9.Рекуперативное торможение асинхронного двигателя в приводах технологических.Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Режим рекуперативного торможения осуществляется в том случае, когда скорость ротора асинхронного двигателя превышает синхронную.Режим рекуперативного торможения практически применяется для двигателей с переключением полюсов и в приводах грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т.п.).При переходе в генераторный режим вследствие изменения знака момента меняет знак активная составляющая тока ротора. В этом случае асинхронный двигательотдает активную мощность (энергию) в сеть и потребляет из сети реактивную мощность (энергию), необходимую для возбуждения. Такой режим возникает, например, при торможении (переходе) двухскоростного двигателя с высокой на низкую скорость, как показано на рис. 1 а. 

Рис. 1. Торможение асинхронного двигателя в основной схеме включения: а) с рекуперацией энергии в сеть; б) противовключением

Предположим, что в исходном положении двигатель работал на характеристике 1 и в точке а, вращаясь со скоростью ωуст1. При увеличении числа пар полюсов двигатель переходит на характеристику 2, участок бс которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.Этот же вид торможения может быть реализован в системе преобразователь частоты– двигатель при останове асинхронного двигателя или при переход с характеристики на характеристику. Для этого осуществляется уменьшение частоты выходного напряжения, а тем самым синхронной скорости ωо = 2πf / p.В силу механической инерции текущая скорость двигателя ω будет изменяться медленнее чем синхронная скорость ωо, и будет постоянно превышать скорость магнитного поля. За счет этого и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть.Рекуперативное торможение также может быть реализовано в электроприводе грузоподъемных машин при спуске грузов. Для этого двигатель включается в направлении спуска груза (характеристика 2 рис. 1 б).После окончания торможения он будет работать в точке со скоростью –ωуст2. При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.

Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения. 

10. Динамическое торможение асинхронного двигателя в приводах технологических машин.

Динамическое торможение асинхронного двигателяДля динамического торможения обмотки статора двигатель отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного тока, как это показано на рис. 2. Обмотка ротора при этом может быть закорочена, или в ее цепь включаются добавочные резисторы с сопротивлением R2д. 

Рис. 2. Схема динамического торможения асинхронного двигателя (а) и схема включения обмоток статора (б)Постоянный ток Iп, значение которого может регулироваться резистором 2, протекает по обмоткам статора и создает относительно статора неподвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который создает магнитный поток, также неподвижный относительно статора.\Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем асинхронного двигателя создает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию движущихся частей электропривода и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.На рисунке 2 б показана наиболее распространенная схема включения обмоток статора при динамическом торможении. Система возбуждения двигателя в этом режиме является несимметричной.Для проведения анализа работы асинхронного двигателя в режиме динамического торможения несимметричную систему возбуждения заменяют симметричной. С этой целью принимается допущение, что статор питается не постоянным током Iп, а некоторым эквивалентным трехфазным переменным током, создающим такую же МДС (магнитодвижущую силу), что и постоянный ток.

Электромеханическая и механические характеристики представлены на рис. 3.

Рис. 3. Электромеханическая и механические характеристики асинхронного двигателя

Характеристика расположена на рисунке в первом квадранте I, где s = ω / ωo – скольжение асинхронного двигателя в режиме динамического торможения. Механические характеристики двигателя расположены во втором квадранте II.Различные искусственные характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно получить, изменяя сопротивление R2д добавочных резисторов 3 (рис. 2) в цепи ротора или постоянный ток Iп, подаваемый в обмотки статора.Варьируя значения R2д и Iп, можно получить желаемый вид механических характеристик асинхронного двигателя в режиме динамического торможения и, тем самым, соответствующую интенсивность торможения асинхронного электропривода.

20) Динамическое торможение асинхронного двигателя

Для динамического торможения обмотки статора двигатель отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного тока, как это показано на рис. 2. Обмотка ротора при этом может быть закорочена, или в ее цепь включаются добавочные резисторы с сопротивлением R2д. 

