Что такое пусковой ток двигателя постоянного тока. Почему он может быть опасен. Какие существуют способы ограничения пускового тока. Какие устройства используются для плавного пуска двигателей постоянного тока.
Что такое пусковой ток двигателя постоянного тока
Пусковой ток — это ток, который протекает через обмотки двигателя в момент его включения. Для двигателей постоянного тока характерны очень высокие значения пускового тока, которые могут в 10-40 раз превышать номинальный ток двигателя.
Возникновение большого пускового тока обусловлено тем, что в момент пуска ротор двигателя неподвижен и в обмотках якоря не наводится противо-ЭДС. Поэтому ток ограничивается только активным сопротивлением обмоток, которое обычно невелико.
Почему высокий пусковой ток опасен
Чрезмерно большой пусковой ток может привести к следующим негативным последствиям:
- Перегрев и повреждение обмоток двигателя
- Искрение на коллекторе и щетках
- Механические удары в передаче
- Просадка напряжения в питающей сети
- Срабатывание защитной аппаратуры
Поэтому для большинства двигателей постоянного тока требуется ограничивать пусковой ток до безопасных значений, обычно не более 2-2,5 от номинального тока.
Способы ограничения пускового тока
Существует несколько основных методов снижения пускового тока двигателей постоянного тока:
1. Реостатный пуск
Это наиболее распространенный способ. В цепь якоря двигателя последовательно включается пусковой реостат. По мере разгона двигателя сопротивление реостата ступенчато уменьшается до нуля.
2. Пуск при пониженном напряжении
Напряжение на двигатель подается от регулируемого источника питания (генератора или управляемого выпрямителя). В процессе пуска напряжение плавно повышается.
3. Импульсный пуск
На двигатель подаются кратковременные импульсы напряжения. По мере разгона скважность импульсов увеличивается.
4. Пуск с помощью системы управления
Современные электроприводы оснащаются микропроцессорными системами управления, которые обеспечивают оптимальный алгоритм пуска с ограничением тока.Устройства для плавного пуска двигателей постоянного тока
Для реализации различных способов ограничения пускового тока применяются специальные устройства:
Пусковые реостаты
Представляют собой набор резисторов, которые ступенчато выводятся из цепи якоря в процессе пуска. Могут быть ручными или автоматическими.
Пускорегулирующие устройства
Электронные устройства на базе управляемых выпрямителей. Обеспечивают плавное повышение напряжения на двигателе при пуске.
Импульсные регуляторы
Формируют импульсы напряжения с регулируемой скважностью для питания двигателя в процессе пуска.
Микропроцессорные системы управления
Обеспечивают комплексное управление пуском по оптимальному алгоритму с контролем тока, момента и скорости.
Особенности пуска двигателей разных типов
Способ пуска зависит от типа двигателя постоянного тока:
Двигатели с независимым возбуждением
Обычно используется реостатный пуск или пуск при пониженном напряжении. Обмотка возбуждения питается от отдельного источника.
Двигатели с параллельным возбуждением
Применяется реостатный пуск. Обмотка возбуждения подключается параллельно якорю через пусковой реостат.
Двигатели с последовательным возбуждением
Пусковой реостат включается последовательно с обмоткой возбуждения и якорем. Обладают хорошими пусковыми свойствами.
Расчет пускового тока и сопротивления реостата
Для правильного выбора пускового устройства необходимо рассчитать ожидаемый пусковой ток и требуемое сопротивление пускового реостата.
Пусковой ток при прямом пуске определяется по формуле:
Iп = U / Rя
где U — напряжение питания, Rя — сопротивление якорной цепи.
Требуемое сопротивление пускового реостата:
Rп = U / Iдоп — Rя
где I доп — допустимый пусковой ток (обычно 2-2,5 Iном).
Заключение
Ограничение пускового тока является обязательным условием для нормальной эксплуатации большинства двигателей постоянного тока. Применение современных устройств плавного пуска позволяет обеспечить оптимальные условия запуска двигателя, продлить срок его службы и повысить энергоэффективность электропривода в целом.
Пуск двигателя постоянного тока
Как и в случае с асинхронными двигателями, пуск двигателей постоянного тока осложнен возникающими при пуске большими значениями пусковых токов и моментов. Но в отличие от асинхронных двигателей, в ДПТ пусковые токи превышают номинальные в 10-40 раз. Такое громадное превышение может привести к выводу двигателя из строя, повреждению связанных с двигателем механизмов и большим просадкам напряжения в сети, что может сказаться на других потребителях. Поэтому пусковые токи стараются ограничить до значений (1,5…2) Iн.
Для маломощных двигателей (до 1 кВт) при условии отсутствия нагрузки на валу, можно применить прямой пуск, то есть непосредственно от сети. Это связано с тем что масса движущихся частей двигателя не велика, а сопротивление обмотки относительно большое. При прямом пуске таких двигателей пусковые токи не превышают значений (3…5) Iн, что для таких двигателей не критично.
Когда двигатель работает при постоянном напряжении и сопротивлении обмотки якоря, ток в якоре можно найти с помощью формулы
В этой формуле U – напряжение питающей сети, Епр – противоЭДС, ∑r – сопротивление обмоток якоря.
ПротивоЭДС Епр возникает при вращении якоря в магнитном поле статора, при этом в двигателе, она направлена против якоря. Но когда якорь не движется, Епр не возникает, а значит, выражение для тока примет следующий вид
Глядя на формулу можно прийти к выводу, что снижения пускового тока возможно либо снижением напряжения, либо увеличением сопротивления якорной обмотки.
Пуск двигателя снижением напряжения применяется, если питание двигателя организовано от независимого источника энергии, который можно регулировать. На практике такой пуск используется для двигателей средней и большой мощности.
Мы рассмотрим более подробно способ пуска двигателя постоянного тока с помощью введения дополнительного сопротивления в цепь якоря. При этом пусковой ток будет равен
Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.
Следует знать, что с дополнительным сопротивлением в обмотке якоря двигатель работает не на естественной, а на более мягкой искусственной характеристике, которая не подходит для нормальной работы двигателя.
Пуск двигателя осуществляется в несколько ступеней. После некоторого разгона двигателя, Епр ограничит ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно уменьшить сопротивление, то есть переключить реостат или шунтировать резистор.
Допустим, что ступени у нас четыре, тогда механическая характеристика будет выглядеть следующим образом
На первой ступени, когда добавочное сопротивление максимально и равно R1+R2+R3 двигатель начинает свой разгон. После достижения определенной точки, которую получают с помощью расчетных данных, сопротивление R3 шунтируют. При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов.
Пуск двигателей постоянного тока
Дата публикации: .
Категория: Статьи.
При пуске двигателя в ход необходимо: 1) обеспечить надлежащий пусковой момент и условия для достижения необходимой скорости вращения; 2) предотвратить возникновение чрезмерного пускового тока, опасного для двигателя.
Возможны три способа пуска двигателя в ход: 1) прямой пуск, когда цепь якоря подключается непосредственно к сети на ее полное напряжение; 2) пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений, включаемых последовательно в цепь якоря; 3) пуск при пониженном напряжении цепи якоря.
Прямой пуск
При n = 0 также Eа = 0 и, согласно выражению (5), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»
В нормальных машинах Rа = 0,02 – 0,1, и поэтому при прямом пуске с U = Uн ток якоря недопустимо велик:
Iа = (5 – 10) Iн .
Вследствие этого прямой пуск применяется только для двигателей мощностью до нескольких сотен ватт, у которых Rа относительно велико и поэтому при пуске Iа ≤ (4 – 6) Iн, а процесс пуска длится не более 1 – 2 с.
Пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений
Рисунок 1. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б)
Для двигателей с параллельным возбуждением самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений (рисунок 1).
При этом вместо выражения (5), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока» имеем
| (2) |
а в начальный момент пуска, при n = 0,
| (3) |
где Rп – сопротивление пускового реостата, или пусковое сопротивление. Значение Rп подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было Iа = (1,4 – 1,7) Iн [в малых машинах до (2,0 – 2,5) Iн].
Рассмотрим подробнее пуск двигателя параллельного возбуждения с помощью реостата (рисунок 1, а).
Перед пуском (t < 0) подвижный контакт П пускового реостата стоит на холостом контакте 0 и цепь двигателя разомкнута. В начальный момент пуска (t = 0) подвижный контакт П с помощью рукоятки переводится на контакт 1, и через якорь пойдет ток Iа, определяемый равенством (3). Цепь обмотки возбуждения ОВ подключается к неподвижной контактной дуге д, по которой скользит контакт П, чтобы во время пуска цепь возбуждения все время была под полным напряжением. Это необходимо для того, чтобы iв и Фδ при пуске были максимальными и постоянными, так как при этом, согласно выражению (8), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при данных значениях Iа развивается наибольший момент М. С этой же целью регулировочный реостат возбуждения ставится при пуске в положение Rп.в = 0.
При положении контакта П пускового реостата на контакте 1 (t = 0) возникают токи Iа и iв, а так же момент М, и если М больше Мст, то двигатель придет во вращение и скорость n будет расти со значения n = 0 (рисунок 2). При этом в якоре будет индуктироваться электродвижущая сила (э. д. с.) Eа ∼ n и, согласно выражениям (2) и (8), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», Iа и M, а также скорость нарастания n будут уменьшаться. Изменение этих величин при Mст = const происходит по экспоненциальному закону.
| Рисунок 2. Зависимость Iа, M и n от времени при пуске двигателя |
Когда Iа достигнет значения Iа мин = (1,1 – 1,3) Iн, контакт П пускового реостата переведется на контакт 2. Вследствие уменьшения Rп ток Iа ввиду малой индуктивности цепи якоря почти мгновенно возрастет, M также увеличится, n будет расти быстрее и в результате увеличения Eа значения Iа и M снова будут уменьшаться (рисунок 2). Подобным же образом развивается процесс пуска при последовательном переключении реостата в положения 3, 4 и 5, после чего двигатель достигнет установившегося режима работы со значениями Iа и n, определяемыми условием M = Mст [смотрите равенства (8) и (9), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»].
