Уфимский институт автоматики и электромеханики

Методические указания по проведению

лабораторной работы

"Исследование процессов

автоматизированного пуска и торможения

двигателя постоянного тока

с независимым возбуждением"

Приложение к стенду САФВ-2

Только для резидентов Российской Федерации.

Нет никаких ограничений на публикацию, размножение и переработку данных методических указаний. При перепечатках методических указаний ссылка на авторство УИАиЭ не обязательна.

Все права зарезервированы для нерезидентов РФ (включая государства СНГ).

1 .Цель работы

Освоение методик экспериментального определения момента инерции. Изучение методов автоматизированного пуска и динамического торможения ДПТ с НИ, освоение методики расчета параметров схемы пуска и торможения.

2. Приборы и оборудование

Лабораторный стенд САФВ-2 в составе электромеханического агрегата на базе двигателя 1ПИ12.11-11-202М и приборного блока.

3. Основные технические данные двигателя 1пи12.11-11-202м

Исполнительный двигатель 1ПИ12.11-11-202М со встроенным тахогенератором представляет собой реверсивный высокомоментный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Напряжение питания, В 60

Потребляемый ток, А < 1

Номинальная частота вращения, мин 1000

Номинальный момент, Нм 4.7

Коэффициент Сс при п«1000 мин"¹ ,Вс/рад > 42.4

4. Теоретические сведения

Во многих отраслях промышленности получили распространение электроприводы с питанием двигателя непосредственно от сети постоянного тока.

Простейшая система управления электроприводом должна включать в себя подсистему управления пуском двигателя и подсистему управления торможением двигателя. Наиболее простым в схемотехническом отношении и достаточно экономичным видом торможения является широко применяемое в технике динамическое торможение.

Особенностью ДПТ является то, что в целом ряде случаев прямое подключение обмотки якоря (ОЯ) ДПТ к питающей сети и шунтирование накоротко ОЯ при динамическом торможении недопустимо из-за больших пусковых и тормозных токов.

Рассмотрим, например, такой случай. На рис.1 приведена механическая характеристика ДПТ с НИ и двигательном режиме и режиме динамического торможения. Предположим, что по условиям технического процесса необходимо обеспечить угловую скорость вращения двигателя ω_с при реактивном моменте нагрузки M_с. При данном моменте возжен случай, когда требуемая скорость может быть достигнута только на естественной характеристике двигатели прямая 1 на рис.У).

Естественная электромеханическая характеристика двигателя постоянного тока с независисымсимым возбуждением имеет вид:

(1)

где U – напряжение питающей сети;

ω – - угловая скорость двигателя;

с = k·Ф_Н – коэффициент ЭДС двигателя;

R_Я – сопротивление обмотки якоря двигателя, включая сопротивление щёточных контактов.

Коэффициент с определяется по паспортным данным двигателя по формуле:

(2)

Из (1) ток якоря I можно выразить в виде:

(3)

В начальный момент пуска двигателя путем подключения его якорной обмотки к сети напряжением U, ротор неподвижен (ω = О и пусковой ток (равный току короткого замыкания):

(4)

Динамическое торможение двигателя производится путем отключения его якорной обмотки от сети и одновременным шунтированием якорной обмотки тормозным сопротивлением R_Т. Электромеханическая характеристика ДПТ с НВ в режиме динамического торможения может быть получена из (1) при U=0:

(5)

где сопротивление якорной цепи R_ЯЦ = R_Ц + R_Т

Если R_T = 0, а двигатель до начала торможения работал на скорости, близкой к скорости идеального холостого хода, (что можно осуществить при работе двигателя без нагрузки), о в первый момент после начала торможения U=0, начальная скорость (ω_нац = ω₀ и тормозной ток двигателя:

(6)

Таким образом, пусковой и тормозной ток якоря двигателя всегда превышают рабочий ток якоря и часто это превышение может быть значительным (до 4-5 раз и выше).