Рис. 2. Схема динамического торможения асинхронного двигателя (а) и схема включения обмоток статора (б)

Постоянный ток Iп, значение которого может регулироваться резистором 2, протекает по обмоткам статора и создает относительно статора неподвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который создает магнитный поток, также неподвижный относительно статора.

Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем асинхронного двигателя создает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию движущихся частей электропривода и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

На рисунке 2 б показана наиболее распространенная схема включения обмоток статора при динамическом торможении. Система возбуждения двигателя в этом режиме является несимметричной.

21) Конденсаторное торможение основано на использовании явления самовозбуждения асинхронной машины, или, что более правильно, емкостного возбуждения асинхронной машины, поскольку необходимая для возбуждения генераторного режима реактивная энергия доставляется подключенными к статорной обмотке конденсаторами. В этом режиме машина работает с отрицательным по отношению к вращающемуся магнитному полю, созданному возбужденными в статорной обмотке свободными токами, скольжением, развивая на валу тормозной момент. В отличие от динамического и рекуперативного оно не требует потребления возбуждающей энергии из сети.

Конденсаторное торможение с глухо подключенными по схеме треугольника конденсаторами целесообразно применять для быстрой и точной остановки электроприводов, на валу которых действует момент нагрузки не менее 25% номинального момента двигателя.

. Для торможения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяется также конденсаторное торможение с самовозбуждением. Оно обеспечивается конденсаторами C1 — С3, подключенными к обмотке статора. Включаются конденсаторы по схеме звезды (рис. 2, а) или по схеме треугольника (рис. 2, б). Потери энергии в двигателе при конденсаторном торможении наименьшие по сравнению с другими видами торможения, поэтому оно рекомендуется для электроприводов с большим числом включений.

Схемы конденсаторного торможения асинхронных двигателей

Рис. 2

При выборе аппаратуры следует учесть, что контакторы в цепи статора должны быть рассчитаны на ток, протекающий по конденсаторам. Для устранения недостатка конденсаторного торможения — прекращения действия до полной остановки электродвигателя — используют его сочетания с динамическим и магнитным торможением.Особо выполняется и магнитное торможение. - Торможение асинхронного двигателя при самовозбуждении осуществляется за счет энергии незатухшего поля. На практике применение нашли так называемые конденсаторное и магнитное торможение.  Магнитное торможение реализуется после отключения статора двигателя от сети и замыкания с помощью ключей (обычно полупроводниковых) его выводов накоротко. За счет запасенной в двигателе электромагнитной энергии осуществляется возбуждение двигателя и на его валу создается тормозной момент.

22)  Эти двигатели выпуска­ются, как правило, на небольшую мощность (до 5... 10 кВт) и используются в приводе стиральных машин, холодильников, ме­дицинских аппаратов, пылесосов, доильных аппаратов, центри­фуг, небольших станков, электроинструментов и т.д.

Разновидностью однофазных двигателей являются так называ­емые исполнительные двигатели, которые применяются в раз­личных устройствах автоматического управления и характеризу­ются возможностью широкого регулирования скорости.

Следует отметить, что однофазные двигатели по сравнению с трехфазными имеют несколько худшие технические характери­стики и удельные показатели. Так, мощность однофазного двига­теля составляет не более 70 % от мощности трехфазного двигателя при тех же габаритных размерах. Кроме того, однофазные двига­тели имеют и более низкую перегрузочную способность.

