Работа электропривода

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением сопротивления цепи якоря Rя.ц=Rя+Rдоб (резистивное, реостатное управление)

Независимое и параллельное возбуждение ДПТ.

Осуществляется путем введения в цепь якоря добавочных активных сопротивлений Rдоб (резисторов) при U = Uн, Ф = Фн.

Отметим, что для ДПТ с ПарВ цепь возбуждения должна быть включена на полное напряжение U (рис.23б) [32].

Характерные особенности регулирования:

1) Скорость идеального холостого хода =U/(с0Ф) не меняется. То есть при Мс=0 (в режиме холостого хода) резистивное управление невозможно.

2) Регулирование однозонное, вниз от номинального значения скорости. При постоянной нагрузке на валу двигателя увеличение сопротивления в цепи якоря приводит к уменьшению скорости вращения ЭД.

3) Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления цепи якоря:

=М/= (с0Ф)2/(Rя+Rдоб) (29)

Это приводит к тому, что с увеличением Rдоб способность «держать» заданную скорость при изменении момента нагрузки Мс уменьшается. Небольшое случайное изменение Мс на низких скоростях приводит к значительному изменению скорости . Это ограничивает диапазон регулирования max/min величиной допустимого изменения скорости при изменении момента нагрузки.

При номинальном моменте диапазон регулирования составляет от 3 до 4 (2...2,5 - [5,40]; не более 2 [10, 31]).

5) При уменьшении момента нагрузки уменьшается возможный диапазон регулирования скорости.

6) Введение дополнительных сопротивлений Rдоб уменьшает пусковой момент Мп=с0ФU/(Rя+Rдоб) и ток короткого замыкания Iк.з=U/(Rя+Rдоб). Это свойство используется при пуске двигателя для ограничения пусковых токов.

7) Значение сопротивления Rдоб, которое необходимо включить в цепь якоря, чтобы получить угловую скорость показывает регулировочная характеристика (Rдоб) (рис.25)

Недостатки.

а) Реостаты имеют большие габариты и массу.

Сопротивление Rдоб должно быть рассчитано на длительную работу (в отличие от пускового сопротивления).

б) Низкая энергетическая эффективность.

Выражение для тепловых потерь в цепи якоря двигателя можно записать в виде

ДР=М(0-)=М2(Rя+Rдоб)/(с0Ф)2

С увеличением сопротивления Rдоб потери линейно растут и тем значительнее, чем более нагружен двигатель.

При уменьшении угловой скорости вдвое в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря [14].

Следует также отметить, что с уменьшением угловой скорости при самовентиляции ухудшается охлаждение двигателя.

в) Увеличение сопротивления цепи якоря приводит к увеличению электромеханической постоянной времени (Тм = Jдв(Rя+Rдоб)/(с0Ф)2), что замедляет переходные процессы в ЭД, то есть увеличивает время выхода на установившийся режим.

г) Регулирование частоты вращения при реостатном регулировании - ступенчатое, что обуславливается дискретным изменением сопротивления. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов) [40].

д) Большие броски потребляемого тока при переключении ступеней резисторов в случае релейно-контакторной системы управления, что вредно для питающей сети [26].

е) Сложность автоматизации [34].

Преимущества:

а) Простота технической реализации.

б) Основные потери выделяются в регулировочном сопротивлении, которое вынесено за пределы машины.

Область применения

Способ регулирования применяется лишь в двигателях малой мощности для привода исполнительных механизмов, где потери энергии не вызывают особых проблем с теплоотводом [15].

Особенности регулирования для ДПТ с последовательным возбуждением.

При регулировании скорости вращения ДПТ с последовательным возбуждением путем изменения сопротивления в цепи статора поток Ф не остается постоянным.

Регулирование целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления [31].

Диапазон регулирования для ДПТ с последовательным или смешанным возбуждением 1:4 [26], обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки [31].

Область применения

Этот способ регулирования нашел широкое применение в крановых и тяговых электроприводах [31].

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением потока (тока) возбуждения.

ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

Особенности регулирования:

1) Регулирование скорости осуществляется только при снижении потока возбуждения Ф (ослаблении магнитного поля).

2) Регулирование однозонное вверх от номинальной скорости.

3) С уменьшением потока возбуждения Ф возрастает скорость идеального холостого хода 0 = U/(с0Ф).

4) С уменьшением потока возбуждения Ф ток короткого замыкания Iякз=Uя/Rя остается постоянным, а момент короткого замыкания Мкз=с0ФIкз снижается.

5) С уменьшением потока возбуждения Ф жесткость механических характеристик уменьшается: =М/= (с0Ф)2/Rяц

Тем не менее с учетом большого значения Iк.з = (20-50)Iн характеристики достаточно жесткие, и стабильность скорости относительно высокая [40].

6) Диапазон регулирования скорости при изменении потока возбуждения обычно не превышает 2,5 (не более 3 [10], не превышает 2-3 [16]; 3-4 [40]; для двигателей специального исполнения может достигать 10, но обычно составляет 2 [31]).

Нижний предел скорости (верхний предел потока) ограничивается насыщением магнитной цепи. На практике нижней границей диапазона регулирования обычно является номинальная скорость вращения.

Верхний предел скорости ограничивается [32]:

- механической прочностью машины;

- условиями устойчивости;

- увеличением искажающего действия реакции якоря;

- условиями коммутации:

- ростом вибрации щеточно-коллекторного узла;

- ростом реактивной ЭДС и увеличением искрения на коллекторе.

- вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря.

