Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока

Способы регулирования скорости вращения

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений (7) и (9), представленных в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока". Возможны три способа регулирования скорости вращения.

1. Наиболее удобным, распространенным и экономичным является способ регулирования скорости путем изменения потока Ф_δ, то есть тока возбуждения i_в.

С уменьшением Ф_δ, согласно выражению (7), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", скорость возрастает. Двигатели рассчитываются для работы при номинальном режиме с наибольшим значением Ф_δ, то есть с наименьшей скоростью n. Поэтому практически можно только уменьшать Ф_δ.

Следовательно, рассматриваемый способ позволяет регулировать скорость вверх от номинальной. При таком регулировании коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, так как мощность возбуждения мала, в частности мала мощность реостатов для регулирования тока возбуждения. К тому же при уменьшении i_в мощность возбуждения U × i_в уменьшается.
Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями ее коммутации.

При высоких скоростях коммутация ухудшается вследствие увеличения вибрации щеточного аппарата, неустойчивости щеточного контакта и возрастания реактивной электродвижущей силы (э. д. с.), а также вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря.

Для увеличения диапазона регулирования n посредством ослабления поля в машинах малой и средней  мощности с волновой обмоткой якоря иногда применяют раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют i_в = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов i_в и поток уменьшают. Искажение влияния поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из э. д. с. p секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным.

2. Другой способ регулирования скорости заключается во включении последовательно в цепь якоря реостата или регулируемого сопротивления R_ра.

Вместо выражения (7), представленного в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при этом имеем

(1)

Этот способ дает возможность регулировать скорость вниз от номинальной и связан со значительными потерями в сопротивлении R_ра и понижением к. п. д.

Действительно, при номинальном токе якоря I_а = I_ан среднее значение числителя равенства (7), представленного в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", в относительных единицах равно

U_* – R_а* × I_ан* = 1 – 0,05 = 0,95.

Если при Ф_δ = const необходимо уменьшить скорость вдвое, то нужно уменьшить этот числитель вдвое, то есть

U_* – R_а* × I_ан* – R_ра* × I_ан* = 1 – 0,05 – R_ра* × I_ан* = 0,475.

Так как U_* = I_ан* = 1, то при этом

R_ра* = 0,95 – 0,475 = 0,475 ,

то есть в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря. По этой причине данный способ применяется в основном для двигателей небольшой мощности, а для более мощных двигателей используется редко и только кратковременно (пуско-наладочные режимы и так далее).

3. Регулирование скорости осуществляется также путем регулирования напряжения цепи якоря. Так как работа двигателя при U > U_н недопустима, то данный способ, согласно выражениям (7) и (9), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"), дает возможность регулировать скорость также вниз от номинальной. К. п. д. двигателя при этом остается высоким, так как никаких добавочных источников потерь в схему двигателя не вносится.

Однако в этом случае необходимо отдельный источник тока с регулируемым напряжением, что удорожает установку.

Отметим, что регулирование скорости путем изменения I_а невозможно, хотя такая возможность на первый взгляд вытекает из равенства (7), представленного в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока". Дело в том, что, согласно равенству (3), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", двигатель при каждой скорости вращения должен развивать определенный момент M, равный моменту сопротивления механизма M_ст при данном значении n. Но при этом в соответствии с выражением (8), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", при заданном значении Ф_δ величина I_а в двигателе будет при каждом значении M тоже вполне определенной.

Условия устойчивости работы двигателя

При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и так далее). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы [смотрите выражение (3) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"], вследствие чего возникает момент M_дин и изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы, например скорости вращения, тока якоря и так далее. Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение режима (n, I_а и так далее) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму с возрастанием амплитуд колебаний n, I_а и так далее. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Неустойчивая работа может быть также и у генераторов. В статье "Параллельная работа генераторов постоянного тока" была рассмотрена неустойчивость параллельной работы генераторов смешанного возбуждения при отсутствии уравнительного провода. Режим самовозбуждения генераторов постоянного тока (смотрите статью "Генераторы параллельного возбуждения") также, в сущности, представляет собой неустойчивый режим работы, так как i_в и U непрерывно изменяются. Работа генератора параллельного возбуждения при R_н = R_в.кр также неустойчива, так как если несколько изменить величину R_в, то напряжение U значительно изменится, то есть возрастет до некоторого конечного значения или упадет почти до нуля.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики M = f(n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения M_ст = f(n). Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, M_ст ≈ const, то есть M_ст не зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов M_ст ∼ n_в квадрате.

