Основное уравнение движения при линейной (J=const) кинематической цепи 2.30 запишем в операторной форме:

M(p) = Mc (p)+ J * щ(p)*p. (2.31)

Передаточную функцию механической части электропривода, на выходе которой рассматриваем щ(p), на входе - динамический момент

мдин (р) = м(р)-мс (p), (2.32)

получаем в виде

(2.33)

Жесткое приведенное звено как объект управления может быть представлено интегрирующим звеном с коэффициентом усиления 1/J.

Структурная схема (особая форма записи уравнений) механической части электропривода, логарифмическая амплитудная (ЛАХ) и переходная характеристики изображены на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Структурная схема, ЛАХ и переходная характеристика механической части электропривода. При скачке на входе Мдин(р) = М(р)-Мс(р) = const и J = const выходная величина щ(t) будет нарастать по линейному (так как dщ/dt = е = const) закону в функции времени от щ = 0 до щ=?

7. Естественные характеристики ДНВ и их расчет

Естественными называют характеристики, которыми обладает двигатель при номинальном напряжении питания и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях обмоток машины.

Естественная механическая характеристика имеет вид.

Через жесткость характеристики

естественная механическая характеристика запишется в виде

Выражение электромеханической характеристики имеет вид

Естественные характеристики дают основное представление об электромеханических свойствах двигателя: о номинальной скорости, об изменениях скорости при изменении момента в статических режимах. Чем выше жесткость вЕ, тем выше стабильность работы на заданной скорости.

Расчет естественной характеристики:

Самые точные характеристики - это характеристики завода - изготовителя, снимаемые в условиях испытаний двигателя и отраженные в документации на двигатель и в каталогах электротехнической промышленности. Эти характеристики в дальнейшем будем называть каталожными. Кроме каталожных кривых мощности P(I), скорости n(I), КПД n(I), момента M(I) в каталогах приводятся номинальные данные для основного режима работы PH, nH, In, Un. Пn и другие.

- Для некоторых типов двигателей (например, типа Д) в справочниках приводятся, кроме номинальных данных PH, nH, IH, значения допускаемых по нагреву нагрузок при различной продолжительности включения ПВ (P, n, I), что позволит построить характеристики по четырем - пяти точкам. Однако чаще всего этих данных для всех режимов работы двигателя бывает недостаточно.

- При отсутствии данных по п.1 и п.2 приходится на стадии проектирования рассчитывать характеристики двигателей по каталожным данным. Из каталожных данных двигателя берём номинальные данные PH, nH, IH, UH., а также данные о допускаемых нагрузках (Ммдкс, wmakc), по возможности - обмоточные данные (гя).

9. Реостатный пуск ДНВ

При пуске двигателя независимого возбуждения необходимо обеспечивать надежность и безопасность двигателя. В первую очередь должна быть подключена обмотка возбуждения и предусмотрена защита от обрыва поля. При отсутствии потока не создается ЭДС, и потому в цепи якоря может остаться только невыключаемое сопротивление. Возникающий в этом случае ток короткого замыкания может вывести двигатель из строя.

Технологические требования, предъявляемые к пуску:

форсированный пуск (минимальное время пуска при отсутствии других ограничений), который обеспечивается максимальным пусковым моментом, ограничиваемым допустимым током по условиям коммутацииIДОП.- (2...2,5)-IH;

пуск с ограничением по ускорению рабочего органа аДоп. Ограничение по ускорению обеспечивается приведенным к валу двигателя динамическим моментом, величина которого рассчитывается по формуле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

нормальный пуск (время пуска не регламентируется, редкие пуски), который обеспечивается условием: М >1,2 * Мс, чтобы двигатель только разогнался. Способы пуска ДНВ:

постепенным увеличением напряжения на якоре, для чего используются различные преобразователи напряжения (эти способы будут изучаться позднее);

при питании двигателя от сети неизменного напряжения напряжение подается на якорь скачком, поэтому необходимо ограничить скачок тока якоря допустимым значением по условиям коммутацииIДОП- (2...2,5)-IHвведением на время пуска добавочного сопротивленияRДОП.

Реостатный пуск ДНВ. На рис. 3.12 приведена схема силовых цепей реостатного пуска двигателя. Реостатный пуск предусматривает при подаче напряжения на якорную цепь введение добавочного сопротивления, ограничивающего величину тока якоря допустимым значением по технологическим условиям пуска.

10. Энергетическая диаграмма ДНВ

Энергетическая диаграмма призвана наглядно показать потребляемую из сети и полезную на валу мощности и потери мощности в процессе электромеханического преобразования энергии и показать их соотношение.

Рассмотрим двигательный режим работы (М > 0, щ > 0).

Напряжение, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается ЭДС и падением напряжения на активном сопротивлении.

Умножим обе части этого уравнения на ток якоря I

(3.31)

где U*I = Рс - мощность, потребляемая из сети;

потери электрической мощности в невыключаемом сопротивлении якоря;

- потери электрической мощности в добавочном сопротивлении якоря;

- механическая (электромагнитная) мощность;

Рв - полезная мощность (на валу двигателя);

?Рмех - потери механической мощности (внутри двигателя - на трение в подшипниках, на вентиляцию, на перемагничивание в стали якоря).

Обычно считают ?Рмех ?const, не зависящими от нагрузки. Оценку эффективности преобразования энергии выполняют с помощью коэффициента полезного действия КПД ? = Рпол / Рзатр, численно равного отношению мощности полезной РПол к мощности затраченной Рзатр.