Преодоление ограничений (специальное исполнение ДПТ):

Если двигатель с параллельным возбуждением предназначается для широких пределов регулирования скорости вращения (например, 4:1) путем изменения тока возбуждения, то при ослабленном поле возбуждения реакция якоря может оказаться слишком сильной. Тогда необходимо для уменьшения реакции якоря выполнить двигатель с увеличенным воздушным зазором. Такие двигатели стоят дороже, чем нормальные двигатели с пределами регулирования скорости вращения примерно 1:1,5 [33].

Другой вариант используется в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря - раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют Iв = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов Iв и поток уменьшают. Искажающее влияние поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из ЭДС секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным [14].

7) Ток якоря не может длительно превышать номинального значения, на который рассчитаны обмотки. В связи с тем, что регулирование скорости достигается уменьшением магнитного потока, с увеличением скорости должен уменьшаться допустимый момент нагрузки: Mдоп=с0ФIном<Мном (штриховая линия на рис.29а).

Из уравнения (4), при

Iя = Iдоп = Iном следует:

с0Ф = Uном-IномRя/

и Мдоп= (Uном-IномRя/)*Iном

или Рдоп= Мдоп= Uном Iном- Iном2Rя = const.

то есть при данном способе регулирования неизменна допустимая мощность, снимаемая с вала машины.

При регулировании с Р=const при прочих равных условиях достижимый диапазон регулирования будет тем меньше, чем больше высота оси вращения и выше номинальная скорость.

В ряде случаев повышение скорости вращения может быть обеспечено только при снижении мощности двигателя ниже номинальной [22].

Регулировочная характеристика

Достоинства:

1) Малая мощность управления, так как мощность цепи возбуждения намного меньше мощности двигателя (как правило, она составляет 2-5% мощности двигателя).

КПД двигателя остается высоким. Например, при реостатном управлении потери в регулировочном реостате незначительны, так как ток возбуждения составляет небольшую долю номинального тока якоря. К тому же при уменьшении Iв мощность возбуждения UвIв уменьшается [14].

2) Регулирование скорости плавное, можно получить характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу [40].

3) Простота реализации рассматриваемого способа регулирования и отсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии [40].

Недостатки:

1) Невозможность уменьшения скорости вращения ниже номинальной.

Это существенно ограничивает область применения данного способа регулирования. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной [40].

2) Нелинейность регулировочной характеристики.

3) Неоднозначность регулировочной характеристики при определенных значениях момента [28].

4) Непостоянная жесткость механических характеристик при различных значениях потока [28].

Способы реализации:

1) Реостатно-контакторное управление (рис). Ток возбуждения изменяется путем ступенчатого регулирования сопротивления в цепи возбуждения. Этот способ менее надежен. Как и во всяких контактных системах в данном случае требуются профилактика и ремонты [19].

2) Использование управляемого полупроводникового выпрямителя [19].

3) Импульсное управление.

В электрооборудовании ЛА этот способ применяют для стабилизации угловой скорости электромашинных преобразователей рода тока. Рекомендуется использовать при >ном при двухзонном регулировании в сочетании с якорным управлением [15].

ДПТ с последовательным возбуждением

Изменение величины потока возбуждения в ДПТ с ПВ возможно следующими способами:

- шунтирование обмотки возбуждения реостатом (рис.32а). Изменение сопротивления Rш будет влиять на ток возбуждения Iв= Iя - Iш [31].

- уменьшение числа включенных в цепь питания витков обмотки возбуждения. В этом случае предусматриваются соответствующие выводы из обмотки возбуждения [14].

- шунтирование обмотки якоря реостатом Rш.а. При уменьшении Rш.а ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения на Rв мало и поэтому можно принять Rв = 0, то сопротивление Rш.а практически находится под полным напряжением сети, его величина должна быть значительной, потери в нем будут велики и КПД сильно уменьшится. Кроме того, шунтирование якоря эффективно только тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко [14].

Остановимся на первом способе.

С уменьшением величины Rш увеличивается ток Iш, уменьшается ток Iв , уменьшается поток Ф, увеличивается угловая скорость (рис.32б).



а) б)

Рис. 32. Схема (а) и механические характеристики ДПТ (б) с посл. возбуждением при регулировании путем изменения потока (Rш1> Rш2) [25,31]

Данный способ регулирования является достаточно экономичным: сопротивление последовательной обмотки возбуждения мало, поэтому сопротивление Rш также выбирается малым. Потери в сопротивлении Rш поэтому тоже малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого КПД двигателя остается высоким [14]. Потери энергии примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения [31].

Диапазон регулирования, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке [31].

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках [31].

Регулирование угловой скорости ДПТ изменением питающего напряжения (якорное управление).

ДПТ независимого возбуждения



Рис. 34. Механическая (а) и регулировочная(б) характеристика ДПТс независимым возбуждением [37].

Особенности регулирования

1) Регулирование однозонное. Регулирование возможно только при уменьшении напряжения вниз от номинального значения. При этом скорость вращения изменяется вниз от номинального значения.

2) При уменьшении напряжения питания скорость идеального холостого хода ихх=U/(с0Ф) уменьшается.

3) Жесткость характеристики в=dM/d=(с0Ф)2/Rя.ц не зависит от напряжения и достаточна высока. Как следствие, достаточно высокая стабильность скорости.

Отметим, что жесткость получаемых механических характеристик ниже, чем у естественной характеристики двигателя, поскольку Rя.ц = Rя + Rп , где Rп - сопротивление преобразователя (статического или якоря генератора, см.далее) [40].

4) Регулирование скорости может быть реализовано при постоянном моменте сопротивления: Мдоп=const.