Схема включения и характеристики однофазного двигателя. Од­нофазные двигатели имеют на статоре две обмотки: основную (ра­бочую) и пусковую, которая используется для пуска двигателя. Ротор однофазного двигателя выполняется короткозамкнутым в виде беличьей клетки. Разновидности однофазного двигателя. Из теории электрических машин известно, что для получения вращающегося магнитного поля на статоре двигателя должны быть расположены как мини­мум две обмотки, смещенные в пространстве на определенный угол и обтекаемые переменными токами со сдвинутыми во вре­мени максимумами. В соответствии с этим пусковая обмотка ук­ладывается на статоре двигателя со смещением ее оси на 90° по отношению к оси рабочей обмотки, а сдвиг токов обеспечивается включением в ее цепь дополнительного фазосдвигающего элемента. Наиболее благоприятные характеристики однофазный двига­тель имеет при использовании в качестве фазосдвигающего эле­мента конденсатора. Величина емкости этого конденсатора может быть подобрана таким образом, что ток пусковой обмотки при неподвижном роторе будет сдвинут относительно тока рабочей обмотки на угол 90°. Тогда двигатель при трогании с места будет иметь круговое вращающееся магнитное поле и развивать значи­тельный пусковой момент.

Пусковая обмотка с конденсатором может и не отключаться после окончания пуска двигателя и его работе в основном режиме. В этом случае она уже является не вспомогательной, а второй ра­бочей обмоткой. Такой двигатель называется конденсаторным и имеет существенно лучшие технические показатели, нежели двигатель с пусковой обмоткой. Конденсаторный двига­тель тем самым представляет собой двухфазный двигатель с об­мотками / и 6. Вторая рабочая обмотка 6 посредством конденсато­ра 7 подключается к однофазной сети.

В качестве однофазных двигателей могут быть при необходимо­сти использованы и обычные трехфазные двигатели с коротко- замкнутым ротором. Одна из возможных схем включения трехфаз­ного в кото­рой обмотки фаз статора соединены последовательно и под­ключены напрямую к питающей сети, а обмотка фазы с подклю­чается к той же сети через конденсатор. Существуют и другие схемы соединения обмоток трехфазного двигателя при его под­ключении к однофазной сети, но во всех случаях он приобретает свойства и характеристики однофазного двигателя.

Разновидностью однофазного двигателя является двигатель с экранированными полюсами. Такой двигатель имеет на статоре явно выраженные полюсы с однофазной рабочей обмоткой. Часть каждого полюсного наконечника охвачена (экранирована) ко- роткозамкнутым витком. В результате такого исполнения двига­теля при протекании тока по его рабочей обмотке возникает маг­нитное поле, приближающееся по своему характеру к враща­ющемуся, благодаря чему и создается определенный пусковой момент.

• 23) Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трехфазного переменного тока, то образуется магнитное поле, ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2tf. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по правилу Ленца, в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторымскольжением относительно поля S = (V - v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%. ^[1] Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором иферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы. Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока. Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление. Широкое применение линейные двигатели нашли в электрическом транспорте, чему способствовал целый ряд преимуществ этих двигателей: прямолинейность движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения различных транспортных средств, простота конструкции, отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет добиться высокой надежности и КПД. Еще одно преимущество связано с независимостью силы тяги от силы сцепления колес с рельсовым путем, что недостижимо для обычных систем электрической тяги. При использовании линейных двигателей исключается буксование колес электрического транспорта (именно этой причиной был обусловлен выбор линейного двигателя для ММТС), а ускорения и скорости движения средств транспорта могут быть сколь угодно высокими и ограничиваться только комфортабельностью движения, допустимой скоростью качения колес по рельсовому пути и дороге, и динамической устойчивостью ходовой части транспорта и пути.

• Линейные асинхронные двигатели применяются для привода механизмов транспортировки грузов различных изделий. Такой конвейер имеет металлическую ленту, которая проходит внутри статоров линейного двигателя, являясь вторичным элементом. Применение линейного двигателя в этом случае позволяет снизить предварительное натяжение ленты и устранить ее проскальзывание, повысить скорость и надежность работы конвейера.

