Классификация электроприводов режимы работы электроприводов лекция

Министерство
образования и науки Российской Федерации

Федеральное
агентство по образованию

Государственное
образовательное учреждение

Высшего
профессионального образования

«Магнитогорский
государственный технический университет
им. Г.И. Носова»

Селиванов
И.А.

Конспект лекций

по
“Основам электропривода”

Утверждено
Редакционно-издательским советом в
качестве учебного пособия

Магнитогорск

2008

УДК 681.325.5001.573

Р
е ц е н з е н т ы:

Профессор
кафедры “Электропривода и автоматизации
промышленных устьановок” Южно-Уральского
технического университета, доктор
технических наук Ю.С.
Усынин

Начальник
Центральной электротехнической
лаборатории ОАО “Магнитогорский
металлургический комбинат”, кандидат
технических наук В.В.
Головин

Селиванов И.А

Конспект
лекций по “Основам электропривода”,
Учебное пособие. — Магнитогорск МГТУ,
2008. – ____ с.

ISBN
5-89514- 671-6

Учебное
пособие содержит лекции, касающиеся
механики электропривода, механических
характеристик двигателей постоянного
и переменного токов, регулирования
угловой скорости электроприводов,
переходных режимов, и методики их
расчета, расчета мощности электроприводов,
прикладных элементов теории автоматического
управления и систем управления
электроприводами и с последовательной
коррекцией при подчиненном регулировании
параметров.

При
рассмотрении выше перечисленных вопросов
основное внимание обращалось на
физические процессы, протекающие в
электроприводах, и анализу влияния
различных параметров на их характеристики
и свойства.

Учебное
пособие по каждой лекции содержит
вопросы для самопроверки, которые
позволяют студентам определить глубину
освоения изучаемых вопросов.

Предназначено
для студентов специальности 210106
“Промышленная электроника”.

УДК
681.325.5001.573

ISBN
5-89541-231-1

ГОУ
ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова»,

Селиванов И.А., 2008

С о д е р ж а н и е

Лекция 1	7
Введение	7
Г л а в а 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА	10
1.1. Типы электроприводов	10
1.2. Краткий исторический обзор развития электропривода	11
Вопросы для самопроверки	12
Лекция 2	14
Глава 2. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА	14
2.1. Приведение моментов и сил сопротивления, инерционных масс и моментов инерции	14
2.2. Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей. Установившиеся режимы	15
2.3. Уравнение движения электропривода	17
2.4. Время ускорения и замедления привода	20
Вопросы для самопроверки	22
Лекция 3	26
Глава 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ	26
3.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения	26
3.2. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения в тормозных режимах	27
3.3. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения	29
Вопросы для самопроверки	30
Лекция 4	35
3.4. Механические характеристики асинхронного двигателя	35
3.5. Механические характеристики асинхронного двигателя в тормозных режимах	37
3.6. Механические характеристики синхронного двигателя	39
Вопросы для самопроверки	40
Лекция 5	44
Глава 4. РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ	44
4.1. Основные показатели регулирования угловой скорости электроприводов	46
4.2. Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением магнитного потока	47
4.3, Реостатное регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения	47
4.4. Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением подводимого к якорю напряжения	48
4.4.1. Система генератор — двигатель‘	48
4.4.2. Регулирование скорости двигателя постоянного тока по системе ТП-Д	49
Вопросы для самопроверки	51
Лекция 6	55
4.5. Регулирование скорости электроприводов переменного тока	55
4.5.1. Реостатное регулирование скорости асинхронного электропривода	55
4.5.2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов	55
Вопросы для самопроверки	57
Лекция 7	61
Глава 5. ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ	61
5.1. Общие положения	61
5.2. Переходные процессы в электроприводах с двигателя постоянного тока независимого возбуждения	61
5.2.1. Общие дифференциальные уравнения и их решение	61
5.2.2. Общие дифференциальные уравнения и их решение без учета электромагнитных процессов	64
5.2.3 Реостатный пуск	64
5.2.4. Динамическое торможение	66
5.2.5. Торможение противовключением	66
Вопросы для самопроверки	67
Лекция 8	74
5.3. Переходные режимы в приводах с асинхронными двигателями трехфазного тока	74
5.3.1. Пуск асинхронного двигателя	74
5.3.2. Торможение противовключением и реверсирование	76
5.3.3. Динамическое торможение	78
Вопросы для самопроверки	79
Лекция 9	84
5.4. Формирование переходных процессов	84
5.4.1. Пуск привода вхолостую	85
5.4.2. Пуск привода с реактивным моментом нагрузки	86
5.4.3. Торможение привода под нагрузкой	87
5.4.4. Реверсирование привода под нагрузкой	88
Вопросы для самопроверки	90
Лекция 10	96
Г л а в а 6. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ	96
6.1. Общие положения	96
6.2. Потери энергии в электроприводах постоянного и переменного тока	97
6.3. Нагрев и охлаждение двигателя. Классификация режимов работы электроприводов	97
6.4. Расчет мощности двигателя при длительном режиме работы	100
6.4.1. Метод средних потерь	100
6.4.2. Метод эквивалентного тока	101
6.4.3. Метод эквивалентного момента	102
6.4.4. Метод эквивалентной мощности	102
Вопросы для самопроверки	102
Лекция 11	107
6.5 . Расчет мощности двигателя при кратковременном режиме работы	107
6.6. Расчет мощности двигателя при повторно-кратковременном режим работы	107
Вопросы для самопроверки	110
Лекция 12	113
Г л а в а 7. Прикладные элементы теории автоматического управления	113
7.1. Основные определения и понятия	113
7.2. Передаточные функции	114
7.3. Эквивалентные преобразования структурных схем	126
7.4. Передаточные функции автоматических систем управления	126
Вопросы для самопроверки	126
Лекция 13	124
7.5. Основные характеристики звеньев и систем	124
7.5.1. Статические и астатические звенья	124
7.5.2. Статические и астатические автоматические системы управления	124
7.5.3. Временные характеристики	128
7.5.4. Частотные характеристики	125
7.5.5. Характеристики линейных моделей автоматических регуляторов	128
Вопросы для самопроверки	129
Лекция 14	143
7.6. Устойчивость автоматических систем регулирования	143
7.7. Качество регулирования. Показатели качества	143
7.6. Синтез линейных систем автоматического регулирования методом логарифмических частотных характеристик	146
Вопросы для самопроверки	148
Лекция 15	156
Глава 8. Системы управления электроприводами с последовательной коррекцией при подчиненном регулировании параметров	156
8.1. Общие принципы синтеза систем с последовательной коррекцией при подчиненном регулировании параметров	156
8.2. Структурные схемы системы ТП-Д	160
8.3. Влияние нагрузки на работу системы	161
Вопросы для самопроверки	164
Лекция 16	169
8.4. Регулирование скорости электродвигателей	169
8.4.1. Система регулирования с обратной связью по скорости.	169
8.4.2. Система регулирования с обратной связью по ЭДС двигателя	169
8.4.3.Система регулирования с обратной связью по напряжению	173
8.5. Ограничение тока и производной скорости	176
8.6. Регулирование положения (пути)	178
Вопросы для самопроверки	179
Библиографический список	189

Соседние файлы в папке Лекции

Источник

Классификация электроприводов

Электроприводы классифицируются (различаются) по нескольким признакам.Рассмотрим основные признаки.

По области применения различают 2 вида электроприводов:

1. береговые;

2. судовые.

По роду тока различают так же 2 вида электроприводов:

постоянного тока;
переменного тока.

Переход судовых электроприводов на переменный ток завершился в начале 60 – х годов 20 столетия. Это стало возможным после начала производства (в б. СССР) электрических машин, предназначенных специально для работы на судах их называют машинами морского исполнения.

По количеству исполнительных механизмов и электродвигателей различают 3 вида электроприводов:

групповой;
одиночный;
многодвигательный.

Групповым называют электропривод, в котором один электродвигатель приводит в движение несколько исполнительных механизмов. Пример: токарный станок, в котором электродвигатель вращает патрон с заготовкой и одновременно перемещает суппорт станка с бабкой, в которой зажат резец. Суппорт при этом движется поступательно (влево – вправо) вдоль станины станка. На судах групповые приводы применяются крайне редко.

Одиночным называют электропривод, в котором электродвигатель приводит в движение только один исполнительный механизм. Пример: электропривод насоса или вентилятора, в котором крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Многодвигательным называют электропривод, в котором несколько электродвигателей совместно работают на общий вал. Пример: привод платформы механизма поворота мощного экскаватора, в котором электродвигатели включаются в разных сочетаниях, благодаря чему обеспечивается равномерное распределение статических и динамических нагрузок при повороте платформы.

Многодвигательные электроприводы используются на специализированных судах, например, плавучих буровых вышках и др.

По степени автоматизации различают 3 вида электроприводов:

неавтоматизированные;
автоматизированные;
автоматические.

В неавтоматизированном электроприводе человек участвует на всех стадиях управления электроприводом. Пример: электропривод вентилятора, управляемый при помощи поста управления с двумя кнопками «Пуск» и «Стоп». Оба действия – пуск и остановка, выполняет человек путём нажатия соответствующей кнопки.

В автоматизированном электроприводе функции управления разделены между человеком и управляющим устройством. Обычно человек задаёт программу работы электропривода, остальное же выполняет управляющее устройство.

Пример: электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями. Пусть оператор (лебёдчик) резко перевёл рукоятку командоконтроллера из нулевого положения сразу в 3-е в направлении «Подъём». Двигатель при этом включится не на 3-й скорости, а на 1-й, что позволит избежать поломки редуктора, а далее разгон электродвигателя произойдёт постепенно, с задержкой при переходе с 1-й скорости на 2-й, а затем со 2-й к 3-ю. Эту задержку обеспечивают два реле времени, входящие в состав управляющего устройства.

В автоматическом электроприводе роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электропривода.

Пример: автоматический рулевой. На начальном этапе участие человека заключается в подаче питания на рулевой электропривод (электромеханик) и в выведении судна на требуемый курс, например, при помощи штурвала (рулевой матрос или вахтенный помощник). После этого на тумбе управления рулевым электроприводом (мостик) переключатель видов управления устанавливают в положение «Автомат». В зависимости от условий плавания, такой режим может длиться от нескольких часов до нескольких десятков суток.

По возможности изменения скорости различают два вида электроприводов:

нерегулируемый, не предусматривающий изменение скорости;
регулируемый, имеющий 2 и более скоростей.

Пример нерегулируемого электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а скорость не регулируется.

Примеры регулируемого электропривода:

1. электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями ;

2. электропривод якорно-швартовного устройства с 6-ю скоростями.

По возможности изменения направления вращения различают два вида электроприводов:

нереверсивный;
реверсивный.

Пример нереверсивного электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а направление вращения не изменяется.

Примеры реверсивного электропривода: 1. электропривод грузовой лебёдки с 2-мя режимами: «подъём» и «спуск»; 2. электропривод якорно-швартовного устройства с 2-мя режимами: «травить» и «выбирать».

По назначению различают 5 видов судовых электроприводов:

1. рулевые;

2. якорно-швартовные (брашпили и шпили);

грузоподъёмные (грузовые лебёдки и краны, лифты);
электроприводы судовых нагнетателей (насосы, вентиляторы, компрессоры);
механизмы специального назначения.

К последней группе относят электроприводы:

подруливающих устройств;
систем кренования и дифферента;
успокоителей качки;систем откренивания судов;
автоматические швартовные лебедки.

Подруливающие устройства предназначены для повышения манёвренности судов. С их помощью судно может перемещаться лагом (бортом) и даже совершать полный оборот на месте. Такие устройства применяют на обычных транспортных судах, а также на судах – паромах, предназначенных для перевозки колёсной техники.

Системы кренования и дифферента применяют на ледокольных судах, для освобождения судна, зажатого во льдах и придания корпусу судна необходимой осадки.

Системы успокоителей качки применяют, в основном, на пассажирских судах и морских паромах.

Системы откренивания судна применяют на судах с горизонтальным способом погрузки (суда типа ро-ро) для выравнивания крена. Применение этих систем повышает безопасность грузовых операций и обеспечивает надёжность работы въездной аппарели.

