Электрический привод, основные характеристики

М = kФI (3.1)

где k- конструктивный параметр машины.

В движущихся с угловой скоростью в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:

E = kФw , (3.2)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине - ЭДС источника питания U.

В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение:

U-E = IR. (3.3)

Уравнения (3.1)-(3.3) - простейшая, но достаточная для понимания главных процессов в электроприводе постоянного тока модель. Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь , входящим в Мс,

и уравнениями цепи возбуждения для конкретной схемы электропривода.

Разумеется, в условиях каждой задачи должно быть строго оговорено, что задано и известно, а что нужно искать.

Рассмотрим подробнее роль, которую играет ЭДС Е в процессе преобразования энергии, осуществляемом электрической машиной. Если существовал некоторый установившийся режимМ1 = Мс1, а затем Мс изменился, например, возрос до величины Мс2, то для получения нового установившегося режима необходимо иметь средство, которое изменило бы М, приведя его в соответствие с новым значением Мс. В двигателе внутреннего сгорания эту роль выполнит оператор, увеличив подачу топлива; в паровой турбине - специальный регулятор, который увеличит подачу пара. В электрической машине эту роль выполнит ЭДС. Действительно, при возрастании Мс скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится в соответствии с (3.2) и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R - постоянные). Из (3.3) следует, что

,

следовательно, ток вырастет, обусловив тем самым рост момента в соответствии с (3.1). Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках Мс, то есть ЭДС будет выполнять функцию регулятора как в двигательном, так и в тормозных режимах работы машины.

12 Характеристики и режимы при независимом возбуждении, U=const

При использовании в электроприводе постоянного тока двигателя с независимым возбуждением - рис. 3.2 с питанием от источника напряжения U=const уравнение электромеханической характеристики w(I) получится подстановкой (3.2) в (3.3) и решением относительно :

(3.4)

Рис. 3.2. Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Механическую характеристику w(М) получим, подставив в (3.4) ток, выраженный из (3.1):

. (3.5)

При заданных U, Ф и R уравнения (3.4) и (3.5) однозначно определяют связь между , I и М в любых режимах. Характеристики и это прямые линии, проходящие через две характерные точки: М= 0, и w = 0, I = Iкз, М = Мкз; при Ф = const они различаются лишь масштабами по оси абсцисс.

Скорость (рис. 3.3) соответствует режиму идеального холостого хода: М= 0, E = U и направлены встречно.

Рис. 3.3. Механические (электромеханические) характеристики электропривода

постоянного тока независимого возбуждения при U = const

Величина - перепад скорости под влиянием нагрузки.

Увеличением нагрузки при определенных условиях, которые рассматриваются ниже, можно прийти к режиму короткого замыкания:

При изменении полярности U характеристика займет положение, показанное на рис. 3.3 пунктиром.

Участки характеристики между w0 и Мкз, где знаки w и М совпадают, соответствуют, как было условлено ранее, двигательному режиму работы; участки с разными знаками и М - тормозным режимам.

Тормозные режимы - это генераторные режимы, поскольку механическая энергия, поступившая с вала машины, преобразуется в электрическую и передается через электрические зажимы машины. В зависимости от того, куда поступает электрическая энергия, различают три тормозных режима.

а) Торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное) или генераторный режим работы параллельно с сетью

Если якорь двигателя вращать от некоторого постороннего источника со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода, то ЭДС двигателя будет больше приложенного напряжения, в результате чего ток в якоре двигателя и момент изменят свой знак. Механическая энергия, поступающая при этом на вал двигателя, преобразуется в электрическую и за вычетом потерь в двигателе рекуперируется в сеть.

На механических характеристиках торможению с отдачей энергии в сеть соответствуют участки ab и a'b' (рис. 3.3)

б) Торможение противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью

В режиме противовключения изменяет знак скорость двигателя при сохранении знака момента или знак момента двигателя при сохранении знака скорости. Первый случай имеет место при воздействии активного момента статической нагрузки, превышающего момент короткого замыкания на данной характеристике.

В результате изменения знака скорости ЭДС двигателя будет совпадать с приложенным напряжением, и ток в якоре определится выражением:



Второй случай используется для остановки двигателя путем изменения полярности напряжения, подводимого к его якорю.

Вследствие механической инерции скорость двигателя и ЭДС в начальный момент сохраняются неизменными, а ток будет равен:

На механических характеристиках (рис. 3.3) торможению противовключением соответствуют участки cd и c'd'.

В режиме торможения противовключением энергии поступает в привод и со стороны механизма, и от сети и рассеивается в сопротивлениях якорной цепи; в предыдущем случае энергия, поступающая от механизма, передавалась в сеть.

в) Динамическое торможение или генераторный режим работы независимо от сети

Если якорная цепь отключена от источника питания и замкнута на внешний резистор, то при вращении двигателя от внешнего источника или по инерции в якорной цепи индуцируется ЭДС и протекает ток , создающий момент. Характеристики проходят через начало координат - штрих-пунктир на рис. 3.3.

13. Характеристики и режимы при независимом возбуждении, I=const

В ряде применений якорная цепь двигателя постоянного тока независимого возбуждения питается не от источника напряжения, как в предыдущем случае, а от источника тока (I=const) - рис. 3.4. При этом, естественно, сохраняют силу фундаментальные соотношения (3.1)-(3.3), однако свойства электропривода радикально изменяются.

Рис. 3.4. Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения при питании от источника тока

Электромеханическая и механическая характеристики представлены теперь вертикальными прямыми (рис. 3.5)

I = const (3.6)

М = kФI = const (3.7)

и привод приобретает новое свойство “источника момента”. Это связано с тем, что источник питания - источник тока - нейтрализует действие ЭДС, она теперь уже не играет роли внутреннего регулятора и не влияет на скорость. В свою очередь, напряжение U становится зависимой переменной

U = E + IR = kФw + IR, (3.8)

и характеристика (рис. 3.5) определяет энергетические режимы работы электропривода.