При пуске на холостом ходу Mст = M0. Ток Iа = Iа0 в этом случае мал и составляет обычно 3 – 8 % от Iн.
Заштрихованные на рисунке 2 ординаты представляют собой, согласно выражению (2), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», значения избыточного, или динамического, момента
Mдин = M – Mст ,
под воздействием которого происходит увеличение n.
Число ступеней пускового реостата и значения их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при надлежащих интервалах времени переключение ступеней максимальные и минимальные значения Iа на всех ступенях получилось одинаковыми.
По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.
Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью рубильника или другого выключателя. Схема рисунка 1 составлена так, чтобы при отключении двигателя цепь обмотки возбуждения не размыкалась, а оставалась замкнутой через якорь. При этом ток в обмотке возбуждения после отключения двигателя уменьшается до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени. Благодаря этому предотвращается индуктирование в обмотке возбуждения большой э. д. с. самоиндукции, которая может повредить изоляцию этой обмотки.
Применяются также несколько видоизмененные по сравнению с рисунком 1, а схемы пусковых реостатов, без контактной дуги д. Конец цепи возбуждения при этом можно присоединить, например, к контакту 2, и при работе двигателя последовательно с обмоткой возбуждения будут включены последние ступени реостата. Поскольку их сопротивление по сравнению с Rв = rв + Rр.в мало, то это не оказывает большого влияния на работу двигателя.
Автоматизировать переключение пускового реостата неудобно. Поэтому в автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рисунок 1, б), которые поочередно шунтируются контактами К1, К2, К3 автоматически работающих контакторов. Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1 – 2 ступени).
Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.
В этом случае поток возбуждения исчезает ни сразу, а поддерживается индуктируемыми в ярме вихревыми токами. Однако этот поток будет быстро уменьшаться и скорость n, согласно выражению (7), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», будет сильно увеличиваться («разнос» двигателя). При этом [смотрите равенство 8, в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»] ток якоря значительно возрастет и возникнет круговой огонь, вследствие чего возможно повреждение машины, и поэтому, в частности, в цепях возбуждения не ставят предохранителей и выключателей.
Пуск при пониженном напряжении цепи якоря
Ограничение пускового тока достигается также в случае питания цепи якоря при пуске от отдельного источника тока с регулируемым напряжением (отдельный генератор постоянного тока, управляемый выпрямитель). Обмотку возбуждения при этом необходимо питать от другого источника, с полным напряжением, чтобы иметь при пуске полный ток iв. Этот способ пуска применяют чаще всего для мощных двигателей, притом в сочетании с регулированием скорости вращения.
Пуск двигателей последовательного и смешанного возбуждения производится аналогичным образом. Схема пуска двигателя смешанного возбуждения ничем не отличается от схемы пуска двигателя параллельного возбуждения (рисунок 1), а схема пуска двигателя последовательного возбуждения упрощается за счет исключения параллельной цепи возбуждения.
Для изменения направления вращения (реверсирования) двигателя необходимо изменить направление тока в якоре (вместе с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой) или в обмотке (обмотках) возбуждения.
Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.
Ограничение величины пускового тока (момента) двигателя постоянного тока с независимым возбуждением
Включение в цепь якоря сопротивления должно быть таким, чтобы пусковой ток лежал в пределах (2÷3)Iн. Для того чтобы ускорить переходный процесс, то есть уменьшить время пуска, сопротивления из цепи якоря выводятся по частям, поэтому пуск с добавочными сопротивлениями в цепи якоря называется ступенчатым. Величина ступеней ускорения определяется с помощью статической пусковой диаграммы, которая строится следующим образом: по двум точкам, как было рассмотрено ранее относительно естественной электромеханической и механической характеристик.
Схема ограничения величины пускового тока двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
Iн — ток номинальный.
Iпер — ток переключения.
Iп — ток пусковой.
Задаемся величиной пускового тока: Iп=2·Iн. Соединяем точку 1 с точкой ω0 прямой линией. Для того чтобы с помощью системы управления электроприводом выключать часть сопротивлений из цепи якоря, выберем параметр, по которому будет вестись контроль за пуском двигателя. Обычно это ток переключения:
Iпер = (1,1÷1,3)Iн
По мере увеличения скорости вращения двигателя ток в цепи якоря уменьшается и когда достигнет значения тока переключения в точке 2 срабатывает схема и замыкает контакт КМ1.
Так как электропривод обладает определенным запасом электрической энергии, скорость вращения двигателя в точке переключения 2 мгновенно измениться не может, поэтому мгновенно меняется ток, из точки 2 он переходит в точку 3, бросок идет до Iп. Когда достигается точка 4, опять срабатывает схема управления и замыкается контакт КМ2, и далее по аналогии. В итоге достигаем точки а.
Статическая пусковая диаграмма двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при ограничении величины пускового тока.
Если из точки 6 не попадаем в точку a, нужно менять значения либо тока переключения, либо пускового тока.
abc · mR = Rн
abc — длина отрезка bc.
mR [Ом/мм].
afe · mR = R1
aek · mR = R2
akd · mR = R3
abd · mR = rа
Rп = R1 + R2 + R3
Двигатели постоянного тока | Электрические машины
Страница 49 из 51
Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Поэтому они получили большое распространение в регулируемом электроприводе.
Свойства двигателей постоянного тока во многом определяются способом их возбуждения. Как и генераторы, двигатели постоянного тока выполняются с независимым, параллельным, смешанным и последовательным возбуждением.
В двигательном режиме ток якоря и электромагнитный момент меняют знак по сравнению с генераторным режимом, но для удобства анализа их принимают положительными, поэтому уравнения напряжений и моментов записывают в виде
(6.7)
Уравнения (6.7) совместно с выражениями для ЭДС и для электромагнитного момента позволяют выполнить анализ основных рабочих режимов двигателей постоянного тока.
Пуск двигателей постоянного тока
Существует три способа пуска двигателей постоянного тока: прямой пуск, пуск с помощью пускового реостата и пуск от источника регулируемого напряжения.
Прямой пуск от сети применяется иногда для двигателей мощностью до 1 кВт, пусковой ток которых не превышает . В начальный момент прямого пуска при и пусковой ток определяется напряжением сети и внутренним сопротивлением якоря .
В машинах средней и большой мощности сопротивление небольшое, поэтому ток при пуске может достигать . Такие токи недопустимы по условиям коммутации и могут вызвать “круговой огонь” на коллекторе. Для снижения пусковых токов подключение двигателей средней и большой мощности к сети осуществляется через пусковой реостат (рис. 6.39). В первый момент пуска подвижный контакт реостата устанавливается на клемму 1, и в цепь якоря вводится полное сопротивление реостата
,
а обмотка возбуждения включается в сеть, минуя пусковой реостат. Сопротивление подбирается так, чтобы пусковой ток
не превышал .
По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится. В конце пуска подвижный контакт соединяется с клеммой 4 и якорь подключается к сети напрямую. Сопротивление пускового реостата изменяется ступенями, поэтому ток якоря при пуске пульсирует (рис. 6.40) согласно выражению
.
Такой же характер имеет и кривая электромагнитного момента
.
Для повышения электромагнитного момента при заданном пусковом токе и сокращения времени пуска необходимо стремиться к тому, чтобы поток Ф был максимален. Это условие выполняется при полностью выведенном регулировочном реостате ().
Наиболее благоприятные пусковые характеристики могут быть получены при пуске двигателя от источника регулируемого напряжения. В качестве источника регулируемого напряжения используются либо генератор постоянного тока (рис. 6.41, а), либо полупроводниковый выпрямитель (рис. 6.41, б
Такие схемы применяются одновременно и для регулирования частоты вращения двигателя, так как только в этом случае высокая стоимость источника питания окупается за счет эффекта от регулирования частоты вращения.
Способы запуска электродвигателя постоянного тока: рабочие схемы
Хорошие тяговые характеристики электрических машин постоянного тока сделали их неотъемлемым элементом большинства устройств промышленной и бытовой механизации. Но вместе с тем возникает и существенная проблема значительных пусковых токов, в сравнении с асинхронными электродвигателями, работающих на переменном напряжении. Именно поэтому многие специалисты детально изучают способы запуска электродвигателя постоянного тока, прежде чем включить агрегат.
Прямой пуск
Из всех электродвигателей постоянного тока основная градация при выборе способа их запуска должна учитывать мощность устройства.
В целом выделяют три вида пуска:
- малой мощности;
- средней;
- большой мощности.
Для прямого запуска подойдут только маломощные электродвигатели, которые потребляют до 1кВт электроэнергии в сети. При прямых запусках электродвигателя все напряжение сразу подается на рабочую обмотку. Это обуславливает возникновение максимального пускового тока из-за отсутствия естественной компенсации за счет ЭДС противодействия.
С физической точки зрения ситуация в обмотках ротора будет выглядеть следующим образом: в момент подачи напряжения сила тока в обмотках равна нулю, поэтому его значение будет определяться по формуле:
I = U/Rобм, где
U – приложенная к выводам номинальное напряжение, Rобм – сопротивление катушки.
В этот момент величина токовой нагрузки электродвигателя постоянного тока является максимальной, он может отличаться от номинального значения в 1,5 – 2,5 раза. После этого протекание тока обуславливает генерацию ЭДС противодействия, которая компенсирует пусковую нагрузку до установки номинальной мощности, тогда ток станет:
I = (U — Eпрот)/Rобм
В мощных устройствах сопротивление обмоток якоря может равняться 1 или 0,5 Ом, из-за чего ток при запуске электродвигателя может достигнуть 200 – 500 А, что в 10 – 50 раз будет превышать допустимые величины. Это, в свою очередь, может привести к термическому отпуску металла, деформации проводников, разрушению колец или щеток скользящего контакта. Поэтому двигатели постоянного тока средней и большой мощности должны вводиться в работу реостатным запуском или путем подачи заведомо пониженного напряжения, прямой пуск для них крайне опасен.
