Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Из уравнения электрического равновесия двигателя постоянного тока с регулировочным реостатом в цепи якоря

U = E + (R Я + R*) IЯ

и формул ЭДС Е = сЕ Ф n и вращающего момента М = cM Ф IЯ можно получить формулу частоты вращения ДПТ с параллельным возбуждением:

n = (U / сЕ Ф ) – (RЯ + R*) М / сЕ cM Ф 2 ,

- здесь U / сЕ Ф = nо - частота вращения идеального холостого хода при работе двигателя без потерь М = 0,

Ф - магнитный поток машины (без учёта реакции якоря Ф = ФВ).

Из полученной формулы следует, что частоту вращения ДПТ можно регулировать следующими способами:

1. Изменением магнитного потока возбуждения - полюсный способ.

2. Изменением подаваемого на якорь напряжения - якорный способ.

3. Изменением сопротивления реостата в цепи якоря - реостатный способ.

Полюсный способ

Полюсный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением магнитного потока возбуждения Ф = var с помощью изменения сопротивления регулировочного реостата в цепи возбуждения RРР = var .

В номинальном режиме регулировочный реостат с целью снижения тепловых потерь полностью выведен (положение 1, RРР = 0). При регулировании реостат RРР частично (положение 2) или полностью (положение 3) вводится и его сопротивление возрастает RРР á. В результате возрастает сопротивление цепи возбуждения (RРР á + RОВ), что вызывает снижение тока возбуждения IB â и уменьшение магнитного потока двигателя Ф â. Снижение магнитного потока приводит в свою очередь к увеличению частоты вращения идеального холостого хода nоá и рабочей частоты вращения якоря n á > n ном:

n = (U / сЕ Ф) – RЯ М / сЕ cM Ф 2 .

Преимущества:

1. Простота;

2. Плавность регулирования частоты вращения двигателя;

3. Способ экономичен вследствие малых тепловых потерь в реостате (RРР IВ2 );

4. Большой диапазон регулирования вверх от номинала D = n / n ном = 2 : 1 и даже 5 : 1 – для специальных конструкций двигателей.

Недостатки – способ не позволяет регулировать частоту вращения вниз от номинала.

ЯКОРНЫЙ СПОСОБ

Якорный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением напряжения, подаваемого на якорь U = var, при независимом питании обмотки возбуждения. Для питания обмотки якоря двигателя обычно используется тиристорный регулируемый источник напряжения, с помощью которого можно плавно понижать напряжение на якоре Uâ < U ном , что приводит в свою очередь к снижению частоты вращения идеального холостого хода nоâ и рабочей частоты вращения якоря n â < n ном:

n = (U / сЕ Ф) – RЯ М / сЕ cM Ф 2 .

Преимущества:

1. Плавность регулирования частоты вращения двигателя;

2. Высокая экономичность;

3. Большой диапазон регулирования вниз от номинала D = n / n ном = 1 : 10;

Недостатки – способ дорог.

NB. Якорный способ регулирования в сочетании с полюсным регулированием реостатом в цепи возбуждения позволяет в широком диапазоне плавно регулировать частоту вращения двигателя как вниз, так и вверх от номинала.

РЕОСТАТНЫЙ СПОСОБ

Реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя осуществляется изменением сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря R* = var.

В номинальном режиме регулировочный реостат в цепи якоря с целью снижения тепловых потерь полностью выведен (положение 1, R* = 0). При регулировании реостат частично (положение 2) или полностью (положение 3) вводится и его сопротивление возрастает R* á. В результате увеличивается сопротивление цепи якоря (R* á + RЯ), что при сохранении частоты вращения идеального холостого хода nо= const приводит к снижению частоты вращения якоря n â < n ном :

n = (U / сЕ Ф ) – (RЯ + R*) М / сЕ cM Ф 2

Преимущества:

1. Простота;

2. Плавность регулирования частоты вращения двигателя;

3. Большой диапазон вниз от номинала D = n / n ном = 1 : 2

Недостатки:

1. Способ неэкономичен вследствие больших тепловых потерь в реостате (R* IЯ2 );

2. Снижается жёсткость механической характеристики, что снижает стабильность работы двигателя |dn/dM| á.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Работа электропривода большинства производственных механизмов состоит из трех этапов: пуск в ход, технологическая операция и останов. После отключения двигателя от сети его останов (торможение) происходит под действием сил трения, при этом кинетическая энергия движущихся частей выделяется в виде тепла в узлах трения механизма и двигателя. В тех случаях, когда запас кинетической энергии велик, а силы трения малы, время торможения может составить десятки секунд и даже несколько минут.

