Анализ показателей пуско-тормозных процессов в разомкнутой системе преобразователь-двигатель

Выясним связь сформулированных нами показателей качества процесса пуска (I_М, t_М, t_ПП) с параметрами силовых элементов схемы. Это явится основой правильного конструирования двигателя, механической передачи и преобразователя с позиций оптимизации пуско-тормозных режимов.

Начнем обсуждение со времени переходного процесса пуска электропривода t_ПП. В электроприводах с трапецеидальной диаграммой скорости (рис. 2.1) максимальная скорость движения исполнительного органа чаще всего бывает задана. В этом случае минимизировать время перемещения рабочего органа можно, только выбирая электропривод с меньшей величиной механической постоянной времени Т_Д, что следует из смысла определения этой постоянной как времени равномерного разгона электропривода до полной скорости под действием номинального динамического момента. Так как на начальном этапе синтеза известны лишь энергосиловые характеристики рабочего механизма, то параметры электропривода удобнее приводить к валу рабочего механизма. Постоянная времени

Т_Д = J_ n_Н / M_Н = ( J_РМ + J_Я i² ) n_РМ / M_РМ ,

где J_ – суммарный момент инерции привода, равный сумме моментов инерции рабочей машины J_РМ и момента инерции якоря двигателя, приведенного к валу рабочей машины J_Я i² ; n_РМ и M_РМ  скорость и момент на валу рабочей машины, соответствующие номинальным скорости n_Н и моменту M_Н двигателя.

Здесь возможны два случая соотношения величин приведенных моментов инерции электродвигателя и рабочего механизма.

В первом случае J_РМ  J_Я i². Указанное соотношение параметров характерно, например, для электроприводов реверсивных станов горячей прокатки, вспомогательных механизмов этих станов, для приводов подачи металлорежущих станков. Тогда можно принять J_  J_Я i², а выражение для постоянной времени

Т_Д  J_Я i² n_РМ / M_РМ = J_Я n_Н / M_Н .

Здесь n_Н = n_РМ / i и М_Н = M_РМ i  номинальные скорость и момент двигателя.

Видно, что в рассматриваемом случае снижение Т_Д возможно только за счет выбора или конструирования двигателя с уменьшенными величинами J_Я и n_Н и увеличенным M_Н. Уменьшение J_Я достигается выполнением двигателя с удлиненным якорем. Но чрезмерное увеличение длины якоря вызывает ухудшение условий коммутации в двигателе, тогда приходится выполнять двухъякорные машины или применять двухдвигательный электропривод. В следящих электроприводах мощностью от долей до единиц кВт часто применяют специальные «малоинерционные» конструкции двигателей (с гладким, полым или дисковым якорем [1]). Для достижения малых величин Т_Д конструируют двигатели с малой номинальной скоростью вращения вала и большим номинальным моментом. Так, электродвигатели для главных электроприводов реверсивных станов горячей прокатки при номинальной мощности Р_Н = 6000...10000 кВт имеют Т_Д = 0,4...0,5 с. При этом n_Н = 4...6 рад/с, а М_Н = 100...150 тм. Сами двигатели оказываются весьма металлоемкими с массой до 200 т и выше.

Во втором случае J_РМ  J_Я i² и тогда J_  J_РМ. В результате

Т_Д  J_РМ n_РМ / M_РМ = J_РМ n_Н / M_Н i² .

Как и в первом случае, можно снизить Т_Д выбором или конструированием двигателя с уменьшенной n_Н и увеличенным M_Н. Но наиболее эффективно снижать величину Т_Д, воздействуя на передаточное число механической передачи.

 Электроприводы некоторых механизмов (например, летучих ножниц) отрабатывают заданное перемещение по треугольной диаграмме скорости, когда не требуют, чтобы двигатель успевал разогнаться до полной скорости. По каким параметрам следует выбирать электропривод, если необходимо минимизировать время отработки перемещения?