Рис. 3.5. Характеристики электропривода при питании якоря от источника тока

Режима идеального холостого хода в рассматриваемой структуре нет - “источник момента”.

Двигательный режим соответствует участку ab в I квадранте: Мw > 0, т.е. механическая энергия поступает к потребителю - технологической машине, UI > 0 - электрическая энергия поступает к своему потребителю - двигателю.

Режим короткого замыкания - точка a, здесь Е = 0 и U = IR.

На участке ac Мw < 0, т.е. механическая энергия поступает от технологической машины и, преобразуясь в электрическую, передается в якорную цепь; по-прежнему IU > 0 - электрическая энергия от источника тока также поступает в якорную цепь. Этот режим мы определили раньше как торможение противовключением.

В точке с U = 0 - режим динамического торможения: вся поступившая механическая энергия рассеивается в сопротивлениях якорной цепи.

И, наконец, на участке cd Мw < 0 и UI< 0 - рекуперативное торможение, если источник тока позволяет передать энергию в сеть. Если источник тока обладает односторонней проводимостью (пунктир на рис. 3.4) этого режима не будет, и электропривод будет продолжать работать в режиме динамического торможения (пунктир на рис. 3.5).

14. Торможение

У двигателей независимого и параллельного возбуждения возможны три тормозных режима: рекуперативное торможение, торможение противовключением и динамическое. При анализе тормозных режимов необходимо строить механические характеристики машины во всех четырех квадрантах плоскости М_эм, щ. Для построения механических характеристик можно пользоваться одним и тем же уравнением (5.37) с учетом знака М_эм в различных режимах работы машины.

Рекуперативное торможение, или генераторное торможение с отдачей энергии в сеть, может быть осуществлено при щ>щ _о.ид. В этом случае ЭДС якоря E_я > U_я (см. (5.6) и (5.38)), ток якоря меняет направление, машина переходит в генераторный режим и электромагнитный момент становится тормозным. Механической характеристикой в режиме рекуперативного торможения является продолжение механической характеристики двигателя во II квадранте (щ>0, M_эм<0). Режим рекуперативного торможения возникает, например, при регулировании напряжения на якоре (рис. 5.21,а,U_я2< U_я1).



Рис. 5.21

В момент уменьшения напряжения питания двигатель переходит из точки А характеристики 1 в точку В характеристики 2, момент М_эм меняет знак и начинается торможение двигателя до точки С. Торможение до остановки таким способом невозможно и он используется, в основном, при торможении на высоких скоростях. Способ экономичен благодаря возможности отдачи электрической энергии в сеть.

Торможение противовключением может происходить в двух случаях:

1)если внешний момент, больший чем пусковой момент двигателя, заставляет вращаться якорь против его естественного направления вращения (работа в IV квадранте);

2)если изменяется полярность напряжения на якоре (или реже на обмотке возбуждения), а якорь по инерции продолжает вращаться в прежнем направлении.

Далее рассматривается наиболее часто встречающийся второй случай с изменением полярности напряжения на якоре. При этом ток якоря I_я=(-U_я- E_я)/ R_я меняет направление и значение его резко возрастает, т.к. теперь напряжение и ЭДС действуют в одном направлении. Поэтому при торможении противовключением в цепь якоря обязательно включается добавочное сопротивление R_д . Изменение полярности напряжения на якоре означает, что изменится и знак скорости идеального х.х. щ _о.ид, т.е. механическая характеристика пройдет через III квадрант (рис. 5.21,б). В момент переключения напряжения двигатель переходит из точки А естественной характеристики двигательного режима I в точку В реостатной характеристики тормозного режима 2, момент М_эм меняет знак и начинается интенсивное снижение щ. В точке С скорость двигателя равна нулю, и его нужно отключить от источника питания. Если этого не сделать, то ротор начнет вращаться в противоположном направлении и перейдет в установившийся режим в точке D реостатной или, если R_д отключить, в точке D' новой естественной характеристики 3, т.е. произойдет реверсирование двигателя.

Динамическое торможение осуществляется отключением цепи якоря от источника постоянного тока U и замыканием ее на некоторое добавочное сопротивление R_д, называемое обычно тормозным реостатом (рис. 5.22, а, перевод переключателя К из левого положения в правое).

Рис. 5.22

При этом напряжение, прикладываемое к якорю, Uя=0, ток якоря (см. 5.39) I_я=-E_я/(R_я+R_д) меняет направление и электромагнитный момент М_эм становится тормозным. Запасенная во вращающихся частях привода кинетическая механическая энергия преобразуется в электрическую, и машина работает в генераторном режиме, отдавая электрическую энергию тормозным сопротивлениям.

Уравнение механических характеристик (5.37) при Uя=0 принимает вид щ=-М_эм(R_я+R_д)/(kФ)². Механические характеристики тормозного режима расположены во II квадранте плоскости М_эм,щ (рис. 5.22, б, R_д2>R_д3).

В момент переключения двигатель переходит из точки А естественной характеристики двигательного режима 1 в точку В характеристики тормозного режима 2, момент М_эм меняет знак и начинается динамическое торможение. Угловая скорость уменьшается, но при этом довольно резко уменьшается и тормозной момент (переход из точки В в С). С целью увеличения тормозного момента производится уменьшение добавочного сопротивления R_д (переход из точки С в точку D). Торможение происходит до нулевой скорости.