Следует отметить, что понижение скорости в машинах с самовентиляцией сопровождается ухудшением охлаждения. При этом при продолжительном режиме работы на пониженной скорости нагрузочный момент должен быть ниже номинального [22].

5) Диапазон регулирования в разомкнутой структуре составляет 10...12; 8...10 [10].

Достоинства:

1) Линейность регулировочных характеристик (при отсутствии нелинейности в характере нагрузки) - одно из важнейших достоинств коллекторных ДПТ [23].

2) Большой диапазон регулирования.

3) Регулирование плавное [40].

4) Способ экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию [40].

Капитальные затраты определяются типом используемого УП. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторах с соответствующей коммутационной аппаратурой [40].

Способ часто используется в сочетании с ослаблением поля и является основным при построении замкнутых структур электропривода [40].

ДПТ последовательного возбуждения

Рис. 35. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики ДПТ с последовательным возбуждением (без учета насыщения) (U3<U2<U1) [31].

а) б)

Регулировочные характеристики в отличие от случая с независимым возбуждением не параллельны, а представляют собой пучок прямых линий, исходящих из точки с указанными координатами.

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше [31].

Достоинством способа является высокий КПД [31].

Данный способ регулирования ДПТ с ПВ широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного подключения к источнику напряжения на последовательное (т.е. ступенчатое уменьшение напряжения) [32].

Способы реализации.

1) Электромеханический способ, при котором изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, может осуществляться генератором постоянного тока независимого возбуждения. Такая система получила название "генератор-двигатель" - Г-Д (рис. 31) (иногда можно встретить название "агрегат Леонарда" [14]).

Достоинства [40]:

- двусторонняя проводимость генератора, т.е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах;

- отсутствие искажений питающей сети;

- высокий коэффициент мощности.

- регулирование скорости вращения двигателя в широких пределах производится управлением сравнительно небольшой мощности, в 50-100 раз меньшей, чем на выходе генератора;

- способ регулирования позволяет реализовать динамическое и генераторное торможение двигателя, а также осуществить реверс (путем изменения направления тока в ОВ генератора).

Недостатки:

- большая масса, габаритные размеры и стоимость [34];

- невысокий КПД системы (трехкратное преобразование энергии): примерно 0,6 ...0,7 [34];

- необходимость обслуживать генератор;

- инерционность цепи управления.

Область применения

Данный вариант не применяли в электроприводах малой мощности [16], обычно применялся при значительных мощностях (сотни кВт и выше), например, в металлургии, мощных экскаваторах [40].

В настоящее время применяется ограниченно.

2) Электрический способ, при котором изменение напряжения питания ДПТ осуществляется с помощью управляемого статического преобразователя (система УП-Д, рис.32).

Рис.37. Система УП-Д [40]

2.1) Использование в качестве УП управляемого выпрямителя (УВ) (рис.38).

Тиристоры УВ включаются схемой управления с задержкой на угол б по отношению к моменту естественного включения.

Достоинства:

- отсутствие вращающихся машин;

- высокий КПД, за счет низкого падения напряжения в тиристорах [43];

- не требуют обслуживания;

- имеют высокое быстродействие.

Способы регулирования скважности ф/Т [43]:

1) При T=const (f=const) и регулировании времени включения ключа ф. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а ИРН - широтно-импульсным преобразователем (ШИП).

2) При ф=const и регулировании частоты импульсов f (периода Т). ИРН в этом случае называют частотно-импульсным преобразователем (ЧИП).

3) При изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния ключа. ИРН называт в этом случае широтно-частотный импульсный преобразователь (ШЧИП).

Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование скорости вращения.

При изменении момента нагрузки ДПТ степень изменения скорости зависит от жесткости механической характеристики.

Если для качественной работы приводимого в движение агрегата требуется поддерживать скорость постоянной (а жесткость характеристик в разомкнутой системе УП-Д оказывается недостаточной), применяют замкнутые системы по скорости, т.е. вводят отрицательную обратную связь по скорости [40].

Для этого необходимо включить в систему измерительный орган (датчик скорости), в качестве которого на рис.44 приведен тахогенератор ТГ. Сигнал с выхода тахогенератора ЕТГ=k сравнивается с задающим сигналом U'з (соответствующим заданной скорости), а разность U'з - k подается на вход управляемого преобразователя УП (отрицательная обратная связь по скорости). Исходя из сигнала рассогласования Uвх=U'з - k формируется сигнал управления УП и на выходе УП (входе ДПТ) формируется требуемое напряжение Еп [40].

Пусть привод был нагружен моментом Мс1 и работал в т.1 (рис. 45). Затем момент сопротивления увеличился до значения Мс2. В разомкнутой схеме этому изменению соответствовала бы точка 2', так как изменение Мс не приводило бы к изменению выходного напряжения преобразователя Еп [40].

В замкнутой системе уменьшение скорости повлечет за собой рост входного сигнала Uвх=U'з-k, а значит и Еп. Следовательно, при Мс2 привод перейдет на характеристику, соответствующую Еп2>Еп1 и будет работать в точке 2. В рассматриваемой схеме 2<1, так как увеличение Uвх, а значит и Еп возможно лишь за счет некоторого уменьшения . Такие системы называют статическими, в отличие от астатических, где =0 [40].

Стабилизация (ограничение) момента ДПТ

Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, некоторой предельной величины Мпред.. В системе УП-Д эту задачу можно решить, снижая ЭДС преобразователя при достижении моментом величины Мпред. Эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном случае целесообразно использовать обратную связь по моменту или по току, который ему пропорционален (при Ф = const), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током некоторого заданного значения. Такие обратные связи называют нелинейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УП-Д с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис.46 [40].