• Линейный двигатель может применяться для машин ударного действия, например сваезабивных молотов, применяемых при дорожных работах и строительстве. Статор линейного двигателя располагается на стреле молота и может перемещаться по направляющим стрелы в вертикальном направлении с помощью лебедки. Ударная частьмолота является одновременно вторичным элементом двигателя. Для подъема ударной части молота двигатель включается таким образом, чтобы бегущее поле было направлено вверх. При подходе ударной части к крайнему верхнему положению двигатель отключается и ударная часть опускается вниз на сваю под действием силы тяжести. В некоторых случаях двигатель не отключается, а реверсируется, что позволяет увеличить энергию удара. По мере заглубления сваи статор двигателя перемещается вниз с помощью лебедки. Электрический молот прост в изготовлении, не требует повышенной точности изготовления деталей, нечувствителен к изменению температуры и может вступать в работу практически мгновенно.

Все линейные двигатели их можно разделить на две категории:

• двигатели низкого ускорения

• двигатели высокого ускорения

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен) как тяговые, а также в станках (лазерных, водорезных, сверлильно-фрезерных) и другом технологическом оборудовании в промышленности. Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его (см. пушка Гаусса). Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, а также в специальных устройствах, таких, как оружие или пусковые установки космических кораблей

24)

В ЭП постоянного тока используются двигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением, а также с возбуждением от постоянных магнитов.

ДПТНВ представляют собой линейные зависимости угловой скорости от тока и момента.  ДПТНВ может работать в следующих режимах: двигателя, в котором он развивает движущий момент; холостого хода, в котором момент двигателя равен нулю; короткого замыкания (пуска), в котором двигатель развивает пусковой движущий момент; генератора, когда двигатель развивает тормозной момент.  Регулирование скорости. В соответствии с полученными формулами регулирование скорости ДПТНВ может осуществляться за счет включения в цепь якоря добавочных резисторов и изменения напряжения на якоре и магнитного потока.. 

26)Из уравнения электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:

1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,

3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.

Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1, а электромеханические и механические характеристики — на рис. 2, а.

Рис. 1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.

Проведем анализ данного способа регулирования угловой скорости двигателей постоянного тока с помощью основных технико-экономических показателей. Так как при данном способе регулирования изменяется жесткость характеристик в широких пределах, то при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен (D= 2 - З).

Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Диапазон регулирования скорости для данного способа D = 2 - 4.

Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2, а и 2, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления.

При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя.

Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.

Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

27) При формировании заданного графика движения исполнительных органов часто бывает необходимо обеспечивать требуемое их ускорение или замедление.

В некоторых технологических процессах (транспортировка с.х. продукции, изготовление проводов и кабелей, бумажное и текстильное производства) требуется, чтобы исполнительные органы рабочих машин создавали необходимое натяжение в обрабатываемом материале или изделии. Это также обеспечивается с помощью ЭП регулированием создаваемого им момента или усилия на исполнительных органах соответствующих рабочих машин и механизмов.

В некоторых случаях требуется ограничивать момент ЭП для предотвращения поломки рабочей машины или механизма при внезапном стопорении исполнительного органа (например, при копании грунта, бурении скважин, заклинивании механической передачи и др.). Основными показателями для оценки того или иного способа регулирования (ограничения) момента являются точность и экономичность.

Каким же образом можно изменять момент ЭП? Для ответа на этот вопрос вспомним, что развиваемый электрическим двигателем момент пропорционален произведению магнитного потока и тока якоря, т. е.

М = kФI,

где k - конструктивный коэффициент двигателя.

Таким образом, изменяя ток якоря, или магнитный поток Ф, можно регулировать (ограничивать) момент.

Регулирование тока и момента двигателей требуется также и для обеспечения нормальной работы самих двигателей. Так, при пуске двигателей постоянного тока обычного исполнения для обеспечения нормальной работы их коллекторно-щеточного узла ток должен быть ограничен значением 3Iном. Необходимость ограничения тока возникает и в случае пуска мощных двигателей постоянного и переменного тока, так как их большие пусковые токи могут привести к недопустимому снижению напряжения питающей сети.