На рис. 3.15 приведена зависимость ? = f(Pncm), построенная при работе двигателя на естественной характеристике.

При номинальной мощности ?н = 0.75...0.95, при увеличении номинальной мощности Рн

11. Тормозные режимы ДНВ

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.

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.

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:

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.

14. Основные теории нагрева электрических машин

Во время работы электродвигателя часть электрической энергии преобразуется в тепловую. Это связано с потерями энергии на трение в подшипниках, на вихревые токи и перемагничивание в стали статора и ротора, а также в активных сопротивлениях обмоток статора и ротора.

Потери энергии в обмотках статора и ротора пропорциональны квадрату величины их токов. Ток статора и ротора пропорционален нагрузке на валу. Остальные потери в двигателе почти не зависят от нагрузки.

При неизменной нагрузке на валу в двигателе выделяется определенное количество теплоты в единицу времени. Повышение температуры двигателя происходит неравномерно. Вначале она возрастает быстро: почти вся теплота идет на повышение температуры и лишь малое количество ее уходит в окружающую среду. Перепад температур (разница между температурой двигателя и температурой окружающего воздуха) пока еще невелик. Однако по мере увеличения температуры двигателя перепад возрастает и теплоотдача в окружающую среду увеличивается. Рост температуры двигателя замедляется. Температура двигателя прекращает возрастать, когда вся вновь выделяемая теплота будет полностью рассеиваться в окружающую среду. Такая температура двигателя называется установившейся.

Величина установившейся температуры двигателя зависит от нагрузки на его валу. При большой нагрузке выделяется большое количество теплоты в единицу времени, значит, выше установившаяся температура двигателя.

После отключения двигатель охлаждается. Температура его вначале понижается быстро, так как перепад ее большой, а затем по мере уменьшения перепада - медленно.

Величина допустимой установившейся температуры двигателя обусловливается свойствами изоляции обмоток.

У большинства двигателей общего применения для изоляции обмотки используются эмали, синтетические пленки, пропитанные картоны, хлопчатобумажная пряжа. Предельно допустимая температура нагрева этих материалов 105 °С. Температура обмотки двигателя при номинальной нагрузке должна быть на 20-25 °С ниже предельно допустимой величины.
Значительно более низкая температура двигателя соответствует работе его с малой нагрузкой на валу. При этом коэффициент полезного действия двигателя и коэффициент его мощности невелики.

13. Выбор электродвигателей по мощности

От правильного выбора электродвигателя по мощности зависят надежность его работы в электроприводе и энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка двигателя существенно меньше номинальной, он недоиспользуется по мощности, что свидетельствует об излишних капитальных вложениях, его КПД и коэффициент мощности заметно снижаются.

Если нагрузка превышает номинальную, это приводит к увеличению токов и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений, вследствие чего температура (превышение температуры) обмоток и магнитопровода двигателя может превысить допустимое значение. Рост температуры выше заданных значений приводит к резкому ускорению старения изоляции вследствие изменения ее физико-химических свойств и соответственно уменьшению срока службы и надежности двигателя в целом, поэтому одним из основных критериев выбора двигателя по мощности является температура (превышение температуры) обмоток.

Задача выбора электродвигателя по мощности осложняется тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы, как правило, изменяется во времени, вследствие чего изменяются также потери мощности и соответственно температура двигателя. Если при этих условиях выбрать двигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, он будет недоиспользован по мощности. Очевидно также, что недопустимо выбирать номинальную мощность двигателя равной минимальной мощности нагрузки.

Для обоснованного решения вопроса выбора электродвигателя по мощности необходимо знать характер изменения нагрузки двигателя во времени, т. е. зависимость от времени мощности, электромагнитного момента и потерь двигателя. С этой целью для машин, работающих в циклическом режиме, обычно строится нагрузочная диаграмма, представляющая собой зависимость нагрузки электропривода от времени в течение рабочего цикла.

Зависимость изменения нагрузки от времени позволяет судить об изменениях потерь в электродвигателе, что в свою очередь дает возможность оценить температуру его отдельных частей при известном характере процесса их нагрева.

Этот подход позволяет выбрать двигатель таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток не превышала допустимого значения. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электродвигателя в течение всего срока его эксплуатации.

Второе условие выбора двигателя заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки или аварийного снижения напряжения.

Таким образом, для правильного выбора двигателя необходимо знать точную зависимость нагрузки от времени, на базе которой можно рассчитать потери в его отдельных частях. Затем необходимо провести подробный тепловой расчет с учетом в большинстве случаев переходных процессов (пуска, реверса, торможения, перехода от одной нагрузки к другой), на основании которого можно сделать вывод о том, правильно ли выбрал двигатель. Если Максимальная температура (превышение температуры) обмоток окажется меньше допустимого, следует проанализировать возможность применения двигателя меньшей мощности, и наоборот. После теплового расчета двигатель проверяется по условию Мн макс?Ммакс где Мн макс - максимальный момент нагрузки; Ммакс -- максимальный электромагнитный момент двигателя.

15. Охлаждение электрических машин

При остановке нагретой машины процесс охлаждения идет только за счет теплоотдачи, тепловые потери отсутствуют ?Р=0, установившаяся температура в конце процесса охлаждения ту = ?Р/А = 0 и решение уравнения теплового баланса при охлаждении имеет вид:



В начале процесса - интенсивная теплоотдача, велика разность температур двигателя и окружающей среды. При уменьшении температуры двигателя их разность снижается и теплоотдача падает.

