ТЭП-Курс_лекций_04-2006

MНОМ MK Sin300 ,

1

MНОМ 2 MK .

Перегрузочная способность:

MНОМ

Рис.64 Угловая характеристика СД

2.6.1 Пуск СД. Механические характеристики в пусковом режиме

При пуске мощных СД, по обмотке ротора которого протекает постоянный ток, ротор должен разогнаться до синхронной скорости (до скорости вращающегося магнитного поля 0 )

за время, в течение которого угол изменяется от 0 до 2. При этом, если двигатель не успеет за указанное время разогнаться до синхронной скорости, то электромагнитный момент начинает снижаться, а при 1800 знак вращающегося момента изменяется на противоположный. Вследствие этого, на ротор двигателя будет действовать знакопеременный момент, исключающий возможность разгона двигателя; и сопровождающийся бросками тока.

Частота изменения момента соответствует 100Гц, поэтому для обеспечения благополучного запуска СД, ротор предварительно должен быть приведен во вращение со скоростью близкой к синхронной. Такой способ запуска СД называют асинхронным пуском.

Асинхронный пуск проводится в 2 этапа.

1.Разгон до подсинхронной скорости: 0 0.95 0 .

2.Втягивание в синхронизм: 0.95 0 0 .

Для того, чтобы успешно реализовать 1-ый этап, обмотку ротора замыкают на разрядное резистивное (активное) сопротивление, предварительно отключив её от источника постоянного напряжения. Ротор снабжают дополнительной пусковой (демпфирующей) обмоткой типа беличьего колеса. При этом вспомогательная обмотка выполняет одновременно две функции.

1)Пусковая функция: создание достаточного по величине начального пускового момента MПУСК , при одновременном ограничении тока ротора.

2)Демпфирующая функция: успокоение колебаний при переходных процессах в синхронном двигателе.

а). Разрядное сопротивление RРАЗР , вводимое в цепь обмотки ротора, также выполняет од-

новременно 2 функции:

Гашение перенапряжения, возникающего на зажимах ОВ в момент запуска.

61

б) Увеличение активного сопротивления ротора, что, как известно, при работе в асинхронном режиме влечёт за собой увеличение пускового момента MПУСК (см. реостатные харак-

теристики АД).

Возникновение перенапряжений на зажимах ОВ при асинхронном пуске двигателя объясняется тем, что в процессе пуска синхронный двигатель со стороны ОВ аналогичен повышающему трансформатору, за счёт того, что число витков ОВ ротора значительно больше числа витков обмотки фазы статора. Поэтому при питающем напряжении двигателя U 0.4кВ, пере-

напряжение на зажимах ОВ dU 6кВ с. Таким образом, с помощью введения разрядного со- dt

противления в цепь ОВ удаётся большую часть этого перенапряжения погасить на разрядном резисторе.

После достижения двигателем подсинхронной скорости 0,95 0 начинается 2-ой этап.

ОВ подключают к источнику постоянного тока возбуждения, соответственно отключая от разрядного резистора. При этом для того, чтобы двигатель успешно преодолел оставшуюся часть разгона от 0.95 0 до 0 (успешно втянулся в синхронизм) необходимо создать в СД достаточ-

ное по величине значение электромагнитного момента, который называется входным моментом MВХ . Очевидно, что MВХ должен быть больше статического момента сопротивления MС .

Кроме того, при подключении к ОВ цепи постоянного тока создаётся статическое магнитное поле, которое при взаимодействии с магнитным полем создаёт тормозной момент MT , т.е.

MВХ MC MT . Следовательно, правильный выбор добавочного сопротивления RДОБ , вводи-

мого в цепь ротора, при асинхронном пуске имеет большое значение для процесса разгона до асинхронной скорости и для процесса втягивания в синхронизм.

Проиллюстрируем это с помощью 2-х характеристик СД, приведенных на рис.65: 1 - при меньшем значении RДОБ .

2 - при большем значенииRДОБ .

Чем больше RДОБ , тем больше пусковой момент MПУСК . Чем больше разрядное сопротив-

ление RРАЗР , тем двигатель сложнее втягивается в синхронизм. Правильный выбор RРАЗР опре-

деляется, в основном, типом производственного механизма (характер зависимости MС от угло-

вой скорости).

Например, для ЭП поршневых насосов RРАЗР рассчитывают так, чтобы MВХ MПУСК ,

MC . Для привода центробежных машин рассчитывается так: MВХ 2.5MПУСК , MC 2 .