15. Современные системы электроприводов крановых механизмов

Современные системы электроприводов крановых механизмов выполняются в основном с применением асинхронных двигателей, скорость которых регулируется релейно-контакторным способом путем введения сопротивлений в цепь ротора. Такие электроприводы обладают малым диапазоном регулирования скорости, а при пусках и торможениях создают большие рывки и ускорения, что плохо влияет на работу конструкции крана, ведет к раскачиванию груза и ограничивает применение таких систем на кранах повышенной высоты и грузоподъемности.

Развитие силовой полупроводниковой техники позволяет вносить принципиально новые решения в структуру автоматизированного электропривода крановых установок. В настоящее время на механизмах подъема и передвижения башенных и мостовых кранов применяется регулируемый электропривод с двигателями постоянного тока, питаемыми от мощных тиристорных преобразователей, -- система ТП -- Д.

Скорость двигателя в таких системах регулируется в диапазоне (20 ч 30):I путем изменения напряжения на якоре. При этом в переходных процессах система обеспечивает получение ускорений и рывков в пределах заданных норм.

Хорошие регулировочные качества появляются и у асинхронного электропривода при включении тиристорного преобразователя в цепь статора асинхронного двигателя (АД). Изменение напряжения на статоре двигателя в замкнутой САУ позволяет ограничить пусковой момент, получить плавный разгон (торможение) привода и необходимый диапазон регулирования скорости.

Применение тиристорных преобразователей в автоматизированном электроприводе крановых механизмов находит все большее применение в отечественной и зарубежной практике. Для ознакомления с принципом действия и возможностями таких установок остановимся кратко на двух вариантах схем управления двигателями постоянного и переменного токов.

На рис. 1 изображена принципиальная схема тиристорного управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения для механизма подъема мостового крана. Якорь двигателя питается от реверсивного тиристорного преобразователя, который состоит из силового трансформатора Тр, служащего для согласования напряжений преобразователя и нагрузки, двух групп тиристоров Т1-- Т6 и Т7 -- Т12, соединенных по трехфазной мостовой встречно-параллельной схеме, уравнительных реакторов 1УР и 2УР, являющихся одновременно сглаживающими реакторами, выполненными ненасыщающимися.



Рис. 1. Схема кранового электропривода по системе ТП--Д.

Группа тиристоров Т1 -- Т6 работает выпрямителем при подъеме и инвертором -- при спуске тяжелых грузов, так как направление тока в якорной цепи двигателя для этих режимов одинаково. Вторая группа тиристоров Т7 -- Т12, обеспечивающая противоположное направление тока якоря, работает выпрямителем при силовом спуске и в переходных режимах пуска двигателя на тормозной спуск, инвертором -- при торможении в процессе подъема грузов или крюка.

В отличие от механизмов передвижения кранов, в которых тиристорные группы должны быть одинаковыми, в механизмах подъема мощность тиристоров второй группы может быть взята меньшей, чем первой, так как ток двигателя при силовом спуске значительно меньше, чем при подъеме и спуске тяжелых грузов.

Регулирование выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя (ТП) осуществляется с помощью полупроводниковой системы импульсно-фазового управления, состоящий из двух блоков СИФУ-1 и СИФУ-2 (рис. 1), каждый из которых подает на соответствующий тиристор по два отпирающих импульса, сдвинутых на 60°.

С целью упрощения системы управления и повышения надежности электропривода в данной схеме применяется согласованное управление реверсивным ТП. Для этого регулировочные характеристики и системы управления обеими группами должны быть жестко связаны. Если на тиристоры Т1 -- Т6 подаются отпирающие импульсы, обеспечивающие выпрямительный режим работы этой группы, то на тиристоры Т7 -- Т12 отпирающие импульсы подаются так, чтобы эта группа была подготовлена к работе инвертором.

Углы регулирования б1 и б2 при любых режимах работы ТП должны изменяться таким образом, чтобы среднее напряжение выпрямительной группы не превышало напряжение инверторной группы, т. е. Если это условие не соблюдается, то между двумя группами тиристоров будет протекать выпрямленный уравнительный ток, который дополнительно загружает вентили и трансформатор и может также привести к срабатыванию защиты.

Однако и при правильном согласовании углов управления б1 и б2 тиристорами выпрямительной и инверторной групп возможно протекание переменного уравнительного тока вследствие неравенства мгновенных значений напряжений UбB и UбI . Для ограничения этого уравнительного тока служат уравнительные реакторы 1УР и 2УР.

По одному из реакторов всегда проходит ток якоря двигателя, благодаря чему уменьшаются пульсации этого тока, а сам реактор частично насыщается. Второй реактор, по которому в данный момент протекает только уравнительный ток, остается ненасыщенным и ограничивает iyp.

Тиристорный электропривод крана имеет одноконтурную систему управления (СУ), выполненную с использованием быстродействующего реверсивного суммирующего магнитного усилителя СМУР, который питается от генератора прямоугольного напряжения частотой 1000 Гц. При наличии токовой отсечки такая СУ позволяет получить удовлетворительные статические характеристики и высокое качество переходных процессов.

Система управления электроприводом содержит отрицательные обратные связи по напряжению и току двигателя с отсечками, а также слабую положительную обратную связь по напряжению Ud. Сигнал в цепи задающих обмоток СМУР определяется разностью задающего напряжения Uз, поступающего с резистора R4, и напряжения обратной связи бUd, снимаемого с потенциометра ПОС. Значение и полярность задающего сигнала, определяющего скорость и направление вращения привода, регулируются с помощью командоконтроллера КК.

Отсечка обратной связи по напряжению Ud осуществляется с помощью кремниевых стабилитронов, включенных параллельно задающим обмоткам СМУР. Если разница напряжений Ud -- aUd будет больше Uст.н, то стабилитроны проводят ток, и напряжение на обмотках управления становится равным Uз.макс = Uст.н.