Пуск с помощью пускового реостата
В этом случае в цепь вводится переменное сопротивление, которое на начальном этапе обеспечивает снижение токовой нагрузки, пока вращение ротора не достигнет установленных оборотов. По мере стабилизации ампеража до стандартной величины в реостате уменьшается сопротивление от максимального значения до минимального.
Расчет электрической величины в этом случае будет производиться по формуле:
I = U / (Rобм + Rреостата)
В лабораторных условиях уменьшение нагрузки может производиться вручную – посредством перемещения ползунка реостата. Однако в промышленности такой метод не получил широкого распространения, так как процесс не согласовывается с токовыми величинами. Поэтому применяется регулировка по току, по ЭДС или по времени, в первом случае задействуется измерение величины в обмотках возбуждения, во втором, на каждую ступень применяется выдержка времени.
Оба метода используются для запуска электродвигателей:
- с последовательным;
- с параллельным возбуждением;
- с независимым возбуждением.
Запуск ДПТ с параллельным возбуждением
Такой запуск электродвигателя осуществляется посредством включения и обмотки возбуждения, и якорной к напряжению питания электросети, друг относительно друга они располагаются параллельно. То есть каждая из обмоток электродвигателя постоянного тока находятся под одинаковой разностью потенциалов. Этот метод запуска обеспечивает жесткий режим работы, используемый в станочном оборудовании. Токовая нагрузка во вспомогательной обмотке при запуске имеет сравнительно меньший ток, чем обмотки статора или ротора.
Для контроля пусковых характеристик сопротивления вводятся в обе цепи:
Рис 1. Запуск ДПТ с параллельным возбуждениемНа начальном этапе вращения вала позиции реостата обеспечивают снижение нагрузки на электродвигатель, а затем их обратно выводят в положение нулевого сопротивления. При затяжных запусках выполняется автоматизация и комбинация нескольких ступеней пусковых реостатов или отдельных резисторов, пример такой схемы включения приведен на рисунке ниже:
Рис. 2. Ступенчатый пуск двигателя параллельного возбуждения- При подаче напряжения питания на электродвигатель ток, протекающий через рабочие обмотки и обмотку возбуждения, за счет магазина сопротивлений Rпуск1, Rпуск2, Rпуск3 нагрузка ограничивается до минимальной величины.
- После достижения порогового значения минимума токовой величины происходит последовательное срабатывание реле K1, K2, K3.
- В результате замыкания контактов реле K1.1 шунтируется первый резистор, рабочая характеристика в цепи питания электродвигателя скачкообразно повышается.
- Но после снижения ниже установленного предела замыкаются контакты K2.2 и процесс повторяется снова, пока электрическая машина не достигнет номинальной частоты вращения.
Торможение электродвигателя постоянного тока может производиться в обратной последовательности за счет тех же резисторов.
Запуск ДПТ с последовательным возбуждением
Рис. 3. Запуск ДПТ с последовательным возбуждениемНа рисунке выше приведена принципиальная схема подключения электродвигателя с последовательным возбуждением. Ее отличительная особенность заключается в последовательном соединении катушки возбуждения Lвозбуждения и непосредственно мотора, переменное сопротивление Rякоря также вводится последовательно.
По цепи обеих катушек протекает одинаковая токовая величина, эта схема обладает хорошими параметрами запуска, поэтому ее часто используют в электрическом транспорте. Такой электродвигатель запрещено включать без усилия на валу, а регулирование частоты осуществляется в соответствии с нагрузкой.
Пуск ДПТ с независимым возбуждением
Подключение электродвигателя в цепь с независимым возбуждением производится путем ее запитки от отдельного источника.
Рис. 4. Запуск ДПТ с независимым возбуждениемНа схеме приведен пример независимого подключения, здесь катушка Lвозбуждения и сопротивление в ее цепи Rвозбуждения получают питание отдельно от обмоток двигателя током независимого устройства. Для обмоток двигателя также включается регулировочный реостат Rякоря. При этом способе запуска машина постоянного тока не должна включаться без нагрузки или с минимальным усилием на валу, так как это приведет к нарастанию оборотов и последующей поломке.
Пуск путем изменения питающего напряжения
Одним из вариантов снижения токовой нагрузки при запуске электродвигателя является уменьшение питающего номинала посредством генератора постоянного напряжения или управляемого выпрямителя.
С физической точки зрения установка реостата обеспечивает тот же эффект, но с увеличением мощности электродвигателя возрастает и постоянная токовая нагрузка, существенно повышаются потери на реостатах. Поэтому снижение постоянного напряжения выполняет отдельное устройство на базе микросхемы, пример которого приведен на рисунке ниже:
Рис. 5. Схема пуска с изменением питающего напряженияПусковой ток в двигателе постоянного тока: устройства для ограничения
В статье приведены примеры устройств, которые помогают сделать запуск двигателя более плавным. Контроллеры и пр. устройства позволяют обеспечить нужный крутящий момент без высокого пускового тока.Пусковой ток – это ток, который потребляется двигателем при его непосредственном запуске. Важной особенностью пускового тока является то, что он может в несколько раз превосходить номинальный ток. Слишком высокий пусковой ток негативно влияет на двигатель, в конечном итоге он может попросту сгореть.
Именно поэтому существуют специальные приспособления для ограничения пускового тока.
Ограничение высокого пускового тока достигается методом пускового сопротивления. В свою очередь, пусковое сопротивление может быть активным и реактивным (индуктивным). Такое сопротивление вводится в цепь ротора мотора непосредственно при его запуске, что и приводит к ограничению пускового тока. Как результат – создается требуемый пусковой момент.
Активное пусковое сопротивление чаще всего бывает ступенчатого типа.
Основное преимущество ступенчатого пускового сопротивления => в процессе запуска мотора можно изменять силу пускового тока постепенно. Чтобы включить/выключить отдельные ступени, используются такие приспособления как:
- Контроллер;
- Контактор;
- Коммутатор.
Контроллер двигателя постоянного тока
Контроллером является электрический аппарат низкого напряжения, который предназначается, в основном, для запуска и регулировки скорости двигателей. Но его используют также для функции реверса и электрического торможения моторов. Контроллер позволяет изменить в цепи управления электрическое сопротивление.
Как управлять контроллером? Очень легко. Управление происходит ручным методом (вращение рукоятки), механическим (используется маховик), либо электронное — посредством внешних электрических сигналов и/или коммуникационных интерфейсов. Распространено также дистанционное управление двигателем (или мотор-редуктором ), такое управление подразумевает передачу данных контроллеру по радиоканалу.
Если говорить о конструкции контроллера, то это не что иное как многоступенчатые барабанные, плоские и кулачковые контактные переключатели. Каждый имеет свои особенности использования. Напр., кулачковые контроллеры применяются для управления мощных электродвигателей с высоким показателем числа включений (до 600 в час). В этом случае самыми надежными зарекомендовали себя именно кулачковые контроллеры с перекатывающимися контактами.
На заметку! Контроллеры с перекатывающимися контактами гораздо более износостойкие и долговечные, чем контроллеры со скользящими контактами.
Контактор
Контактором является электрический аппарат электромагнитного характера, который используется для управления электрическими машинами (электродвигателями) дистанционно. Предназначается для частого включения/выключения (до 1500 в час).
Контакторы бывают:
- Однополюсные;
- Многополюсные.
Где применяется контактор? Его используют для управления тяговых двигателей электричек, троллейбусов и трамваев при применении до 600 А номинального тока и 650 В напряжения.
Коммутатор
Коммутатором является своего рода переключатель, иными словами – распределитель. Устройство предназначается, чтобы изменять соединения в цепи электрической.
Пусковое сопротивление может быть разным, но в любом случае оно обеспечивает плавный запуск двигателя, оберегая его от поломок и короткого замыкания. Чем меньше пусковой ток при запуске, тем лучше. При помощи переключателя можно получить нужный момент вращения без вреда для двигателя.
Важно! Чтобы механизм прослужил как можно дольше, мотор-редуктор должен иметь качественную систему охлаждения.
Охлаждение редуктора может быть:
- Воздушное;
- Водяное;
- Масляное.
Итог
Оснащая свой двигатель постоянного тока специальными устройствами (коммутаторами, контакторами или контроллерами), вы обеспечиваете мотору плавный пуск без рывков и долгий срок службы без поломок.
⇒ВНИМАНИЕ⇐
- Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
- Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
- Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
- Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.
⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓
Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование
После предыдущего поста о мотор-редукторе мне пришло несколько вопросов по регулированию двигателя постоянного тока. Так что пора написать очередной пост 🙂
Двигатель постоянного тока (ДПТ) это один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.
▌Конструктив и базовый принцип
Не буду тут особо распинаться, покажу картинку из википедии и укажу ряд основных узлов. Все остальное вы и так знаете и трогали своими руками.
1. Статор состоит из источника магнитного поля. Далеко не всегда это постоянный магнит, более того, постоянный магнит это скорей исключение, чем правило. Обычно все же это обмотка возбуждения. По крайней мере на всем, что больше кулака по размерам.
2. Якорь состоит из обмотки якоря и коллекторного узла.
Работает все очень и очень просто. Обмотка якоря отталкивается от магнитного поля статора силой Ампера и совершает пол оборота, стремясь вывести эту силу на ноль и таки вывела бы если бы не коллектор, который ловко всех обламывает переключает полярность катушки и сила вновь становится максимальной. И так по кругу. Т.е. коллектор служит механическим инвертором напряжения в якоре. Запомните этот момент, он нам еще пригодится 🙂
Обычно в мелких моторчиках всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол
▌Происходящие в двигателе процессы
Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.
Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.
Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.
А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.
▌Немного формул
Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то 🙂 Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.
Самая главная формула коллекторного двигателя постоянного тока:
U = Е + Iя*Rя
- U — напряжение подаваемое на якорь
- Rя — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (Rя+Rд)
- Iя — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка 🙂
- Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой
Е = Се * Ф * n
- Ce — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет 🙂
- Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
- n — обороты якоря.
Ну и зависимость момента от тока и потока:
М = См * Iя * Ф
См — конструктивная констатнта.
Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором.
Ну и из этого же следует, что момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника снабжать его током. Так что идеальный нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.