Кроме того, есть ещё один фактор, который влияет на расчёт RРАЗР . Дело в том, что кроме момента созданного дополнительной пусковой обмоткой ротора, есть ещё одна составляющая момента, создаваемая в статорной обмотке вращающейся ОВ. Это составляющая магнитного потока не 3-х фазная, а однофазная.

Рис.65 Механическая характеристика СД при асинхронном пуске - f (M)

В процессе «асинхронного пуска» синхронной машины на ротор действуют два момента:

62

- асинхронный момент МАС - электромагнитный момент, создаваемый вспомогательной,

короткозамкнутой обмоткой «беличье колесо»; - синхронный момент МС - момент, создаваемый обмоткой возбуждения.

Синхронный момент складывается из прямого МПР и обратного МОБР моментов:

МС МПР МОБР

Прямая составляющая МПР действует в направлении МАС :

МПР f2 f1S ,

где f2 - частота токов в обмотке ротора.

Обратная составляющая МОБР является знакопеременной:

МОБР fОТНОС f1(2S 1).

Рис.66 Механическая характеристика СД при асинхронном пуске - ,S f (M)

Если просуммировать все 3 составляющие, то M MAC MПР MОБР (рис.67).

Рис.67 Механическая характеристика СД при различных значениях rР .

На рис.67:

rР R2 RРАЗР ,

R2

где rР - относительная величина сопротивления;

R2 - активное сопротивление обмотки возбуждения.

Провал в области критического момента MK влияет на перегрузочную способность двигателя, и зависит от активной составляющей сопротивления обмотки ротора. Чем больше величина активного сопротивления ротора, тем меньше провал характеристики.

2.6.2 Тормозные режимы СД. Механические характеристики СД в тормозных режимах

В синхронных ЭП могут быть использованы все 3 известных электрических способа торможения:

-торможение противовключением,

-рекуперативное,

63

- динамическое.

1.Торможение противовключением может быть реализовано так же как у АД при помощи изменения последовательности чередования фаз напряжения, подводимого к статору, но, учитывая, что синхронные двигатели используются в ЭП большой и сверхбольшой мощности, этот способ торможения практически не применяется, так как приводит к перегреву двигателя

ик преждевременному разрушению механизма. Область применения режима противовключения в СД ограничивается реверсом, при этом реверс реализуется, начиная с момента асинхронного запуска.

2.Рекуперативное торможение в синхронном ЭП может быть реализован только в том случае, если к ротору приложить со стороны некого вспомогательного источника (активного) механической энергии дополнительный момент, направленный в сторону вращения. Под действием этого момента скорость ротора станет больше синхронной скорости. Изменяется знак

, рабочая точка a перейдет из 1-ого квадрата в 3-ий (на угловой характеристике). Знак момента изменится на противоположный, и по отношению к направлению угловой скорости мо-

мент станет тормозным. Под действием тормозного момента MT , скорость вновь снизиться до 0 . Очевидно, что для практической реализации снижения угловой скорости меньше 0

этот способ торможения неприменим.

Учитывая выше сказанное, единственный практически применимый способ торможения -

динамическое торможение.

Рис.68 Механическая характеристика СД при рекуперативном торможении

Рис.69 Характеристика СД при рекуперативном торможении (M f ( ))

3. Динамическое торможение. Статорная обмотка отключается от источника 3-х фазного переменного напряжения и замыкается на тормозное сопротивление. Обмотка возбуждения ротора остаётся подключенной к источнику постоянного напряжения.

При этом, взаимодействие статического магнитного поля с токами во вращающемся роторе создаёт, в соответствии с правилом Ленца, момент направленный противоположно направлению вращающегося вала, т.е. тормозной. Механические характеристики аналогичны механическим характеристикам АД.

Интенсивность торможения определяется величиной RТОРМ . Чем меньшеRТОРМ , тем тор-

можение интенсивнее.

64

Кроме того, известно, что ротор синхронной машины снабжён дополнительной обмоткой типа «беличье колесо», которая обеспечивает дополнительную составляющую момента (асин-

Рис.72 Структурная схема динамической модели синхронного электродвигателя

Динамическая модель синхронного электропривода, кроме двух уравнений (78) и (79), будет включать в себя уравнение (80):

Jp

Имеем входные и выходные переменные задачи:

XВХ 0

XВЫХ

Рис.73а Схема синхронного электропривода

Рис.73б Структурная схема динамической модели синхронного электропривода

66

3 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭП

Переходные процессы в ЭП возникают при регулировании угловой скорости вращения, пуске, торможении, изменении нагрузки на валу ЭД, при этом нарушается равенство M MC соответственно изменяется угловая скорость вращения var. Динамический про-

цесс может быть представлен в виде классического уравнения двигателя ЭП.