С этого момента изменение сигнала aUd в сторону уменьшения не сказывается на токе в задающих обмотках СМУР, т. е. отрицательная обратная связь по напряжению Ud не действует, что обычно имеет место при токах двигателя Id > (1,5ч1,8) Id.н.

Если сигнал обратной связи aUd приближается к задающему сигналу Uз, то напряжение на стабилитронах становится меньше Uст.н, и ток через них не проходит. Ток в задающих обмотках СМУР будет определяться разностью напряжений U3 -- aUd, и отрицательная обратная связь по напряжению при этом вступает в работу.

Сигнал отрицательной обратной связи по току снимается с двух групп трансформаторов тока ТТ1 -- ТТ3 и ТТ4 -- ТТ8, работающих соответственно с группами тиристоров Т1 -- Т6 и Т7 -- Т12. В блоке токовой отсечки БТО получаемое на резисторах R трехфазное переменное напряжение U2TT ? Id выпрямляется, и через стабилитроны, выполняющие роль напряжения сравнения, сигнал Uт.о.с подается на токовые обмотки СМУР, понижая результирующий сигнал на входе усилителя. Это уменьшает напряжение Ud преобразователя и ограничивает ток Id цепи якоря в статических и динамических режимах.

Для получения высокого коэффициента заполнения механических характеристик щ = f(М) электропривода и поддержания постоянства ускорения (замедления) в переходных режимах дополнительно к перечисленным выше связям в схеме применяется положительная обратная связь по напряжению.

Коэффициент усиления этой связи выбирается kп.н = 1/kпр ? ДUy/ДUd. в соответствии с начальным участком характеристики Ud = f (Uy) преобразователя, но на порядок меньше коэффициента б отрицательной обратной связи по Ud. Действие этой связи в основном проявляется в зоне токовой отсечки, обеспечивая получение крутопадающих участков характеристики.

На рис. 2, а изображены статические характеристики привода подъема для различных значений задающего напряжения U3, соответствующих различным положениям командоконтроллера.

В первом приближении можно принять, что в переходных режимах пуска, реверса и торможения рабочая точка в координатных осях щ = f(М) перемещается по статической характеристике. Тогда ускорение системы:



где щ -- угловая скорость, Мa -- момент, развиваемый двигателем, Мс -- момент сопротивления перемещаемого груза, ДМc -- момент потерь в передачах, J -- приведенный к валу двигателя момент инерции.

Если пренебречь потерями в передачах, то условием равенства ускорения при пуске двигателя на подъем и спуск, а также при торможении с подъема и со спуска является равенство динамических моментов электропривода, т. е. Мдин.п = Мдин.с. Для выполнения этого условия статические характеристики привода подъема должны быть несимметричными относительно оси скорости (Мстоп.п > Мстоп.с) и иметь крутой фронт в области стопорного значения момента (рис. 2, а).

Рис. 2. Механические характеристики электропривода по системе ТП--Д: а -- механизм подъема, б -- механизм передвижения.

Для приводов механизмов передвижения крана следует учитывать реактивный характер момента сопротивления, который не зависит от направления движения. При одном и том же значении момента двигателя реактивный момент сопротивления будет замедлять процесс пуска и ускорять процесс торможения привода.

Для устранения этого явления, которое может привести к пробуксовыванию ведущих колес и быстрому износу механических передач, необходимо поддерживать примерно постоянными ускорения в процессе пуска, реверса и торможения в механизмах передвижения. Это достигается получением статических характеристик щ = f (М), приведенных на рис. 2, б.

Указанные разновидности механических характеристик электропривода можно получить путем соответствующего изменения коэффициентов отрицательной обратной связи по току Id и положительной связи по напряжению Ud.

Полная схема управления автоматизированного электропривода мостового крана с тиристорным управлением включает в себя все блокировочные связи и защитные цепи, которые рассмотрены в приведенных ранее схемах.

При применении ТП в электроприводе крановых механизмов следует обратить внимание на их электроснабжение. Значительная несинусоидальность потребляемого преобразователями тока вызывает искажение формы напряжения на входе преобразователя. Эти искажения влияют на работу силовой части преобразователя и системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Искажение формы напряжения питающей сети вызывает значительное недоиспользование электродвигателя.

Искажение формы питающего напряжения оказывает сильное влияние на СИФУ, особенно при отсутствии входных фильтров. В отдельных случаях эти искажения могут привести к произвольному полному открыванию тиристоров. Наилучшим способом это явление можно устранить путем питания СИФУ от отдельных троллеев, подключенных к трансформатору, не имеющему выпрямительной нагрузки.

Возможные способы использования тиристоров для регулирования скорости асинхронных двигателей весьма разнообразны -- это тиристорные преобразователи частоты (автономные инверторы), тиристорные регуляторы напряжения, включаемые в цепь статора, импульсные регуляторы сопротивлений и токов в цепях двигателя и т. д.

В крановых электроприводах находят применение главным образом тиристорные регуляторы напряжения и импульсные регуляторы, что обусловлено их относительной простотой и надежностью. Однако использование каждого из указанных регуляторов в отдельности не позволяет полностью обеспечить требования, предъявляемые к электроприводам крановых механизмов.

Действительно, при использовании только лишь импульсного регулятора сопротивления в цепи ротора асинхронного двигателя удается обеспечить зону регулирования, ограниченную естественной и соответствующей полному сопротивлению реостатной механическими характеристиками, т. е. зона регулирования соответствует двигательному режиму и режиму противовключения с неполным заполнением I и IV или III и II квадрантов плоскости механических характеристик.