На вход управляемого преобразователя УП при I<Iпред поступает лишь сигнал задания, поскольку сигнал обратной связи по току заперт вентилем В (IRос<Uоп). При достижении моментом величины Мпред отрицательная обратная связь по току начинает действовать, т.е.Uвх = Uз - бI. Снижается Еп и рост момента ограничивается. Изменением Uз можно установить требуемую характеристику (рис. 47), а изменением Uоп - задать нужный предельный момент [40].

Рассматриваемые в настоящем курсу способы регулирования частоты вращения могут быть разделены на две основные группы:

параметрические способы;

способы, связанные с применением регулируемых источников электрической энергии.

При параметрических способах регулирование частоты вращения осуществляется за счет изменения тех или иных параметров ЭД или их электрических цепей. Так, например, у ЭД постоянного тока параметрические способы регулирования сводятся к регулированию изменением сопротивления в цепи якоря и изменением магнитного потока. У асинхронных ЭД переменного тока параметрические способы осуществляются: изменением активного сопротивления в цепи ротора, индуктивного сопротивления в цепи статора, фазного напряжения, переключением числа пар полюсов.

К группе способов, основанных на применении регулируемых источников, относятся способы, требующие использования специальных генераторов или статических преобразователей. Так в электроприводах постоянного тока используются способы, среди которых следует назвать способы регулирования изменением напряжения в цепи якоря с помощью систем «генератор -двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель». В электроприводах переменного тока с асинхронными ЭД используются способы регулирования за счет использования статических преобразователей частоты и каскадных установок, вводящих добавочную ЭДС в цепь ротора. Классификация способов регулирования частоты вращения, используемых в настоящее время в электроприводах различного назначения, приведена на рис.4.1 и 4.2.

14. Способ регулирования частоты вращения ЭД постоянного тока независимого возбуждения изменением сопротивления в цепи якоря

Как уже говорилось выше, суть этого способа заключается в том, что регулирование осуществляется за счет введения в цепь якоря дополнительного активного сопротивления. Схемотехническое решение, реализующее рассматриваемый способ регулирования, представлена на рис.4.3. В большинстве случаев в мощных электроприводах реостатное регулирование осуществляется с помощью контакторов, замыкающих отдельные секции активных сопротивлений, т.е. процесс регулирования получается дискретным. Семейство механических характеристик ЭД, реализуемых в процессе реостатного регулирования показано на рис. 4.4. Предположим ЭД работал на естественной характеристике в режиме, характеризующемся точкой А с координатами ,. В целях уменьшения частоты вращения, в какой-то момент времени в цепь якоря включается дополнительное сопротивление . Механическая характеристика практически мгновенно (за время срабатывания контактора К1) из положения 1 перейдет в положение 2. Поскольку в силу механической инерции, частота вращения электропривода за столь малое время измениться не могла, то рабочая точка, характеризующая режим работы электропривода из положения А перейдет в положение В. В этом режиме ЭД будет развивать электромагнитный момент, значительно меньший, чем статический момент нагрузки. В результате этого ЭД начнет снижать частоту вращения и увеличивать электромагнитный момент. При этом рабочая точка начнет перемещаться вниз по механической характеристике. Уменьшение частоты вращения будет происходить до тех пор пока увеличивающийся электромагнитный момент ЭД не станет равным статическому моменту нагрузки. В этом случае ЭД будет работать в новом установившемся режиме, который характеризуется точкой С с координатами ,. Дальнейшее регулирование частоты вращения вниз осуществляется при включении в цепь якоря следующих дополнительных сопротивлений , и т.д.

Краткая характеристика реостатного способа регулирования может быть сведена к следующему:

диапазон регулирования 3:1, 4:1 не более;

плавность регулирования хорошая только у ЭД малой мощности, для которых можно применять ползунковые реостаты;

стабильность при уменьшении частоты вращения снижается;

экономичность регулирования низкая из-за потерь мощности на дополнительных сопротивлениях , включаемых в цепь якоря.



15. Способ регулирования ЭД постоянного тока независимого возбуждения изменением магнитного потока

Способ регулирования частоты вращения ЭД постоянного тока изменением величины магнитного потока является одним из наиболее простых и экономичных способов. Поскольку мощность цепи возбуждения составляет всего 2-5% от мощности ЭД, то это значительно упрощает построение систем регулирования.

Принципиальная схема электропривода, в котором реализован рассматриваемый способ, показана на рис. 4.5. У ЭД постоянного тока изменение магнитного потока осуществляется при изменении тока возбуждения за счет введения дополнительного сопротивления в цепь независимой обмотки возбуждения. Поскольку номинальная частота вращения ЭД практически соответствует номинальному потоку, то магнитный поток можно изменять заметным образом только в сторону уменьшения. Для анализа рассматриваемого способа обратимся к уравнению механической характеристики ЭД постоянного тока

