмотки ОВГ создает магнитный поток Ф_г генератора, появляются ЭДС E₁ и ток I_я. Благодаря взаимодействию тока I_я и магнитного потока Ф_д двигателя якорь последнего ЯД приходит во вращение.

Уравнение механической характеристики n(М) двигателя в системе Г — Д имеет вид

n =	Ег	—	М (rг + rд)	= n0— Δn.
keдФд	keдkMдФд 2

Как видно, механическая характеристика n(М) представляет собой прямую линию. Вследствие небольшого суммарного сопротивления r_г + r_д механическая характеристика получается достаточно жесткой.

Регулирование частоты вращения двигателя можно производить двумя способами:

1. изменением ЭДС генератора Е_г при Ф_д = const;
2. изменением магнитного потока Ф_д двигателя при E_г = const.

Из уравнения следует, что при уменьшении ЭДС генератора с помощью потенциометра r₂ будет изменяться только первый член уравнения, определяющий частоту вращения холостого хода n₀. Второй член уравнения Δn, которым определяется изменение частоты вращения, вызванное нагрузкой, будет оставаться неизменным. Таким образом, механические характеристики при различных значениях ЭДС генератора представляют собой семейство параллельных линий (рис. 5) и, например, при моменте М_с оказывается возможным получить частоты вращения n₁, n₂, n₃ и n₄.

Кроме широкого диапазона регулирования частоты вращения система Г — Д имеет ряд других достоинств. Одно из них состоит в том, что управление двигателем осуществляется путем воздействия на цепи обмоток возбуждения, мощности которых относительно невелики.

Если переместить движок потенциометра из указанного положения вправо, изменится направление тока I_в,г , ЭДС E_г и в итоге — напряжение вращения электродвигателя.

Используя для питания обмотки возбуждения генератора какой-либо регулируемый суммирующий усилитель (например, электромашинный, магнитный или электронный) и применив в системе обратные связи, можно дополнительно повысить жесткость механических характеристик и изменять их конфигурацию.

К основным недостаткам системы Г — Д следует отнести большое число машин, сравнительно низкий КПД, значительные габаритные размеры и высокую стоимость.

С развитием полупроводниковой техники оказалось возможным избавиться от недостатков, присущих системе Г — Д, путем использования вместо генератора с приводным двигателем полупроводникового (тиристорного) преобразователя переменного тока в постоянный с регулируемым напряжением. В системах с тиристорным преобразователем можно получить характеристики, аналогичные характеристикам систем Г — Д.