Система генератор — двигатель постоянного тока

В различных станках часто требуется бесступенчатое регулирование частоты вращения привода в пределах более широких, чем те, которые может обеспечить регулирование посредством изменения магнитного потока двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. В этих случаях применяют более сложные системы электропривода.

На рис. 1 представлена схема регулируемого электропривода по системе генератор — двигатель (сокращенно Г — Д). В этой системе асинхронный двигатель АД непрерывно вращает генератор Г постоянного тока с независимым возбуждением и возбудитель В, представляющий собой маломощный генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.

Двигатель постоянного тока Д приводит в движение рабочий орган станка. Обмотки возбуждения ОВГ генератора и ОВД двигателя питаются от возбудителя В. Изменяя реостатом 1 сопротивление цепи возбуждения генератора Г, меняют напряжение, подводимое к якорю двигателя Д, и тем самым регулируют частоту вращения двигателя. Двигатель при этом работает с полным и неизменным потоком, так как реостат 2 выведен.

При изменении напряжения U меняется частота вращения n 0 идеального холостого хода двигателя Д. Так как поток двигателя и сопротивление цепи его якоря не меняются, то угловой коэффициент b остается постоянным. Поэтому прямолинейные механические характеристики, соответствующие разным значениям U, расположены одна под другой и параллельны друг другу (рис. 2).

Рис. 1. Система генератор — двигатель постоянного тока (дпт)

Рис. 2. Механические характеристики системы генератор — двигатель постоянного тока

Они имеют больший наклон, чем характеристики такого же электродвигателя, питаемого от сети постоянного тока, так как в системе Г — Д напряжение U при неизменном токе возбуждения генератора с увеличением нагрузки снижается согласно зависимости:

где Ег и r г— соответственно э. д. с. и внутреннее сопротивление генератора.

По аналогии с асинхронными двигателями обозначим

Эта величина характеризует уменьшение частоты вращения двигателя при повышении нагрузки от нуля до номинальной. Для параллельных механических характеристик

Эта величина возрастает по мере уменьшения n0. При больших значениях sн заданные режимы резания будут значительно изменяться при случайных колебаниях нагрузки. Поэтому диапазон регулирования напряжением обычно не превышает 5:1.

С уменьшением номинальной мощности двигателей падение напряжения в них увеличивается, и механические характеристики получают больший наклон. По этой причине снижают диапазон регулирования напряжением системы Г — Д по мере уменьшения мощности (при мощностях менее 1 кВт до 3:1 или 2:1).

С уменьшением магнитного потока генератора на его напряжении в большей степени сказывается размагничивающее действие реакции его якоря. Поэтому характеристики, относящиеся к низким частотам вращения двигателя, фактически имеют больший наклон, чем механические характеристики.

Расширение диапазона регулирования достигается уменьшением магнитного потока двигателя Д посредством реостата 2 (см. рис. 1), производимым при полном потоке генератора Этому способу регулирования скорости соответствуют характеристики, расположенные выше естественной (см. рис. 2).

Общий диапазон регулирования, равный произведению диапазонов регулирования обоими способами, достигает (10 — 15) : 1. Регулирование изменением напряжения является регулированием с постоянным моментом (поскольку магнитный поток двигателя остается неизменным). Регулирование изменением магнитного потока двигателя Д является регулированием с постоянной мощностью.

Перед пуском двигателя Д реостат 2 (см. рис. 1) полностью выводят, и поток двигателя достигает наибольшего значения. Затем реостатом 1 увеличивают возбуждение генератора Г. Это вызывает повышение напряжения, и скорость двигателя Д увеличивается. Если обмотку ОВГ включить сразу на полное напряжение UB возбудителя В, то ток в ней, как во всякой цепи, обладающей индуктивностью и активным сопротивлением, будет нарастать:

где rв — сопротивление обмотки возбуждения, LB — ее индуктивность (влиянием насыщения магнитопровода пренебрегаем).

На рис. 3, а (кривая 1) представлен график зависимости тока возбуждения от времени. Ток возбуждения нарастает постепенно; скорость нарастания определяется соотношением

где Тв — электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора; имеет размерность времени.

Рис. 3. Изменение тока возбуждения в системе Г—Д

Изменение напряжения генератора при пуске имеет примерно такой же характер, как и изменение силы тока возбуждения. Это дает возможность автоматического прямого пуска двигателя с выведенным реостатом 1 (см. рис. 1).

Нарастание тока возбуждения генератора часто ускоряют (форсируют), прикладывая в начальный момент к обмотке возбуждения напряжение, превышающее номинальное. Процесс нарастания возбуждения будет при этом протекать по кривой 2 (см. рис. 3, а). Когда сила тока в обмотке достигнет величины Iв1 равной установившейся силе тока возбуждения при номинальном напряжении, напряжение на обмотке возбуждения уменьшают до номинального. Время нарастания тока возбуждения до номинального уменьшается.