Как видно из уравнения частота вращения холостого хода

обратно пропорциональна магнитному потоку. Следовательно, с ослаблением магнитного потока частота вращения холостого хода будет возрастать. Коэффициент жесткости с ослаблением магнитного потока будет также увеличиваться. Семейство механических характеристик ЭД, регулируемого изменением магнитного потока, показано на рис.4.6. Процесс регулирования происходит следующим образом. Предположим ЭД работал на естественной механической характеристике в режиме, характеризующемся точкой А с координатами , . Далее, в целях изменения частоты вращения, магнитный поток ЭД был уменьшен, при этом механическая характеристика из положения 1 перешла в положение 2. Предположим, что магнитный поток был уменьшен форсированно во времени, т.е. достаточно быстро. Поскольку, в силу механической инерции электропривода частота вращения ЭД за это время заметным образом измениться не успела, то рабочая точка из положения А перейдет в положение В. В этом режиме ЭД развивает электромагнитный момент значительно больший, чем статический момент нагрузки, в связи с чем ЭД начнет увеличивать частоту вращения. Рабочая точка при этом начнет перемещаться по новой механической характеристике вверх, а электромагнитный момент ЭД будет уменьшаться. Увеличение частоты вращения ЭД будет происходить до тех пор, пока уменьшающийся электромагнитный момент не станет равным статическому моменту нагрузки. Это произойдет в точке С, в которой ЭД будет работать в новом установившемся режиме, вращаясь с новой установившейся частотой , и, развивая электромагнитный момент равный . Возможное увеличения частоты вращения по сравнению с номинальной ограничивается условиями коммутации и механической прочностью ЭД. Обычно двигатели допускают увеличение частоты вращения на 20% относительно номинального значения.

Краткая оценка рассматриваемого способа регулирования может быть сведена к следующему:

регулирование только вверх, диапазон регулирования 1,2:1;

плавность регулирования высокая, так как управление происходит по цепи возбуждения, мощность которой позволяет применять ползунковый реостат;

стабильность снижается с увеличением частоты вращения;

экономичность регулирования высокая, так как дополнительные расходы на создание системы управления не высоки, а потери мощности на дополнительном сопротивлении в цепи возбуждения незначительны.

16. Способ регулирования ЭД постоянного тока независимого возбуждения по системе «генератор-двигатель»

Принципиальная схема электропривода, работающего по системе «генератор-двигатель» представлена на рис. 4.7. В соответствии со схемой в состав электропривода входят:

АД-асинхронный двигатель переменного тока (гонный двигатель);

Г-генератор постоянного тока с независимым возбуждением;

Д-исполнительный ЭД постоянного тока с независимым возбуждением.

Обмотка статора АД подключается к трехфазной сети переменного тока, а его вал жестко соединяется с валом генератора. Таким образом электрический генератор Г работает с постоянной частотой вращения. Как правило, АД и генератор Г устанавливаются на одной станине и представляют собой единый агрегат. Цепь якоря генератора нагружена на цепь якоря исполнительного двигателя Д. Питание цепей возбуждения генератора Г и исполнительного двигателя Д осуществляется от отдельного источника постоянного напряжения. Причем напряжение возбуждения генератора может плавно изменяться в диапазоне от до с помощью потенциометра .

Уравнение механической характеристики ЭД, работающего в системе «Г-Д», можно получить, исходя из уравнения равновесия ЭДС, составленного для цепи якоря генератора и двигателя

,

где -ЭДС генератора, В;

-противоэдс ЭД, В;

-ток, протекающий в якорной цепи генератора и двигателя, А;

-сопротивление цепи якоря генератора, Ом;

-сопротивление цепи якоря двигателя, ОМ.

Поскольку противоэдс двигателя равна

,

здесь -магнитный поток двигателя, Вб,

то, подставляя это выражение в уравнение равновесия электродвижущих сил, и, решая его относительно частоты вращения, имеем

А, с учетом того, что электромагнитный момент ЭД постоянного тока прямо пропорционален току якоря и магнитному потоку, в окончательном виде уравнение механической характеристики ЭД постоянного тока, работающего в электроприводе по системе «генератор-двигатель», будет выглядеть следующим образом

Таким образом, механические характеристики представляют собой семейство прямых линий, пересекающих ось ординат в точках холостого хода, значения которых определяются величинами эдс генератора. Наклон механических характеристик является постоянным и зависит от суммарного сопротивления якорных цепей генератора и двигателя. Частота идеального холостого хода ЭД может приобретать любое значение от до . Отрицательные значения частоты вращения холостого хода могут быть получены при изменении направления тока в обмотке возбуждения генератора. Семейство механических характеристик ЭД, поясняющее процесс регулирования частоты вращения электропривода, выполненного по системе «генератор-двигатель», представлено на рис.4.8.

Давая оценку рассматриваемого способа регулирования, следует отметить следующее:

диапазон регулирования получается достаточно широким 10:1 и больше. Если в качестве возбудителя генератора использовать электромашинный усилитель, то диапазон регулирования можно довести до 100:1;

плавность регулирования высокая так, как управление частотой вращения осуществляется по цепи возбуждения генератора;

стабильность вполне приемлемая так, как механические характеристики отличаются жесткостью;

экономичность регулирования невысокая, вследствие больших первоначальных затрат на создание электропривода и низкого коэффициента полезного действия системы, состоящей из большого числа электрических машин.

17 Механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Двигательный режим

Схема включения двигателя приведена на рис. 2.8. Якорь двигателя М и обмотка возбуждения LM включены последовательно и получают питание от одного источника U. Поэтому ток якоря Iя является и током возбуждения Iв. Это обстоятельство определяет единственное отличие в конструкции двигателя с последовательным возбуждением от двигателя с независимым возбуждением: обмотка возбуждения LM ДПТ с последовательным возбуждением выполнена проводником того же сечения, что и обмотка якоря.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.8. Схема включения ДПТ с последовательным возбуждением.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению направления U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

где щ - угловая скорость двигателя; Ф - поток двигателя; - конструктивный коэффициент двигателя данные для расчета, которого приводятся в справочниках. Здесь р - число пар полюсов двигателя; N - число активных проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока IЯ, как и направление Е на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя Iя доп ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток Iян более чем в 2,5 раза Iя доп ? 2,5 Iян.