Автоматические швартовные лебедки применяют на судах с целью поддержания постоянного усилия в швартовном канате при стоянке судна в порту или на рейде. При увеличении натяжения каната лебедка включается и потравливает канат до тех пор, пока усилие в канате не уменьшится до заданного. При уменьшении натяжения каната лебедка включается и набивает канат.

Источник

Лекция: Основы электропривода

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра «Теоретические основы электротехники»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по курсу: «Основы электропривода»

Выполнил: студент группы

Проверил: канд. тех. наук, доцент

Алчевск 2009

СОДЕРЖАНИЕ

1 Определение понятия «электропривод»

2 Классификация электроприводов

3 Режимы работы электропривода

4 Уравнения движения электропривода при поступательном и вращательном движении

5 Влияние параметров />, />, />на вид скоростных (механических) характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование скорости вращения двигателя

6 Влияние параметров />(сопротивление роторной цепи), />, f на вид механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором. Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей

7 Рассчитать для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

с параметрами: ДП-41ступени пусковых сопротивлений. Изобразить схему включения сопротивлений в цепь якоря и соответствующие характеристики

8 Рассчитать для асинхронного двигателя с фазным ротором с параметрами: МТВ311-8ступени пусковых сопротивлений. Изобразить схему включения сопротивлений в цепь ротора и соответствующие расчетные характеристики

Перечень использованной литературы

1 Определение понятия «электропривод»

Электрический приводпредставляет собой электромеханичёское устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.

Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода(рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.

Рисунок 1.1 – Схема автоматизированного электропривода

2 Классификация электроприводов

Электроприводы по способам распределения механической энергииможно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповойэлектропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Структурная схема группового трансмиссионного электропривода

Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному,хотя в ряде случаев еще находит применение и групповойпривод по схеме на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Структурная схема группового электропривода

Индивидуальныйпривод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственныепомещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиямии передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность трудавследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещениярабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.

В трансмиссионном приводе при выходе из строя или при ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или группового по схеме на рисунке 2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины.

Рисунок 2.3 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка

Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например в сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п.

Примером использования индивидуального привода может служить продольно-фрезерный станок (рисунок 2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок).

Взаимосвязанныйэлектропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузокили положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным пли технологическим соображениям.

Примером взаимосвязанного электропривода может служить приводцепного конвейера. На рисунке 2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2),расположеннымивдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость.

Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным управлением, в бумагоделательных машинах, ротационныхмашинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях но производству шинного корда, синтетических пленок и т. д.

—PAGE_BREAK—

Рисунок 2.4 – Схема взаимосвязанного привода конвейера

По виду движенияэлектроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения.

Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем использования электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т. п.) либо применения электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (так называемые линейные электродвигатели, магнитогидродинамическиедвигатели).

По степени управляемостиэлектропривод может быть:

1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий;

2) регулируемый — для сообщения изменяемой пли неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства;

3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой;

4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом;

5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима.

Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает:

1) редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор;

2) безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

По уровню автоматизацииможно различать:

1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;

2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.

Наконец, по роду токаприменяются электроприводы постоянного и переменного тока.

3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы)и переходные (пуск, реверс, торможение).

Установившийся режимработы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками.

Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).

Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.

4 УравнениЕ движения электропривода

Электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, создают вращательное движение; значительная часть машин-орудий также имеет вращающиеся рабочие органы; поэтому представляется целесообразным вывод уравнения движения сделать сначала для случая вращательного движения.

В соответствии с основным законом динамики для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения:

/> (4.1)

В системах электропривода основным режимом работы электрической машины является двигательный. При этом момент сопротивления имеет тормозящий характер по отношению к движению ротора и действует навстречу моменту двигателя. Поэтому положительное направление момента сопротивления принимают противоположным положительному направлению момента двигателя, в результате чего уравнение (4.1) записывается в виде:

/> (4.2)

Уравнение движения привода (4.2) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент />уравновешивается моментом сопротивления />на его валу и инерционным или динамическим моментом />. В этом уравнении принято, что момент инерции привода />является постоянным, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Здесь моменты являются алгебраическими, а не векторными величинами, поскольку оба момента />и />действуют относительно одной и той же оси вращения.

Правую часть уравнения (4-2) называют инерционным (динамическим) моментом (/>), т.е.

/> (4.3)

Этот момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. Из (4.3) следует, что направление динамического момента всегда совпадает с направлением ускорения электропривода.

В зависимости от знака динамического момента различают следующие режимы работы электропривода:

1) />, т.е. />, имеет место ускорение привода при />, и торможение привода при />.

продолжение
—PAGE_BREAK—

2) />, т.е. />, имеет место замедление привода при />, и ускорение при />.

3) />, т.е. />, в данном случае привод работает в установившемся режиме, т.е. />.

В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

Выбор знаков перед значениями моментов зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

Наряду с системами, имеющими только элементы, находящиеся во вращательном движении, иногда приходится встречаться с системами, движущимися поступательно. В этом случае вместо уравнения моментов необходимо рассматривать уравнение сил, действующих на систему.

При поступательном движении движущая сила />всегда уравновешивается силой сопротивления машины />и инерционной силой />, возникающей при изменениях скорости. Если масса тела />выражена в килограммах, а скорость />— в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах (/>).

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

/>. (4.4)

В (4.4) принято, что масса тела />является постоянной, что справедливо для значительного числа производственных механизмов.

Сказанное выше о классификации и знаках моментов полностью справедливо и для сил, действующих на систему.

5 Влияние параметров />, />, />на вид скоростных (механических) характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование скорости вращения двигателя

Регулированием скорости называется целенаправленное принудительное изменение скорости двигателя посредством специального устройства или приспособления, независимо от величины и характера нагрузки, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа механизма. Установленная при регулировании скорость при отсутствии воздействия на регулирующее приспособление в дальнейшем изменяется по механической характеристике электропривода в соответствии с нагрузкой. Регулирование скорости позволяет наиболее рационально использовать производственные механизмы, обеспечить оптимальные режимы их работы и, как правило, уменьшить расход энергии.

Двигатели параллельного возбуждения, питаемые от источника постоянного напряжения, применяются обычно для длительного режима работы, когда требуется широкое регулирование частоты вращения, например для металлообрабатывающих станков, для листоправильных машин в прокатных станах, для главных приводов трубопрокатных станов и т. п.

Выражение скорости вращения двигателя постоянного тока:

показывает, что возможны три принципиально различных способа регулирования угловой скорости двигателя:

1) изменением тока возбуждения (магнитного потока) двигателя;

2) изменением сопротивления цепи якоря посредством резисторов (реостатное);

3) изменением подводимого к якорю двигателя напряжения.

Реостатное регулирование скорости двигателя

Реостатное регулирование скорости электроприводов осуществляется путем изменения активных сопротивлений резисторов, включенных в главные цепи двигателей. При этом для двигателей постоянного тока имеются в виду резисторы, включаемые в цепи обмоток якоря. При регулировании скорости сопротивлением в цепи якоря во всем диапазоне имеем />.

Из уравнения:

видно, что включение добавочного сопротивления в цепь якоря позволяет изменять скорость вниз от скорости идеального холостого хода, при этом жесткость механических характеристик резко уменьшается, особенно при больших значениях добавочного сопротивления (рис. 5.1).

/>/>

Рисунок 5.1 – Схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при реостатном регулировании скорости

Диапазон реостатного параметрического регулирования тока и момента ограничен сверху перегрузочной способностью двигателя по условиям коммутации, а пределы изменения скорости, в которых можно получить заданную точность регулирования, уменьшаются с ростом статической жесткости. Таким образом при условии МС= const диапазон регулирования обычно не превосходит 1/>3.

Потери мощности при реостатном регулировании пропорциональны потребляемой мощности и перепаду угловой скорости, выраженному в относительных единицах. Так, если момент нагрузки постоянен (следовательно, постоянна потребляемая мощность) и угловая скорость двигателя уменьшается вдвое, то примерно половина мощности, потребляемой из сети, будет рассеиваться в виде теплоты, выделяемой в реостате, т. е. данный способ регулирования (реостатный) является не экономичным.

продолжение
—PAGE_BREAK—

Реостатное регулирование скорости осуществляется простыми и дешевыми техническими средствами и обычно находит применение в тех случаях, когда требования к плавности регулирования невелики, продолжительность работы с пониженной скоростью незначительна и применение более совершенных методов регулирования экономически нецелесообразно (вентиляторы, дымососы).

Регулирование скорости двигателя изменением питающего напряжения

Для реализации рассматриваемого способа регулирования необходимо иметь источник питания, напряжение, на зажимах которого может изменяться в широких пределах. Для электродвигателей постоянного тока в качестве таких источников используются различного рода управляемые преобразователи электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашинные и вентильные преобразователи. Регулирование напряжением, так же как и реостатное, осуществляется при постоянном потоке двигателя Ф=Фн=const. Из уравнения

следует, что с изменением />осуществляется регулирование только скорости идеального холостого хода

тогда как жесткость механических характеристик при неизменных параметрах цепи якоря сохраняется. При этом механические характеристики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых, т. е. имеют одинаковую жесткость (как показано на рис. 5.2), что определяет относительно высокую стабильность угловой скорости.

Рисунок 5.2 – Механические характеристики двигателя при изменении питающего напряжения (/>)

Диапазон регулирования />в системах привода без обратных связей ограничивается значением (8/>10):1, а в замкнутых системах может достигать значений 1000:1 и более.

Модуль жесткости механических искусственных характеристик меньше, чем модуль жесткости естественной характеристики. Однако по сравнению с реостатным регулированием при регулировании в зоне низких скоростей модуль жесткости характеристик оказывается значительно большим, что дает возможность существенно расширить диапазон регулирования скорости.

Регулирование угловой скорости осуществляется вниз от основной, так как напряжение, прикладываемое к якорю, в большинстве случаев может изменяться только вниз от номинального (иногда, например, при регулировании угловой скорости двигателя с постоянными магнитами возможно регулирование как вниз, так и вверх от основной скорости — двухзонное).

Оценив технические и экономические показатели параметрического регулирования скорости изменением напряжения, можно прийти к выводу, что высокие технические показатели регулирования скорости покупаются ценой значительного увеличения габаритов и стоимости электропривода. Дополнительные затраты, связанные с введением управляемого преобразователя, полностью окупаются высокой управляемостью системы, обеспечивающей возможность эффективного автоматического управления всеми режимами работы электропривода и точного автоматического регулирования его координат.

Регулирование скорости двигателя изменением потока возбуждения

Этот принцип регулирования следует непосредственно из анализа выражений для скоростной и механической характеристики:

Ток возбуждения, а значит, и поток могут изменяться лишь в сторону уменьшения по сравнению с номинальными, так как по условиям нормальной работы обмотки возбуждения ток в ней не может длительно превосходить номинальную величину. Кроме того, даже кратковременное увеличение />оказывается неэффективным, так как в большинстве случаев магнитные цепи электрических машин уже при номинальном потоке близки и насыщению. Следовательно, речь идет лишь о регулировании скорости путем снижения потока или, как принято говорить, путем ослабления потока возбуждения. Основным достоинством рассматриваемого метода регулирования является то, что мощность обмотки возбуждения невелика и составляет, как правило, 2/>5% мощности двигателя. Для машин малой, а иногда и средней мощности обычно используются резисторы в цепи возбуждения (рис. 5.3, а), а для крупных машин — специальные преобразователи, например генераторы, электромашинные усилители, магнитные усилители, регуляторы напряжения, вентильные преобразователи (рис. 5.3, б).

/>/>

Рисунок 5.3 – Схемы включения двигателя при регулировании скорости изменением магнитного потока

Из равенства

следует, что для того, чтобы при разных потоках />эдс/>была равна одному и тому же номинальному напряжению сети />, частота вращения />должна увеличиваться обратно пропорционально ослаблению потока. Например, если поток ослаблен вдвое, то частота вращения должна увеличиться также вдвое и т. д.

Электромеханическим характеристикам />при изменении тока возбуждения соответствуют различные значения угловой скорости идеального холостого хода, определяемые по:

На рис. 5.4 по оси ординат отложено значение угловой скорости идеального холостого хода />для естественной характеристики, когда поток />.