Для форсирования возбуждения генератора напряжение возбудителя В (см. рис. 1) выбирают в 2—3 раза превышающим номинальное напряжение обмотки возбуждения генератора и вводят в схему добавочный резистор 4. Замыкая на время пуска этот резистор накоротко контактом 5, на обмотку возбуждения подают повышенное напряжение.

Система генератор — двигатель позволяет осуществить торможение с рекуперацией. Для торможения необходимо, чтобы ток в якоре изменил свое направление. Момент при этом также изменит знак и вместо движущего станет тормозным. Торможение возникает при увеличении магнитного потока электродвигателя реостатом 2 или при уменьшении напряжения генератора реостатом 1. В обоих случаях э. д. с. Е двигателя становится выше напряжения U генератора. При этом двигатель Д работает в генераторном режиме и приводится во вращение кинетической энергией движущихся масс, а генератор Г работает в двигательном режиме, вращая со сверхсинхронной скоростью машину АД, которая при этом переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть.

Торможение с рекуперацией можно осуществить и без воздействия на реостаты 1 и 2. Можно просто разомкнуть цепь возбуждения генератора (например, переключателем 3). При этом ток в замкнутой цепи, состоящей из обмотки возбуждения генератора и резистора 6, будет постепенно уменьшаться

где R — сопротивление резистора 6.

График, соответствующий этому уравнению, приведен на рис. 3, б. Постепенное уменьшение тока возбуждения генератора в данном случае равносильно увеличению сопротивления реостата 1 (см. рис.1) и вызывает рекуперативное торможение. В данной схеме резистор 6, включенный параллельно обмотке возбуждения генератора, является разрядным. Он предохраняет изоляцию обмотки возбуждения от пробоя в случае внезапного аварийного обрыва цепи возбуждения.

При обрыве цепи возбуждения магнитный поток машины резко уменьшается, наводит в витках обмотки возбуждения э. д. с. самоиндукции настолько большую, что она может вызвать пробой изоляции обмотки. Разрядный резистор 6 создает контур, в котором э. д. с. самоиндукции обмотки возбуждения вызывает ток, замедляющий уменьшение магнитного потока.

Падение напряжения на разрядном резисторе равно напряжению на обмотке возбуждения. Чем меньше величина разрядного сопротивления, тем меньше будет напряжение на обмотке возбуждения при разрыве цепи. Вместе с тем при уменьшении величины сопротивления разрядного резистора возрастают непрерывно протекающий по нему в нормальном режиме ток и потери в нем. При выборе величины разрядного сопротивления должны быть учтены оба указанных положения.

После отключения обмотки возбуждения генератора на его зажимах вследствие остаточного магнетизма сохраняется некоторое небольшое напряжение. Оно может вызвать медленное вращение двигателя с так называемой ползучей скоростью. Для устранения этого явления обмотку возбуждения генератора после отключения от возбудителя присоединяют к зажимам генератора так, чтобы напряжение от остаточного магнетизма вызвало в обмотке возбуждения генератора размагничивающий ток.

Для реверса электродвигателя Д меняют направление тока в обмотке возбуждения ОВГ генератора Г посредством переключателя 3 (или иного аналогичного устройства). Вследствие значительной индуктивности обмотки ток возбуждения при этом постепенно уменьшается, меняет направление, а затем постепенно нарастает.

Процессы пуска, торможения и реверса двигателя в рассматриваемой системе отличаются высокой экономичностью, так как их осуществляют без применения реостатов, включенных в цепь якоря. Двигатель пускают и тормозят с помощью легкой и компактной аппаратуры, управляющей лишь небольшими токами возбуждения. Поэтому данную систему «генератор — двигатель постоянного тока» целесообразно использовать для работы с частыми пусками, торможениями и реверсами.

Основными недостатками системы генератор — двигатель постоянного тока являются относительно низкий коэффициент полезного действия, высокая стоимость и громоздкосгь, определяемые наличием в системе большого числа электрических машин. Стоимость системы превышает стоимость одного короткозамкнутого асинхронного двигателя такой же мощности в 8 — 10 раз. Кроме того, такая система электропривода требует много места.

Электропривод по системе генератор — двигатель (Г—Д)

Всистеме Г—Д, схема которой представлена на рис. 7.1, ис­пользуется электромашинный преобразователь переменного тока в постоянный, состоящий из асинхронного или синхрон­ного двигателя ДП и генератора Г, напряжение которого можно изменять в широких пределах. Обмотки возбуждения генератора ОВГ и двигателя ОВД получают питание от неза­висимого источника постоянного тока возбудителя В (или от управляемого тиристорного преобразователя).