Сокращение времени торможения, особенно когда длительность технологической операции мала, может значительно повысить производительность рабочего механизма, так как в режиме торможении обычно полезной работы не совершается. Для сокращения времени торможения в большинстве случаев применяют механические тормоза, которые имеют ряд существенных недостатков - быстрый износ трущихся поверхностей, трудность регулирования силы трения, громоздкость тормозного механизма и др.

В настоящее время для торможения электропривода широко используются тормозные свойства самого приводного двигателя, что во многих случаях позволяет отказаться от механических тормозов. Механические тормоза необходимы как запасные или аварийные, если откажет электрическое торможение, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии при неработающем двигателе.

Во всех тормозных режимах двигатель развивает электромагнитный момент, действующий против направления вращения ротора и потому называемый тормозным моментом. Под действием тормозного момента в одних случаях происходит быстрый останов, в других - поддержание частоты вращения заданной величины.

Для сокращения времени переходных процессов двигатель постоянного тока может использоваться в нескольких режимах электрического торможения.

ТОРМОЖЕНИЕ ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЕМ

Для торможения ДПТ способом противовключения используется схема реверсирования - обмотка возбуждения остаётся включённой в питающую сеть, а переключатель QF из положения 1-1 переводится в положение 2-2, в результате чего обмотка якоря отключается от сети и снова включается в сеть с изменённой полярностью.

При этом изменяется направление тока якоря и направление электромагнитного момента, который теперь действует против вращающегося по инерции якоря, т.е. является тормозящим моментом.

Преимущества - способ прост и эффективен, торможение практически мгновенное.

Недостатки:1). Опасность реверсирования двигателя.

2). Очень большой тормозной ток, практически в 2 раза превышающий пусковой, что вызывает серьёзные нарушения в работе питающей сети и самого двигателя (см. Прямой пуск ДПТ).

ДИНАМИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Для торможения ДПТ динамическим способом обмотка возбуждения остаётся включённой в питающую сеть, а переключатель QF из положения 1-1 переводится в положение 2-2, в результате чего обмотка якоря отключается от сети и замыкается накоротко или на тормозной резистор R т с целью снижения тока якоря.

Отключённый от сети U = 0 и замкнутый на резистор двигатель переходит в генераторный режим и вырабатывает электрическую энергию за счёт кинетической энергии вращающегося привода E = сЕ ФВ n .

При этом изменяется направление тока якоря IЯ = (U - E)/ RЯ и направление электромагнитного момента, который теперь действует против вращающегося по инерции якоря, т.е. является тормозящим моментом.

Преимущества - способ прост и эффективен.

Недостатки - большой тормозной ток при замыкании обмотки якоря накоротко (практически равный пусковому).

ГЕНЕРАТОРНОЕ (РЕКУПЕРАТИВНОЕ) ТОРМОЖЕНИЕ

Режим генераторного торможения возникает самопроизвольно при условии, когда частота вращения якоря n становится больше частоты вращения идеального холостого хода: n > nо.

Такой режим возникает, например, при опускании груза, когда под действием его веса частота вращения якоря увеличивается и становится больше синхронной. При этом двигатель переходит в генераторный режим, а кинетическая энергия привода превращается в электрическую энергию и поступает в питающую сеть.

Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим, спуск груза притормаживается и тем самым ограничивается скорость опускания груза, хотя двигатель продолжает вращаться в том же направлении с повышенной частотой n > nо.

31. Электрический привод. Структура и преимущества электропривода. Трехфазные синхронные электродвигатели. Их преимущества и недостатки. Устройство и принцип работы. Основные характеристики. Режим синхронного компенсатора.

Электрический привод (ЭП) – это электромеханическая система, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, управление потоком этой энергии и содержащая:

- преобразователь ЭЭ (ПЭЭ) - служит для изменения параметров ЭЭ (трансформаторы, выпрямители, частотные преобразователи);

- электромеханический преобразователь (ЭМП) - преобразует электрическую энергию в механическую (электромагнитные и электромашинные преобразователи - различные типы двигателей);

- преобразователь механической энергии (ПМЭ) - служит для изменения параметров механической энергии (редукторы, кулачковые механизмы, кулисные механизмы и др.);

- система управления ЭП (СУЭП) - управляет режимом работы ЭП (включение, выключение, реверсирование, торможение, изменение частоты вращения ЭП);

- рабочая машина (РМ) или исполнительный механизм (ИМ) - преобразует механическую энергию в требуемую работу.