Применение тиристорного регулятора напряжения, особенно реверсивного, принципиально обеспечивает зону регулирования скорости, покрывающую всю рабочую часть плоскости М, щ от --щн до + щн и от -- Мк до +Мк. Однако при этом будут иметь место значительные потери скольжения в самом двигателе, что приводит к необходимости существенного завышения его установленной мощности, а следовательно, и его габаритов.

В связи с этим для крановых механизмов создаются системы асинхронного электропривода, в которых управление двигателем осуществляется путем сочетания импульсного регулирования сопротивления в роторе и изменения напряжения, подводимого к статору. Этим достигается заполнение всех четырех квадрантов механических характеристик.

Принципиальная схема такого комбинированного управления приведена на рис. 3. В роторную цепь включена схема импульсного регулирования сопротивления в цепи выпрямленного тока. Параметры схемы выбраны такими, что она обеспечивает работу двигателя в I и III квадрантах в зонах между реостатными и естественными характеристиками (на рис. 4 заштрихованы вертикальными линиями).

Рис. 3. Схема кранового электропривода с тиристорным регулятором напряжения статора и импульсным регулированием сопротивления ротора.

Для регулирования скорости в зонах между реостатными характеристиками и осью скоростей, заштрихованных горизонтальными линиями на рис. 4, а также для реверсирования двигателя используется тиристорный регулятор напряжения, состоящий из пар включенных встречно-параллельно тиристоров 1--2, 4--5, 6--7, 8--9, 11--12. Изменение напряжения, подводимого к статору, осуществляется путем регулирования угла открывания тиристорных пар 1--2, 6--7, 11--12 -- для одного направления вращения и 4--5, 6--7, 8--9 -- для другого направления вращения.



Рис. 4. Области регулирования при комбинированном управлении асинхронным двигателем.

Для получения жестких механических характеристик и ограничения моментов двигателя в схеме предусмотрены обратные связи по скорости и выпрямленному току ротора, осуществляемые тахогенератором ТГ и трансформатором постоянного тока (магнитным усилителем) ТПТ

Более просто можно получить заполнение всего I квадранта, включив конденсатор последовательно с сопротивлением R1 (рис. 3). В этом случае эквивалентное сопротивление в цепи выпрямленного тока ротора можно изменять в пределах от нуля до бесконечности и осуществлять таким образом регулирование тока в роторе от максимального значения до нуля.

Область регулирования скорости двигателя в такой схеме распространяется вплоть до оси ординат, однако величина емкости конденсатора при этом получается весьма значительной.

Для заполнения всего I квадранта при меньших значениях емкости сопротивление резистора R1 разбивают на отдельные ступени. В первую ступень, включаемую при небольших токах, последовательно вводят емкость. Выведение ступеней осуществляется импульсным методом с последующим закорачиванием каждой из них тиристорами или контакторами. Заполнение всего I квадранта можно получить также путем сочетания импульсного изменения сопротивления с импульсным режимом двигателя. Такая схема приведена на рис. 5.

В области между осью скоростей и реостатной характеристикой (рис. 4) двигатель работает в импульсном режиме. При этом на тиристор Т3 управляющие импульсы не поступают, и он остается все время закрытым. Схема, осуществляющая импульсный режим двигателя, состоит из рабочего тиристора Т1 вспомогательного тиристора Т2, коммутирующего конденсатора С и резисторов R1 и R2. При открытом тиристоре Т1 ток протекает через резистор R1. Конденсатор С заряжается до напряжения, равного падению напряжения на R1.

Когда подается управляющий импульс на тиристор Т2, напряжение конденсатора оказывается приложенным в обратном направлении к тиристору Т1 и закрывает его. Одновременно происходит перезаряд конденсатора. Наличие индуктивности двигателя приводит к тому, что процесс перезаряда конденсатора носит колебательный характер, вследствие чего тиристор Т2 закрывается самостоятельно без подачи управляющих сигналов, а цепь ротора оказывается разомкнутой. Затем подается управляющий импульс на тиристор Т1, и все процессы повторяются снова.

Рис. 5. Схема импульсного комбинированного управления асинхронным двигателем

Таким образом, при периодической подаче управляющих сигналов на тиристоры какую-то часть периода в роторе протекает ток, определяемый сопротивлением резистора R1. В другую часть периода цепь ротора оказывается разомкнутой, момент, развиваемый двигателем, равен нулю, а его рабочая точка находится на оси .скоростей. Изменяя относительную продолжительность включения тиристора Т1 в течение периода, можно получать среднее значение момента, развиваемого двигателем от нуля до максимального значения, соответствующего работе на реостатной характеристике при введении в цепь ротора R1

При использовании различных обратных связей можно получить характеристики желаемого вида в области между осью скоростей и реостатной характеристикой. Для перехода в область между реостатной и естественной характеристиками нужно, чтобы тиристор Т2 оставался все время закрытым, а тиристор Т1 -- все время открытым. Путем закорачивания сопротивления R1 с помощью коммутатора с основным тиристором Т3 можно плавно изменять сопротивление в цепи ротора от значения R1 до 0, обеспечивая тем самым выход двигателя на естественную характеристику.

Импульсный режим двигателя с коммутацией в цепи ротора может быть осуществлен и в режиме динамического торможения. При использовании различных обратных связей можно получить в этом случае во II квадранте желаемые механические характеристики. С помощью логической схемы управления возможно осуществлять автоматический переход двигателя из одного режима к другому и получить заполнение всех квадрантов механических характеристик

16. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Характерной особенностью ДПТ с ПВ является то, что его обмотка возбуждения (ПОВ) с сопротивлением посредством щеточно-коллекторного узла последовательно соединена с обмоткой якоря с сопротивлением , т.е. в таких двигателях возможно только электромагнитное возбуждение.