Значения угловых скоростей идеального холостого хода при ослабленном потоке />и />лежат, очевидно, выше />.

/>/>

Рисунок 5.4 – Электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при регулировании угловой скорости током возбуждения

Все электромеханические характеристики пересекаются с осью абсцисс в одной точке. Последнее следует из того, что при />уравнение для любой электромеханической характеристики имеет вид:

откуда определяется ток в якоре двигателя

/>.

Следовательно, при различных токах возбуждения и при угловой скорости двигателя, равной нулю, ток в якорной цепи равен току короткого замыкания двигателя. Этим значением тока и определяется общая точка пересечения электромеханических характеристик.

Механические характеристики, показанные на рис. 5.4, имеют те же значения угловых скоростей идеального холостого хода, что и для электромеханических характеристик. Это следует из />. Однако эти характеристики не пересекаются в одной точке на оси абсцисс, так как по мере уменьшения потока уменьшается и момент короткого замыкания, определяемый по формуле:

Диапазон регулирования ограничивается различными факторами. Главным из них является ухудшение условий коммутации с возрастанием угловой скорости, поскольку реактивная ЭДС, вызывающая искрение на коллекторе пропорциональна току и угловой скорости, т. е. />. Кроме того, при больших угловых скоростях требуется повышать механическую прочность якоря. Нижний предел угловой скорости ограничивается степенью насыщения машины и нагревом обмотки возбуждения, т. е. номинальной угловой скоростью. Большинство двигателей независимого возбуждения, не предназначенных для регулирования скорости, и допускают повышение ее только на 10/>20%. Двигатели, специально сконструированные для работы с регулированием скорости, дают возможность работать со скоростью, в 3/>5 раз превышающей скорость идеального холостого хода при номинальном значении магнитного потока.

Стабильность угловой скорости при регулировании определяется относительным перепадом угловой скорости при изменении нагрузки. В данном случае при номинальном токе якоря как />, поэтому независимо от тока возбуждения относительный перепад сохраняется одним и тем же для естественной и искусственной характеристик, т. е. угловая скорость сравнительно стабильна.

Следует отметить, что ослабление потока однозначно приводит к росту скорости только в том случае, когда момент нагрузки на валу двигателя обратно пропорционален скорости. Если же />= const, то увеличение скорости будет иметь место лишь до определенного значении />. При дальнейшем снижении потока начнется и снижение угловой скорости, так как в случае />= const ослабление потока приводит к увеличению тока якоря />, а значит, и к увеличению падения напряжения на сопротивлениях цепи якоря. Начиная с некоторого значения потока в процессе его снижения рост скорости идеального холостого хода />идет медленнее, чем уменьшается скорость, обусловленная падением напряжения на />.

продолжение
—PAGE_BREAK—

Оценивая энергетические показатели данного способа регулирования скорости двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, необходимо отметить, что потери в силовой цепи двигателя и его кпдтакие же, как и при работе на естественной характеристике. Следует также учитывать, что в связи с относительно малой мощностью цепи обмотки возбуждения по сравнению с номинальной мощностью двигателя затраты на регулировочные устройства (реостаты или преобразователи в цепи обмотки возбуждения) невелики.

Двигатели независимого возбуждения, регулируемые путем ослабления потока, широко применяются для привода механизмов, мощность которых с изменением скорости остается постоянной.

6 Влияние параметров />(сопротивление роторной цепи), />, fна вид механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором. Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей

впоследние годы с развитием полупроводниковой техники все большее внимание уделяется применению различных систем регулируемых электроприводов переменного тока с асинхронными двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором.

Применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, повышенной надежностью, существенно (в 2/>3 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме того, некоторые способы регулирования угловой скорости не требуют специальных преобразовательных устройств.

Отмечая достоинства двигателей переменного тока, нельзя не обратить внимания на то, что относительно простые способы регулирования угловой скорости электроприводов переменного тока обладают и рядом недостатков, к которым можно отнести в одном случае небольшую плавность, в другом — невысокие энергетические показатели и т. д. Более эффективные способы регулирования осуществляются при помощи сравнительно сложных преобразовательных устройств и средств управления.

Наибольшее распространение получили следующие способы регулирования угловой скорости асинхронного двигателя: 1) реостатное регулирование; 2) переключением числа пар полюсов; 3) частотное регулирование; 4) изменением напряжения на статоре; 5) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или преобразователями. Для регулирования угловой скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые другие способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование изменением подводимого к статору напряжения, регулирование с помощью электромагнитной муфты скольжения и др.

Реостатное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей

Введение резисторов в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и для двигателей постоянного тока, регулировать угловую скорость двигателя. Регулирование осуществляется вниз от основной угловой скорости. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемых резисторов.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором применяется регулирование скорости путем изменения сопротивлений в цепи ротора, а для двигателей с короткозамкнутым ротором используются сопротивления в цепи статора, как это показано на рис. 6.1

/>а) />б)

Рисунок 6.1–Схемы включения резисторов в цепь ротора а) и статора б)

/> /> (6-1)

Согласно выражениям (6-1) при увеличении активного сопротивления вторичной цепи увеличивается критическое скольжение, и механическая характеристика становится более мягкой (см. рис. 6.2).

/>/>

а) б)

Рисунок 6.2 – Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением сопротивления в цепи ротора а) и статора б)

При увеличении скольжения в 2 раза по сравнению с номинальным, т. е. при снижении скорости всего лишь на 8/>15%, допустимый момент уменьшается в 2 раза. По этой причине диапазон регулирования обычно не превышает (1,5/>2):1.

При неизменном моменте нагрузки и реостатном управлении потери мощности в роторной цепи изменяются пропорционально скольжению, а потери в статоре не зависят от скольжения и остаются неизменными при данном моменте нагрузки. Если, например, скорость двигателя снижена вдвое по сравнению с номинальной, то примерно половина всей потребляемой из сети мощности теряется в регулировочных резисторах. Следовательно, с ростом регулировочного сопротивления при одном и том же скольжении снижается к. п. д.

Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии в добавочном сопротивлении и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены.

К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно.

Реостатное регулирование скорости асинхронного двигателя с фазным ротором продолжает находить практическое применение при невысоких требованиях к точности регулирования.

Реостатное регулирование благодаря своей простоте находит практическое применение, например, в приводе подъемно-транспортных устройств, вентиляторов и насосов малой и средней мощности (до 100 кВт).

Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода изменением напряжения

Если регулировать напряжение, подводимое к трем фазам статора асинхронного двигателя, то можно, пренебрегая влиянием регулирующего устройства на характеристики двигателя, изменять максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Для изменения напряжения на зажимах статора могут использоваться различные устройства: автотрансформаторы, дроссели насыщения, тиристорные регуляторы напряжения.

В случае ненасыщенной магнитной цепи машины максимальный момент при пониженном напряжении снижается пропорционально квадрату напряжения:

где />, />– соответственно максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном напряжениях; />, />— соответственно пониженное и номинальное напряжения.

Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя.

Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного регулятора напряжения угловая скорость регулируется бесступенчато.

Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре приведены на рис. 6. Из этих характеристик следует, что пределы регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки, но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропривода. В действительности вследствие уменьшения критического скольжения из-за влияния параметров регулирующего устройства пределы регулирования в разомкнутых системах еще уменьшаются.

Так как большие потери мощности скольжения в двигателе с короткозамкнутым ротором выделяются в самом роторе, то допустимый момент резко уменьшается по мере роста скольжения, поэтому такой неэкономичный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно использовать только при малой мощности двигателя и в кратковременном режиме работы.

Рисунок 6.3 – Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре

Лучшее использование двигателя и более благоприятные характеристики могут быть получены, если применить двигатель с фазным ротором, в роторную цепь его включить дополнительный нерегулируемый резистор и регулировать напряжение на статоре (рис. 6.4, а). Механические характеристики для рассматриваемого способа приведены на рис. 6.4, б. Преимущество этого способа по сравнению с реостатным заключается в том, что управление двигателем осуществляется плавно и исключается контактная аппаратура в роторной цепи.

Потери энергии в приводе получаются примерно такими же или несколько больше, как и при реостатном регулировании; потери мощности скольжения в основном выносятся из двигателя и выделяются в дополнительном резисторе, что увеличивает допустимый момент. Этот способ может быть использован при вентиляторной нагрузке для продолжительного режима, а при Мс= const для кратковременного режима работы. Очевидно, что регулирование изменением напряжения может быть осуществлено только вниз от основной угловой скорости.

Механические характеристики (рис. 6.4, б) по мере снижения напряжения становятся мягкими и не обеспечивают стабильности угловой скорости при возможном отклонении нагрузки. Кроме того, наличие постоянно включенного резистора приводит к недоиспользованию двигателя по скорости (угловая скорость всегда меньше номинальной) и по мощности. Повышение стабильности угловой скорости и расширение диапазона регулирования до (5/>10):1 достигается в замкнутых системах.

продолжение
—PAGE_BREAK—

/>/>

Рисунок 6.4 – Схема включения двигателя с фазным ротором с нерегулируемым резистором в роторной цепи и регулированием напряжения на статоре (а) и механические характеристики (б)

Для регулирования напряжения используются как тиристорные регуляторы напряжения с фазовым управлением, так и реакторы насыщения, автотрансформаторы и импульсные, например тиристорные или контактные регулирующие устройства.

Если регулирование скорости осуществляется с помощью тиристорного регулятора напряжения с фазовым управлением, то возникают дополнительные потери в двигателе, обусловленные высшими гармониками в кривой напряжения. Потери в меди статора и ротора за счет высших гармоник возрастают в среднем на 10%. Общие электромагнитные потери в меди и стали двигателя, рассчитанные с учетом высших гармоник, возрастают не более чем на 10—12% по сравнению с общими потерями, определенными при синусоидальном напряжении.

При снижении напряжения, подводимого к статору, уменьшается магнитный поток двигателя, что при постоянстве момента нагрузки приводит к возрастанию токов ротора и статора, поэтому возрастают потери и превышение температуры обмоток двигателя. Возрастание потерь и, кроме того, ухудшение условий вентиляции двигателя с уменьшением угловой скорости приводит к необходимости снижения допустимого момента.

Регулирование скорости изменением напряжения, подводимого к статору, находит применение преимущественно при использовании двигателей небольшой мощности (до 20/>30 кВт) с контактными кольцами при включении дополнительного сопротивления в роторной цепи для механизмов повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы.

Частотное регулирование скорости асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения />следует непосредственно из выражения:

/>.

Питание асинхронных двигателей осуществляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рис. 6.5, энергия к которому подводится от сети постоянной частоты f1Си напряжения U1С. На выходе преобразователя, как правило, меняется не только частота f1, но и напряжение U1. Для преобразования частоты могут быть использованы электромашинные или полупроводниковые устройства, различающиеся по принципу действия и конструкции.

Рисунок 6.5 – Схема включения асинхронных двигателей, получающих питание от преобразователя частоты

При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника питания. Действительно, э. д. с. обмотки статора асинхронного двигателя пропорциональна частоте и потоку:

С другой стороны, пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора, т. е. полагая />, можно записать:

Или />

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания />и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты />приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом. Увеличение частоты />приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствии, с выражением />приводит к возрастанию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки.

Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления.

Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряжение при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки.

По мере снижения частоты при />падает доля э. д. с. по отношению к приложенному напряжению вследствие относительного возрастания падения напряжения в сопротивлении статора с ростом нагрузки, что приводит к уменьшению магнитного потока, а, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Как следствие убывания магнитного потока и абсолютного критического скольжения по мере снижения частоты падает максимальный момент и снижается жесткость механических характеристик (см. рис. 6.6).

Рисунок 6.6 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении по закону />.

Изменение частоты источника питания позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5/>2 раза. Указанное ограничение обусловлено, прежде всего, прочностью крепления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности потерь, связанные с потерями в стали статора. Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне до 10/>15. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20–30. Использование двигателей специальной конструкции дает возможность расширить диапазон регулирования за счет увеличения верхнего предела скорости. Нижний предел скорости может быть уменьшен путем введения в схему управления различных обратных связей.

Если при регулировании частоты напряжение изменяется таким образом, что Ф=const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным (/>).

Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. Это следует из выражения

с учетом того, что двигатель при изменении частоты работает на линейных участках механических характеристик, т. е. при малых скольжениях s. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализовать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (например, для центрифуг, шлифовальных станков, для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования преобразователей частоты, которые в настоящее время характеризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток ограничивает применение частотноуправляемых электроприводов. Тем не менее, преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию преобразователей частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.

В случае создания приемлемых по сложности и стоимости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.

Перечень ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Чиликин М. Г., Общий курс электропривода: учебник для вузов / М. Г. Чиликин, А.С. Сандлер.– 6-е изд. доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с., с ил.

2) Основы автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, М. М. Соколов, В. М. Терехов, А. В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. –568 с., с ил.

3) Чиликин М. Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. – М.: Энергия, 1979. – 616 с., с ил.

4) Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. / С. Н. Вешеневский. – 6-е изд., исправленное. – М.: Энергия, 1977. – 432 с., с ил.

5) Зимин Е.Н. Автоматическое управление электроприводами: учеб. пособие для студентов вузов. / Е. Н. Зимин, В.И. Яковлев. – М.: Высш. школа, 1979. – 318 с., с ил.

6) Андреев В. П. Основы электропривода: учеб. пособие для студентов вузов. / В. П. Андреев. 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1963. – 772 с., с ил.

7) Ключев В. И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов. / В. И. Ключев, В. М. Терехов. – М.: Энергия, 1980. – 360 с., с ил.

Источник

Этот режим используется
в подъемных установках для спуска груза с малыми скоростями («силовой спуск»).

Режим противовключения
чаще используется для остановки или изменения направления вращения двигателя
путем перемены полярности напряжения, подводимого к якорю (рисунки 3.9, 3.10).
При этом ток якоря изменит направление на обратное, изменится соответственно и
знак момента двигателя, который будет направлен, до остановки двигателя, в сторону,
противоположную скорости:

Схема включения
двигателя последовательного возбуждения (ДПТ ПВ) приведена на рисунке
4.1. Уравнения механической и электромеханической характеристик
соответствуют уравнениям для ДПТ НВ. Главным отличием является то,

Зависимость Ф = φ(I) –
характеристика намагничивания – не имеет простого аналитического описания и ее
примерный вид изображен на рисунке 4.2. Построение
характеристик ДПТ ПВ производится либо по данным, представленным заводом
изготовителем в табличной или графической форме, либо с использованием
универсальных характеристик, приведенных в специальной литературе (рисунок 4.3).

Последние представляют собой зависимости момента и
скорости от тока двигателя в относительных единицах. Переход к абсолютным
единицам производится через базовые номинальные величины. Построенная таким
образом механическая характеристика ДПТ ПВ представлена на рисунке 4.4. Жесткость характеристики непостоянна в диапазоне изменения
нагрузки. Такая
форма обеспечивает плавный пуск при значительной нагрузке, что определило
применение ДПТ ПВ в транспортирующих агрегатах.

Еще одна ее
особенность – скорость идеального холостого хода (т.е. при I = 0)

Это
означает, что такую машину нельзя запускать без нагрузки на валу. В
реальных машинах величина ω₀ ограничена остаточным магнитным
полем, но может превышать номинальную в десятки раз.

Искусственные
статические характеристики ДПТ ПВ. Реостатные характеристики двигателя
(схема на рисунке 5) можно построить, используя естественную характеристику.

Если скорость
двигателя на естественной характеристике при некоторой нагрузке ω_е,
а на искусственной – ω_и, то

.
(4.3)

Если задана
величина скорости на реостатной характеристике при определенном значении
нагрузки, то соотношение (3) позволяет решить обратную задачу: найти величину
добавочного сопротивления, которое нужно включить, чтобы характеристика прошла
через заданную точку.

При
шунтировании якоря (рисунок 7) при малых нагрузках напряжение на якоре может
быть много меньше номинального, и ток возбуждения при
малой нагрузке стремится не к нулю, а к величине

Поэтому в этой
схеме скорость двигателя при идеальном холостом ходе имеет конечное значение и
механическая характеристика обладает повышенной жесткостью

Кроме
приведенных схем, в приводе с ДПТ ПВ применяются варианты с шунтированием
двигателя (совместно ОВМ и якоря – рисунок 4.9) и
шунтированием возбуждения (рисунок 4.10), которые
необходимо изучить самостоятельно.

Лекция 5

Электромеханические свойства АД в электроприводе

Содержание лекции:

основные
электромеханические соотношения в асинхронном электродвигателе (АД);
естественная и искусственные механические характеристики АД.

Цели
лекции:

— изучить
процессы электромеханического преобразования мощности в АД;

— освоить
расчет и построение естественной и искусственных механических характеристик АД

Асинхронный
короткозамкнутый электродвигатель (рисунок 5.1) и АД с фазным ротором (рисунок 5.2)
широко распространены в электроприводе благодаря большому ресурсу безотказной
работы, высоким показателям в работе, хорошим регулировочным свойствам.

На
рисунке 5.3 представлена схема замещения одной фазы электродвигателя с учетом
параметров намагничивающего контура с активным r_m и индуктивным x_m
сопротивлениями.

В
схеме замещения:

r₁ —
активное сопротивление фазы статорной обмотки;

r₂′ — приведенное к статору активное сопротивление фазы
роторной обмотки;

x₁ — индуктивное
сопротивление фазы статорной обмотки;

x₂′ — приведенное к статору индуктивное сопротивление
фазы роторной обмотки;

x_m
— индуктивное
сопротивление контура намагничивания.

В
соответствии со схемой замещения, роторный ток I₂^’
имеет значение

.
                             (5.1)

Из (5.1) следует, что роторный ток I₂^’
зависит от скольжения s,
т.е. от частоты вращения ротора машины, поскольку

(5.2)

Заметим, что при пуске скольжение
s = 1 (текущее
значение частоты вращения w = 0), а при частоте вращения w=w₀ идеального холостого хода скольжение равно s = 0. Из соотношения
(5.1) следует также, что при пуске роторный ток достигает
максимального значения I_2к^’@ (8¸10)I_ном, и его следует ограничивать.

Частота тока ротора f_p при значении
частоты f_c сетевого напряжения f_p= f_c×s, следовательно, при пуске s = 1 и асинхронная
машина может быть представлена трансформатором напряжения, поскольку f_p=
f_c= 50Гц. По мере разгона двигателя и его работе с
номинальным скольжением s_н, которое не превышает s_н@ 0,1; падает и частота роторного тока
f_p= 1..5Гц.

Мощность Р₁, потребляемая АД из сети,
расходуется на покрытие потерь в контуре намагничивания ∆Р_m и в обмотке статора ∆Р₁, остаток
ее преобразуется в электромагнитную мощность Р_Э,
которая
равна

    .
                                (5.3)

В свою очередь,
, и, решая совместно (5.1) и (5.3), находим
значение электромагнитного момента

. (5.4)

Зависимость (5.4) является описанием механической характеристики АД
и представляет сложную зависимость момента АД от скольжения. Исследуем ее на
экстремум, взяв производную и приравняв ее нулю:

Зависимость (5.4) имеет максимум при критическом значении
скольжения, равном

(5.5)

и
критическом (максимальном) моменте

(5.6)

Заметим,
знак (+) относится к двигательному режиму, а знак (-) к генераторному режиму
машины.

Для практических расчетов, удобнее использовать формулу
Клосса, полученную из выражений (2…), (2…) и (2….)

,
(5.7)

где .

В крупных асинхронных машинах r₁<< r₂^’, и ε ≈0. Механическая характеристика АД имеет вид,
изображенный на рисунке 2.4. Характерные точки характеристики:

1- s=0; М=0,
при этом скорость двигателя равна синхронной;

2-
s=s_ном,
М=М_ном — номинальный

режим работы двигателя;

3-
s = s_к, М
= М_кр.Д
— максимальный момент в двигательном режиме;

4-
s = 1, М = М_п
— начальный пусковой момент;

5-
s = —s_к, М
= М_кр.Г
— максимальный момент в генераторном режиме.

Искусственные механические характеристики АД

Анализируя влияние напряжения питания U на
механические характеристики электродвигателя, имеем на
основании соотношений (5.6) и (5.7),
что критическое скольжение s_к остается
постоянным при понижении напряжения, а критический момент M_кр.д
уменьшается пропорционально квадрату питающего напряжения (рисунок 5.5).

При понижении сетевого напряжения до значения 0,9×U_ном, т.е. на 10% от U_ном, критический момент M_кр.д
уменьшается на 19%. При снижении питающего напряжения для развития прежнего
значения момента двигатель должен работать с большими роторными токами.

При проектировании электродвигателя следует убедиться, что
значение пускового (s = 1) и критического моментов (s = s_к) при минимально возможном напряжении удовлетворяют требованиям рабочей
машины.

Анализируя
влияние активного сопротивления, вводимого в роторную цепь,
на основании соотношений (5.5)-(5.6), что с увеличением роторного

сопротивления,
которое становится равным (r₂^’+ R_доб),
увеличивается критическое скольжение S_к, но величина
критического момента двигателя M_кр.д остается без изменения.

Механические
характеристики приведены на рисунке 12. Метод используется для запуска машины,
когда на время пуска в роторную цепь включается значительное по величине R_доб.
Диаграмма запуска аналогична диаграмме запуска двигателя постоянного тока
независимого возбуждения.

Для расчета искусственных механических характеристик при
введении сопротивления R_доб в роторную цепь используется
соотношение

, (5.8)

где s_и и s_e – скольжения соответственно на
искусственной и естественной характеристиках.

Зная величину R_доб, вводимого в
роторную цепь, для тех же значений момента по соотношению (5.8) производится расчет скольжений s_и
на искусственной
характеристике.

Введение активно – индуктивных сопротивлений в роторную
цепь машины (рисунок 14) используется для поддержания большего постоянства

пускового момента машины по сравнению с естественной характеристикой
машины – механическая характеристика машины в области скольжений 1<s<s_к представляется более плавной кривой.
Критический момент машины M_кр.д и критическое скольжение s_к машины изменяются в соответствии с соотношениями (6) и (7).
Введение активных и индуктивных сопротивлений в
статорную цепь машины (рисунок 15) используется для уменьшения броска пускового
тока машины, поскольку напряжение непосредственно на зажимах статора становится
функцией тока и по мере уменьшения пускового тока (разгон) указанное напряжение
растет и восстанавливается до значения, близкого к U_ном. Вывод
активных и индуктивных сопротивлений из статорной цепи машины осуществляется
релейно — контакторной или бесконтактной схемой.

Лекция 6

Режимы торможения асинхронных двигателей

Цель: изучить способы торможения АД, статические
характеристики АД в тормозных режимах.

Рекуперативное торможение осуществляется при
вращении ротора активным моментом со скоростью ω>ω₀
(рисунок 6.1). Этот же режим будет иметь место, если при
вращении ротора со скоростью ω уменьшить частоту вращения поля статора
ω₀ (участок характеристики bc на рисунке 6.2). Роль активного момента здесь
будет выполнять момент инерционных сил вращающегося ротора. Процесс аналогичен
рекуперативному торможению ДПТ, изученному ранее.

Для осуществления торможения
противовключением необходимо поменять местами две любые фазы статора
(рисунок 6.3,а). При этом меняется направление вращения
поля, машина тормозится в режиме противовключения, а затем реверсируется
(рисунок 3,b).

а)
b)

Рисунок
6.3 – Торможение
АД противовключением

В
подъемных механизмах используется система реостатного противовключения (силовой
спуск – рисунок 6.4). В цепь ротора АД с фазным ротором
вводится добавочное сопротивление, достаточно большое для того, чтобы перевести
режим работы АД в IV квадрант
(точка b).