А теперь смешаем все это в кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.
Если ее построить, то будет нечто следующее:
n0 — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.
Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза.
Если есть возможность менять поток возбуждения, то можно поднимать скорость выше номинальной. Тут зависимость обратная. Ослабляем поток — двигатель разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.
Иной двигатель со снятием возбуждения может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага 🙂 Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт.
В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило.
Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.
Добавляя резисторы в якорную цепь мы можем увеличить наклон, т.е. чем больше грузим тем больше падает скорость.
Метод плох тем, что резисторы в цепи якоря должны быть расчитаны на ток двигателя, т.е. быть мощными и будут греться зря. Ну и момент резко падает, что плохо.
Есть еще двигатели не независимого, а последовательного возбуждения. Это когда обмотка статора включена последовательно якорю. Не каждый двигатель так можно включить, обмотка возбуждения должна выдерживать ток якоря. Но у них возникает одно интересное свойство. При пуске возникает большой пусковой ток и этот пусковой ток является же током возбуждения, обеспечивая огромный пусковой момент. Механическая характеристика напоминает гиперболу с максимумом в районе нулевых оборотов.
А дальше, по мере разгона, момент падает, а обороты наоборот растут. И если нагрузку убрать с вала, то движок сразу же уходит в разнос. Такие движки ставят на тягловый привод в основном. По крайней мере ставили раньше, до развития силовой электроники. С места эта хрень рвет так, что все стритсракеры нервно закуривают.
▌Режимы работы двигателя постоянного тока
Направление вращения движка зависит от направления тока якоря или направления потока возбуждения. Так что если взять коллекторный двигатель и подключить обмотку возбуждения параллельно якорю, то он будет прекрасно вращаться и на переменном токе (универсальные двигатели, их в кухонную технику часто ставят). Т.к. ток будет одновременно меняться и в якоре и в возбуждении. Момент правда будет пульсирующим, но это мелочи. А для реверса там надо будет поменять полярность включения якоря или возбуждения.
Если нарисовать механическую характеристику в четырех квадрантах, то у нас будет нечто похожее на это:
Вот, например, характеристика 1 на I участке у нас машина работает как двигатель. Нагрузка растет и в определенный момент двигатель останавливается и начинает вращаться в обратную сторону, т.е. нагрузка обращает его вспять. Это тормозной режим, противовключение. Режим очень тяжелый, двигло греется просто зверски, но для торможения очень эффективный. Если же момент на валу сменит направление и пойдет вращать навстречу движку, то мотор сразу же выйдет на генерацию (IV участок).
Характеристика 2 это то же самое, только с обратной полярностью питающего напряжения двигателя.
А характеристика 3 это динамическое торможение. Оно же реостатное. Т.е. когда мы берем и просто коротим наш двигатель на резистор или сам на себя. Можете сами проверить, возьмите любой моторчик и покрутите его, а потом закоротите ему якорь и покрутите снова. На валу будет ощутимое усилие, тем больше, чем качественнее движок.
Кстати, драйвера двигателей вроде L293 или L297 имеют возможность включить реостатное торможение, подачей обоих ключей вверх или вниз. При этом якорь коротится через драйвер на шину земли или питания.
▌Бесколлекторные двигатели постоянного тока
Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка говна во всей этой вкусняшке — коллектор.
Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.
Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.
А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.
А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.
И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история.
Расчеты двигателя постоянного тока— Часть 1 | Электроника360
Двигатели постоянного тока преобразуют энергию, создаваемую электрическим током, в механическую энергию. Сегодня это важная составляющая промышленности. Для проектировщиков и инженеров также важно понимать принцип работы двигателей постоянного тока, как производить расчеты и как выбирать двигатель постоянного тока. Мы можем рассматривать двигатель постоянного тока с точки зрения соотношения ввода-вывода. Входными параметрами являются напряжение питания ( E ) и ток питания ( I ), а выходными механическими параметрами являются крутящий момент ( T ) и частота вращения (ω).Представление функциональной блок-схемы показано на рисунке 1.
Рисунок 1: Блок-схема двигателя постоянного тока.
Параметры двигателя, K ω и K t , называются постоянной скорости двигателя и постоянной крутящего момента двигателя , соответственно. Это специфические параметры конкретного мотора. Обычно эти параметры можно найти в технических паспортах двигателей постоянного тока.
[Изучите поставщиков двигателей постоянного тока в каталоге продуктов GlobalSpec.]
Преобразование энергии осуществляется по хорошо известному физическому принципу, называемому движением: , когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила . Направление силы определяется правилом левой руки Флеминга , как показано на рисунке 2.
Рисунок 2: Правило левой руки Флеминга. Источник: www.electrical4u.com
Направление силы, создаваемой магнитным полем, перпендикулярно направлению тока и поля.Если мы держим указательный, большой и средний пальцы перпендикулярно друг другу, и если средний палец представляет направление тока, а указательный палец показывает направление магнитного поля, то большой палец указывает направление силы. . Именно это происходит при работе двигателя постоянного тока.
Основные части двигателя постоянного тока состоят из проводника с обратной связью, по которому проходит ток, называемого якорем, постоянного или электромагнита (для типичных двигателей постоянного тока), батареи или источника постоянного напряжения, подключенного к якорю, который производит ток через якорь. якорь, щетки и коммутатор для облегчения вращения якоря.Поскольку якорь находится внутри магнитного поля, как только через него протекает ток, генерируемая сила срабатывает, заставляя якорь вращаться. На рисунке 3 показана схема основных частей типичного щеточного двигателя постоянного тока.
Рисунок 3: Основные части двигателя постоянного тока.
Важные определения
Для понимания двигателей в целом важны три основных параметра: крутящий момент, угловая скорость и мощность. Ниже приводится краткое описание каждого из них.
Крутящий момент
Крутящий момент (также известный как момент), этимологически образованный от латинского слова twist, определяется как сила, которая вызывает или имеет тенденцию производить вращение или кручение.Крутящий момент создается при приложении перпендикулярной силы к концу вала, как показано на диаграмме крутящего момента ниже. Затем значение крутящего момента определяется как произведение этой силы на радиус (расстояние от оси до места приложения силы), также называемое плечом момента.
Рис. 4: Перпендикулярная составляющая F создает крутящий момент.
Сила F приложена к валу под углом a , как показано. Перпендикулярная составляющая этой силы составляет Fsin (a) , а плечо момента составляет R .Таким образом, крутящий момент равен
.В системе СИ единицы измерения крутящего момента — ньютон-метр (Н-м), а английские единицы — дюйм-фунт (дюйм-фунт), фут-фунт (фут-фунт) или дюйм-унция (дюйм-унция). В следующей таблице показаны некоторые единицы преобразования.
СИ | Английский |
| 1 Н-м = 0,738 фут-фунт | 1 дюйм-фунт = 0,113 Н-м |
| 1 Н-м = 0,113 дюйм-фунт | 1 фут-фунт = 1.356 Н-м |
| 1 Н-м = 141,61 дюйм-унция | 1 дюйм-унция = 7,062E-03 Н-м |
Скорость вращения
Вращательная или угловая скорость измеряется числом оборотов вала за единицу времени. Греческая буква омега, ω, обычно используется для обозначения этой величины, а единицы измерения — радиан / секунда (рад / с, единица СИ), оборот в секунду (об / с) или, среди прочего, оборот / минуты (об / мин). При использовании этого параметра в расчетах мы должны использовать рад / с, если все другие единицы находятся в системе СИ, и градусы / с, если мы используем английскую систему.Следует запомнить важное преобразование — это соотношение между оборотами в минуту и рад / сек, выраженное в
.Также важно помнить о следующих преобразованиях:
| 1 оборот = 360 ° |
| 1 оборот = 2π радиан |
| 1 радиан = 180 / π градусов |
| 1 градус = π / 180 радиан |
Мощность
При вращательном движении мощность определяется в терминах крутящего момента, как показано ниже
P = T ω
Стандартная единица измерения мощности в системе СИ — ватты (Вт), которые равны Н-м / с, а в английской системе мы обычно используем фут-фунт / с, или лошадиные силы (л.с.).В следующей таблице показаны некоторые преобразования:
| SI | Английский |
| 1 Вт = 1 Нм / с | 1 фут-фунт / с = 1,618 E-03 л.с. |
| 1 Вт = 0,738 фут-фунт / с | 1 фут-фунт / с = 1,356 Вт |
| 1 Вт = 1,341E-03 л.с. |
Эквивалентная схема двигателей постоянного тока
Двигатель постоянного тока может быть представлен следующей схемой (рисунок 5):
Рисунок 5: Представление двигателя постоянного тока.
Сам двигатель представлен кружком, окруженным щетками. Внешний источник питания или источник питания, E , подключается к щеткам через якорь. Якорь представлен своим эквивалентным сопротивлением R и . Ток через якорь составляет I a . Механический вывод (выход) содержит вал, соединенный с двигателем и якорем. В свою очередь, комбинация якоря и вала связана с механической нагрузкой.Когда через якорь протекает ток, магнитное поле создает крутящий момент T , заставляющий якорь вращаться.
Задний э.м.
Как только якорь начинает вращаться, происходит второе явление. Якорь, вращающийся внутри магнитного поля, ведет себя как генератор, создавая напряжение электродвижущей силы (ЭДС) ( E b ). Это индуцированное напряжение, согласно закону Ленца, действует в направлении, противоположном приложенному (питающему) напряжению ( E ).Индуцированное напряжение известно как противо-ЭДС.
Это индуцированное напряжение делает двигатель постоянного тока саморегулирующейся машиной, то есть заставляет двигатель потреблять столько тока якоря, сколько достаточно для развития крутящего момента, требуемого нагрузкой. Противо-ЭДС в двигателе постоянного тока регулирует ток якоря, то есть автоматически изменяет ток якоря в соответствии с требованиями нагрузки.
Значение обратной ЭДС пропорционально скорости вращения, как в истинном генераторе, и потоку на полюс, и оно равно
., где P — количество полюсов, ϕ — поток на полюс, Z — количество проводников, A — количество параллельных путей, а ω — скорость двигателя.За исключением скорости двигателя, все остальные параметры в уравнении являются константами для конкретного двигателя, поэтому мы можем записать это уравнение как
Константа K ω , как мы видели ранее, называется постоянной скоростью двигателя .