Принципиальная электрическая схема включения ДПТ с ПВ представлена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Схема электрическая принципиальная включения ДПТ с ПВ.

Для осуществления пуска ДПТ с ПВ последовательно с его обмотками включается добавочный реостат .

Уравнения электромеханической характеристики ДПТ с ПВ

Ввиду того, что в ДПТ с ПВ ток обмотки возбуждения равен току в обмотке якоря, в таких двигателях в отличие от ДПТ с НВ проявляются интересные особенности.

Поток возбуждения ДПТ с ПВ связан с током якоря (он же является и током возбуждения) зависимостью, называемой кривой намагничивания, представленной на рис. 3.2.

Как видно зависимость для малых токов близка к линейной, а с увеличением тока проявляется нелинейность, связанная с насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с ПВ так же и для ДПТ с независимым возбуждением имеет вид:

. (3.1)

Рис. 3.2. Кривая намагничивания ДПТ с ПВ.

Из-за отсутствия точного математического описания кривой намагничивания, при упрощенном анализе можно пренебречь насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ, т. е. принять зависимость между потоком и током якоря линейной, как это показано на рис. 3.2 пунктирной линией. В этом случае можно записать:

, (3.2)

где - коэффициент пропорциональности.

Для момента ДПТ с ПВ с учетом (3.17) можно записать:

. (3.3)

Из выражения (3.3) видно, что в отличие от ДПТ с НВ у ДПТ с ПВ электромагнитный момент зависит от тока якоря не линейно, а квадратично.

Для тока якоря можно в этом случае записать:

. (3.4)

Если подставить выражение (3.4) в общее уравнение электромеханической характеристики (3.1), то можно получить уравнение для механической характеристики ДПТ с ПВ:

, (3.5)

где , .

Отсюда следует, что при ненасыщенной магнитной системе механическая характеристика ДПТ с ПВ изображается (рис. 3.3) кривой, для которой ось ординат является асимптотой.

Рис. 3.3. Механическая характеристика ДПТ с ПВ в предположении ненасыщенности его магнитной цепи.

Значительное увеличение скорости вращения двигателя в области малых нагрузок обуславливается соответствующим снижением величины магнитного потока.

Уравнение (3.5) является оценочным, т.к. получено при допущении о ненасыщенности магнитной системы двигателя. На практике по экономическим соображениям электродвигатели рассчитываются с определенным коэффициентом насыщения и рабочие точки лежат в районе колена перегиба кривой намагничивания.

В целом, анализируя уравнение механической характеристики (3.5), можно сделать интегральный вывод о «мягкости» механической характеристики, проявляющейся в резком уменьшении скорости при увеличении момента на валу двигателя.

Если рассматривать механическую характеристику, изображенную на рис. 3.3 в области малых нагрузок на валу, то можно сделать вывод, что понятие скорости идеального холостого хода для ДПТ с ПВ отсутствует, т. е. при полном сбросе момента сопротивления двигатель идет в «разнос». При этом его скорость теоретически стремится к бесконечности.

С увеличением нагрузки скорость вращения падает и равняется нулю при значении момента короткого замыкания (пускового):

. (3.6)

Далее скорость вращения асимптотически приближается к значению в 4 квадранте системы координат.

Как видно из (3.21) у ДПТ с ПВ пусковой момент при отсутствии насыщения пропорционален квадрату тока короткого замыкания- При конкретных расчетах пользоваться оценочным уравнением механической характеристики (3.5) нельзя. В этом случае построение характеристик приходится вести графо-аналитическими способами. Как правило, построение искусственных характеристик производится на основании данных каталогов, где приводятся естественные характеристики: и .

Реальный ДПТ с ПВ

В реальном ДПТ с ПВ вследствие насыщения магнитной системы но мере увеличения нагрузки на валу (а, следовательно, и тока якоря) в области больших моментов, наблюдается прямая пропорциональность между моментом и током, поэтому механическая характеристика становится там практически линейной. Это относится как к естественной, так и к искусственным механическим характеристикам.

Кроме того, в реальном ДПТ с ПВ даже в режиме идеального холостого хода существует остаточный магнитный поток , вследствие чего скорость идеального холостого хода будет иметь конечную величину и определяться выражением:

. (3.7)

Но так как величина незначительна, то может достигать значительных величин. Поэтому у ДПТ с ПВ, как правило, запрещается сбрасывать нагрузку на валу более чем на 80% отноминальной.

Исключением являются микродвигатели, у которых и при полном сбросе нагрузки остаточный момент трения достаточно велик для того, чтобы ограничить скорость холостого хода. Склонность ДПТ с ПВ идти в «разнос» ведет к тому, что их роторы выполняются механически усиленными.

Сравнение пусковых свойств двигателей с ПВ и НВ

Как следует из теории электрических машин, двигатели рассчитываются на конкретный номинальный ток . При этом ток короткого замыкания не должен превышать значения

, (3.8)

где - коэффициент перегрузки по току, который обычно лежит в диапазоне от 2 до 5.

В случае, если имеются два двигателя постоянного тока: один с независимым возбуждением, а второй с последовательным возбуждением, рассчитанные на одинаковый ток , то допустимый ток короткого замыкания у них также будет одинаковым, в то время как пусковой момент у ДПТ с НВ будет пропорционален току якоря в первой степени:

,

а у идеализированного ДПТ с ПВ согласно выражению (3.6) квадрату тока якоря;

.

Из этого следует, что при одинаковой перегрузочной способности пусковой момент ДПТ с ПВ превосходит пусковой момент ДПТ с НВ.