Специфическим
является режим динамического торможения, которое представляет собой
генераторный режим отключенного от сети переменного тока АД, к статору которого
подведен постоянный ток, а ротор замкнут на сопротивление (рисунок 6.5). Этот режим применяется в ряде случаев, когда после отключения АД от
сети требуется быстрая остановка без реверса. Постоянный ток, подводимый к
обмотке статора, образует неподвижное в пространстве поле. При вращении
ротора в его обмотке наводится переменная ЭДС, под действием которой протекает
переменный ток. Этот ток создает также неподвижное поле. Складываясь, поля
статора и ротора образуют результирующее поле, в результате взаимодействия с
которым тока ротора возникает тормозной момент. Энергия, поступающая с вала
двигателя, рассеивается при этом в сопротивлениях роторной цепи. Величина намагничивающей
силы (НС) поля статора зависит от схемы соединения обмотки статора и величины
постоянного тока. Наиболее распространены две схемы питания цепи статора
постоянным током, показанные на рисунке 6.6. Для удобства
расчетов заменим постоянный ток эквивалентным по величине намагничивающей силы
переменным трехфазным током. В симметричной трехфазной системе с действующим
значением переменного тока I амплитуда намагничивающей силы составит

Обозначая переменный ток I_ЭКВ и приравнивая значения НС, создаваемых
постоянным и эквивалентным переменным током для схемы «звезда» получаем
(рисунок 6.7)

откуда
.

Для схемы
«треугольник»

, и .

а) b)

Рисунок
6.7

Таким
образом, выбрав схему торможения и задавшись величиной постоянного тока, можно
подсчитать эквивалентный по НС переменный ток.

Лекция
7

Регулирование
координат электропривода. Регулирование ДПТ

Цель: изучение основных
параметров регулирования, применение к регулированию ДПТ

В курсе изучаем
регулирование следующих координат электропривода: скорость, момент (ток двигателя),

положение рабочего органа.

Основные
показатели регулирования

1)
Точность
регулирования координат определяется возможными
отклонениями ее от заданного значения под действиями возмущающих факторов,
например, изменений нагрузки при регулировании скорости,
изменений скорости при регулировании момента двигателя, колебаний напряжения
сети и т.д.

2)
Диапазон
регулирования характеризует пределы изменения значений
переменной, возможные при данном способе регулирования:

3)
Плавность
регулирования характеризует число дискретных значений
регулируемого параметра, реализуемых при данном способе регулирования в
диапазоне регулирования. Оценивается коэффициентом плавности

4)
Экономичность
при внедрении регулируемого электропривода
определяется
технико – экономическими расчетами (сопровождается бизнес – планами),
учитывающими затраты и эксплуатационные расходы, которые должны окупаться
повышением производительности и надежности оборудования и качества продукции.

5)
Динамические
параметры регулирования (рисунок 7.1):

а)быстродействие — быстрота реакции электропривода на изменения воздействий:

—t_P – время регулирования, за которое
переменная первый раз достигает установившегося значения;

—
t_max – время первого максимума;

—
t_ПП – общее
время переходного процесса, за которое затухают все его свободные составляющие;

b)Перерегулирование – динамическая ошибка – максимальное
отклонение от x_УСТ

;

с)
колебательность

Регулируемые
электроприводы постоянного тока. Реостатное
регулирование скорости ДПТ НВ. Схема
регулирования и механические характеристики ДПТ НВ при Ф
– var приведены
на рисунках 7.2, 7.3

1.
Точность регулирования

Абсолютная
ошибка регулирования составляет

,
(7.1)

где

Относительная ошибка регулирования

(7.2)

2.

Верхний предел регулирования ограничен
естественной характеристикой ДПТ, нижний – допустимой жесткостью механической
характеристики и потерями в дополнительном сопротивлении. Диапазон
регулирования не превышает D=1.5…2.

3.Плавность
регулирования: Регулирование ступенчатое. Плавность определяется
количеством секций регулировочного сопротивления

4.Экономичность:

4.1 Капзатраты и затраты на обслуживание
невелики по сравнению с ТП-Д.

4.2
Значительные потери мощности при регулировании:

; ,

где
— мощность, потребляемая из сети;

-электромагнитная мощность, преобразуемая в механическую;

— потери мощности в якорной цепи.

, следовательно

то есть, потери
мощности пропорциональны глубине регулирования.

Регулирование
скорости ДПТ НВ изменением магнитного потока.
Схема
регулирования и механические характеристики ДПТ НВ при Ф
– var приведены
на рисунках 7.4, 7.5.

Регулирование
однозонное – вверх от основной скорости. Диапазон регулирования ограничен
верхним пределом скорости, определяемым механической прочностью якоря и
условиями коммутации в коллекторно – щеточном узле и достигает значения
D=6-8. Способ обычно применяется в сочетании с
другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной. В качестве РВ
могут использоваться вентильные или электромашинные возбудители, для ДПТ малой
мощности автотрансформаторы или реостаты.

Регулирование ДПТ НВ в системе «генератор – двигатель» осуществляется по схеме, изображенной на рисунке 7.6.

При вращении якоря
генератора со скоростью Ф_Г ≈
const, ЭДС на его зажимах равна Е_Г
= kФ_Гω_Г и электромеханическая характеристика описывается, как

(7.5)

Таким образом,

регулирование скорости двигателя М3 осуществляется изменением
потока возбуждения Ф_Г (т.е. напряжением якоря) вниз от
естественной характеристики и потока Ф_Д – вверх. Такое
регулирование называется двухзонным и позволяет существенно

увеличить диапазон

регулирования – до
D = 8-10 в разомкнутых
системах и до D = 1000 и более в
замкнутых системах управления.

Регулирование
плавное, т.к. осуществляется в цепях возбуждения. Недостатком является низкий
КПД, связанный с многократными

электромеханическими

преобразованиями
мощности. Суммарный КПД системы равен

Еще
один недостаток системы Г-Д – большие массогабаритные показатели. В
настоящее время эти системы вытесняются приводами с управляемыми вентильными
выпрямителямиэ

Лекция 8

Электропривод постоянного тока по схеме «тиристорный преобразователь –
двигатель» (ТП-Д)

Цель: изучение
характеристик и схемных решений приводов с ДПТ и полупроводниковыми
преобразователями.

Приводы
по схеме ТП-Д (рисунок 8.1) являются наиболее распространенными регулируемыми
приводами постоянного тока.

Уравнения
электромеханической (2.4) и механической (2.5) характеристик при питании якоря
ДПТ от тиристорного преобразователя (ТП) приобретают вид

; (8.1)

, (8.2)

где
R_П – эквивалентное сопротивление тиристорного
преобразователя.

В
результате влияния сопротивления преобразователя, характеристики ЭД в разомкнутой
схеме управления становятся менее жесткими, чем естественная характеристика
(рисунок 8.2). Однако в современных ТП применяются различного рода обратные
связи, стабилизирующие скорость при изменении нагрузки.

Принцип
действия ТП основан на том, что в положительный полупериод питающего напряжения
тиристор, подобно ключу, открывается и подает напряжение к двигателю только
часть этого полупериода (рисунок 8.3). При этом среднее выпрямленное напряжение
на нагрузке U_СР определяется углом задержки отпирания вентиля α, называемым углом
управления.

Пример
схемы ТП (трехфазная нулевая реверсивная) приведен на рисунке 8.4. Для m – фазного
управляемого выпрямителя при непрерывном токе

(8.3)

Таким
образом, в (8.1), (8.2) , где U_d₀ максимальное выпрямленное напряжение
ТП определяется схемой выпрямления и величиной подводимого к схеме напряжения
(вторичного фазного напряжения питающего трансформатора):

U_d₀ =
k_СХU_2Ф.(8.4)

Коэффициент схемы
равен 2.34 для мостовой схемы и 1.17 – для нулевой схемы выпрямления.

Эквивалентное
внутреннее сопротивление преобразователя

R_П=R_Т+п×R_дТ+R_к. (8.5)

Для
мостовых схем R_Т вдвое больше (сопротивление двух фазных обмоток трансформатора).
Значение коммутационного сопротивления

, (8.6)

где

m   — число фаз (для
мостовых схем   m=6).

Величина п
указывает число последовательно соединенных тиристоров (для мостовых схем
удвоенное).

При
анализе статических свойств ТП его структурную схему удобно представить в виде
двух последовательно включенных звеньев (рисунок 9): системы импульсно-фазового
управления (СИФУ) и собственно тиристорного преобразователя (силового блока).
Входным сигналом СИФУ является напряжение управления
U_у, которое преобразуется в угол
регулирования тиристоров α и определяет среднее значение выпрямленного напряжения
U_dна выходе силового блока.

Коэффициент
передачи СИФУ представляет собой отношение приращения угла регулирования к
приращению напряжения управления.

.

(8.7)

Коэффициент
передачи собственно тиристорного преобразователя есть отношение приращения
среднего значения выпрямленного напряжения к приращению угла регулирования
тиристоров

.

(8.8)

Общий
коэффициент усиления зависимого инвертора представляет собой отношение
приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению напряжения
управления

(8.9)

и
в соответствии со структурной схемой

. (8.10)

В
преобразователях используются СИФУ с линейными или так называемыми
арккосинусоидальными характеристиками (рисунок 8.6). Во втором случае получаем
линейную в пределах рабочего диапазона зависимость
Ed = f(Uy).

Лекция 9. Регулируемые
электроприводы с АД

Цель:
ознакомление с возможными вариантами регулируемого ЭП на базе АД.

Частоту
вращения ротора электродвигателя переменного тока можно определить, как

,
(9.1)

где
f — частотa питающего напряжения;

p_п — число пар полюсов;

s
—
скольжение.

Изменяя
один или несколько параметров, входящих в (9.1), можно регулировать
частоту вращения и момент АД. Регулирование частоты вращения короткозамкнутой
машины дискретно (2:1, 3:2, 3:1 и т.д.) осуществляется переключением числа
пар полюсов на основании соотношения (9.1). Обмотка
статора короткозамкнутой машины выполняется секционированной, выводы (начало –
конец) которой располагаются на клеммной коробке и коммутируются релейно –
контакторной частью системы управления.

Существует большое разнообразие схем переключения числа пар полюсов.
При необходимости изменить напряжение на обмотке используют соединение обмоток
треугольником, двойным треугольником, звезда – треугольник и т.д. Широкое
распространение этот вид регулирования получил в станкостроении, грузоподъемной
технике (лифты) и других отраслях. Трудоемкость изготовления многоскоростного
электродвигателя возрастает по сравнению с обычной машиной за счет выполнения
обмотки секционированной.

Регулирование частоты вращения
электродвигателей изменением их скольжения
основано на
введении в цепь ротора АД дополнительного сопротивления или ЭДС, а также
изменении напряжения на статоре электродвигателя.

Изменение добавочного сопротивления в
цепи фазного ротора двигателя позволяет изменять форму механической
характеристики электродвигателя и, следовательно, частоту вращения насосного
агрегата. Мощность скольжения, пропорциональная глубине регулирования, при этом
рассеивается в виде тепла в регулировочных реостатах. Этот способ регулирования
при безусловной простоте и малой стоимости оборудования чрезвычайно
неэкономичны из-за увеличения потерь скольжения пропорционально глубине
регулирования скорости. Обычно они используются для двигателей малой мощности и
формирования пусковых режимов АД.

Регулирование частоты вращения
электродвигателей изменением напряжения на его статоре
осуществляется обычно системой «тиристорный регулятор напряжения –
асинхронный двигатель» (ТРН – АД, рисунок 9.1,в).

Вращающий момент асинхронного
электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, подводимого к
электродвигателю.

При изменении напряжения значение
критического скольжения не изменяется, поэтому максимальный момент при любых
изменениях напряжения соответствует одному и тому же значению критического
скольжения, равному примерно 0,1-0,2. Этим определяется сравнительно узкий
диапазон регулирования по частоте вращения, который может обеспечить этот
способ регулирования. Пределы регулирования можно увеличить, используя АД с
повышенным скольжением или включение добавочного сопротивления в цепь фазного
ротора, а также применяя системы управления, замкнутые по скорости.

При относительной дешевизне и простоте в обслуживании,
основным недостатком данного варианта является то, что энергия скольжения
рассеивается в двигателе, а коэффициент мощности системы уменьшается с
увеличением скольжения двигателя.

В электроприводе по схеме асинхронного
вентильного каскада (АВК –рисунок 9.1,д)
регулирование частоты вращения электродвигателя осуществляется изменением
противо-ЭДС инвертора, вводимой в цепь выпрямленного тока ротора
асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Энергия скольжения ротора
рекуперируется в питающую электрическую сеть через преобразователь АВК,
который состоит из двух основных элементов: неуправляемого выпрямителя и зависимого
инвертора. Согласующий трансформатор необходим в том случае, если номинальное
напряжение питающей сети отличается от номинального напряжения преобразователя
АВК.