 В практике проектирования позиционных электроприводов известна формула для передаточного числа редуктора в оптимальном по быстродействию электроприводе i = (J_РМ / J_Я)^{1 / 2}, где J_РМ и J_Я  моменты инерции рабочей машины и якоря двигателя. Сформулируйте разницу в условиях постановки обеих задач. Почему получаются «разные» результаты?

Выражение для максимума тока якоря при пуске I_М указывает, достигается ли заданный темп разгона электропривода в рассматриваемой схеме. Оно же показывает, параметры каких звеньев электропривода влияют на величину I_М. В зависимости от величины постоянной времени преобразователя Т_П по-разному приходится решать задачу формирования процесса пуска в разомкнутой системе преобразователь – двигатель. При очень малых значениях Т_П, характерных для вентильных преобразователей, бросок тока якоря при прямом пуске может доходить до тока короткого замыкания в якорной цепи электропривода, поэтому в вентильных электроприводах прямой пуск не применяют.

Другая картина наблюдается в системе генератор – двигатель, где постоянная времени обмотки возбуждения генератора (особенно большой мощности) может быть равной нескольким секундам. Например, при Т_Д = 0,4 с, Т_П = 2 с, U_В = 1 максимум тока якоря при пуске не превысит 0,2 от номинального значения, что свидетельствует о крайне вялом темпе разгона электропривода. Общее же время переходного процесса пуска электропривода составит t_ПП  (3...4) Т_П = 6...8 с. Сам двигатель в состоянии разогнаться до той же скорости более чем в 10 раз быстрее.

Для ускорения процессов пуска в системе генератор – двигатель применяют форсировку возбуждения, т.е. на время пуска увеличивают напряжение на обмотке возбуждения генератора в несколько раз. Улучшение качества протекания процесса достигается, во-первых, увеличением темпа нарастания ЭДС генератора и, во-вторых, работой генератора на начальном почти ли нейном участке экспоненты, гарантирующем более равномерный разгон электропривода. На рис. 2.5 приведены кривые процессов нарастания ЭДС генератора постоянного тока при подаче на вход обмотки возбуждения постоянного напряжения U_В. В исходном случае (кривая 1) величина этого напряжения соответствует заданному (например, номинальному) установившемуся значению ЭДС генератора. Во втором случае (кривая 2) величина U_В выбрана в два раза большего значения. Если в первом случае время нарастания ЭДС генератора до величины Е_Н составляет (3...4) Т_Г, то во втором  оно заметно меньше даже при умеренном значении коэффициента форсировки.

Время t_М нарастания тока якоря до максимума в рассматриваемой схеме определяется величиной Т_М. Если это время необходимо уменьшить, то следует выбирать двигатель с меньшей Т_М. Снижение же Т_М достигается уменьшением Т_Д или активного сопротивления якорной цепи R_ЯЦ. Некоторые из мероприятий, направленных на уменьшение Т_М (снижение R_ЯЦ, увеличение номинального потока), оборачиваются, однако, увеличением электромагнитной постоянной времени якорной цепи. Конструкторы электрических машин пытаются различными мерами (открытые пазы на якоре, компенсационная обмотка) снизить индуктивность якорной цепи. Но многие тихоходные двигатели при приложении момента статической нагрузки имеют ярко выраженный колебательный характер процессов [3].

Чтобы сформировать процесс торможения электропривода в разомкнутой системе Г – Д, к обмотке возбуждения генератора постоянно подключают резистор R2 (рис. 2.5 а), так чтобы постоянная времени Т_Т разрядного контура, образованного обмоткой LG и резистором R2, соответствовала времени торможения. Однако удовлетворительного качества процесса торможения обычно добиться не удается: на начальном участке наблюдается большой выброс тока якоря, а конец процесса затягивается. Это происходит потому, что ЭДС генератора уменьшается до нуля по экспоненциальному закону: круто в начале процесса и очень постепенно  в конце.

Физическая картина процессов в реверсивных электроприводах постоянного тока была великолепно изложена Д.П. Морозовым [9], вошла в учебники по теории электропривода [1, 4], но постепенно была утрачена.