Для анализа возможности регулирования тока используется электромеханическая характеристика двигателя (иногда называемая скоростной), которая представляет собой зависимость его скорости от тока. Для двигателей постоянного тока независимого возбуждения при постоянном (нерегулируемом) магнитном потоке электромеханическая характеристика повторяет механическую. Регулирование момента чаще всего производится воздействием на ток двигателя посредством изменения подводимого к нему напряжения или включения в его цепи добавочных резисторов. Отметим, что регулирование тока и момента может осуществляться только в динамическом (переходном) режиме работы ЭП, поскольку в установившемся режиме ток и момент двигателя определяются его механической нагрузкой.

На рисунке 2 для примера показаны типовые электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, позволяющие регулировать (ограничивать) ток и момент М при пуске с помощью добавочного резистора в цепи якоря. Резистор включается в цепь двигателя на период пуска (прямая 1), а затем с помощью схемы управления выводится (шунтируется) - прямая 2. Видно, что регулирование тока и момента производится ступенчато соответственно в пределах I...I2 и М...М2 и характеризуется невысокой точностью. Для повышения точности необходимо использовать несколько ступеней резисторов, в этом случае размах изменения тока I и момента М сузится. Данный способ, получивший название параметрического, характеризуется простотой реализации, но недостаточной точностью.

Рисунок 2 – Способы регулирования тока (момента): а – параметрический; б – в замкнутой системе «преобразователь - двигатель»

Изображенная на рисунке 2,б характеристика является типовой при регулировании тока и момента в замкнутой системе «преобразователь - двигатель». За счет соответствующего воздействия на двигатель с помощью преобразователя формируется близкий к вертикали участок 3 характеристики. Точность регулирования тока и момента в таких ЭП является высокой (участок 3 характеристики в пределе может быть получен в виде вертикальной линии).

Регулирование положения.

Для обеспечения выполнения ряда технологических процессов требуется перемещение исполнительных органов рабочих машин и механизмов в заданную точку пространства или плоскости и их установка там (фиксирование) с заданной точностью. Например, роботы и манипуляторы, подъемно-транспортные механизмы, клапаны, задвижки, механизмы подач станков и ряд других. Перемещение исполнительного органа из одной точки плоскости или пространства (позиции) в другую называется позиционированием и обеспечивается соответствующим регулированием положения вала двигателя.

В тех случаях, когда не требуются высокие точность и качество движения, позиционирование обычно обеспечивается с помощью путевых или конечных выключателей. Они устанавливаются в заданных позициях и при подходе к ним исполнительного органа производят отключение ЭП. Исполнительный орган тормозится и с некоторой точностью останавливается.

При необходимости обеспечения высокой точности позиционирования формируется оптимальный (или близкий к нему) график движения ЭП. Такой типовой график движения состоит из трех участков - разгона, движения с установившейся скоростью и торможения. Отметим, что при небольших перемещениях участок установившегося движения может отсутствовать.

Точное позиционирование реализуется, как правило, в замкнутой системе «преобразователь – двигатель».

28)

Торможение противовключением происходит в работающем двигателе, когда направление тока в якоре или обмотке возбуждения переключается на противоположное. Одновременное изменение направления тока в обеих обмотках сохранит прежнее направление момента и торможение не произойдет. У двигателей параллельного возбуждения обмотка возбуждения имеет большую электромагнитную постоянную времени ( ). Значительно меньше постоянная времени у обмотки якоря, поэтому обычно в этих двигателях переключают обмотку якоря. В двигателях последовательного возбуждения постоянные времени якоря и обмотки возбуждения отличаются несущественно и переключать можно любую цепь.