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя уравновешивается падением напряжения в якорной цепи IяRяц и наведенной в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

U= IЯ RЯЦ + Е

где RЯЦ=RЯ+RДП+RКО+RВ+RП - суммарное сопротивление якорной цепи. Здесь RЯ- сопротивление обмотки якоря; RДП - сопротивление обмотки дополнительных полюсов; RКО - сопротивление компенсационной обмотки; RВ - сопротивление обмотки возбуждения; RП - сопротивление пускового реостата.

Величина IЯ в установившемся режиме будет равна:

В режиме пуска Е=0, поэтому из-за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток IЯ П может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого RП выбирается таким образом, чтобы IЯ П? IЯ ДОП

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е ее значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя щ от тока якоря IЯ щ=f(IЯ), которая называется электромеханической характеристикой:

Поскольку обмотка возбуждения включена последовательно с якорем двигателя, создаваемый ею магнитный поток Ф является функцией тока якоря IЯ. Зависимость Ф= f(IЯ) называется кривой намагничивания и носит нелинейный характер типа «зона насыщения». Точного аналитического описания этой кривой не существует, поэтому нет и точного аналитического описания механической характеристики ДПТ с последовательным возбуждением. Если, пренебрегая насыщением магнитной системы, предположить линейную зависимость между Ф и IЯ с коэффициентом пропорциональности б, то есть считать Ф=бIЯ, то вращающий момент будет равен:

М=kФIЯ=kбIЯ2

Отсюда величина тока якоря будет равна:

Подставив в уравнение электромеханической характеристики значение для Iя, получим уравнение механической характеристики:



где А=U/kб; В= RЯЦ /(kб) - постоянные величины.

Анализ полученного уравнения показывает, что ось ординат является асимптотой для кривой и что в области малых значений моментов она имеет большую крутизну

При RП=0 и U=Uн двигатель работает на естественной характеристике. Для построения естественной характеристики используются так называемые универсальные характеристики, приводимые в каталогах для каждой серии двигателей. Они представляют зависимости n=f(IЯ) и М= f(IЯ) в относительных единицах. Зная номинальные данные двигателя, можно построить его характеристику в абсолютных величинах. Такая характеристика приведена на рис. 2.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.9. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Особенностью характеристики является резкое увеличение скорости при уменьшении момента сопротивления Мс. По этому двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением нельзя запускать в тех случаях, когда Мс<15ч20% Мн, так как скорость двигателя может превышать допустимое значение щдоп=2,5 щн. Пояснить эту особенность можно, рассмотрев процессы, протекающие в двигателе при уменьшении нагрузки. Допустим, что двигатель работал в точке А на естественной характеристике (см. рис. 2.9.) в установившемся режиме со скоростью щ1. При уменьшении момента сопротивления от величины Мс1 например, до величины Мс2, появляется положительный динамический момент МД>0 и скорость двигателя начинает увеличиваться. При независимом возбуждении следствием этого будет увеличение э.д.с. вращения и уменьшение тока якоря и вращающего момента . Увеличение скорости и уменьшение момента двигателя будет продолжаться до тех пор, пока момент двигателя М на станет равным Мс2 и МД станет равным нулю.

При последовательном возбуждении э.д.с. вращения Е оказывается функцией двух величин - увеличивающейся скорости щ и уменьшающегося потока Ф. В результате этого величина Е, а значит и величины IЯ и М, с ростом скорости существенно изменятся не будет, что приводит к сохранению МД>0 и дальнейшему росту скорости. Если сопротивление пускового реостата RП>0, то статическое падение скорости Дщс при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике. Поэтому реостатные характеристики будут иметь большой наклон к оси абсцисс.

При последовательном возбуждении вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря и ограничение пускового тока значением IЯ ДОП?2,5IЯН позволяет получить гораздо больше чем при независимом возбуждении значение МДОП=5 МН. Коэффициент перегрузки двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по моменту

KП= МДОП /МН равен пяти. Такой перегрузочной способностью не обладает больше не один электрический двигатель. Именно благодаря этому свойству двигатели с последовательным возбуждением используются в электрическом транспорте и подъемных механизмах.

18 Механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Режим электрического торможения

Возможны два режима электрического торможения: динамическое торможение и торможение противовключением. Рекуперативное торможение осуществить не возможно, так как э.д.с. вращения Е не может быть больше напряжения якорного источника U.

Динамическое торможение осуществляется двумя способами: с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схема включения двигателя и механические характеристики для первого случая приведены на рис. 2.10.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.10. а) схема включения двигателя в режиме динамического торможения с самовозбуждением; б) характеристики двигателя в режиме динамического торможения с самовозбуждением.

электропривод электрический двигатель торможение

Двигатель отключен от напряжения источника, а обмотка возбуждения переключена таким образом, чтобы направление тока IВ в ней было таким же как а в двигательном режиме (см. рис. 2.8). Это сохранение направления тока исключает уничтожение малого остаточного потока, связанного с намагничиванием статора двигателя. Этот поток и является причиной самовозбуждения: в обмотке якоря, вращающегося под действием инерционных сил в прежнем направлении, наводится э.д.с. Е, направление которой такое же, как и в двигательном режиме. Под действием Е в контуре динамического торможения появляется ток, что приводит к увеличению потока Ф, э.д.с. Е и тока IЯ. Поскольку ток IЯ по отношению к двигательному режиму имеет противоположное направление, момент двигателя становится тормозным. Двигатель из точки А в первом квадранте переходит в точку В или С на характеристике динамического торможения во втором квадранте. Вначале процесс самовозбуждения проходит очень интенсивно и это приводит к броску тормозного момента, способного вызвать удары в механической части привода. Поэтому чаще применяют динамическое торможение с независимым возбуждением. Схема включения двигателя и механические характеристики приведены на рис. 2.11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.11. а) схема включения двигателя в режиме динамического торможения с независимым возбуждением; б) характеристики двигателя в режиме динамического торможения с независимым возбуждением.