Теплоотдача зависит от способа вентиляции машины. При работе двигатель гонит через себя охлаждающий воздух, увеличивая теплоотдачу. У остановленного двигателя самовентиляция отсутствует, теплоотдача падает, остается только теплопроводность. Коэффициент теплоотдачи снижается А = А0, тепловая постоянная времени при охлаждении

Тто = С / А0

увеличивается и становится больше тепловой постоянной при работе: Тт < ТТО

На практике пользуются коэффициентом ухудшения условий теплоотдачи в0 = А / А0 = Тт / Тт0, который зависит от конструкции двигателя и способа его вентиляции.

Для точных расчетов ухудшение условий охлаждения двигателя в переходных режимах учитывают коэффициентом ухудшения теплоотдачи при изменении скорости вi = Ai / А = Тт / TTi. Однако коэффициент пропорционален скорости, где х >1, и для каждой серии электрических машин этот показатель свой.

Допустимо применять в расчетах среднее значение коэффициента pi. В зависимости от скорости вращения он принимает значения:

Для двигателей, работающих в режимах частых пусков и торможений, неучёт ухудшения условий теплоотдачи приводит к перегреву двигателя и преждевременному выходу его из строя.

16. Классификация режимов работы двигателей по условиям нагрева

В процессе работы температура двигателя увеличивается и через t = (3...4) Тт достигнет установившего значения т = ту, когда количество тепла, выделенного в двигателе, равно количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду. Это возможно при продолжительном режиме работы с постоянной нагрузкой.

Различают по требованиям стандартов восемь номинальных режимов работы двигателей. Под номинальным режимом работы электрической машины понимают режим, для которого она предназначена предприятием-изготовителем. Для этого режима в каталоге и паспорте двигателя указываются номинальные данные: Рн, UH, IH, Ьн, 1вн,пн, Пн, cos фн и другие.

Режимы работы обозначают S1...S8.

S1 продолжительный номинальный режим - режим работы электродвигателя (рис. 4.13, а) при неизменной номинальной нагрузке, когда температура двигателя достигает установившегося значения (двигатели вентиляторов, насосов, преобразовательных установок и т.п.)

S2 кратковременный номинальный режим - режим работы электродвигателя (рис. 4.13, б), когда температура двигателя за время работы с постоянной номинальной нагрузкой не достигает установившегося значения, а за время паузы, когда двигатель отключается от сети, температура двигателя успевает достичь температуры окружающей среды. Характеризующая величина - время кратковременной работы tP: 10, 30, 60, 90 мин. Время кратковременной работы tP = 60 мин часто называют часовой мощностью.

S3 повторно-кратковременный номинальный режим - режим работы электродвигателя (рис. 4.13, в), при котором кратковременные периоды постоянной номинальной нагрузки (рабочие периоды - tP) чередуются с периодами отключения машины (паузами - to), причем как при работе, так и в паузе температура двигателя не успевает достичь установившегося значения.

Характеризующая величина - относительная продолжительность включения е= tP / (tP + t0) - tP / tц. В каталогах приводятся данные двигателей при ПВ(%) - Ј-100%. Завод-изготовитель приводит данные допускаемой нагрузки на валу двигателя при ПВ - 15, 25, 40, 60, 100%.

При этом оговаривается, что время цикла не должно превышать tUi< 10 мин.

Режимы S1-S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются в паспорт электродвигателя и каталоги. Номинальные режимы S4 - S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу выбора мощности произвольного режима, расширив номенклатуру последних. В настоящее время эти режимы не нормируются.

18. Основные критерии выбора двигателя по мощности

Задача правильного выбора мощности двигателя связана, с одной стороны, с необходимостью безусловного обеспечения требований технологии, с другой стороны - с обеспечением надежности его продолжительной работы, а также с выполнением проблем энергосбережения.

При выборе двигателя заниженной мощности:

- нарушается нормальный режим работы рабочей машины;

- снижается ее производительность;

- возникают аварии;

- двигатель преждевременно выходит из строя.

Двигатель повышенной мощности:

- имеет заниженные энергетические показатели ? и cos ф;

- увеличивает капитальные затраты;

- повышает потери энергии;

- преждевременно выводит из строя механизм;

- увеличивает затраты на ремонт.

Если длительная нагрузка двигателя больше номинальной, выше потери энергии, двигатель перегревается, снижается механическая прочность изоляции обмоток и, как следствие, снижается их электрическая прочность, повышается вероятность пробоя изоляции. Таким образом, основным критерием выбора электродвигателя по мощности является температура его обмоток, его нагрев. Номинальная нагрузка двигателя определяется заводом-изготовителем из условий нагрева. Существует «восьмиградусное правило» - повышение температуры изоляции от номинальной на 8 - 10 градусов сокращает срок службы изоляции в два раза.

Задача выбора двигателя по мощности осложняется тем, что нагрузка на его валу в процессе работы, как правило, изменяется во времени РРМ = f(t), вследствие чего изменяются греющие потери и температура двигателя.

Если выбрать двигатель Рдв = Рмакс рм, то при снижении нагрузки двигатель не будет использован по мощности. Очевидно, что недопустимо выбирать номинальную мощность рдв = рмин рм.

Для обоснования выбора мощности двигателя нужно знать характер изменения нагрузки во времени. Для рабочих машин, работающих в циклических режимах, строится нагрузочная диаграмма РРМ = f(t) или Мс = f(t) за цикл работы, которая позволяет судить об изменении потерь в двигателе, что в свою очередь позволяет оценить его температуру при известном характере процесса нагрева.