После переключения естественная характеристика , соответствующая новому направлению тока (рис. 3) располагается в третьем и четвертом квадрантах. Непосредственный переход в какую-либо точку этой характеристики невозможен из-за недопустимого броска тока и момента. Поэтому одновременно с переключением обмотки якоря последовательно включают добавочное сопротивление, формируя характеристику . При переключении рабочая точка перейдет в положение 3 и далее скорость вращения будет снижаться, а рабочая точка скользить по характеристике до остановки якоря в точке 4. Если в этот момент не отключить двигатель от сети, то якорь начнет вращаться в противоположную сторону, пока внешний момент не будет уравновешен моментом двигателя и не наступит статический режим в некоторой точке 5. Торможение противовключением весьма эффективно, но сопровождается большими потерями энергии в якоре и добавочном сопротивлении.Динамическое торможение происходит при отключении якоря от сети и замыкании его на сопротивление. Двигатель при этом работает генератором, преобразуя запасенную ротором кинетическую энергию в тепловую, рассеиваемую в сопротивлении обмотки якоря и внешнем сопротивлении. Уравнение механической характеристики этого режима соответствует условию и имеет вид , т.е. соответствует линии проходящей через начало координат и располагающейся во втором и четвертом квадрантах ( рис. 3). Жесткость характеристики при этом определяется тем же коэффициентом, что и в случае подключения якоря к источнику питания. После замыкания якоря на сопротивление рабочая точка переместится в положение 6, а затем по характеристике . В начало координат до полной остановки. Величиной добавочного сопротивления можно регулировать интенсивность торможения. На рисунке 3 тонкой линией показана характеристика и рабочая точка 6' с меньшим значением сопротивления и большим тормозным моментом.Реверсирование – это изменение направление вращения двигателя. Обычно оно выполняется в две стадии. Сначала двигатель останавливается торможением, а затем изменяется направление тока якоря или обмотки возбуждения и производится пуск. В микромощных (до 500 Вт) двигателях, если нагрузка допускает ударные моменты и требуется изменение направления вращения за минимальный отрезок времени, реверсирование вращающегося двигателя осуществляют переключением обмотки якоря.

29) Двигатели постоянного тока дают возможность плавно и экономично регулировать скорость вращения в широких пределах. В результате этого весьма ценного свойства двигатели постоянного тока получили широкое распространение и часто являются незаменимыми.Число оборотов якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:где rс — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для двигателя параллельного возбуждения rс=0). Это выражение показывает, что изменение скорости вращения двигателя можно осуществить изменением напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.Регулирование скорости вращения изменением напряжения сети осуществляется в случае, когда источником электрической энергий двигателя является какой-либо генератор.Для регулирования скорости вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшаетсяп. д. двигателя.Регулирование скорости вращения якоря двигателя изменением магнитного потока производится изменением тока в обмотке возбуждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочный реостат. В двигателях последовательного возбуждения изменение тока в обмотке возбуждения достигается шунтированием этой обмотки каким-либо регулируемым сопротивлением. Этот способ регулирования скорости не создает дополнительных потерь и экономичен.

30)С ростом добавочного сопротивления увеличивается падение скорости уменьшается скорость а также наклон характеристики и они становятся более мягкими. Поэтому при заданном моменте сопротивления по мере увеличения скорость уменьшается . Подобным способом строятся также механические характеристики при регулировке скорости изменением добавочного сопротивления. Однако, нужно иметь в виду, что в отличие от пускового реостата, регулировочный должен быть рассчитан по нагреву на длительную работу под нагрузкой, так как он оказывается включенным не только кратковременно в течение пуска, но и во время работы двигателя на пониженной скорости.Поскольку в процессе регулирования скорости магнитный поток остается неизменным, то предельно допустимый по нагреву момент двигателя т.е. рассматриваемый способ относится к способу регулирования скорости с постоянным моментом (для двигателей с естественным и принудительным охлаждением). Мощность, потребляемая из сети, увеличивается с ростом скорости.