Ускорение мотора
Уравнение, подобное последнему уравнению, может быть разработано для связи крутящего момента и тока якоря. Бывает, что крутящий момент прямо пропорционален этому току и задается
T = K t I a
Где K t — постоянная крутящего момента двигателя .
Ток, протекающий через якорь, ограничен только его сопротивлением и определяется законом тока Кирхгофа (KCL):
В самом начале двигателя ω = 0, а наведенное напряжение равно E b = 0. Тогда пусковой ток равен
.Стартер
Пусковой ток во много раз превышает нормальный номинальный ток полной нагрузки. Поскольку сопротивление якоря двигателей постоянного тока очень низкое, этот пусковой ток опасно велик и может повредить обмотки двигателя и другие части двигателя.Чтобы этого избежать, двигатель постоянного тока должен иметь пускатель, который представляет собой не что иное, как переменное сопротивление, включенное последовательно с цепью якоря. По мере увеличения скорости якоря сопротивление стартера постепенно уменьшается, так что двигатель может развивать полную скорость без дополнительного сопротивления стартера. Чтобы проиллюстрировать важность стартера, давайте рассмотрим пример. Предположим, у вас есть двигатель постоянного тока мощностью 10 л.с., 220 В и номинальный ток полной нагрузки 25 А. Сопротивление якоря составляет 0,5 Ом. Без стартера при подаче питания на двигатель начальный ток будет 220/0.5 = 440 А . Это в 17,5 раз больше тока полной нагрузки! Так что необходимость в стартере абсолютно необходима.
Регулировка скорости
Важной особенностью двигателей постоянного тока является их способность поддерживать одинаковую скорость при переменной нагрузке. Чтобы увидеть, как это возможно, предположим, что двигатель вращается со скоростью ω с обратной ЭДС. из E b . Если, например, нагрузка увеличивается, скорость будет уменьшена, и E b уменьшится.Следовательно, увеличивается разность напряжений E — E b , как и ток якоря. С увеличением тока якоря крутящий момент будет увеличиваться, вызывая увеличение скорости. Это похоже на замкнутую систему обратной связи.
Чтобы завершить эту часть расчетов двигателя постоянного тока, давайте рассмотрим простую задачу.
Пример
Двигатель постоянного тока подключен к источнику напряжением 150 В, сопротивление якоря составляет 0,75 Ом. Якорь вырабатывает 40 В при работе со скоростью 400 об / мин.Вычислить:
1) Пусковой ток
2) Задний э.д.с. при вращении двигателя 800 об / мин и при 1200 об / мин
3) Ток якоря при работе на скоростях, указанных в пункте 2
Решение
1) Пусковой ток равен
.2) Мы знаем, что задняя э.д.с. прямо пропорциональна скорости, то
E b = 80 В при ω = 800 об / мин
E b = 120 В при ω = 1200 об / мин
3) При ω = 880 об / мин
и при ω = 1200 об / мин ток
Продолжайте проверять Electronics360 для расчетов двигателя постоянного тока — Часть 2 .
Способы пуска двигателя постоянного тока
Уравнение основного рабочего напряжения двигателя постоянного тока составляет. E = E b + I a R a и, следовательно, I a = (E — E b ) / R a
Теперь, когда двигатель находится в состоянии покоя, очевидно, что противоэдс E b = 0. Следовательно, ток якоря в момент пуска может быть задан как I a = E / R a . В практических машинах постоянного тока сопротивление якоря в основном очень низкое, обычно около 0.5 Ом. Поэтому при пуске через якорь протекает большой ток. Этот ток достаточно велик, чтобы повредить цепь якоря.
Из-за этого чрезмерного пускового тока —
- предохранители могут перегореть, а обмотка якоря и / или узел щетки коллектора могут быть повреждены.
- будет создаваться очень высокий пусковой крутящий момент (поскольку крутящий момент прямо пропорционален току якоря), и этот высокий пусковой крутящий момент может вызвать огромную центробежную силу, которая может отбросить обмотку якоря.
- другие нагрузки, подключенные к тому же источнику, могут испытывать провал напряжения на клеммах.
Пускатели двигателей постоянного тока
Чтобы избежать вышеуказанных опасностей при запуске двигателя постоянного тока , необходимо ограничить пусковой ток. Итак, двигатель постоянного тока запускается с помощью стартера. Существуют различные типы пускателей двигателей постоянного тока , такие как 3-х точечный пускатель, 4-х точечный пускатель, пускатель с катушкой отпускания холостого хода, пускатель с тиристорным контроллером и т. Д.Основная идея каждого пускателя двигателя постоянного тока заключается в добавлении внешнего сопротивления обмотке якоря во время пуска.
Из нижеперечисленного, 3-точечные пускатели и 4-х позиционные пускатели используются для пуска двигателей с параллельной обмоткой и двигателей с комбинированной обмоткой.
3-х точечный стартер
Внутренняя проводка трехточечного пускателя показана на рисунке.Когда подключенный двигатель постоянного тока должен быть запущен, рычаг постепенно поворачивается вправо. Когда рычаг касается точки 1, обмотка возбуждения подключается напрямую к источнику питания, а обмотка якоря подключается последовательно с сопротивлениями R1 — R5.Во время пуска полное сопротивление добавляется последовательно с обмоткой якоря. Затем, по мере того, как рычаг перемещается дальше, сопротивление в цепи якоря постепенно снижается. Теперь, когда рычаг достигает положения 6, все сопротивление отключается от цепи якоря, и якорь подключается напрямую через источник питания. Электромагнит «E» (без катушки напряжения) удерживает рычаг в этом положении. Этот электромагнит отпускает рычаг при отсутствии (или низком) питающем напряжении.
Видно, что когда рычаг перемещается из положения 1 в последнее положение, сопротивление пускателя добавляется последовательно с обмоткой возбуждения.Но поскольку значение сопротивления стартера очень мало по сравнению с сопротивлением шунта, уменьшение тока возбуждения шунта может быть незначительным. Однако для преодоления этого недостатка в 3-точечном пускателе можно использовать латунную или медную дугу, которая обеспечивает соединение между подвижным плечом и обмоткой возбуждения, как показано на рисунке 4-точечного пускателя ниже.
Когда двигатель перегружен сверх заданного значения, активируется «электромагнит расцепителя максимального тока» D, который замыкает электромагнит E и, следовательно, отпускает рычаг, и двигатель выключается.
4-х точечный стартер
Основное отличие между 3-точечным стартером и 4-точечным стартером заключается в том, что катушка без напряжения (электромагнит E) не подключена последовательно с катушкой возбуждения. Обмотка возбуждения напрямую подключается к источнику питания, так как рычаг перемещается, касаясь латунной дуги (дуга под штифтами сопротивления). Катушка отсутствия напряжения (или удерживающая катушка) соединена с ограничивающим ток сопротивлением Rh. Такое расположение гарантирует, что любое изменение тока в поле шунта вообще не повлияет на ток через удерживающую катушку.Это означает, что электромагнитное усилие удерживающей катушки всегда будет достаточным, чтобы пружина не возвращала рычаг без необходимости в выключенное положение. 4-точечный пускатель используется там, где ток возбуждения должен регулироваться с помощью реостата возбуждения для работы двигателя с частотой вращения выше номинальной за счет уменьшения тока возбуждения.Стартер двигателя постоянного тока
Конструкция пускателей двигателей постоянного тока очень проста, как показано на рисунке. Пусковой рычаг просто перемещается вправо, чтобы запустить двигатель.Таким образом, максимальное сопротивление последовательно подключается к якорю во время пуска, а затем постепенно уменьшается по мере того, как пусковой рычаг движется вправо. Этот стартер иногда также называют двухпозиционным стартером .Катушка отпускания холостого хода удерживает пусковой рычаг в рабочем положении и покидает его при пропадании напряжения.
Почему стартеры используются с двигателями постоянного тока?
Пускатели используются для защиты двигателей постоянного тока от повреждений, которые могут быть вызваны очень высоким током и крутящим моментом во время запуска.Они делают это, обеспечивая внешнее сопротивление двигателю, который подключен последовательно к обмотке якоря двигателя и ограничивает ток до приемлемого уровня.
Чтобы понять, почему двигатели постоянного тока испытывают высокий пусковой ток, мы можем изучить уравнение напряжения двигателя постоянного тока:
Изображение предоставлено: circuitglobe.comГде:
E = напряжение питания
E b = задняя ЭДС
I a = ток якоря
R a = сопротивление якоря
Обратная ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя, поэтому при запуске, когда скорость двигателя равна нулю, обратная ЭДС также равна нулю.Следовательно, удалив член E b и изменив уравнение напряжения, мы можем увидеть, что при запуске ток якоря обратно пропорционален сопротивлению якоря.
Для обеспечения наилучших характеристик двигателя сопротивление якоря в двигателях постоянного тока поддерживается на очень низком уровне (обычно менее 1 Ом). Чтобы увидеть, насколько сильно это влияет на пусковой ток, мы можем предположить, что сопротивление якоря (R a ) составляет 0,4 Ом, а напряжение питания (E) составляет 220 В. Это дает пусковой ток (I a ) в 550 ампер, который может более чем в десять раз превышать номинальный ток и достаточно высок, чтобы повредить внутреннюю цепь двигателя.
Высокий пусковой ток может не только привести к потенциальному повреждению цепи двигателя, но и создать опасно высокий крутящий момент, который может буквально привести к разрыву ротора. Из уравнения крутящего момента двигателя постоянного тока видно, что крутящий момент прямо пропорционален току:
Где:
T = крутящий момент
k a = постоянная крутящего момента
φ = поток двигателя
Для решения этих проблем пускатель двигателя добавляет внешнее сопротивление (R s ) к обмотке якоря, что снижает ток якоря:
Но это сопротивление не обязательно должно присутствовать во всем диапазоне рабочих скоростей двигателя.По мере увеличения скорости двигателя возникает обратная ЭДС, которая противодействует напряжению питания, а также снижает ток якоря:
Когда обратная ЭДС достигает максимума, стартер постепенно снижает внешнее сопротивление R s до нуля.