Ограничение величины

При прямом пуске двигателя ударные значения тока , поэтому обмотки двигателя могут быстро перегреться и выйти из строя, кроме того большие токи негативно влияют и на надежность щеточно-коллекторного узла.

(Оказанное обуславливает необходимость ограничения до какой-либо приемлемой величины либо введением в якорную цепь дополнительного сопротивления , либо уменьшением питающего напряжения .

Величина максимально допустимого тока определяется коэффициентом перегрузки .

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой пуск без добавочные сопротивлений, но с ростом габаритов ДПТ необходимо производить реостатный пуск. особенно, если привод с ДПТ с ПВ используется в нагруженных режимах с частыми пусками и торможениями.

Способы регулирования угловой скорости вращения ДПТ с ПВ

Как следует из уравнения электромеханической характеристики (3.1) угловую скорость вращения можно регулировать, как и у ДПТ с НВ, изменением , и .

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения механической характеристики (3.1) при изменении питающего напряжения можно получить семейство механические характеристик, изображенных на рис. 3.4. При этом величина напряжения питания регулируется, как правило, при помощи тиристорных преобразователей напряжения или систем «Генератор-двигатель».

Рис 3.4. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях напряжения питания якорной цепи << .

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше. Регулирование угловой скорости вращения в этом случае осуществляется вниз от основной (основной скоростью называется скорость, соответствующая естественной механической характеристике). Достоинством способа является высокий КПД.

Регулирование угловой скорости вращения ДПТ с ПВ введением последовательного добавочного сопротивления в цепь якоря

Как следует из выражения (3.1) последовательное введение добавочного сопротивления изменяет жесткость механических характеристик и также обеспечивает регулирование угловой скорости вращение идеального холостого хода .

Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений добавочного сопротивления (рис. 3.1) представлено на рис. 3.5.

Рис. 3.5 Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях последовательного добавочного сопротивления <<.

Регулирование осуществляется вниз от основной скорости.

Диапазон регулирования при этом обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки. Регулирование при этом целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления.

Достоинством данного способа регулирования является его простота, а недостатком большие потери энергии на добавочном сопротивлении.

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

Регулирование угловой скорости вращения

изменением потока возбуждения

Так как у ДПТ с ПВ обмотка якоря двигателя последовательно связана с обмоткой возбуждения, то для изменения величины потока возбуждения необходимо зашунтировать обмотку возбуждения реостатом (рис. 3.6), изменения положения которого влияет на ток возбуждения. Ток возбуждения в этом случае определяется как разность между током якоря и током в шунтирующем сопротивлении . Так в предельных случаях при ? и при .

Рис. 3.6. Схема электрическая принципиальная регулирования угловой скорости вращения ДПТ с ПВ изменением потока возбуждения .

Регулирование осуществляется в этом случае вверх от основной угловой скорости вращения, вследствие уменьшения величины магнитного потока. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений шунтирующего реостата представлено на рис. 3.7.



Рис. 3.7. Механические характеристики ДПВ с ПВ при различных значениях шунтирующего сопротивления

С уменьшением величины возрастает. Данный способ регулирования является достаточно экономичным, т.к. величина сопротивления последовательной обмотки возбуждения мала и, соответственно, величина также выбирается малой.

Потери энергии в этом случае примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения. Диапазон регулирования при этом, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке.

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках, например, в безмаховиковых ножницах блюмингов.

Все перечисленные выше способы регулирования характеризуются отсутствием конечной угловой скорости вращения идеального холостого хода , но необходимо знать, что существуют схемотехнические решения, позволяющие получать конечные значения .

Для этого шунтируются реостатами обе обмотки двигателя или только обмотка якоря. Эти способы неэкономичны в энергетическом отношении, но позволяют достаточно кратковременно получать характеристики повышенной жесткости с малыми конечными скоростями идеального холостого хода. Диапазон регулирования при этом не превышает 3:1, а регулирование скорости осуществляется вниз от основной. При переходе в генераторный режим в этом случае ДПТ с ПВ не отдает энергию в сеть, а работает генератором замкнутым на сопротивление .

Необходимо отметить, что в автоматизированных электроприводах величина сопротивления регулируется, как правило, импульсным методом периодическим шунтированием полупроводниковым вентилем сопротивлений или с определенной скважностью.

17.Тормозные режимы работы ДПТ с ПВ

Для ДПТ с ПВ возможно торможение противовключением и динамическое торможение. В отличии от двигателя с независимым возбуждением у ДПТ с ПВ отсутствует рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть, т. к. его ЭДС не может быть больше приложенного напряжения.

Торможение ДПТ с ПВ противовключением

Как и у двигателя с независимым возбуждением у ДПТ с ПВ возможны:

* торможение с изменением полярности напряжения на обмотке якоря (при обеспечении неизменности направления тока в обмотке возбуждения);

* тормозной спуск.

Противовключение изменением полярности подводимого к якорю напряжения

Если у ДПТ с ПВ, работающего в двигательном режиме изменить полярность напряжения на обмотке якоря на противоположную при одновременном переключении концов последовательной обмотки возбуждения, то ток якоря изменит свое направление в соответствии с выражением:

 . (3.9)

Двигатель переходит в тормозной режим, и его механическая характеристика изображается во 2 квадранте (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Механические характеристики в режиме торможения противовключением изменением полярности подводимого к якорю напряжения при различных значениях последовательного добавочного сопротивления << .

При этом происходит интенсивное торможение и угловая скорость вращения двигателя падает до нуля. Если в этот момент времени, соответствующий достижению точки N на механической характеристике не отключить двигатель от сети, то направление вращения изменится на противоположное, т.е. двигатель реверсируется. Это, безусловно, накладывает ограничения на применимость данного способа торможения.