Такой подход позволяет выбрать электродвигатель таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток не превысила допустимого значения. Это условие является одним из основных критериев для обеспечения надежной работы электропривода в течение всего срока его эксплуатации.

Второе условие выбора двигателя по мощности заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки.

Анализируя эффективность использования электрической энергии, следует различать энергетическую эффективность самого технологического процесса, который осуществляется рабочей машиной с электроприводом, и эффективность собственно электропривода, характеризуемую его коэффициентом полезного действия - кпд, который представляет собой отношение выходной мощности данного устройства к входной мощности. Кпд определяют также как отношение полезной мощности (или энергии) к затраченной.

где- - потери в данном устройстве.

Поскольку силовая часть электропривода состоит из электродвигательного, передаточного и преобразовательного устройств, то кпд электропривода в целом определяют как произведение кпд этих устройств

Кпд электродвигателя есть отношение механической мощности на валу двигателя к потребляемой со стороны обмоток статора (для машин постоянного тока - со стороны якоря).

Номинальный кпд асинхронных двигателей мощностью от 0,1-15,0 кВт составляет 0,85-0,9. С ростом мощности номинальный кпд повышается и у крупных высокоскоростных двигателей переменного тока мощностью свыше 1000 кВт может достигать величины 0,97.

Кпд электродвигателей существенно зависит от нагрузки на валу двигателя. Для анализа этой зависимости пользуются методом разделения потерь АР на постоянные К и переменные V.

AP = K + V.

20. Обобщенная электрическая машина

Электродвигатель может быть представлен в виде электромеханического многополюсника (рис. 3.1):

рис. 3.1. Электромеханический многополюсник.

Электромеханический преобразователь имеет n-пар электрических выводов, соответствующих n-обмоткам двигателя, и одну пару механических выводов, на которых в результате электромеханического преобразования энергии при скорости щ развивается электромагнитный момент двигателя М. Как правило, двигатели являются многофазными электрическими машинами. С увеличением числа фаз возрастает число уравнений, описывающих электромагнитные и электромеханические процессы. В теории электрических машин доказано, что любая многофазная машина с n-фазной обмоткой статора и m-фазной обмоткой ротора может быть представлена двухфазной моделью. Поэтому математическое описание процессов во вращающейся электрической машине получают на основе рассмотрения её двухфазной модели, которая получила название обобщенной электрической машины (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема обобщенной электрической машины.

Уравнения Кирхгофа, выраженные через потокосцепление Ш, имеют вид:

(3.1)

где R1 и R2 - активное сопротивление фазы статора и приведённое сопротивление фазы ротора.

Третий уровень

1. Структурные схемы, передаточные функции

Структурная схема - это графическое представление математической модели системы в виде соединений звеньев, условно обозначаемых в виде прямоугольника с указанием входной и выходной величин и передаточных функций. Обозначение передаточной функции записывают, как правило, внутри прямоугольника. Передаточной функцией называется отношение изображения выходного воздействия Y(р) к изображению входного X(р) при нулевых начальных условиях.

Звено - это устройство любого физического вида и конструктивного оформления, но описанное определенным дифференциальным уравнением. Звено - математическая модель любой части САУ.

Математическая модель - это описание каких-либо явлений, процессов с помощью математической символики.

Математическое моделирование - изучение явлений с помощью математических моделей процессов.

При математическом описании систему обычно изображают в виде функциональной схемы. Для каждого блока составляют уравнение, которым описываются процессы. Затем строится структурная схема. Преобразования, необходимые для получения уравнений и передаточных функций системы, проще и нагляднее производить по структурным схемам. Звено структурной схемы необязательно изображает модель какого-либо элемента. Оно может быть моделью элемента, соединения элементов или вообще любой частью системы.

2. Естественные и искусственные характеристики ДПВ

Уравнения механических и электромеханических характеристик в общем виде одинаковы для всех двигателей постоянного тока (3.11).

Для ДПВ поток является функцией тока якоря Ф -f(I) и все процессы, протекающие в машине, определяются кривой намагничивания (рис. 3.32).

На рис. 3.32 приведены также электромеханическая и механическая характеристики двигателя. При токах якоряI<IH характеристики имеют вид гиперболы и при стремлении момента и тока к нулю асимптотически приближаются к оси ординат. При I - 0 поток Ф - 0 и скорость стремится к бесконечности, чтобы ЭДС уравновесила приложенное напряжение. Реально существует остаточный поток Фост, и скорость не равна бесконечности, но остается очень высокой.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДПВ должен иметь гарантированный минимум нагрузки (~0.4-Мн), иначе скорость двигателя будет больше максимально допустимой по условиям механической прочности.

При изменении напряжения характеристики смещаются примерно параллельно естественной, при введении добавочного сопротивления изменяют наклон, при изменении потока скорость возрастает (для этого последовательную обмотку возбуждения шунтируют добавочным сопротивлением).

3. Тормозные режимы ДПВ

возврат энергии в сеть -- рекуперация;

торможение противовключением;

динамическое торможение.

Рассмотрим, как осуществляются эти способы у ДПВ.

Рекуперативное торможение (РТ). Условие РТ -- ЭДС двигателя больше приложенного напряжения Е >U. Если ЭДС будет равно приложенному напряжению, то при I = 0, Ф =0, щ =? и, следовательно, для режима РТ в естественной схеме включения ДПВ необходима щ >?,и режим РТ невозможен.