Типы пускателей двигателей постоянного тока
В двигателях постоянного тока с параллельной обмоткой и с комбинированной обмоткой обычно используется 3- или 4-точечный пускатель. Название происходит от количества клемм, которые подключаются к двигателю, с трехпозиционными пускателями, имеющими три клеммы: клемма якоря, которая подключена к обмотке якоря двигателя; линейный вывод, подключенный к положительному полюсу питания; и полевой вывод, который подключен к обмотке возбуждения.
Четырехпозиционные пускатели практически идентичны трехпозиционным пускателям, но они имеют дополнительную клемму, обозначенную «N», которая подключает питание к катушке обесточивания пускателя. Это защищает от ненужного отключения, когда двигатель работает со скоростью выше нормальной. В двигателях с последовательной обмоткой обычно используются 4-х точечные пускатели.
Четырехточечный пускатель по сути такой же, как трехточечный пускатель, с добавлением четвертой клеммы, обозначенной буквой «N».Изображение предоставлено: electric4u.com
Трех- и четырехпозиционные пускатели управляются вручную оператором, который регулирует сопротивление, подаваемое на двигатель, с помощью простого рычага или ручки. Но также доступны электронные пускатели, использующие микроконтроллер и тиристоры для регулирования сопротивления, подаваемого на двигатель. Более поздней разработкой являются пускатели, в которых для ограничения пускового тока используется «прерывание напряжения», а не сопротивление. «Прерывание» частоты входного напряжения изменяет его отношение времени включения к времени отключения.Это позволяет контролировать среднее напряжение, чтобы ток якоря поддерживался на приемлемом уровне, в то время как скорость (и, следовательно, обратная ЭДС) развивается.
Кредит изображения функции: ABB
Пуск двигателя постоянного тока — требуется стартер
Стартер — это устройство для запуска и разгона двигателя. Контроллер — это устройство для запуска двигателя, управления и изменения скорости двигателя постоянного тока и остановки двигателя. При запуске двигателя постоянного тока он потребляет сильный ток, который повреждает двигатель.
Стартер снижает сильный ток и защищает систему от повреждений.
Потребность в стартерах для двигателей постоянного тока
Двигатель постоянного тока не имеет обратной ЭДС. При запуске двигателя ток якоря регулируется сопротивлением цепи. Сопротивление якоря низкое, и когда полное напряжение подается в состоянии покоя двигателя, ток якоря становится очень высоким, что приводит к повреждению частей двигателя.
Из-за высокого тока якоря при пуске в цепи якоря появляется дополнительное сопротивление.Пусковое сопротивление машины отключается от цепи, когда машина набирает скорость. Ток якоря двигателя определяется по формуле:
.Таким образом, I a зависит от E и R a , если V остается постоянным. При первом включении двигателя якорь неподвижен. Следовательно, обратная ЭДС E b также равна нулю. Начальный пусковой ток якоря I как определяется уравнением, показанным ниже:
Так как сопротивление якоря двигателя очень мало, обычно менее одного Ом.Следовательно, пусковой ток якоря I как будет очень большим. Например — , если двигатель с сопротивлением якоря 0,5 Ом подключен непосредственно к источнику питания 230 В, то, подставив значения в уравнение (2), мы получим
Этот большой ток может повредить щетки, коммутатор и обмотки.
По мере увеличения скорости двигателя обратная ЭДС увеличивается, а разница (V — E) продолжает уменьшаться. Это приводит к постепенному уменьшению тока якоря до тех пор, пока двигатель не достигнет стабильной скорости и соответствующей обратной ЭДС.В этом состоянии ток якоря достигает желаемого значения. Таким образом, обнаружено, что обратная ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь.
Так как во время пуска двигателя постоянного тока пусковой ток очень велик. Во время пуска всех двигателей постоянного тока, за исключением очень маленьких двигателей, дополнительное сопротивление должно быть подключено последовательно с якорем. Это дополнительное сопротивление добавляется, чтобы поддерживать безопасное значение двигателя и ограничивать пусковой ток до тех пор, пока двигатель не достигнет стабильной скорости.
Последовательное сопротивление разделено на секции, которые отключаются одна за другой по мере увеличения скорости двигателя и нарастания обратной ЭДС. Дополнительное сопротивление отключается, когда скорость двигателя достигает своего нормального значения.
Пуск электродвигателя постоянного тока — Центр электротехники
Двигатель постоянного тока— один из распространенных типов двигателей, используемых в промышленности. Он имеет больше преимуществ и подходит для более тяжелых промышленных применений.
На этот раз я хочу поделиться основной информацией о запуске двигателя постоянного тока.Это важно, потому что из этого мы можем узнать, как построить и настроить контроллер для двигателя постоянного тока.
Как известно, типы двигателей постоянного тока, такие как шунтирующие двигатели с дробной мощностью, последовательные и составные двигатели постоянного тока, могут быть запущены путем непосредственного подключения двигателя к сети постоянного тока.
Но мы должны принять к сведению, что если наш двигатель постоянного тока рассчитан на мощность более 2 л.с., он должен запускаться с помощью стартера пониженного напряжения, чтобы обеспечить его правильную работу и избежать серьезных повреждений.
Информация о запуске двигателя постоянного тока.У него есть два требования для запуска двигателей постоянного тока с более высокой мощностью, особенно если они запускаются под нагрузкой. Мы должны принять меры предосторожности в этом вопросе.
a) И двигатель, и линии питания должны быть защищены от перегрузки по току во время пуска.
b) Пусковой момент двигателя должен быть как можно большим, чтобы двигатель набрал полную скорость за минимальное время.
При пуске, когда якорь двигателя неподвижен, внутреннее противодействующее напряжение не генерируется.Таким образом, единственным ограничением тока, потребляемого от источника питания, является сопротивление якоря.
В большинстве двигателей постоянного тока это сопротивление очень низкое, около 1 Ом или меньше. Для выполнения первого требования к запуску внешнее сопротивление может быть подключено последовательно с якорем двигателя во время периода запуска.
Пусковые резисторы — это переменные резисторы, значение сопротивления которых в цепи можно регулировать вручную или автоматически. По мере ускорения двигателя противодействующее напряжение увеличивается, уменьшая ток якоря.Затем пусковое сопротивление можно постепенно уменьшать, пока двигатель не достигнет полной скорости.
Второе требование к запуску двигателя постоянного тока может быть выполнено путем максимизации значения потока магнитного поля и обеспечения протекания максимального безопасного значения тока якоря при запуске двигателя.
При пуске параллельных и составных двигателей максимальный поток поля достигается отключением реостата шунтирующего поля. В последовательных двигателях поток возбуждения максимален из-за сильного пускового тока, протекающего через обмотку возбуждения.
Если двигатель постоянного тока находится в приводе с регулируемым напряжением и скоростью, его можно запустить, переведя регулятор скорости с нуля на желаемую скорость.
Если двигатель постоянного тока в системе управления движением должен обеспечивать плавное высокоскоростное движение без чрезмерной нагрузки на него, контроллер движения должен направить усилитель мотора для постепенного увеличения скорости мотора, пока она не достигнет заданной скорости.
Когда двигатель нужно выключить, его следует постепенно снижать до полной остановки.Это делается путем программирования трапециевидного командного профиля скорости в контроллере движения, чтобы поддерживать ускорение и замедление двигателя в требуемых пределах.
Способы запуска двигателя постоянного тока| Электрооборудование A2Z
В этой статье мы подробно рассмотрели методы пуска двигателей постоянного тока и их принципиальные схемы:
Трехконтактные пускатели с лицевой панелью
Автоматические пускатели двигателей постоянного тока
Автоматическое управление ускорением
Запуск с обратной ЭДС
Твердотельные контроллеры
Двигатели постоянного тока до 1.5 кВт можно запустить непосредственно от сети, но, поскольку это позволяет протекать чрезмерным токам якоря, это может вызвать возгорание как коммутатора, так и щеток. Якоря меньшего размера из-за их малой инерции иногда можно запускать прямо в линию, а якоря большего размера — нет.
Типичный двигатель постоянного тока мощностью 200 В и мощностью 5 кВт имеет сопротивление якоря около 0,3 Ом. Из закона Ома видно, что пусковой ток составляет многие сотни ампер:
Этот большой расход тока является прямым результатом того, что якорь не вращается и может генерировать обратную ЭДС.Общее руководство — ограничить максимальный пусковой ток примерно до двух или трех значений тока полной нагрузки. Следует отметить, что этот рисунок Рисунок является только общим руководством и может зависеть от таких факторов, как размер двигателя, рабочий цикл и тип нагрузки.
Для запуска двигателя постоянного тока под нагрузкой требуется стартер другого типа, чем для двигателя, запускаемого без нагрузки. Пусковой ток может варьироваться от 1,5 до 7 раз при полной нагрузке.
Единственным эффективным средством предотвращения повреждений, вызванных высокими пусковыми токами, является ограничение тока путем включения сопротивления последовательно с якорем.
Последствия запуска двигателя постоянного тока DOL:
1. Быстрый износ щеток
2. Горение поверхности коллектора
3. Перегрев соединений коллектора, приводящий к разомкнутым цепям в якоре
4. Прожиг хвостовиков щеток
5. Перегиб обмоток якоря, приводящий к истиранию обмоток и короткому замыканию
6. Ударные нагрузки на валы якоря, крепежные болты, приводные ремни или другие детали трансмиссии
7. Сильные скачки тока (переходные процессы) на источнике питания.
Рисунок 1 иллюстрирует основной принцип ограничения пускового тока двигателя постоянного тока.
Рисунок 1 Принципиальная схема запуска двигателя постоянного тока
Метод применим ко всем типам подключения двигателей постоянного тока. Резистор, который можно изменять, вставляется последовательно с якорем, и на поле шунта подается полное напряжение. По мере ускорения двигателя постоянного тока сопротивление якоря постепенно уменьшается.Важно, чтобы шунтирующие поля поддерживались равными или близкими к полному линейному напряжению, пока двигатель разгоняется до полной скорости.