Одновременно с изменением угловой скорости изменяются и моменты, действующее в ЭП и температура двигателя. Анализ переходных процессов в ЭП может разделить на 2 основных направления:

1-анализ электромеханических переходных процессов.

2- анализ тепловых переходных процессов.

3.1 Электромеханические переходные процессы и их анализ

Математическим описанием динамического процесса в ЭП является известное классическое уравнение движения:

ве конечной задачеи по анализу переходных процессов в ЭП является расчёт и построение так называемых динамических характеристик ЭП.

Они имеют вид:

1.(t)- график движения (кривая движения) частные случаи этой характеристики - кривая разгона (пуска); кривая торможения.

2.MC (t) - характеризует характер изменения статического момента сопротивления меха-

низма во времени.

3.M(t)- характер изменения электромагнитного момента во времени.

4.P(t)- характеризует изменения механической мощности на валу двигателям во време-

ни.

3 и 4 характеристики зачастую называют нагрузочными диаграммами ЭП. Кроме того, при анализе используют так же динамические характеристики:

5.d (t)-характер изменения угловой скорости во времени. dt

6.I(t)- характер изменения тока, потребляемого двигателя во времени.

Прежде, чем построить эти характеристики необходимо решить задачу по определению длительности переходного процесса. Такие задачи решают путём анализа уравнения (83) , который заключается в решении этого уравнения относительно времени t:

t J d Mд

В зависимости от характера изменения моментов в этом уравнении интегрировании может быть линейным, либо нелинейным. Различают следующие разновидности этой задачи:

1.Mд const;

2.Mд var;(линейно изменяется).

3.Mд var;(нелинейно изменяется), при:

67

а) MC const;

б) M var;

3.1.1Решение уравнения движения при постоянном динамическом моменте

Вобщем, виде эта задача решается при 1 2 .

Частный случай: при определении времени пуска - tПУСК , при 0 НОМ .

где MНОМ - среднее значение электромагнитного момента за время пуска.

Как правило, такие задачи решаются наиболее часто. Иногда по технологическому процессу необходимо знать также tТОРМ анализируется 2 варианта:

а) самоторможение; б) электрическое торможение.

а) Двигатель останавливается посредствам отключения его от источника питания, следовательно вращающейся электромагнитный момент равен 0 (M 0)двигатель останавливается под действием момента сопротивления MC .

При определении времени электрического торможения необходимо учитывать величину тормозного электромагнитного момента, направление которого совпадает с моментом сопротивления MC .

Обычно такие задачи являются идеализированными и как правило, используются для проведения предварительных расчётов.

3.1.2 Решение уравнения движения при линейно изменяющемся динамическом моменте

Mд var (линейно).

MC const.

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ) приводит в движение поршневой или грузоподъёмный механизм.

При решении используют: электромеханическую постоянную времени, в течение которого ЭП с моментом инерции J разгоняется до угловой скорости 0 - идеализированного Х.Х.

под действием электромагнитного момента равного критическому: M MK .

Тогда, с учётом введения в уравнение движения TЭМ уравнение движения будет иметь вид:

68

Решение уравнения (88) имеет вид экспоненты:

Определение постоянной TЭМ для АД производится:

Зная величину постоянной TЭМ и величину начальной, конечной и установившейся скоро-

сти при переходном процессе, можно определить длительность переходного процесса:

2 УСТ

3.1.3Решение уравнения движения при нелинейно изменяющемся динамическом моменте и при постоянном моменте сопротивления

Пример:

Электропривод с АД - грузоподъемный (поршневой) механизм. Обычно такие задачи решаются с помощью приближенного уравнения:

3.1.4 Решение уравнения при нелинейно-изменяющемся динамическом моменте и при изменяющемся моменте сопротивления

Математической основой является решение по методу последовательного приближения в соответствии с принципом конечных приращений. Применительно к классическому уравнению движения (1), этот принцип заключается в том, что бесконечно малые приращения угловой скорости d и времени dt заменяются соответственно малыми конечными приращениями и

t ,d и dt t .

Точность решения задачи определяется величиной этих малых конечных приращений (интервала интегрирования) и выбирается исходя из оптимального соотношения точности и слож-

Существует 2 вида решения задач: 1) графическое; 2) графоаналитическое.

69