В установках электрического подвижного состава для обеспечения РТ обмотка возбуждения исключается из схемы и подключается к дополнительному источнику. Но это получается ДНВ!

Режим торможения противовключением (ПВ). Особенность состоит в том, как подключить обмотку возбуждения. При изменении полярности напряжения на якоре поток машины не должен менять направления, обмотка должна быть включена в цепь, где направление тока не меняется. В результате ее место -- за реверсором (рис. 3.34).При включенииKBи при включении КН полярность напряжения на якоре изменяется, а ток в обмотке возбуждения не изменяет направления, не меняет направления и поток. При работе двигателя в двигательном режиме в одном из направлений переключением контакторовKB и КН изменяется полярность напряжения на якоре, а отключение контактора КПВ вводит в цепь якоря добавочное сопротивлениеRдоп. Двигатель переходит в режим противовключения. Характеристики перехода в режим торможения противовключением для торможения на выбеге приведены на рис. 3.34.

Динамическое торможение (ДТ). На практике применяются две схемы динамического торможения:

с независимым возбуждением;

с самовозбуждением.

а) Динамическое торможение с независимым возбуждением выполняется подключением обмотки возбуждения к отдельному источнику питания. В частности этим источником может служить сеть, к которой обмотка подключается через добавочное сопротивление. Такая схема по своим механическим характеристикам повторяет схему динамического торможения двигателя независимого возбуждения.

На рис. 3.35 приведена схема динамического торможения с независимым возбуждением. В двигательном режиме включен контактор КЛ и якорная цепь подключена к сети. Для перехода в режим динамического торможения отключается контактор КЛ и включается контактор КТ. Обмотка возбуждения контактом КТ через добавочное сопротивлениеRB подключается к сети. Цепь якоря другим контактом КТ замыкается на сопротивлениеRflT. После переключения во вращающемся по инерции якоре наводится ЭДС, возникающий ток совпадает по направлению с ЭДС и во взаимодействии с потоком создается тормозной момент.

Величина потока зависит от тока в обмотке возбуждения. Для создания потока, близкого к номинальному Ф « Фн, по обмотке возбуждения необходимо пропустить номинальный ток двигателяIH. Расход мощности на возбуждение составляет ~РН (для двигателя независимого возбуждения -- 0,02...0,05 Рн). Из этих соображений рассчитывается сопротивлениеRB -UH /IB. СопротивлениеRflT рассчитывается по заданному начальному тормозному моменту.

Достоинства и недостатки рассмотрены подробно в п. 3.1.6.

б) Динамическое торможение с самовозбуждением (рис.3.36) широко используется в крановых механизмах. В двигательном режиме включен контактор КЛ и якорная цепь подключена к сети. Для перехода в режим динамического торможения двигатель контактором КЛ отключается от сети.

Включается контактор КТ и собирается контур динамического торможения. Обмотка возбуждения контактами КТ через добавочное сопротивлениеRflT соединяется последовательно с цепью якоря таким образом, чтобы направление тока в обмотке возбуждения совпало с направлением тока в предыдущем режиме. В этом случае используется остаточное намагничивание двигателя. Двигатель переводится в режим генератора последовательного возбуждения.

4. Расчет характеристик ДПВ

Расчет естественных характеристик. Нелинейная зависимость Ф = f (I) предопределяет расчет характеристик двигателя последовательного возбуждения графоаналитическим методом.

Для расчёта используются каталожные данные двигателя: PH, UH, Ih, nH, ?н, JДВ и каталожные кривые: n, P, M, ? = f (I).

Естественная электромеханическая характеристика представлена каталожной характеристикой n (I). С помощью другой каталожной характеристики Мкат = f (I) рассчитывается механическая характеристика щ = f(M). Задаются токомIзад , по каталожной кривой щ(I) графически определяют щест (рис. 3.38), по каталожной зависимости Mkat(I) - значение Мв.

Механические характеристики двигателей постоянного тока щ = f(M) строятся для электромагнитного момента МЭм. На каталожных характеристиках приводится значение момента на валу Мкат = Мв = f (I). Схема расчета механической характеристики щ = f (МЭм ):

- задаются током I3AД1;

- по каталожной кривой щ (I) определяютщ 1;

- по каталожной кривой Мв (I) - значение Мв;

- определяют величину

электропривод асинхронный двигатель схема

- рассчитывают значение электромагнитного момента

получают координаты одной точки МЭм> щ1.

Далее рассчитываются координаты нескольких точек и строится механическая характеристика.

Для дальнейших расчетов полезно построить характеристику МЭм(1). Разность ?М = МЭм - Мв представляет потери момента в двигателе. В тормозном режиме работы механические потери в двигателе покрываются со стороны рабочего органа. Можно построить характеристику Мт (I) = Мэм + ?M, позволяющую рассчитывать токи якоря в тормозных режимах для обеспечения работы двигателя в заданных точках.

Расчет искусственных характеристик. Для расчета искусственных характеристик также используется графоаналитический метод расчета, так как отсутствует аналитическое выражение кривой намагничивания.

Задаваясь постоянным значением тока Iзад =const, получаем и постоянное значение потока kФзад= const. При постоянном потоке отношение скоростей равно отношению ЭДС

тогда скорость на искусственной характеристике при заданных значениях U и R можно рассчитать по формуле

По данным соотношениям можно рассчитывать характеристики в любых режимах работы (двигательном, противовключения, динамического торможения).