Основными достоинствами данной системы по сравнению с вариантом ПЧ-АД
являются меньшая установленная
мощность преобразователя, соответствующая глубине регулирования скорости, и
простота управления. Как положительное качество отмечается также возможность при аварии в преобразователе перейти в нерегулируемый
режим (закоротив ротор) или в режим с пониженной частотой вращения при введении
в цепь ротора резистора.

Вентильный двигатель — электромеханическая
система, состоящая из преобразователя частоты, синхронного электродвигателя и
устройства, указывающего положение его ротора в пространстве (ДПР – рисунок 9.1,г). Преобразователь выполнен с явно выраженным звеном постоянного
тока и состоит из управляемых выпрямителя и инвертора. Коммутация тиристорных
вентилей инвертора в зоне малых частот осуществляется с помощью датчика
положения ротора, а в зоне частот более 3-5 Гц осуществляется по коммутирующей
сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на зажимах электродвигателя с
помощью узла выделения коммутирующей ЭДС. По принципу действия эта система
аналогична электродвигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и
щеточного аппарата выполняют тиристорный инвертор и датчик положения ротора.

Рисунок

9.1 —

Варианты систем регулируемого электропривода с АД

Питание
двигателя частотно – регулируемого электропривода осуществляется
вентильным преобразователем частоты (ПЧ – рисунок 9.1,
а.б), в котором постоянная частота питающей сети преобразуется
в переменную . Пропорционально
частоте изменяется частота
вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя. В настоящее
время для реализации частотного управления машинами переменного тока применяют
различные варианты преобразователей частоты, отличающиеся принципом
действия, схемными решениями, алгоритмами управления и т.д. они достаточно глубоко разработаны. Развитие
элементной базы и техники управления, появление новых датчиков, применение
микропроцессорного и компьютерного управления обусловливают непрерывное совершенствование
системы частотного асинхронного электропривода.

К
достоинствам системы ПЧ-АД следует отнести следующее:

— высокий КПД в широком диапазоне регулирования скорости АД, так как последний
во всем диапазоне регулирования работает с малой величиной скольжения ротора
(малыми потерями скольжения);

— хорошие регулировочные свойства, обеспечивающие возможность плавно
регулировать скорость и формировать требуемые характеристики и законы
регулирования;

— надежность используемого в системе АД с короткозамкнутым ротором.

Законы частотного
регулирования

Для
идеализированного электродвигателя, у которого можно пренебречь
активным сопротивлением статора, основной закон изменения
напряжения при частотном регулировании выражается формулой:

(9.2)

где: М_С1 и М_С2 – моменты статической нагрузки, соответствующее работе двигателя при
частотах f₁ и f₂;

U₁₁ U₁₂— напряжение на двигателе при тех же
частотах.

При
постоянстве момента статической нагрузки напряжение источника питания должно
изменяться пропорционально его частоте.

В этом случае для
идеализированного двигателя сохраняется перегрузочная способность (М_к=const) и закон изменения напряжения примет вид

                                            U₁/
f₁
= const,
                                               (9.3)

При
постоянстве мощности на валу двигателя в процессе регулирования скорости закон
изменения напряжения:

,
(9.4)

При
вентиляторной нагрузке напряжение на статоре должено изменяться по закону:

(9.5)

Механические
характеристики для этого случая представлены на рисунке
9.2.

Лекция 10

Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями

Цель: изучить принцип действия и схемные решения
ПЧ, применяемые в регулируемых приводах переменного тока

В настоящее время для реализации
частотного управления машинами переменного тока применяют различные варианты
преобразователей частоты (ПЧ), отличающихся принципом действия, схемными
решениями, алгоритмами управления и т.д. Исключив из рассмотрения применявшиеся
ранее электромашинные ПЧ с известными их недостатками, остановимся на
современных статических преобразователях.

По принципу формирования выходного напряжения или тока ПЧ можно
подразделить на непосредственные преобразователи частоты (НПЧ, или циклоконверторы)
и ПЧ со звеном постоянного тока.

В НПЧ выходная кривая переменного напряжения (или тока) необходимой
частоты, амплитуды и фазы формируется из кривых напряжения многофазной системы
переменного тока на входе. В устройствах данного типа функции выпрямления
напряжения сети и его преобразование в напряжение или
ток
требуемой частоты выполняются в одном устройстве. Это обусловливает однократное
преобразование энергии и высокое значение КПД, малые габариты и массу НПЧ. Они выполняются
по тем же схемам, что и выпрямители (однофазные, многофазные, нулевые,
мостовые). Для уяснения принципа преобразования на рисунке 10.1 приведена простейшая схема НПЧ, осуществляющего преобразование
трехфазного напряжения промышленной частоты f₁ в однофазное
напряжение регулируемой частоты f₂.

Преобразователь
выполнен по схеме двухкомплектного реверсивного выпрямителя по
встречно-параллельной нулевой схеме. Каждая группа 1V и 2V
открывается на время, равное полупериоду выходного напряжения Т₂/2,
причем

положительная
полуволна формируется при работе группы 1V, отрицательная – группы 2V.
Выходное
напряжениепреобразователя
представляет собой огибающую фазных

напряжений
(рисунок 10.2). Форма этого

напряжения зависит
от числа фаз сети, частоты выходного напряжения, которую можно регулировать
путем изменения длительности проводимости групп 1V и 2V, и т.д.

Недостатком НПЧ является ограниченный диапазон выходной частоты. При
частоте питающей сети, равной 50 Гц, верхний
предел регулирования составляет 25 Гц. Дальнейшее
повышение частоты связано с отказом от естественной коммутации вентилей,
увеличением фаз питания или подачей на преобразователь напряжения повышенной
частоты. Потому область применения НПЧ в регулируемом электроприводе
ограничена тихоходными безредукторными электроприводами и схемами
управления по цепи ротора (машины двойного питания).

ПЧ со звеном постоянного тока можно подразделить на преобразователи с управляемым выпрямителем и
автономными инверторами напряжения или тока (ПЧ с АИ – рисунок 10.3) и ПЧ с неуправляемым выпрямителем и широтно-импульсной модуляцией
выпрямленного напряжения (ПЧ с ШИМ – рисунок 10.4).

Оба варианта ПЧ со звеном постоянного тока широко применяются при частотном
управлении АД, и будут подробно рассмотрены в данном разделе.

Схемные решения силовой части преобразователей, используемых в ПЧ с АИ
и ПЧ с ШИМ, достаточно устоявшиеся – это обычно
классические трехфазные мостовые схемы. Для уменьшения высших гармоник тока
питающей сети и выпрямленного напряжения применяют многофазные схемы
выпрямления. Так как значительное увеличение пульсности преобразователей
(18-ти, 24-х-пульсные схемы) связано с увеличением их стоимости и
конструктивными сложностями, обычно ограничиваются 12-пульсными схемами,
получаемыми последовательным или параллельным включением двух 6-пульсных схем.

На рисунке 10.5 дана схема
трехфазного преобразователя частоты с автономным инвертором, содержащего
трехфазный мостовой управляемый выпрямитель 1В, дроссель фильтра Д1,
конденсатор реактивной энергии С₀ и автономный трехфазный
мостовой инвертор напряжения с коммутирующими емкостями. Двигатель, питающийся
от этого преобразователя, не может работать в генераторном режиме параллельно с
сетью, т.к. выпрямитель 1В обладает односторонней проводимостью энергии.
Для создания возможности генераторного режима необходимо включить встречно –
параллельно выпрямителю 1В зависимый, ведомый сетью инвертор.
Выпрямитель 1В собран на тиристорах V1-V6, диодах V7-V12, емкостях С1-С6.
На блок – схеме обозначено: БУВ – блок управления выпрямителем, БУИ
– блок управления инвертором, УК – устройство коррекции, ДН –
датчик напряжения, ДТ – датчик тока.

Рассмотрим принцип действия АИ без учета электромагнитных
коммутационных процессов, считая тиристоры идеальными ключами (рисунок
10.6).

Для построения алгоритма учитывается, что сдвиг фаз между напряжениями U_а,U_b_, U_c
составляет 2π/3. На рисунке 2.12. отмечена коммутация
соответствующих тиристоров V1-V6. На первом интервале (0-2π/3) открыты ключи V1 анодной
группы и (поочередно) V6
и V2 катодной группы. Ток протекает по цепи
«+»→V1→фаза «а» (начало) → «0» статора→фаза «b» (фаза «с») →V6(V2 )→ «-». К фазе «а» статора будет
приложено напряжение U_П/2. На интервале
(2π/3-π) открыты ключи V3 анодной группы и V2 катодной группы. Ток протекает по цепи
«+»→V3→фаза «b» (начало) →
«0» статора→фаза «c» →V2→ «-».
К фазе «а» статора напряжение не приложено. На интервале (π-5π/3)
открыты ключи V3, V5 (поочередно) анодной группы и V4 катодной группы. Ток протекает по цепи
«+»→V3(V5)→фаза
«b» (фаза «c») → «0» статора→фаза «a» →V4→ «-». К фазе «а» статора будет
приложено напряжение —U_П/2.

Линейное напряжение находится, как
U_ab=U_a—U_b.
Полученная
форма напряжения (рисунок 10.7) показывает, что напряжение
питания в значительной степени отличается от синусоиды. Аналогичное построение
для других фаз показывает, что на выходе сформирована трехфазная система
напряжений, сдвинутых относительно друг друга на 120 эл. градусов.

На
рисунке 10.8 представлен однофазный инвертор напряжения
с ШИМ. Формирование кривой выходного напряжения иллюстрируется рисунком 10.9. В качестве примера рассмотрена двухполярная односторонняя ШИМ, когда
в качестве опорного напряжения используется пилообразное опорное напряжение с высокой частотой , с которой
коммутируются вентили силовых групп.

Длительность
импульсов несущей частоты изменяется с каждым периодом в соответствии с формой
модулирующего напряжения . Это достигается сравнением опорного
напряжения с
модулирующим, и переключение вентилей происходит в момент их равенства.

Тогда выходное напряжение описывается логической функцией

(10.1)

Выходное напряжение, усредненное за период несущей частоты, можно
записать, как

(10.2)

где U_П – выпрямленное напряжение на входе инвертора;

t₁, t₂ – время включенного
состояния вентильных групп;

Т_Н =2π/ω_нес –
период опорного напряжения.

При синусоидальной ШИМ, обеспечивающей минимальное содержание высших
гармонических в U_вых,

(10.3)

где μ=U_M/U_Mmax– относительное
значение глубины модуляции;

U_Mmax – максимальное напряжение модулирующего
напряжения;

ω_вых – частота выходного
напряжения.

Таким образом осуществляется регулирование величины и частоты выходного
напряжения ПЧ с ШИМ.

Лекция 11

Замкнутые системы автоматизированного электропривода

Анализ показывает, что жесткость механических характеристик электропривода с
вентильным преобразователем относительно мала. В связи с этим, с целью
расширения диапазона регулирования скорости в системах вентильного
электропривода постоянного тока, могут использоваться обратные связи, а именно
положительная по току якоря, либо отрицательные по скорости и по напряжению.
Система АЭП с отрицательной обратной связью по скорости представлена на
рисунке 11.1. На рисунке РС – регулятор скорости с
коэффициентом усиления К_РС, ДС — датчик скорости с
передаточным коэффициентом к_дс. На сумматоре алгебраически
складываются напряжения задания по скорости U_зс и
напряжения от датчика скорости U_дс. Напряжение управления равно

U_y = (U_зс – U_дс)×к_рс . (11.1)

ЭДС преобразователя уравновешивается ЭДС
двигателя и падением напряжения на эквивалентном сопротивлении

Е_п
= U_у×к_п =
Е + I×R_Э , (11.2)

где Е =
k×Ф_н×ω — ЭДС якоря
ДПТ;

К_П – коэффициент усиления
преобразователя.