Зажимы якоря двигателя закорачиваются на сопротивление динамического торможения RДТ, а обмотка возбуждения подключается к напряжению источника через сопротивление RВ. Ток в ней направлен как и в двигательном режиме и устанавливается равным номинальному. Характеристики аналогичны характеристикам ДПТ с независимым возбуждением: они линейны, расположены во втором квадранте и проходят через начало координат.

Торможение противоключением, как и для ДПТ с независимым возбуждением, осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления вращается в противоположную сторону - против включения.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.12. Реверсивная схема включения ДПТ с последовательным возбуждением.

Назначение элементов такое же, как и на схеме рис. 2.5. При реверсе двигателя со стороны якоря направление тока в обмотке возбуждения LM сохраняется. Поэтому все процессы при торможении аналогичны происходящим в схеме рис. 2.5. Характеристики двигателя приведены на рис. 2.13.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.13.а) характеристики ДПТ с последовательным возбуждением в режиме торможения противоквлючением. б) аналогичные характеристики при активном Мс.

19. Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим

Асинхронные двигатели (АД) - самый распространенный вид двигателей, т.к. они более просты и надежны в эксплуатации, при равной мощности имеют меньшую массу, габариты и стоимость в сравнении с ДПТ. Схемы включения АД приведены на рис. 2.14.

До недавнего времени АД с короткозамкнутым ротором применялись в нерегулируемых электроприводах. Однако с появлением тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) напряжения, питающего статорные обмотки АД, двигатели с короткозамкнутым ротором начали использоваться в регулируемых электроприводах. В настоящее время в преобразователях частоты применяются силовые транзисторы и программируемые контроллеры. Способ регулирования скорости получил название импульсного и его совершенствование является важнейшим направлением в развитии электропривода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.14. а) схема включения АД с короткозамкнутым ротором; б) схема включения АД с фазным ротором.

Уравнение для механической характеристики АД может быть получено на основании схемы замещения АД. Если в этой схеме пренебречь активным сопротивлением статора, то выражение для механической характеристики будет иметь вид:

,

где ; .

Здесь Мк - критический момент; Sк - соответствующее ему критическое скольжение; Uф - действующее значение фазного напряжения сети; щ0=2рf/p - угловая скорость вращающегося магнитного поля АД (синхронная скорость); f - частота питающего напряжения; p - число пар полюсов АД; хк - индуктивное фазное сопротивление короткого замыкания (определяется из схемы замещения); S=(щ0-щ)/щ0 - скольжение (скорость ротора относительно скорости вращающегося поля); R21 - суммарное активное сопротивление фазы ротора.

Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором приведена на рис. 2.15.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.15. Механическая характеристика АД с короткозамкнутым ротором.

На ней можно выделить три характерные точки. Координаты первой точки (S=0; щ=щ0; М=0). Она соответствует режиму идеального холостого хода, когда скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля. Координаты второй точки (S=Sк; М=Мк). Двигатель работает с максимальным моментом. При Мс>Мк ротор двигателя будет принудительно остановлен, что для двигателя является режимом короткого замыкания. Поэтому вращающий момент двигателя в этой точке и называется критическим Мк. Координаты третьей точки (S=1; щ=0; М=Мп). В этой точке двигатель работает в режиме пуска: скорость ротора щ=0 и на неподвижный ротор действует пусковой момент Мп. Участок механической характеристики, расположенный между первой и второй характерными точками, называется рабочим участком. На нем двигатель работает в установившемся режиме. У АД с короткозамкнутым ротором при выполнении условий U=Uн и f=fн механическая характеристика называется естественной. В этом случае на рабочем участке характеристики расположена точка, соответствующая номинальному режиму работы двигателя и имеющая координаты (Sн; щн; Мн).

Электромеханическая характеристика АД щ=f(Iф) , которая на рис.2.15 изображена штриховой линией, в отличие от электромеханической характеристики ДПТ, совпадает с механической характеристикой только на ее рабочем участке. Это объясняется тем, во время пуска из-за изменяющейся частоты э.д.с. в обмотке ротора Е2 изменяется частота тока и соотношение индуктивного и активного сопротивлений обмотки: в начале пуска частота тока большая и индуктивное сопротивление больше активного; с увеличением скорости вращения ротора щ частота тока ротора, а значит и индуктивное сопротивление его обмотки, уменьшается. Поэтому пусковой ток АД в режиме прямого пуска в 5ч7 раз превышает номинальное значение Iфн, а пусковой момент Мп равен номинальному Мн. В отличии от ДПТ, где при пуске необходимо ограничивать пусковой ток и пусковой момент, при пуске АД пусковой ток необходимо ограничивать, а пусковой момент увеличивать. Последнее обстоятельство наиболее важно, поскольку ДПТ с независимым возбуждением запускается при Мс<2,5Мн, ДПТ с последовательным возбуждением при Мс<5Мн, а АД при работе на естественной характеристике при Мс<Мн.