Расчет схем включения, обеспечивающих работу двигателя в заданной точке. Решение основной технологической задачи - обеспечить работу двигателя в заданной точке - выполняется с помощью формулы (3.50). Со стороны рабочего органа выставляются координаты заданной точки: МЗАД, щЗАД.

В зависимости от режима работы по рассчитанным ранее характеристикам MB(I) - для двигательного режима или MT(I) - для тормозного режима по МЗАД определяют значение тока якоря IЗАД. По естественной каталожной характеристике щ(I) по току Iзад находят щЕст. Подставляя в 3.50 щЕст, Iзад, щиск = щЗАД, определяют требуемое значение U или R в зависимости от схемы включения. При решении задачи следует обратить особое внимание на знаки момента, скорости, напряжения для работы в различных режимах и различных квадрантов механической характеристики.

10.Уравнения и структурная схема ДПВ

В отличие от двигателя независимого возбуждения ДНВ в двигателях последовательного возбуждения (ДПВ) обмотка возбуждения включается в цепь якоря. Ток якоря одновременно является током возбуждения. Электрическая схема ДПВ представлена на рис. 3.30.

Двигатели последовательного возбуждения во вспомогательных механизмах прокатных станов, в крановом хозяйстве постепенно вытесняются более простым и дешевым асинхронным двигателем за счет их большей простоты и лучших энергетических показателей. Сохраняют ДПВ свои позиции в магистральном электротранспорте, трамвае, внутризаводском транспорте благодаря своим достоинствам:

для питания достаточно иметь один провод (троллей);

не боится больших снижений напряжения при значительном удалении установок от источника питания (поток не зависит от напряжения);

лучше выдерживают перегрузки на подъеме, обладая большей перегрузочной способностью по моменту по сравнению с ДНВ при одинаковой с ним перегрузочной способностью по току;

развивает примерно постоянную мощность (малый груз -- высокая скорость, тяжелый груз -- медленная скорость), необходимую для транспортных машин;

более надежны за счет большого сечения проводов обмотки возбуждения и малого напряжения между витками.

Включение обмотки возбуждения в цепь якоря, мощность которой на два порядка выше, чем мощность возбуждения, создает условия для форсированного изменения потока двигателя. В динамике приходится учитывать влияние вихревых токов, возникающих при быстрых изменениях потока.

Поведение ДПВ описывается теми же уравнениями для двигателей постоянного тока, что и ДНВ. Их отличие -- в способе создания потока.

Основные уравнения ДПВ без учета вихревых токов [1]:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурная схема якорной цепи осталась прежней (см. рис. 3.31), отсутствует контур независимого возбуждения, ток якоря выполняет функцию тока возбуждения и создает намагничивающую силу в магнитной цепи двигателя. На входе кривой намагничивания -- ток якоря, на выходе -- поток двигателя. СопротивлениеR якорной цепи включает в себя сопротивление обмотки возбуждения г0в

электромагнитная постоянная времени якорной цепи учитывает суммарную индуктивность обмоток якоря и возбуждения

По структурной схеме можно изучать поведение двигателя в статике и динамике. При необходимости их учета вихревых токов нужно обратиться к более полным учебным пособиям [1, 14].

11. реостатный пуск ДПВ

На рис. 3.12 приведена схема силовых цепей реостатного пуска двигателя. Реостатный пуск предусматривает при подаче напряжения на якорную цепь введение добавочного сопротивления, ограничивающего величину тока якоря допустимым значением по технологическим условиям пуска. На рис. 3.13 приведены механические характеристики, обеспечивающие пуск двигателя. При замыкании контактора КЛ протекает ток I1 через обмотку якоря и добавочные сопротивления R-доб1 и Rдоб2, создается момент М1. Двигатель разгоняется по характеристике 1, ток якоря снижается, и при скорости щ1 и моменте переключения М2 включается контактор КУ1, шунтируя R^ob. Двигатель переводится на характеристику 2. Ток якоря вновь увеличивается до значения I1, момент - до М1. Происходит разгон по характеристике 2 до скорости ы2, где при моменте переключения М2 включается контактор КУ2, переводя двигатель на естественную характеристику. На этой характеристике продолжается разгон до скорости щ2, где при М = Мс двигатель переходит в установившийся режим работы. В процессе разгона двигателя добавочное сопротивление уменьшают по величине, обеспечивая переключение ступеней пусковых сопротивлений по правильной пусковой диаграмме. Переключение ступеней выполняется автоматически в функции времени, тока, скорости.

13. Выбор по мощности двигателя повторно-кратковременного режима

1. На основании кинематической схемы механизма (рабочего органа) рассчитываются статические мощности или статические моменты рабочего органа на каждом участке работы и строятся нагрузочные диаграммы Рро ст(t) или Мро ст(t);

2. Если задано допустимое ускорение аДоп, рассчитываются динамические моменты Мро дин на участках пуска и торможения, при расчете нагрузочных диаграмм мощности рассчитывают учетом знака определяют мощности на участках

Рро -=Рро ст + Рдин

3. Времена работы и пройденный путь на участках пуска и торможения рассчитывают по известному аДОп и рабочей скорости vy:

Времена работы в установившемся режиме - по заданному пути перемещения L и пути установившегося режима Ly :