Рисунок 1. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя

На рисунке 1, а и б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (M = M_ст) со скоростью вращения n₀ соответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости M = f(n), и M_ст = f(n) имеют вид, изображенный на рисунке 1, а, то при случайном увеличении n в результате возмущения на Δn тормозной момент M_ст станет больше движущего M (M_ст > M) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости n₀. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на Δn, то будет M_ст < M, поэтому ротор станет ускоряться и снова будет n = n₀. Таким образом, в рассматриваемом случае работа устойчива. Как следует из рисунка 1, а, при этом

(2)

что и является признаком, или критерием, устойчивости работы двигателя.

При зависимостях M = f(n) и M_ст = f(n) вида рисунка 1, б работа неустойчива. Действительно, при увеличении n от n = n₀ до n = n₀ + Δn будет M > M_ст, возникнет избыток движущего момента, скорость n начнет нарастать, причем избыточный момент M – M_ст увеличится еще больше, n еще возрастет и так далее. Если в результате возмущения n = n₀ – Δn, то M < M_ст и n будет непрерывно уменьшаться. Поэтому работа в точке M = M_ст и n = n₀ невозможна. Как следует из рисунка 1, б, в этом случае

(3)

что является признаком неустойчивости работы двигателя.

Из изложенного следует, что двигатель с данной механической характеристикой M = f(n) может работать устойчиво или неустойчиво в зависимости от характеристики M_ст = f(n) рабочей машины. Возникновение неустойчивости наиболее вероятно при такой механической характеристики двигателя M = f(n) или n = f(M), когда M и n увеличиваются или уменьшаются одновременно (рисунок 1, б). В частности, в этом случае работа неустойчива при M_ст = f(n) = const (например, металлорежущие станки). Поэтому двигателей с такими механическими характеристиками не строят.

Изложенное здесь в равной мере относится к устойчивости двигателей как постоянного, так и переменного тока, а также любых видов двигателей.

Изменение режима работы

Двигатели постоянного тока, как, впрочем, и двигатели переменного тока, обладают при соблюдении условий устойчивости замечательной способностью автоматически, без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться к изменившимся условиям работы. В этом смысле можно сказать, что электрические двигатели обладают свойством саморегулирования. Проиллюстрируем сказанное на примере двигателя параллельного возбуждения.

Допустим, что такой двигатель работает при U = const, i_в = const и, следовательно, Ф_δ ≈ const и нагрузочный момент M_ст, развиваемый рабочей машиной, увеличивается. Тогда M < M_ст, возникает M_дин < 0 [смотрите выражение (2) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] и n начинает уменьшаться. Но при этом будет уменьшаться также E_а; ток I_а [смотрите выражение (5) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] и момент M [смотрите выражение (8) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] начнут увеличиваться, причем это будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов M = M_ст. Аналогичным образом изменяется также режим, если M_ст уменьшится, причем в этом случае n и E_а начнут увеличиваться, а I_а и M – уменьшаться до тех пор, пока снова будет M = M_ст и M_дин = 0.

Рисунок 2. Переход двигателя параллельного возбуждения к новому режиму работы при уменьшении потока

Допустим теперь, что с помощью реостата R_р.в (смотрите рисунок 1, в статье "Пуск двигателей постоянного тока") уменьшен ток i_в. При этом Ф_δ будет уменьшаться, однако вследствие механической инерции ротора скорость n в первый момент не изменится. Тогда, согласно выражению (6), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", E_а уменьшится, а вследствие этого I_а и M возрастут [смотрите выражения 5 и 8 в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"]. При этом будет M > M_ст, в соответствие с равенством (2), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", M_дин > 0, и скорость n начнет увеличиваться. Это вызовет, согласно тем же соотношениям, увеличение E_а и уменьшение I_а и M до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов M = M_ст и M_дин = 0 (рисунок 2). При увеличении i_в явления развиваются в обратном направлении. Необходимо отметить, что резких изменений i_в при регулировании допускать нельзя, так как U и E_а [смотрите выражение 5 в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] являются близкими по значению и небольшое изменение Ф_δ и E_а ведет к большим изменениям I_а и M.

Аналогичным образом происходит переход к новому режиму при изменении других внешних условий (например, введение сопротивления в цепь якоря и так далее), а также в двигателях с другими способами возбуждения.

Из изложенного следует, что поведение двигателя при установившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы всецело определяется уравнениями равновесия моментов и напряжения цепи якоря, выражения (2) и (4), представленные в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока").

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.