Отметим недостатки данного способа:

• с увеличением добавляемого сопротивления уменьшается модуль жесткости механической характеристики, в результате чего снижается точность и стабильность регулирования, а незначительные колебания нагрузки приводят к существенному изменению скорости;

• диапазон регулирования скорости зависит от нагрузки и обычно не превосходит 2–3. Это обусловлено снижением жёсткости механической характеристики по мере увеличения;

• трудность обеспечения плавности регулирования, так как это требует применения большого числа ступеней регулировочного реостата, что делает систему громоздкой и затрудняет управление;

• основной недостаток – это большие потери энергии в процессе регулирования скорости.

31Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью системы «генератор-двигатель». Электромеханический способ, при котором изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, может осуществляться генератором постоянного тока независимого возбуждения. Такая система получила название "генератор-двигатель" – Г-Д

Рис. 36. Схема системы "Г-Д"[40]

Генератор Г приводится во вращение от приводного двигателя ПД (от электродвигателя постоянного или переменного тока в промышленности или от дизеля на транспорте), угловая скорость которого стабилизирована. Значение подводимого к двигателю напряжения изменяют путем изменения тока возбуждения генератора Iвг. Обычно при этом и поток и сопротивление цепи якоря двигателя Достается постоянным.  При определенных условиях жесткость механических характеристик и расширение практического диапазона регулирования скоростей вращения (до 200) может быть повышена при применении электромашинного усилителя вместо обычного генератора

Основными достоинствами системы Г-Д являются большой диапазон и плавность регулирования скорости двигателя, высокая жесткостьи линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы.Недостатки-утроенная мощность установки, низкий кпд, инерционность процесса регулирования скорости, шум при работе.

32Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью системы «тиристорный преобразователь-двигатель».

Основным типом преобразователей, применяемых в современном регулируемом ЭП постоянного тока, являются тиристорные реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или 3-х фазной схемам. Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий 2 вторичные обмотки,2 тиристора VS-1 и VS-2, сглаживающий реактор L и систему импульсно-фазового управления тиристорами СИФУ. Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигатели за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя Е_п , достигаемая, в сою очередь, изменениям угла альфа управления тиристорами. Угол альфа определяет задержку подачи импульсов управления Uальфа на тиристоры VS-1и VS-2 относительно момента их естественного открытия, когда потенциал на их анодах становится положительным по сравнению с потенциалом катода . К достоинствам системы относятся плавность, быстродействие, значительный диапазон регулирования скорости, высокий кпд электропривода, бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.

33) Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с шунтированием якоря.

Для ЭП ряда подъемно-транспортных машин и механизмов с целью получения пониженных (посадочных) скоростей движения их исполнительных органов применяется так называемая схема с шунтированием якоря ДПТНВ (рис. 4.2.1). В этой схеме параллельно якорю двигателя включен шунтирующий резистор , а последовательно – резистор .

Уравнения характеристик двигателя для такой схемы можно получить на основании выражений (4.2)и (4.3) и следующих соотношений, вытекающих из анализа самой схемы:

(4.54)

(4.55)

(4.56)

Подставляя в (4.54) и (4.55) ток из (4.56), а затем исключая из полученных 2-х уравнений , получим выражение соответственно для электромеханической и механической характеристик:

(4.57)

(4.58)

где а= ; с=кФ

Из (4.57) и (4.58) видно, что в схеме с шунтированием якоря снижается скорость идеального холостого хода и падает жесткость характеристик по сравнению с основной схемой включения двигателя, что показывают искусственные характеристики двигателя.

Экономичность этого способа невысока из-за значительных потерь мощности в цепи якоря, поэтому он используется для регулирования скорости двигателей небольшой мощности или при кратковременной работе ЭП на пониженных скоростях.