Если аДоп не задано, приходится строить нагрузочную диаграмму только для

статики и рассчитывать только время работы на участке

4. По построенной нагрузочной диаграмме M(t) рассчитывают среднеквадратичный момент МСркв (по диаграмме P(t) - среднеквадратичную мощность Рср кв) и определяют продолжительность включения ПВ =tP / tц;

5. Предварительно рассчитывают мощность двигателя

6. Выбирают редуктор с передаточным числом

7.Приводят статические моменты MC и моменты инерции J к валу двигателя;

8. Выбирают систему управления электропривода (ТП-Д, ПЧ-АД, реостатное управление и т.п.) и выбирают преобразователи или панель управления;

9. Выполняется расчет механических и электромеханических характеристик системы электропривода;

10. Рассчитываются переходные процессы и строятся нагрузочные диаграммы щ(t), M(t), I(t), L(t) и другие;

11. Выполняется проверка двигателя по нагреву приемлемым методом эквивалентных величин, чаще всего - методом эквивалентного тока

12. Проверка выполнения технологических требований:

13. Проверкой на кратковременные перегрузки двигателя и преобразователя сравнивают время и величину перегрузок в системе электропривода с допустимыми предельными значениями по каталожным данным;

15. Выбор по мощности двигателя продолжительного режима работы

Продолжительным режимом работы электродвигателя называют режим, в котором за время работы температура двигателя достигает установившегося значения.

Двигатели развивают номинальную мощность Рн в течение неопределенно длительного времени, выдерживают номинальный ток IH такое же время.

Эти двигатели рассчитаны так, чтобы при номинальном токе температура двигателя ту была равна допустимой температуре тДОп. Ту ?Тдоп.

При постоянной мощности Рс = const и постоянной скорости щ = const потери мощности в двигателе не превышают номинальных, отсюда следует условие выбора мощности двигателя по каталогу Рс ?Рн.

В этом случае нет необходимости производить проверку двигателя по нагреву, так как этот расчет выполнен заводом-изготовителем.

При пуске потери ?Р выше, но так как пуск производится редко, то потери при пуске не учитываются. При переменной статической нагрузке строится нагрузочная диаграмма Рс = f(t), рассчитывается среднеквадратичная мощность

И среднеквадратичный момент

и предварительно выбирается двигатель мощностью Рдв = Рсркв или Рдв = Mcpк*щ. Далее рассчитываются механические характеристики, нагрузочные диаграммы I(t), M(t), w(t) и определяется приемлемым методом эквивалентная нагрузка двигателя для реального графика.

Если использован метод эквивалентного тока, то полученное значение Iэ сравнивается с номинальным током IH

16. Проверка двигателя на кратковременную перегрузку

Нагрев определяет длительную нагрузочную способность двигателя, обеспечивающую работу двигателя в течение нормативного срока эксплуатации (20 лет).

Существуют факторы, ограничивающие нагрузку в течение непродолжительного времени (кратковременные перегрузки). Это - второй критерий правильности выбора мощности двигателя

Для двигателей постоянного тока общепромышленной серии кратковременные перегрузки ограничены условиями коммутации

Кратковременные перегрузки двигателей краново-металлургической серии оговариваются в каталоге и составляют

При работе в режиме ослабления поля, когда щ > щ Ест условия коммутации ухудшаются, и максимально допустимый ток приходится снижать. Величину максимально допустимого тока прищ > щ Ест можно рассчитать по формуле:

При щ = 2щн и Iмаксдоп = Iмаксдоп(прищн) = (2...2,5) * IH величина максимально допустимого тока составит

Для бесколлекторных машин ток не является фактором, ограничивающим максимальную нагрузку двигателя. Для асинхронных и синхронных машин ограничивается предел по моменту.

Критический момент асинхронных двигателей обычно имеет значение Мк = (1,8...2,5) МН, при этом максимально допустимый момент из-за колебаний напряжения питания принимают равным Ммакс= 0,8*Мк.

Синхронный двигатель развивает максимальный момент

Ммакс = (2,5...3,5)*МН.

При этом величина максимального момента СД может регулироваться изменением тока возбуждения (форсировкой возбуждения), что широко используется при пуске и при снижении напряжения на статоре.

Кратковременные перегрузки двигателей определяются условиями пуска, торможения, наброса нагрузки и рассчитываются на стадии проектирования при выборе системы управления электропривода.

17. Проверка двигателя по условиям пуска

Если условия пуска двигателей с реостатным управлением (Rдоб) и при питании от индивидуального преобразователя (f = var, U = var) закладываются при расчете характеристик и переходных процессов, то при выборе мощности асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и синхронных двигателей необходима дополнительная проверка по условиям пуска.

- Пусковой момент двигателя должен быть больше статического момента при щ = 0.

- Момент синхронного двигателя на подсинхронной скорости для надежного втягивания в синхронизм должен быть больше статического момента на этой скорости.

- Для крупных асинхронных и синхронных двигателей выполняется проверка величины присоединенного момента инерции механизма

Jприсоед?Jмакс.присоед

Несоблюдение этого условия приводит к затягиванию пуска, проходящего при больших токах, и выходу двигателя из строя. Величина Jмакс.присоед приводится в каталогах.

19. Основные показатели способов регулирования координат ЭП

Принципы управления координатами и основные показатели регулирования.

фундаментальные принципы автоматического управления используемые в электроприводе:

- регулирование по отклонению - система электропривода с отрицательной обратной связью по регулируемой переменной;

- регулирование по возмущению - компенсация влияния возмущения на регулируемую переменную с помощью системы электропривода с положительной обратной связью по возмущению.