Желательными элементами пускателей и пускателей двигателей постоянного тока являются:
1. Изоляция цепи
2. Защита от перегрузки по току
3. Все последовательное сопротивление якоря в цепи при запуске
4. Полное линейное напряжение, приложенное к шунтирующему полю при запуске.
Большинство пускателей для двигателей постоянного тока понижают последовательное сопротивление в несколько этапов, поэтому ток якоря увеличивается и уменьшается в несколько этапов. Рисунок 2 показывает, как изменяется ток для двигателя постоянного тока с тремя ступенями уменьшения последовательного сопротивления.
Рисунок 2 Скачки тока нагрузки во время последовательности запуска
Первый скачок тока происходит при подключении питания к двигателю постоянного тока. По мере того, как двигатель постепенно ускоряется, генерируемая ЭДС нарастает и противодействует приложенному напряжению. Поскольку разница между генерируемой и приложенной ЭДС постепенно уменьшается, ток якоря также уменьшается.
Когда линейный ток снизился приблизительно до тока полной нагрузки, первая ступень сопротивления удаляется из цепи якоря, и ток снова резко увеличивается. Это повторяется по мере увеличения скорости двигателя постоянного тока до тех пор, пока все сопротивление не будет снято с цепи якоря.
Пускатели с трехконтактной лицевой панелью Ручные пускателив основном имеют трехконтактный тип лицевой панели и предназначены для использования с шунтирующими или составными двигателями постоянного тока.С небольшими изменениями схемы их можно также использовать с последовательными двигателями постоянного тока. Типичная схема показана на рисунке Рисунок 3 .
Рисунок 3 Схема трехконтактного ручного пускателя двигателя постоянного тока
Когда подпружиненная пусковая рукоятка H перемещается к первой шпильке, все сопротивление стартера вставляется в цепь якоря, и на поле подается полное напряжение.
По мере ускорения двигателя постоянного тока ручка выдвигается, снимая сопротивление в цепи якоря.Хотя это добавлено к цепи возбуждения, значение сопротивления настолько низкое по сравнению с сопротивлением шунтирующего поля, что его влияние можно игнорировать.
Ток течет в поле через последовательную катушку C, которая намагничивает железный сердечник, расположенный так, что, когда ручка H замыкает магнитную цепь, он удерживается от натяжения пружины в положении, когда все сопротивление якоря закорочено.
Катушка C включается в цепь для защиты двигателя и делает это двумя способами.Если в поле возникает разомкнутая цепь, ток в катушке не течет, и магнит отпускает ручку, позволяя пружине вернуть H в выключенное положение, прежде чем двигатель сможет разогнаться до чрезмерно высоких скоростей. (Повышенная скорость шунтирующего двигателя достигается за счет ослабления поля.) Кроме того, если источник питания выходит из строя или из-за некоторой неисправности падает до низкого напряжения, магнитная сила C уменьшается, и пружина снова возвращает H в выключенное положение. Катушку C часто называют катушкой отключения напряжения.
Некоторые ситуации, такие как перегрузка двигателя или неправильная последовательность запуска, могут привести к тому, что двигатель потребляет чрезмерный ток. Чтобы предотвратить повреждение двигателя постоянного тока, пускатели двигателей постоянного тока обычно устанавливают защиту от перегрузки.
На рисунке Рисунок 3 катушка с низким сопротивлением (O / L) подключена последовательно с одной из линий. Когда ток превышает заданное значение, сердечник втягивается в катушку, и соответствующая пара контактов замыкает катушку C, освобождая H и позволяя ей вернуться в выключенное положение.
Автоматические пускатели двигателей постоянного токаХотя автоматический пускатель дороже ручного стартера, он превосходит электрически и имеет другие преимущества. Неосторожный или неопытный оператор ручной системы может вызвать повреждение как стартера, так и двигателя, если стартер используется неправильно. Исправный автоматический стартер одним нажатием кнопки разгонит двигатель до скорости в последовательности пуска, которую можно точно и последовательно повторять.
Другие преимущества автоматических пускателей:
1. Кнопочные посты управления могут быть расположены на расстоянии от пускателя.
2. Операцию можно оставить неподготовленному персоналу.
3. Функцию кнопки можно заменить механизмом управления процессом (например, реле давления, поплавковые клапаны, датчики влажности).
При любом обсуждении автоматических пускателей необходимо учитывать, что существует множество вариантов базовой конструкции, в зависимости от используемого оборудования, его местоположения и любых желаемых эффектов отдельных пускателей.Однако во всех автоматических пускателях есть два типа цепей: силовая и управляющая.
Силовая цепь управляет двигателем, и через него протекает ток двигателя. Схема управления работает с гораздо меньшими токами и управляет переключателями, контактами, реле и таймерами, необходимыми для набора скорости двигателя, когда это необходимо, и обеспечения его защиты от перегрузок.
Схема, иллюстрирующая действие автоматического пускателя для параллельного двигателя постоянного тока, показана на рис. , рис. , , 4, .Управление осуществляется кнопками, ступени ускорения управляются реле с задержкой срабатывания.
Рисунок 4 Пример принципиальной схемы автоматического пускателя двигателя постоянного тока
Цепь разделена на две части пунктирной линией, чтобы различать цепи питания и управления.
Силовая цепь показана слева от линии с полем двигателя, якорем двигателя и ускоряющими резисторами. Цепь управления находится справа от линии с кнопками, главными реле, реле времени и их соответствующими контактами.
Два реле относятся к типу с задержкой срабатывания. Время реакции реле K3 / 1 примерно вдвое больше, чем у реле K2 / 1; например, 5 секунд для K2 / 1 и 10 секунд для K3 / 1.
При нажатии пусковой кнопки срабатывает реле К1 / 2. Один из его контактов K1.1 замыкается и подает полную мощность на поле, а также на якорь последовательно с пусковыми резисторами. Ток якоря создает крутящий момент, и двигатель начинает разгоняться. Второй контакт K1.2 фиксирует кнопку пуска и обеспечивает продолжение подачи питания на двигатель после отпускания кнопки пуска.
Одновременно полное напряжение подается на оба реле с выдержкой времени K2 / 1 и K3 / 1. По истечении, скажем, 5 секунд реле K2 / 1 срабатывает, и контакт K2.1 замыкает резистор R 2 . Пониженное сопротивление в цепи якоря вызывает увеличение тока якоря и создает дополнительный крутящий момент. Это, в свою очередь, обеспечивает дальнейшее ускорение до более высокой скорости.
После более длительной задержки, скажем, 10 секунд, реле K3 / 1 активируется и замыкает контакт K3.1. Это закорачивает оставшийся резистор в цепи якоря и позволяет приложить к якорю полное напряжение.
Двигатель постоянного тока защищен от перегрузок за счет тепловой перегрузки, а использование катушек контактора обеспечивает защиту от низких напряжений.
Время, необходимое двигателю для достижения рабочей скорости, зависит от пускового момента и нагрузки на двигатель.
В приведенном выше примере время ступеней фиксировано, и это не всегда может быть удовлетворительным решением для запуска двигателя постоянного тока. Могут потребоваться более эффективные средства.
Автоматический контроль разгонаХарактер пуска двигателя постоянного тока и способ его разгона определяется самим пускателем.Когда каскады последовательного сопротивления удаляются из цепи якоря, возникают скачки как тока, так и крутящего момента. Эти скачки могут быть неприемлемыми. Например, если выбрано неправильное значение резистора, двигатель может не запуститься на первой ступени, но на второй ступени возникнет резкий скачок напряжения.
Количество ступеней сопротивления в процессе пуска также влияет на работу стартера и двигателя. Близкое соотношение между максимальным и минимальным ускоряющими моментами обеспечит плавный пуск с минимальными скачками, но требует много этапов пуска.С другой стороны, более широкое передаточное число имеет меньше ступеней, но приводит к внезапным скачкам крутящего момента и тока.
Для достижения хорошей последовательности запуска с уменьшением скачков до минимума, операция должна быть исключена из рук оператора и сделана автоматической. Тогда скорость разгона будет стабильной и надежной.
Существуют методы автоматического управления пуском двигателей постоянного тока, которые существуют много лет и доказали свою надежность. Твердотельная технология и более совершенные конструкции двигателей постоянного тока также позволяют управлять подачей энергии на двигатель в широком диапазоне рабочих условий.
Все методы пуска двигателя постоянного тока — это разные способы пуска двигателя при пониженном напряжении и постепенного увеличения этого напряжения, пока оно не достигнет полного линейного напряжения. Все эффективные методы контролируют скорость увеличения входного тока и соответствующие скорости ускорения.
Некоторые из этих методов описаны ниже.
Ускорение с независимой выдержкой времени
Реле срабатывают в соответствии со строгими временными интервалами. Схема на рисунке Рисунок 4 типична для такого метода.В методе используются реле времени (электрические или механические), масляные датчики или электронные таймеры. Никаких поправок на нагрузку или состояние двигателя не делается. Например, двигатель постоянного тока может заглохнуть, но после определенного интервала времени активируется следующая ступень, то есть меньшее сопротивление и еще больший ток якоря.
Ускорение с ограничением по току
Этот метод подходит для двигателей постоянного тока, которые должны справляться с изменяющимися нагрузками, где также могут изменяться условия запуска. Максимальный ток заранее определен, а интервалы включения зависят от величины и инерции нагрузки.Каждая последующая ступень управляется контактором, который сам управляется предыдущей ступенью. Используются вспомогательные контакты и методы блокировки катушек. Используются реле, управляемые током, и каждое реле состоит из набора цилиндрических катушек, предназначенных для передачи тока якоря. Каждый выпустит свое железное ядро на разных уровнях тока.
При запуске первое реле задействует свой железный сердечник. По мере ускорения двигателя ток якоря будет постепенно уменьшаться, пока реле не перестанет удерживать сердечник и не освободит его.Затем устанавливаются вспомогательные контакты.