34) Импульсное регулирование скорости электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбужденияСхема импульсного регулирования добавочного сопротивления с помощью управляемых ключей (транзисторных или тиристорных) приведена на рис. 7.10. Импульсное регулирование добавочного сопротивления основано на периодической коммутации с высокой частотой (замыкания и размыкания) ключа по определенному закону.При замкнутом состоянии ключа ( ) ток якоря и скорость двигателя увеличиваются, а при разомкнутом в цепь якоря включается , в результате чего ток якоря и скорость уменьшаются. При высокой частоте коммутации ключа колебания тока якоря и скорости будут незначительными.

Относительное время замкнутого состояния ключа называют скважностью

,

где – время замкнутого состояния ключа; – период коммутации; – разомкнутое состояние ключа.Связь между добавочным сопротивлением при импульсном регулировании и скважностью выражается линейной зависимостью

. (7.11)

Существует два основных способа управления ключом К: а) широтно-импульсное; б) частотно-импульсное. В первом случае период коммутации ключа остается постоянным, а изменяется отношение замкнутого состояния ключа к периоду коммутации, т.е. регулируется скважность. При частотно-импульсном регулировании время замкнутого состояния ключа остается постоянным, а время коммутации изменяется, а, следовательно, и частота коммутации. При таком способе регулирования также изменяется скважность. Частотно-импульсное управление может быть реализовано другим способом: время разомкнутого состояния ключа остается постоянным, а изменяется.

Для построения механических характеристик рассматривают предельные режимы работы ключа: ключ постоянно замкнут ( ) и двигатель работает на естественной характеристике; ключ разомкнут – двигатель работает на искусственной характеристике с . Плавно изменяя скважность импульсов, можно получить семейство характеристик, расположенных внутри этих двух характеристик (рис. 7.10,б).

С учетом (7.11) уравнения электромеханической и механической характеристик имеют вид:

;

.

Для стабилизации скорости и расширения диапазона регулирования используют замкнутые системы регулирования с различными обратными связями. При этом получается семейство характеристик, параллельных друг другу, показанных на рис. 7.10,б пунктирными линиями.Импульсный метод регулирования можно так же применить для изменения магнитного потока двигателя независимого возбуждения, для чего в цепь обмотки возбуждения включается добавочное сопротивление и параллельно ему ключ К₁ (рис. 7.10,а), скважность которого регулируется от 0 до 1. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется от номинального до значения . Получается семейство механических характе- ристик, расположенных выше естественной (регулирование скорости выше номинальной).Основные показатели регулирования скорости импульсным изменением добавочного сопротивления такие же как и реостатного. Однако потери энергии при импульсном регулировании будут больше из-за наличия переменной составляющей тока якоря, которая увеличивает потери в стали и меди двигателя. Импульсное параметрическое регулирование может быть применено также для регулирования скорости двигателей последовательного и смешанного возбуждения.

35) Электрический привод ТМ с синхронными двигателями. Схемы включения. Режимы работы Синхронные трехфазные двигатели (СД) широко применяются в ЭП самых разнообразных рабочих машин и механизмов, что объясняется их высокими технико-экономическими показателями. СД имеют высокий коэффициент мощности cos , близкий к единице или даже орережающий. Это позволяет улучшать и режим работы и экономичность системы электроснабжения. КПД составляет 96…98%.Синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой. Важным преимуществом конструкции СД является наличие большого воздушного зазора, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора.

Статор СД, схема включения которого приведена на рис. Ротор имеет обмотки возбуждения и пусковую короткозамкнутую в виде беличьей клетке. Конструктивно ротор СД может быть явнополюсным и неявнополюсным в виде цилиндра. В качестве источника для питания обмотки возбуждения чаще всего используется генератор постоянного тока 2 небольшой мощности, называемой возбудителем, который устанавливается на одном валу с двигателем 1. Регулирование тока возбуждения двигателя осуществляется изменением с помощью резистора 3 тока возбуждения возбудителя 4.

Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать постоянный по направлению вращающий момент СД только в том случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля, т.е синхронно с вращающим полем.Синхронный двигатель может работать во всех основных энергетических режимах: двигательном и генераторном, с сетью и независимо от сети.