У АД с короткозамкнутым ротором увеличение Мп обеспечивается специальной конструкцией обмотки ротора. Паз для обмотки ротора делают глубоким, а саму обмотку располагают в два слоя. При пуске двигателя частота Е2 и токи ротора большие, что приводит к появлению эффекта вытеснения тока - ток протекает только в верхнем слое обмотки. Поэтому увеличивается сопротивление обмотки и пусковой момент двигателя МП. Его величина может достигать 1,5Мн.

У АД с фазным ротором увеличение МП обеспечивается за счет изменения его механической характеристики. Если сопротивление RП, включенное в цепь протекания тока ротора, равно нулю - двигатель работает на естественной характеристике и МП=МН. При RП>0 увеличивается суммарное активное сопротивление фазы ротора R21. Критическое же скольжение Sк по мере увеличения R21 тоже увеличивается. Вследствие этого у АД с фазным ротором введение RП в цепь протекания тока ротора приводит к смещению МК в сторону больших скольжений. При SК=1 МП=МК. Механические характеристики АД с фазным ротором при RП>0 называются искусственными или реостатными. Они приведены на рис. 2.16.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.16. Механические характеристики АД с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запустится при Мп>Мс и будет работать в точке А (см. рис. 2.15). После этого момент сопротивления Мс можно увеличивать до МК. АД, как и двигатели постоянного тока, при увеличении Мс будет автоматически, без вмешательства извне, снижать скорость щ и увеличивать вращающий момент М до тех пор, пока М и Мс не сравняются по величине, т.е. из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью. При уменьшении Мс будет наблюдаться обратное - двигатель из установившегося режима с меньшей скоростью будет автоматически переходить в установившийся режим с большей скоростью. Рабочий участок механической характеристики АД аналогичен механической характеристике ДПТ с независимым возбуждением - прямая линия, наклоненная к оси абсцисс.

Такими свойствами АД обладает благодаря э.д.с. Е2, которая наводится вращающимся магнитным полем статора в обмотке ротора. При Мс>М динамический момент Мд<0 и скорость ротора щ уменьшается. Магнитное поле статора, вращающееся с постоянной скоростью щ0 (синхронной скоростью) будет пересекать обмотку ротора с большой частотой. Поэтому будет увеличиваться Е2, ток в обмотке ротора, сила Ампера, действующая на ее витки, а значит и вращающий момент М.

Перегрузочная способность АД по моменту определяется отношением критического момента МК к моменту номинальному МН. Для обычных АД с короткозамкнутым ротором МК/МН=1,7, с фазным ротором МК/МН=1,8. Для специальных крановых АД с короткозамкнутым ротором типа МТК и фазным ротором типа МТКФ отношение МК/МН=2,3ч3,4.

20 Механические характеристики асинхронных двигателей. Режим электрического торможения

Асинхронный двигатель, как и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, может работать во всех трех режимах электрического торможения.

Рекуперативное торможение. Возврат энергии в сеть возможен при скорости ротора щ выше синхронной скорости щ0. По мере приближения щ к щ0 уменьшается величина Е2, ток в обмотке ротора и вращающий момент двигателя М. Увеличение щ до значений, больших щ0 возможно под влиянием Мс, способствующего вращению двигателя. В данном случае АД работает как генератор, включенный параллельно с сетью: занесенную в движущихся элементах механической части электропривода механическую энергию он преобразует в электрическую и возвращает ее в сеть. Применяется режим рекуперативного торможения в электроприводах подъемных лебедок различных грузоподъемных машин. Реверсивная схема включения АД с фазным ротором приведена на рис. 2.17а, а соответствующие ей характеристики АД для режима рекуперативного торможения - на рис. 2.17б.

Реверсировать АД, в отличие от ДПТ, можно только одним способом - изменением порядка чередования фаз напряжения, питающего статорные обмотки двигателя. Для этого используют два трехполюсных контактора (в электроприводах малой и средней мощности - магнитных пускателя), конструкция которых имеет механическую блокировку, исключающую возможность одновременного срабатывания контакторов. На рис. 2.17а показаны главные контакты контакторов направления КВ (вперед или верх) и КН (назад или низ).

При замкнутых КВ статорные обмотки АД подключены к сети с прямым порядком чередования фаз - вывод С1 статорных обмоток к напряжению фазы А, вывод С2 - фазы В и вывод С3 - фазы С. Вращающееся магнитное поле и ротор двигателя вращаются в направлении «вперед».

При разомкнутых КВ и замкнутых КН вывод С1 будет подключен к напряжению фазы С, вывод С2 останется подключенным к напряжению фазы В, а вывод С3 будет подключен к напряжению фазы А. прямой порядок чередования фаз (А, В, С)изменяется на обратный (С, В, А). В результате этого изменяется направление вращения поля и ротора двигателя.

Поднятый груз создает активный момент сопротивления Мс, направление которого не изменяется при изменении направления вращения двигателя (см. рис. 2.17б). Поэтому при замыкании КН и включении двигателя в направлении опускания груза ротор двигателя будут раскручивать как вращающий момент сопротивления Мс. Уравнение движения электропривода будет иметь вид:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.17.а) реверсивная схема включения АД с фазным ротором; б) механические характеристики АД с фазным ротором в режиме рекуперативного торможения.

Скорость вращения двигателя, а значит и скорость опускания груза, будет увеличиваться. При щ=щ0 вращающий момент М=0 и уравнение движения примет вид:

.

Скорость двигателя будет расти под действием активного Мс. Когда скорость ротора превысит скорость вращающегося поля (щ>щ0), момент двигателя изменит направление и станет тормозным, а уравнение движения электропривода будет иметь вид:

...