Они активируют следующее реле в цепи и в то же время обходят часть пускового сопротивления в цепи якоря. Затем ускорение и крутящий момент увеличиваются до тех пор, пока следующее реле в последовательности не выполнит ту же процедуру.
Если на каком-либо этапе нагрузка становится слишком большой для двигателя, а ток остается на высоком уровне, следующий этап в последовательности запуска не может быть инициирован.
Пуск обратного ЭДСПри пуске противо-ЭДС катушки зависимых от напряжения реле включаются параллельно якорю.По мере увеличения обратной ЭДС, создаваемой якорем, ток, протекающий в якоре, падает. Это вызывает увеличение напряжения якоря до тех пор, пока оно не достигнет значений, которые постепенно активируют реле. Эти реле удаляют часть пускового сопротивления из цепи якоря, и ток снова увеличивается и повторяет последовательность.
Если по какой-либо причине двигатель постоянного тока не может разогнаться до полной скорости, ток остается высоким, и реле не могут уменьшить сопротивление в цепи якоря.Принцип действия проиллюстрирован на Рисунок 5 .
Рисунок 5 Схема пускателя постоянного тока с обратной ЭДС
Предположим, что напряжение питания 200 В, ток полной нагрузки 20 А, коэффициент пускового тока 2 (40 А) и сопротивление якоря 1 Ом. Также предположим, что реле напряжения срабатывают при 120 В и 160 В.
Если два пусковых резистора по 2 Ом каждый установить последовательно с якорем, пусковой ток будет:
То есть, при первом включении ток увеличится до точки A в Рис. 5 (b).
Распределение напряжения в последовательной цепи якоря будет В, = IR = 40 × 2 = 80 В на каждом из последовательных резисторов и 200 — 160 = 40 В на якоре.
Когда двигатель постоянного тока ускоряется, он генерирует обратную ЭДС. Это противодействует приложенному напряжению и создает более низкое сетевое приложенное напряжение, что приводит к уменьшению тока якоря.
Когда ток в цепи якоря упадет до тока полной нагрузки 20 А (точка B на рисунке , рис. 5 (b)), распределение напряжения будет В = IR = 20 × 2 = 40 В на каждом резисторе и 200 — 80 = 120 В на якоре.Реле К2 / 1 срабатывает при напряжении 120 В и коротком замыкании резистора R 2 . Резистор R 1 внезапно повысит напряжение до 200 — 120 = 80 В. В результате ток якоря снова вырастет до 40 А. Для R 1 , I = В / R = 80/2 = 40 А.
Поскольку якорь также включен последовательно, его ток также увеличится до 40 А (точка C на рисунке , рис. 5 (b)).
Ускорение якоря будет увеличиваться, и описанная выше процедура будет повторяться до тех пор, пока ток снова не упадет до 20 А (точка D на рис. , , , 5 (b), ).
Напряжение на якоре теперь будет равным линейному напряжению за вычетом напряжения на R 1 (20 × 2 = 40 В), то есть 200-40 или 160 В.
В этот момент сработает второе реле напряжения и закоротит оставшееся сопротивление. Двигатель будет продолжать работать от источника питания 200 В и тока полной нагрузки 20 А.
Твердотельные контроллерыИсчезновение источников постоянного тока для промышленного применения привело к тому, что двигатели постоянного тока стали использоваться только тогда, когда их универсальность и характеристики значительно превышали характеристики двигателей переменного тока для конкретного применения.
В полупроводниковой технологии появился кремниевый выпрямитель (SCR), поэтому источники постоянного тока стали легко доступны без необходимости установки дорогостоящего и специализированного оборудования.
SCR имеет электрическую способность переключать формы волны переменного тока в точные моменты времени в каждом цикле. Результирующая форма волны переменного тока не является синусоидальной, и выходной сигнал не является чистым постоянным током. Следовательно, гармоники вводятся как в цепи переменного, так и постоянного тока.
Из-за этих гармоник двигатели постоянного тока страдают повышенными электрическими потерями, которые проявляются в виде нагрева и более высоких рабочих температур.Производительность снижается, и двигатели работают более шумно.
Блок-схема электронного управления двигателем постоянного тока с параллельным подключением показана на рис. , рис. , , 6, . Источник переменного тока выпрямляется комбинацией выпрямителей и выпрямителей с кремниевым управлением. Ток, потребляемый двигателем, контролируется, так что скачки тока могут контролироваться схемой управления.
В этом случае используются отдельные управляемые выпрямительные блоки как для полевого питания, так и для питания якоря.Это позволяет контролировать пусковые токи в якоре и управлять скоростью выше и ниже базовой скорости.
Скорости, превышающие базовую скорость, достигаются путем регулирования силы токов возбуждения, в то время как скорости ниже базовой скорости получаются путем регулирования напряжения якоря.
Рисунок 6 Полупроводниковое управление двигателем постоянного тока (принципиальная схема)
Пусковые резисторы обычно не требуются, поскольку напряжение постоянного тока, подаваемое на якорь, регулируется в соответствии с требованиями к крутящему моменту и скоростью двигателя.Полное напряжение не подается, пока двигатель не наберет свою рабочую скорость.
Твердотельные системы для двигателей постоянного тока значительно более эффективны, чем старые системы двигатель-генератор, при этом сохраняя свою гибкость.
Надежность может быть немного ниже в том смысле, что электронные компоненты могут выйти из строя без предупреждения. Этот недостаток уменьшается по мере того, как все больше и больше улучшается надежность электронных компонентов.
Твердотельные накопители могут быть установлены в любой ситуации, когда доступен источник переменного тока.В шахтах, где может возникнуть опасность взрыва из-за присутствия газов, твердотельный моторный привод обычно предпочтительнее из-за присущих ему функций безопасности.
Контроллеры исключают опасность искр, которые могут возникнуть при контактах и открытых контактах. Размер не является ограничением для их установки, поскольку полностью реверсивные двигатели постоянного тока мощностью 4000 кВт уже установлены в шахтах и прокатных станах.
Пуск двигателя постоянного тока — необходимость или потребность в пускателе двигателя постоянного тока
При запуске, когда номинальное напряжение подается на стационарные выводы якоря двигателя постоянного тока, он потребляет больше тока, чем номинальный.Когда такие сильные токи проходят через обмотки якоря, он перегревается и повреждает коммутатор и щетки. Следовательно, чтобы уменьшить эти большие пусковые токи, сопротивление должно быть подключено последовательно с обмоткой якоря. Поэтому для ограничения пускового тока подключается пускатель, состоящий из заданных сопротивлений.
Запуск двигателей постоянного тока:
Когда источник питания подключен к клеммам якоря, двигатель потребляет ток, намного превышающий его номинальный ток.Это связано с тем, что сопротивление цепи якоря относительно невелико. Это можно понять из выражения тока якоря I a двигателя постоянного тока.
Где,
- В = Напряжение питания
- R a = Сопротивление якоря
- E b = Обратная ЭДС
Из приведенного выше уравнения мы видим, что ток якоря I a является соотношением напряжение V до сопротивления якоря R a . Первоначально, когда двигатель постоянного тока запускается, ЭДС Баха E b , индуцированная в якоре, будет равна нулю (поскольку E = K φ N и N = 0).Подставив E b = 0, выражение для тока якоря при пуске дается как,
Обычно сопротивление якоря двигателя постоянного тока поддерживается на очень низком уровне (доли Ом), и поэтому якорь потребляет ток, во много раз превышающий номинальный ток при полной нагрузке (порядка сотен ампер). Эти сильные токи при прохождении через обмотку якоря могут вызвать повреждение обмотки.
Однако, как только двигатель начинает вращаться, в двигателе нарастает обратная ЭДС, таким образом, он постепенно снижает пусковой ток (поскольку значение V — E b уменьшается) по мере увеличения скорости.В какой-то момент значение этого тока становится меньше номинального. Следовательно, ток следует ограничивать только в период запуска, чтобы предотвратить повреждение обмотки. Чтобы ограничить эти пусковые токи, протекающие в обмотке якоря, сопротивление вводится последовательно с обмоткой якоря a, показанной на рисунке ниже.
По мере того, как двигатель набирает скорость, значение этого сопротивления постепенно уменьшается. Поэтому выражение для тока якоря при подключении дополнительного сопротивления R показано ниже.
Когда к сопротивлению якоря R a добавляется дополнительное сопротивление R, значение тока якоря I a уменьшается. По мере увеличения скорости двигателя E b увеличивается, что, в свою очередь, уменьшает разницу (V — E b ), т.е. числитель уменьшается. Здесь мы видим, что потребность в дополнительном сопротивлении также снижается по отношению к скорости (то есть по отношению к увеличению значения числителя).
При значении обратной ЭДС E b i.Например, при определенной скорости ток может быть ограничен без необходимости в дополнительном сопротивлении R. Если дополнительное сопротивление остается постоянным в цепи якоря, мощность рассеивается в виде потерь I a 2 R, тем самым снижение КПД двигателя.
Из схемы видно, что обмотки возбуждения и якоря подключены к источнику питания. Если обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря, из-за потери мощности в резисторе R напряжение на выводах якоря уменьшается.Следовательно, ток возбуждения I f уменьшается, и возбуждение поля не может развивать требуемый крутящий момент на якоре для вращения ротора.
Необходимость стартера двигателя постоянного тока:
На практике при пуске используется устройство для создания дополнительного сопротивления с обмоткой якоря, известное как «Стартер». Он состоит из набора резисторов, помещенных в корпус. Величину сопротивления можно увеличивать или уменьшать, изменяя количество резисторов, подключенных к цепи якоря.Это может быть сделано с помощью подвижной рукоятки (стартера), которая перемещается по выводам резистора таким образом, что в исходном положении сопротивление не подключается, а сопротивление увеличивается по мере движения рукоятки. Стартер снабжен защитными устройствами для отключения двигателя (переводом ручки стартера в положение выключения) в случае сбоя питания или в состоянии перегрузки.
Предположим, что если стартер не отключит якорь от источника питания, якорь будет напрямую подключен к источнику питания, когда он будет восстановлен.