В системе Г—Д любой режим работы двигателя Д (пуск, торможение, регулирование скорости, реверсирование) можно получить изменением величины и полярности подводимого кего якорю напряжения.

Уравнение механической характеристики системы Г—Д
имеет вид:

где R_я — сопротивление цепи якоря, состоящей из сопротивле­ний якоря двигателя R_я._д, якоря генератора R_я.ги соединитель­ных проводов r_пр (R_я=R_я.д+R_я.г+r_пр); Е_г — э. д. с. генератора. Каждому значению Е_г соответствует своя скорость идеаль­ного холостого хода

Следовательно, изменяя э. д. с, можно регулировать ско­рость вращения двигателя Д. При этом механические характе­ристики системы Г—Д представляют собой семейство параллельных прямых, жесткость которых остается неизменной. На рис. 7.2 представлены механические характеристики системы Г—Д при различных значениях э. д. с. генератора.

Реверсирование двигателя Д осуществляется изменением .направления тока в обмотке возбуждения генератора. При этом меняется знак э. д. с. Е_Т и, следовательно, направление вращения двигателя.

Диапазон регулирования скорости вращения двигателя для системы Г—Д, при регулировании током возбуждения генера­тора, равен 7—15. Расширение диапазона регулирования до 14—30 можно осуществить ослаблением магнитного потока дви­гателя. Применение замкнутых систем управления позволяет расширить диапазон регулирования до 200 : 1.

На рис. 7.3 приведена схема системы Г—Д с регулируемым усилителем в качестве возбудителя. Усилитель имеет несколько обмоток управления, что позволяет осуществлять обратные связи по напряжению, току, угловой скорости и т. д., тем самым создать замкнутую систему управления.

Следует отметить, что в качестве возбудителя может при­
меняться силовой магнитный усилитель (СМУ) или тиристорный преобразователь (принцип действия системы не изме­нится).

Обмотка ОЗ является задающей и служит для регулирова­ния величины и полярности э. д. с. генератора, а следовательно, величины и направления угловой скорости двигателя.

Обмотка ОН включена параллельно обмотке якоря генера­тора и осуществляет отрицательную обратную связь по напряжению генератора, т. е. намагничивающая сила (н. с.) обмотки ОН направлена встречно н. с. обмотки ОЗ.

Обмотка ОТ включена на падение напряжения в обмотках дополнительных полюсов генератора ДПГ и двигателя ДПД, которое пропорционально току главной цепи. Ток в обмотке ОТ будет протекать только в случае, если I(Rдпг + Rдпд) будет больше опорного напряжения U_on.

Рассмотрим действие обратных связей системы.

Обратная отрицательная связь по напряжению служит для компенсации снижения напряжения на зажимах двигателя при увеличении нагрузки, т. е. тока в цепи якоря и, следовательно, увеличения жесткости механической характеристики привода. При работе двигателя вхолостую угловая скорость двигателя определяется э. д. с. генератора, а последняя — э. д. с. усили­теля, созданной регулирующей и. с.

При увеличении тока нагрузки появляется падение напря­жения в цепи якоря, что вызывает уменьшение напряжения на зажимах двигателя. Это должно привести к снижению угловой скорости двигателя, но снижение напряжения вызовет умень­шение н.с. обмотки ОН, следовательно, возрастет результирующая н. с. .Fрез и э. д. с. генератора. Этим будет компенсиро­вано снижение скорости двигателя. Механические характери­стики без обратной связи и с обратной связью показаны на

Обратная отрицательная связь по току применяется для со­здания экскаваторной механической характеристики системы. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения I(Rппг+Rяпд. Если это падение напряжения превысит опорное напряжение U_on, то в обмотке ОТ (см. рис. 7.3) будет проте­кать ток, создающий н. с, направленную встречно н. с. об­мотки ОЗ. Результирующая н. с, F_рез = F₀₃—F_H—F_от начнет уменьшаться, будет уменьшаться э. д. с. генератора и, следова­тельно, угловая скорость двигателя.

Ток, при котором начинается действие обратной связи по току, называется током отсечки I_отс. На рис. 7.4 механическая характеристика при токе I I_отс — отрезком а—М_стоп. Ток отсечки и стопор­ный момент можно изменять, изменяя величину опорного на­пряжения U_on. При U_оп‘ 2 _ф/f₁ 2 . Поэтому для сохранения постоянства перегрузочной способности двигателя необходимо с изменением ча­стоты изменять и подводимое к двигателю напряжение по за­кону U_ф / f₁ = const.

На рис. 7.8 приведена структурная схема электропривода по системе УПЧ—Д, которая представляет собой сочетание уп­равляемого преобразователя УТП и автономного инвертора АИ. Механические характеристики привода по системе УПЧ-Д с асинхронным двигателем аналогичны механическим характе­ристикам привода по системе Г—Д.