С энергетической точки зрения данный способ не экономичен, т. к. большое количество энергии выделяется на добавочном сопротивлении, которое необходимо включить в якорную цепь для ограничения бросков тормозного тока. Достоинство способа - высокая эффективность торможения.

Тормозной пуск

Этот режим торможения имеет место при превышении активным моментом сопротивления величины пускового момента (или момента короткого замыкания ). В этом случае ток якоря двигателя также определяется по формуле (3.9), т. к. при этом направление вращения, а, следовательно, и знак ЭДС изменяются на противоположные.

Из выражения (3.9), следует, что ток якоря в этом случае превышает значение тока короткого замыкания. Поэтому для реализации данного режима необходимо ограничивать тормозной ток введением последовательного добавочного сопротивления.

Соответствующие механические характеристики тормозного спуска изображаются в 4 квадранте как продолжение характеристик, соответствующих двигательному режиму (рис. 3.9).

Рис. 3.9 Механические характеристики в режиме тормозного спуска при различных значениях последовательного добавочного сопротивления << .

Режим тормозного спуска широко применяется в грузоподъемных механизмах для опускания грузов.

С энергетической точки зрения тормозной спуск является не экономичным, ввиду тепловых потерь на добавочных сопротивлениях.

Режим динамического торможения ДПТ с ПВ

Динамическое торможение ДПТ с ПВ возможно реализовать двумя способами:

* с независимым возбуждением;

* с самовозбуждением.



Рис. 3.12. Схема электрическая принципиальная включения ДПТ С ПВ в режим динамического торможения с самовозбуждением.

При этом надо иметь в виду, что если ДПТ с ПВ переводится в режим динамического торможения с самовозбуждением из двигательного режима, то необходимо перекоммутироватьпоследовательную обмотку возбуждения ПОВ таким образом, чтобы направление тока в ней осталось неизменным. Это делается во избежание размагничивания магнитной системы ДПТ с ПВ.

ДПТ с ПВ в этом случае возбуждается для конкретного значения тормозного сопротивления лишь при определенных значениях скорости вращения. Возбудившись, ДПТ с ПВ развивает тормозной момент.

При этом вначале происходит интенсивное самовозбуждение, которое ведет к скачку тормозного момента. Такое ударное, а не «вязкое» торможение для ряда механизмов бывает неприемлемым и это ограничивает применимость данного способа торможения.

Достоинством торможения с самовозбуждением является его экономичность. Двигатель в этом случае не потребляет энергию из сети.

18. Реостатное регулирование частоты

Реостатное регулирование частоты вращения асинхронных двигателей является одним из наиболее простых способов регулирования и может осуществляться введением добавочных активных сопротивлений (резисторов) в цепь статора R_д1 (рис. 24.а) или ротора R_д2 (рис. 24,б).

Однако первый способ не нашел широкого практического распространения из-за ряда существенных недостатков-- снижения максимального (критического) момента и перегрузочной способности при увеличении сопротивления, малого диапазона регулирования частоты вращения и др. Данный способ регулирования применяется для ограничения пускового момента асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых, например, в приводах металлорежущих станков. Это необходимо для предотвращения ударов в механических передачах станков.

Для регулирования в широких пределах частоты вращения асинхронных двигателей с контактными кольцами используется введение дополнительных активных сопротивлений (резисторов) в роторную цепь (рис. 24,б). Эти резисторы R_д2 подсоединяются к выводам щеток контактных колец. При этом ток в роторной цепи снижается по мере увеличения сопротивления, что вызывает уменьшение электромагнитного момента. При снижении момента до величины, меньшей чем статический момент сопротивления на валу, М < М_с происходит уменьшение частоты вращения двигателя меньше первоначальной п < п_Е, т. е. увеличение скольжения s. В свою очередь это вызовет увеличение э. д. с. ротора Е₂ [см. уравнение (13)], а значит, возрастут ток ротора I₂ [см. формулу (25)] и электромагнитный момент двигателя М [см. формулу (43)]. Когда момент возрастет до М = М_с , изменение частоты вращения закончится и асинхронный двигатель станет работать в установившемся режиме с новой частотой п₁ < п_Е .

При этом важно заметить, то изменение в широких пределах частоты вращения двигателя при данном способе регулирования не повлечет за собой изменения максимального (критического) момента М_макс (см. рис. 21). Таким образом, перегрузочная способность двигателя при регулировании не снижается.

Если двигатель работает с некоторым приводимым механизмом на валу с статическим моментом сопротивления М_с

(см. рис. 21), то на естественной характеристике установившемуся режиму его работы будет соответствовать точка Е. При введении добавочных сопротивлений--резисторов R'_д2, R''_д2, R'''_д2-- в цепь ротора произойдет соответствующий переход двигателя в новые режимы работы (точки 1, 2, 3) с меньшими величинами частот вращения п_Е > п₁ > п₂ > п₃. Характеристики двигателя по мере увеличения сопротивления резисторов в цепи ротора R_д2становятся более мягкими. Наиболее жесткой характеристикой в данном случае будет естественная характеристика.

Работа двигателя на естественной характеристике в данном случае будет наиболее стабильной и устойчивой. Это означает, что при изменении момента сопротивления М_с в процессе работы производственного механизма отклонения частоты вращения двигателя будут минимальными.

Технические показатели данного способа регулирования следующие.

Диапазон регулирования сравнительно небольшой -- порядка 2:1 и ограничивается вероятностью нестабильности работы двигателя при больших значениях сопротивлений резисторов R_д2.

Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется числом ступеней регулирования. Переключение ступеней осуществляется, как правило, с помощью магнитных контроллеров, контакторов и реле.

...