Регулированием координат называют целенаправленное (принудительное) их изменение в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа.

1. Точность регулирования переменной определяется возможными отклонениями её от заданного значения под действием возмущающих факторов.

Если важна точность воспроизведения значений регулируемой координаты, подаваемых на вход системы автоматического регулирования, точность определяют допустимой ошибкой регулирования

,

где хЗАД - заданное значение параметра,

х - текущее значение параметра.

2. Диапазоном регулирования выходной координаты принято называть отношение максимального значения координаты к ее минимальному значению:

3. Плавность регулирования характеризуется числом дискретных значений регулируемого параметра, реализуемом в данном способе регулирования. Её можно оценить коэффициентом плавности

где xi, xi-1 - переменные на соседних ступенях регулирования.

4. Экономичность регулирования

Применение электропривода связано с дополнительными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, которые должны окупаться повышением производительности труда и надёжности установки, улучшением качества продукции. Эффективность затрат обычно оценивают сроком их окупаемости Ток = Соб/Цгод, где СОБ - стоимость дополнительного оборудования, используемого для выполнения регулирования; ЦГОД - цена годового эффекта от использования регулирования.

5. Допускаемые нагрузки РДОП(щ) и МДОП(щ) определяют возможность работы электропривода не перегреваясь в заданном диапазоне регулирования.

6. Направление регулирования - вверх или вниз от естественной характеристики. Для регулирования изменяют параметры цепей двигателя, либо источника питания.

20. Допускаемые нагрузки РДОП(щ) и МДОП(щ)

определяют возможность работы электропривода не перегреваясь в заданном диапазоне регулирования. ОценкаРДОП(щ) и МДОП(щ) производится из условия протекания в рабочих обмотках номинального тока во всем диапазоне регулирования без учёта ухудшения условий охлаждения двигателя, когда в процессе регулирования изменяется регулируемый параметр (iB, Rя и т.п.). Этот показатель применяется при регулировании скорости. При этом принимается равенство MC (щ) = MДОП(щ)(5.7)

Если статический момент зависит от скорости, то необходимо применить для этого механизма такую систему электропривода, в которой при номинальном токе двигателя его момент Мдоп изменялся бы по такому же закону, как и Мс. Если система электропривода обеспечивает Мдоп = const, как показано на рис. 5.4, то при МС > МдОП двигатель будет перегреваться. Условие (5.7) нарушается, возникает необходимость установки двигателя неоправданно завышенной мощности. ПриМс?Мдоп двигатель не используется по нагреву. Таким образом, при изучении различных способов регулирования важно знать МДОП(щ) и определить характер механической нагрузки МС(щ), для которого можно применить изучаемую систему электропривода.

Пятый уровень

1. Регулирование скоростей асинхронного электродвигателя

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется выражением

n = no (1 -- S) = (f1•60)(1 -- S)/p.

скорость асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой-либо из трех величин: числа пар полюсов р; частоты f1 тока питающей сети; скольжения S. Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов электродвигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными трехфазными обмотками, либо с одной трехфазной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов. Катушки создают четыре магнитных полюса. Те же катушки, соединенные параллельно между собой, создадут только два полюса. Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата - контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками. На практике встречаются двигатели, синхронные скорости вращения no которых могут быть равны 3000, 1500, 1000 и 750 оборотов в минуту. Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкнутой обмоткой может работать при разных числах полюсов магнитного поля. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может работать нормально лишь при определенном числе полюсов поля статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального преобразователя частоты. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения (рольганги, текстильные станки и т. п.). Этот способ регулирования скорости мало распространен ввиду сложности его осуществления.

Введение сопротивления в цепь ротора. Во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата. С увеличением активного сопротивления цепи ротора возрастает величина скольжения S, соответствующая заданному значению вращающего момента М (величина вращающего момента, развиваемого двигателем, равна моменту сопротивления на валу двигателя). Таким образом, вводя дополнительно активное сопротивление в цепь фазного ротора, мы увеличиваем скольжение S и, следовательно, снижаем скорость вращения ротора n. Такой способ регулирования применим только для асинхронных двигателей с фазным ротором. Регулировочный реостат включают в цепь ротора так же, как и пусковой реостат. Недостатком этого способа регулирования является то, что в регулировочном реостате происходит значительная потеря мощности, тем большая, чем шире регулировка скорости вращения двигателя.

Реверсирование асинхронных электродвигателей. Для изменения направления вращения (реверсирование) асинхронного двигателя следует поменять местами два любых провода из трех, идущих к обмоткам статора двигателя. При этом меняется направление вращения магнитного поля статора и двигатель станет вращаться в другую сторону. Реверсирование двигателя может быть произведено при помощи переключателя (перекидного рубильника), магнитного пускателя и других устройств.

Торможение асинхронных двигателей. В условиях эксплуатации нередко возникает необходимость торможения двигателя с целью ускорить его остановку. Торможение электродвигателей может быть механическим, электрическим и электромеханическим. Если при работе двигателя переключить две любые фазы, то при этом двигатель начнет развивать вращающий момент, направленный в обратную сторону. Вращение ротора замедляется. Когда скорость вращения приближается к нулю, следует отключить двигатель от сети, в противном случае под действием развиваемого момента он начнет вращаться в противоположном направлении..

2. Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно изменять угловую скорость nо магнитного поля статора

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании -- на рис. 6.

Рис. 5. Схема частотного электропривода Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

...