Напряжение датчика скорости пропорционально частоте вращения якоря
двигателя

U_дс =
к_дс× ω.
(11.3)

Совместное решение уравнений (11.1), (11.2) и (11.3) дает выражение (11.4) для электромеханической характеристики привода с отрицательной
обратной связью по скорости

(U_зс
– к_дс× ω)×к_рс×к_п = k×Ф_н× ω + I×R_Э ,

U_зс×к_рс×к_п +
к_дс× ω
×к_рс×к_п = k×Ф_н× ω + I×R_Э ,

(11.4)

где К_д = 1/kФ_Н – коэффициент передачи двигателя.

На
рисунке 11.2 представлены естественная и искусственные
статические характеристики ЭП с ООС по скорости. В замкнутой системе снижение
скорости

и
при к_дс×к_рс×к_п = 0 соответствуют разомкнутой системе. При к_дс×к_рс×к_п → ¥ (т.е. при очень большом коэффициенте усиления) можно получить
абсолютно жесткие характеристики (∆ω = 0). Такие же характеристики
можно получить при интегральном регуляторе скорости.

На рисунке 11.3 представлена схема ЭП с
обратной связью по току. Напряжение управления и ЭДС преобразователя
определяются, как

U_y = (U_зТ ± U_дТ)×к_рТ , (11.5)

Е_п = U_у×к_п =
Е + I×R_Э . (11.6)

Напряжение датчика
тока пропорционально току якоря двигателя

U_дТ = к_дТ× I = β×I× R_Э.. (11.7)

Совместное решение
уравнений (9.5), (9.6) и (9.7) дает выражение (9.8) для электромеханической
характеристики привода с положительной или отрицательной обратной связью по
току

, (11.8)

где (+) – для положительной ОС, (-) – для отрицательной ОС.

При положительной обратной связи по току снижение
скорости

и при к_дТ×к_рТ×β = 0 соответствует разомкнутой схеме, при к_дТ×к_рТ×β = 0
характеристика будет абсолютно жесткой, а при к_дТ×к_рТ×β →∞ — ∆ω→ -∞
(отрицательная жесткость).

Положительная обратная связь по току делает характеристики более жесткими,
чем те же характеристики в разомкнутой системе (см. рисунок
11.4).Отрицательная обратная связь по току обеспечивает
перепад скорости

и применяется для
реализации мягких характеристик ЭП. При к_дТ×к_рТ×β = 1
характеристика будет соответствовать разомкнутой
системе, а при к_дТ×к_рТ×β →∞ —
∆ω→∞ (абсолютно мягкая). В одноконтурных системах АЭП
отрицательная обратная связь, как правило, применяется задержанная, т.е.
вступает в работу при определенной токовой нагрузке. Для задержания ОС
применяется стабилитрон.

С целью ограничения тока в вентильном преобразователе и якоре двигателя
может использоваться задержанная отрицательная обратная связь по току (токовая
отсечка). В этом случае электропривод имеет экскаваторную характеристику. На
рисунке 11.5 представлена
функциональная схема двухконтурной системы электропривода с отрицательной
обратной связью по скорости и отсечкой (задержанной обратной связью) по току.

В зависимости от величины тока якоря, возможны два режима работы привода:

а)
I < I_отс,
½U_дт½< U_{ст VD}.

В
рабочем диапазоне тока работает только одна отрицательная обратная связь по
скорости (сигнал ОС по току не поступает на усилитель).Тогда параметры и
характеристики (при R_зс
= R_дс) описываются
уравнениями (11.1 – 11.4);

б) I > I_отс, ½U_дт½> U_{ст VD}.

В этом диапазоне тока одновременно на входе регулятора скорости действуют
два сигнала ОС:

— сигнал по скорости, который стремится сделать
скоростную

характеристику более жесткой;

— сигнал по току, который стремится сделать скоростную характеристику
более мягкой.

Для получения требуемой характеристики должна преобладать ОС по току.
Сигнал управления становится равен

U_y = (U_зс – U_дс – U_дт + U_ст)×к_рс (11.9)

где U_ДТ = b×I×R_Э — сигнал датчика тока;

U_СТ
– напряжение пробоя стабилитрона.

Решая совместно уравнения (11.2), (11.3) и (11.5), получим выражение (11.10) для второго участка электромеханической
характеристики привода при наличии обратных связей по скорости и по току

[U_зс – ω×к_дс – b×I×(R_a
+ R_п) + U_ст]×к_рс×к_п = с_е×Ф_н× ω + I×(R_a
+ R_п),

.
(11.10)

Статические
характеристики двухконтурной системы АЭП с отрицательной ОС по скорости и
отсечкой по току представлены на рисунке 11.6.

Для того,
чтобы сформировать такую характеристику, необходимо рассчитать параметры

преобразователя,
датчиков скорости и тока, регуляторов, что составляет содержание РГР.

Лекция
12

Переходные процессы в
электроприводах. Общие сведения

Цель: получить понятия о
причинах, формах и характеристиках динамических режимов работы ЭП

Неустановившиеся или переходные процессы
(ПП)
имеют место при переходе привода из одного установившегося состояния к
другому, совершающемуся во времени. При этом в уравнении
движения dω/dt≠0.

Причины возникновения переходных процессов:

— изменение
момента нагрузки М_С;

— изменение
момента двигателя М, т.е. переход привода с одной характеристики на
другую при пуске, реверсе, торможении, регулировании скорости, изменении
какого-либо параметра привода.

Задача
изучения – определение зависимостей ω(t), M(t), i(t) в переходных режимах.

Четыре группы
задач изучения ПП (по уровню допущений):

1.
Преобладающей инерционностью в приводе является механическая инерционность (J); электрические инерционности (L) малы или не проявляются. Фактор,
вызывающий переходной процесс, изменяется скачкообразно (мгновенно).

2. То же,
но при «медленном» изменении воздействующего фактора.

3.
Механическая и электрическая инерционность соизмеримы; фактор, вызывающий
переходной процесс, изменяется мгновенно.

4.
Механическая и электрическая инерционность соизмеримы; фактор, вызывающий
переходной процесс, изменяется не мгновенно.

Переходные процессы при
L=0 и изменениях воздействующих факторов скачком

Все переходные
процессы подчиняются механическому уравнению движения

. (12.1)

Искомые зависимости
ω(t) и М(t) должны быть получены решением (12.1) при заданных
начальных условиях.

а) M=const, M_C=const (рисунок 1)

Пусть привод
работал в точке ω_НАЧ,, М_НАЧ = М_С характеристики
1 и в момент времени t=0 был
мгновенно приведен на новую характеристику 2.

Уравнение (1) в этом случае – ДУ с разделяющимися переменными и его
решение имеет вид

Постоянную
интегрирования С найдем из начального условия ω(t=0)=ω_НАЧ=С.

Окончательно:

.

            (12.2)

Графики переходного процесса приведены на рисунке 12.1. Длительность переходного процесса t_ППможно
определить, подставив в (12.2) ω=ω_КОН
и решив относительно t:

.

                         (12.3)

Рисунок
12.1 Рисунок 12.2

в) M_С=const, M≡ω (рисунок 12.3)

Уравнение
линейной механической характеристики двигателя с отрицательной жесткостью
(например, ДПТ НВ) может быть записано, как

,

           (12.4)

или

,
                      (12.5)

где β=dM/dω – жесткость механической характеристики, для линейной характеристики β=∆M/∆ω.

Из (12.5) и (12.1) получаем

или

Подставив в (12.1) значение dω/dt, полученное из (12.4), получим

или

Коэффициент при
производной

называется электромеханической
постоянной времени. Время разгона привода согласно (12.3) и рисунку 12.3, равно

что соответствует
значению Т_М. Отсюда можно считать, что Т_М
представляет собой время, за которое привод разогнался бы вхолостую из
состояния покоя до ω=ω₀ под действием момента
короткого замыкания. Для ДПТ НВ

и Т_М
можно выразить через параметры двигателя

.
(12.6)

Уравнения для
скорости и момента имеют одинаковый вид и решаются, как

Поскольку
решение представляет собой экспоненту, за время t=3T_M значение х
достигает
0.95 от установившегося значения, т.е. можно считать процесс завершенным.

с) M_С, M нелинейны (рисунок
12.4). В этом случае можно воспользоваться одним из итерационных
методов. Для примера приводим графо – аналитическую интерпретацию пуска АД.

Статическая механическая
характеристика АД М(s) строится по формуле Клосса (5.9) в диапазоне
скольжений от 1 до 0 (двигательный режим). Далее рассчитывается и строится
кривая динамического момента (рисунок 12.4)

которая разбивается на
n участков. На каждом участке динамический момент
равен М_дин_i. Переходя от бесконечно малых приращений к конечным
приращениям, уравнение движения (3) записываем для i – го участка,
как

время пуска на каждом участке

Рисунок 12.4

Лекция 13

Переходные
процессы в ЭП с учетом электромагнитной инерционности

Цель: получить понятия
о формах и характеристиках динамических режимов работы ЭП при ненулевых
индуктивностях ЭД.

В случае,
когда механическая и электрическая инерционность соизмеримы, в расчете ПП
необходимо учесть L≠0. Для
ДПТ НВ расчет сводится к совместному решению уравнения (12.1) и уравнения цепи якоря

. (13.1)

Уравнение движения
ЭП решим относительно тока:

,

             (13.2)

где
I_C – ток якоря, соответствующий
статическому моменту М_С.

Дифференцируем по
времени:

(13.3)

Подставляя (13.2) и (13.3) в (13.1), получим

Обозначив
Т_Я = L_Я/R_Я как электромагнитную постоянную
статора, получаем

. (13.4)

В уравнении (13.4):

ω₀
= U/kФ – скорость
идеального холостого хода;

∆ω_С
= i_CR_ЯΣ – статическое падение скорости;

ω_С
= ω₀— ∆ω_С –
скорость, соответствующая статическому моменту М_С.

Аналогично решая уравнения относительно тока, получим:

(13.5)

На основе
уравнения (13.5) можно записать передаточную функцию
двигателя при регулировании скорости

(13.6)

и
построить соответствующую структурную схему ДПТ НВ (рисунок 3).

Далее
необходимо выбрать метод решения дифференциальных уравнений (или системы
уравнений), описывающих данный динамический процесс. Символьные (аналитические)
способы наиболее точны и предпочтительны, но не всегда осуществимы (сложность и
громоздкость решения или его невозможность). Это классический метод решения ДУ.
Можно воспользоваться готовой формулой h – функции для звена второго порядка и таким путем найти выражение для
скорости (аналогично и для тока) в переходных режимах. Однако эти выражения
будут соответствовать нулевым начальным условиям, что не всегда соответствует
условиям работы реального привода.

Операторный метод решения ДУ предусматривает замену в
уравнениях функций – оригиналов их изображениями в соответствии с
преобразованиями Лапласа, решение полученных алгебраических уравнений (где
дифференцирование и интегрирование заменяются соответственно умножением и
делением) и обратное преобразование полученных результатов. Значительную помощь в проведении символьных расчетов может оказать
использование пакетов символьной математики «Maple» или «Mathematica».

Использование
современных вычислительных средств значительно повысило точность приближенных
численных методов, их быстродействие. Многие математические компьютерные
приложения упрощают применение численных методов расчета и делают их
универсальными. В случае, когда модель (или подсистему) можно достаточно
просто описать и решить аналитическими способами, предпочтение следует отдать
последним. Наиболее распространенными в настоящее время пакетами математических
прикладных программ для инженерных расчетов являются «Mathcad» и «Matlab».

Ниже приведены
кривые переходных процессов асинхронного двигателя, рассчитанные в приложении «Mathcad»

Лекция 14

Нагрузочные диаграммы механизма и двигателя. Нагрев и охлаждение
ЭД

Цель: изучить процессы
нагрева и охлаждения двигателей в различных режимах работы.

Нагрузочные
диаграммы

механизма – зависимости М_С(t) и ω(t) – являются исходными данными для выбора
двигателя. Нагрузочные диаграммы могут иметь любой вид, однако всегда можно
выделить цикл, т.е. промежуток времени t_Ц, через который диаграмма повторяется. Если
характер работы таков, что режимы воспроизводятся плохо (лифт, подъемный кран),
строят диаграммы для наиболее тяжелого цикла. На рисунке 14.1 приведены требуемые нагрузочная диаграмма и тахограмма ω(t)
механизма и
двигателя. Для предварительного выбора двигателя по нагрузочной диаграмме
механизма можно найти средний момент статической нагрузки

,
      (14.1)

где М_С_i – момент статической нагрузки на i-том интервале;

t_i – продолжительность i-того
интервала;

n – число интервалов, где М_С =
const.

Номинальный момент
искомого двигателя может быть найден, как

М_Н = k_ДМ_С.ср, (14.2)

где k_Д =
1.1…1.3 – коэффициент, учитывающий динамические режимы.

В качестве
номинальной скорости следует взять ω_МАКС, если
регулирование однозонное вниз от основной скорости или ω_МИН,
если регулирование однозонное вверх от основной скорости.

По найденным
таким образом значениям М_Н и ω_Н
можно выбрать двигатель по каталогу, определить его момент инерции, построить
механические характеристики, кривые переходных процессов и перейти к построению
нагрузочной диаграммы двигателя М(t). На основании последней производится
проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности и по нагреву.
Проверка по перегрузочной способности сводится к проверке выполнения условия

,
(14.3)

где М_МАКС
– максимальный момент из нагрузочной диаграммы двигателя;

М_ДОП_–допустимый по перегрузке момент двигателя.

Для ДПТ и
синхронных двигателей нормального исполнения М_ДОП = (2 — 2.5)
М_Н, для асинхронного двигателя с учетом возможности снижения
напряжения питания на 10% М_ДОП = 0.8 М_К . Асинхронные
двигатели дополнительно проверяются по пусковому моменту; для нормального
пуска должно выполняться условие

,
(14.4)

где М_С.МАКС
– максимальный момент статической нагрузки, при котором должен
осуществляться пуск привода;

М_П_–пусковой момент двигателя.

Нагрев и
охлаждение двигателей

Допущения:

1.

Двигатель рассматривается, как однородное тело,
имеющее бесконечно большую теплопроводность и одинаковую температуру во всех
точках.

2.

Теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой
степени разности температур двигателя и окружающей среды;

3.

В процессе нагрева двигателя температура окружающей
среды не изменяется.

4.

Теплоемкость двигателя и его коэффициент
теплоотдачи не зависят от температуры двигателя.

Уравнение
теплового баланса

, (14.5)

то есть потери
мощности в двигателе распределяются на тепло, запасенное в двигателе, и тепло, отведенное в окружающую среду. Иначе,

,

                          (14.6)

где

А –
теплоотдача двигателя, Дж/с·˚С;

С –
теплоемкость двигателя, Дж/˚С;

—превышение температуры двигателя над
температурой окружающей среды, ˚С.

Решение уравнения (2):

,
(14.7)

где

τ_уст– установившееся превышение температуры
двигателя, ˚С;

Т_н– постоянная времени нагрева двигателя, с.,

.
(14.8)

Кривые 1, 2
нагрева двигателя на рисунке 14.2 иллюстрируют процесс
нагрева двигателя при пуске с различной нагрузкой, кривая 3 — процесс
увеличения нагрузки на валу машины. Т_Н определяется по
касательным, проведенным к соответствующим кривым.

На рисунке
14.3 приведены кривые охлаждения двигателя для случаев снижения нагрузки
(кривая 1) и отключения двигателя от сети при различной нагрузке (кривые 2,3).

Найденные
закономерности позволяют выделить типовые режимы работы двигателей по
нагреву.

Продолжительный
режим работы двигателя (S1) –
режим работы двигателя при неизменной нагрузке, продолжающийся столько времени,
что температура двигателя достигает установившегося значения. Этому режиму
соответствует условие t_Р >3T_Н (рисунок 14.4).

При кратковременном
режиме работы (S2) за время
работы t_Р перегрев двигателя не успевает достичь установившейся величины, а за
время паузы t₀ двигатель охлаждается до температуры окружающей среды (рисунок 14.5). При этом t_Р < 3T_Н, а t₀ >3T_Н.

Повторно-кратковременный режим (S3) соответствует условиям t_Р < 3T_Н, t₀ <3T_Н, т.е. за время работы перегрев не
достигает τ_УСТ, а за время паузы не становится равным нулю
(рисунок 14.6).

При
достаточно долгом повторении циклов процесс устанавливается,
т.е. температура перегрева в начале и конце цикла одинакова и ее колебания
происходят около среднего уровня τ_СР. Повторно-кратковременный
режим характеризуется относительной продолжительностью включения ε или ПВ:

;          .
                (14.9)

При
повторно-кратковременном режиме ограничивается как ε (ε ≤ 0.6),
так и время цикла (t_Ц ≤10 мин.).

Лекция 15

Проверка двигателей по
нагреву. Методы эквивалентных величин.

Цель: научиться выбирать
мощность двигателя для различных видов нагрузки.

Проверка
двигателей по нагреву в продолжительном режиме работы может
проводиться методом средних потерь. Пусть нагрузочная диаграмма носит
циклический характер и имеет вид, представленный на рисунке 7. В таком случае
количество тепла, запасенное в начале цикла, не отличается от количества тепла,
запасенного в двигателе в конце цикла, т.е. все выделившееся за цикл тепло
отводится в окружающую среду:

,
(15.1)

Средняя за цикл
мощность потерь пропорциональна средней температуре перегрева. Для номинального
режима

.
(15.2)

∆Р_Н
– номинальная мощность потерь, равная

,
(15.3)

где Р_Н –
номинальная мощность двигателя;

η_Н
– номинальный КПД двигателя;

τ_Н
= τ_ДОП – номинальная (допустимая) температура перегрева двигателя.

Сравнивая (12.1) и (12.2), приходим к формулировке метода
средних потерь. Если средняя за цикл мощность потерь не превосходит номинальную
мощность потерь (∆Р_СР ≤ ∆Р_Н), то
средняя температура перегрева не превышает допустимую ( τ_СР
≤ τ_Н = τ_ДОП). Последовательность
проверки следующая. Для каждого уровня нагрузки двигателя (рисунок 15.1) по кривой η(М) определим значение КПД η_i , вычислим мощность P_i =M_iω_i
и определим потери

Затем вычислим
средние потери

(в примере
n=3) и сравним их с ∆Р_Н ,
определенными по (15.3). Если ∆Р_СР
≤ ∆Р_Н , двигатель выбран правильно. Если окажется,
что ∆Р_СР > ∆Р_Н , двигатель будет
перегреваться, что недопустимо. Если же ∆Р_СР « ∆Р_Н
, двигатель будет плохо использован по нагреву. В обоих случаях необходимо
выбрать другую мощность двигателя, перестроить нагрузочную диаграмму и вновь
провести проверку.

Если в
распоряжении расчетчика в результате построения нагрузочной диаграммы имеются
кривые тока I(t), проверку
двигателя по нагреву можно провести без вычисления потерь, используя метод
эквивалентного тока.

Потери в ЭД
можно рассматривать как сумму постоянных потерь k, не зависящих от нагрузки и переменных потерь I²R, целиком
определяемых нагрузкой

К
постоянным потерям относятся механические, вентиляционные и потери в стали,
которые зависят от напряжения, скорости и т.п. , и практически не зависят от
нагрузки.

Назовем
эквивалентным током такой неизменяющийся по величине ток, при работе с которым
в электрическом двигателе выделяются потери, равные средним потерям при
переменном графике нагрузки, т.е.

Средняя
мощность потерь за цикл при переменном графике нагрузки двигателя и
продолжительном режиме работы

Выразив потери на
каждом участке графика через постоянную и переменную составляющие и заменив
средние потери их значением через эквивалентный ток, получим

Открыв скобки и
сгруппировав постоянные и переменные потери, получим

откуда
эквивалентный ток при переменном графике нагрузки

или, в общем случае

Вычисленный таким
образом ток сопоставляется с номинальным током выбранного двигателя, и при I_ЭКВ ≤ I_Н двигатель удовлетворяет условиям
нагрева.

Если
магнитный поток ЭД в цикле постоянен, то, учитывая, что М =
cI, который вычисляется по формуле

Условие проверки по
нагреву — М_ЭКВ ≤ М_Н .

При
нагрузочной диаграмме, заданной в виде графика мощности, и при работе ЭД с
постоянным потоком ипрактически постоянной скоростью, можно использовать метод
эквивалентной мощности, вычисляемой, как

В этом случае
условие проверки по нагреву — Р_ЭКВ ≤ Р_Н .

Для
проверки двигателей по
нагреву в повторно – кратковременном режиме
(ПКР) работы используется понятие
относительной продолжительности включения (ПВ) – отношения суммы времени работы
двигателя ко времени цикла

Для работы в ПКР
используются специальные серии электродвигателей. Стандартом установлены пять
значений ПВ: 15, 25, 40, 60 и 100%, для которых завод – изготовитель определяет
номинальную мощность, ток и т.п. и дает эти величины в каталогах. Нам остается
привести реальный график к идеальному, стандартному, приведя эквивалентный
рабочий ток при заданной ПВ I_ε к рабочему току при ближайшем при стандартном значении ПВ
I_εC

Полученный таким образом рабочий
ток I_εC, приведенный к
стандартному значению ПВ, сопоставляется с номинальным током двигателя при том
же значении ε_С и если I_εC,≤
I_Н,
то двигатель
удовлетворяет требованиям нагрева.

Двигатели, работающие в
кратковременном режиме (КР), обычно недоиспользованы в тепловом отношении,
поэтому их выбор и проверка производится по перегрузочной способности. Если ЭД
выбирается из серии, специально предназначенной для работы в КР, то приводят
реальную нагрузочную диаграмму к расчетной и сравнивают полученные величины
(ток, момент) с указанными в каталоге для данного расчетного режима.

Содержание

1. Лекция 1 Состав
и назначение систем автоматизированного электропривода. Уравнение движения
электропривода. …………………….…3

2. Лекция 2 Типовые статические нагрузки электропривода. Статическая
устойчивость. Электромеханические и механические характеристики двигателей
постоянного тока независимого возбуждения……….………….….7

3. Лекция 3 Искусственные
электромеханические и механические характеристики ДПТ НВ. Режимы
торможения ДПТ НВ………………………11

4. Лекция 4 Электромеханические свойства ДПТ последовательного возбуждения……………14

5.
Лекция 5 Электромеханические свойства АД в электроприводе…….17

6. Лекция 6 Режимы торможения асинхронных двигателей…………….21

7. Лекция 7 Регулирование координат электропривода.
Регулирование ДПТ….…………………..24

8. Лекция 8 Электропривод постоянного тока по схеме
«тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д) ……………27

9. Лекция 9 Регулируемые электроприводы с АД……………………….32

10. Лекция 10 Преобразователи
частоты для управления асинхронными двигателями……….….36

11. Лекция 11 Замкнутые системы
автоматизированного электропривода……..…41

12. Лекция 12
Переходные процессы в электроприводах. Общие сведения……………45

13. Лекция 13 Переходные
процессы в ЭП с учетом электромагнитной инерционности…….….49

14. Лекция 14 Нагрузочные диаграммы механизма и
двигателя. Нагрев и охлаждение ЭД………….52

15. Лекция 15 Проверка
двигателей по нагреву. Методы эквивалентных величин………….55

Список
литературы

Основная

1.

С.А.Ковчин, Ю.А.Сабинин. Теория электропривода.
Учебник для вузов.
Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 2000г.

2.

М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. Общий курс
электропривода. Учебник для вузов М.:
Энергоатомиздат, 1986г.

3.

В.В. Москаленко. Автоматизированный электропривод.
Учебник для вузов М.: Энергоатомиздат, 1986г.

Дополнительная

1. М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. Общий курс электропривода. Учебник для вузов М.: Энергоатомиздат,
1986г.

2. Балагуров В.А.
Проектирование специальных электрических машин. — М. Высшая школа, 1982.
–272с.

3. Азбукин Ю.И., Аврух В.Ю. Модернизация
турбогенераторов. — М.: Энергия, 1980.-232 с.

Источник

Конспект лекций

С о д е р ж а н и е

Лекция: Основы электропривода

Электромеханические свойства АД в электроприводе

5. Лекция 5 Электромеханические свойства АД в электроприводе…….17

Список литературы

5.
Лекция 5 Электромеханические свойства АД в электроприводе…….17

Список
литературы