Ограничения пускового и тормозного токов

Пусковой и гормонной токи можно ограничить введением я цепь якоря дополнительного пускового R_n и тормозного R_T резисторов, значения которых рассчитываются по формуле:

(7)

Однако при пуске на искусственной характеристике (прямая 2 на рис.1) при моменте нагрузки Мс будет достигнута скорость ω'_c < ω_c. Очевидно, что обеспечить ограничение пускового тока значением I_{П Доп} и одновременно разгон привода до скорости ω_с при моменте нагрузки М_с можно, уменьшая величину сопротивления R_П no мере увеличения скорости двигателя.

Управление пуском и динамическим торможением ДПТ с НВ

Наиболее простым способом регулирования величины R является ступенчатое шунтирование частей пускового сопротивления.

На puc.2 приведена схема управления двухступенчатым пуском и динамическим торможением ДПТ с НВ.

Динамика электропривода в системе управления пуском и торможением ДПТ может быть описана аналитически.

Рис. 2 Схема управления двухступенчатым пуском и динамическим торможением

Уравнение скорости ДПТ с НВ при пуске

Уравнения электрического и механического равновесия при пуске имеют вид:

U = cω + IR_ЯЦ; (8)

, (9)

где J – момент инерции электропривода, приведённый к валу двигателя.

Выражая I из (9), подставляя его в (8) и деля затем обе части (8) на с, получаем:

(10)

или

(11)

где электромеханическая постоянная времени:

(12)

Решая дифференциальное уравнение (11), получаем

ω = ω₀ – ω_с + А · е^-t/T_м (13)

При начальных условиях t = 0, ω = ω_нач :

А = ω_нач – (ω₀ – ω_с ) = ω_нач – ω_с (14)

В частном случае, при пуске двигателя из неподвижного состояния ω_нач = 0

ω = ω_с ( 1 – е^-t/T_м) (15)

График переходного процесса, описываемого уравнением (15), представлен на рис. 3.

Рисунок 3 График переходного процесса при пуске ДПТ с НВ из неподвижного состояния.

Уравнение тока якоря ДПТ с НВ при пуске

Зависимость тока якоря при пуске двигателя определяется из (9):

. (16)

Определив из (12):

(17)

и подставив значение производной в уравнение для тока, получим:

. (18)

Для начальных условий при t = 0, постоянная интегрирования:

. (19)

Подставляя полученное значение с в (18), получаем:

(20)

Уравнение скорости ДПТ с НВ динамическом торможение

Уравнение электрического и механического равновесия в режиме динамического торможения имеют вид:

, (21)

. (22)

Совместное решение этих уравнений относительно дает:

. (23)

При начальных условиях t = 0, ,

. (24)

Подставляя значение А из (24), получим:

(25)

Уравнение тока якоря ДПТ с НВ при динамическом торможение

Начальное значение тока якоря при переходе в режим динамического торможения при скорости определяются из (5):

, (26)

где .

Подставляя в уравнение (18) в качестве начальных условий t = 0, , получим:

, (27)

Тогда:

(28)

Анализ процесса пуска

На рис.4 приведена диаграмма двухступенчатого пуска и динамического торможения ДПТ с НВ, построенная из условий изменения тока при пуске в определенных заданных пределах от I₁ до I₂, где I₂- ток переключения, а при торможение – от I₁ до 0.

Пуск осуществляется следующим образом. В исходном состоянии выключатель S₁ на рис.2- в левом положении, выключатели S₂, S₃ разомкнуты.

Процесс пуска начинается переключением выключателя S₁ в правое положение .При этом ток достигается значения I₁=I_{п доп}. По мере разгона двигателя ток из-за возрастания ЭДС двигателя уменьшается. Скорость уменьшается согласно (15), ток – согласно (20) при R_яц=R_я+R_п.

По истечение времени t₁ ток двигателя достигает значения I₂, скорость значения ω₁. В этот момент выключателем S₂ шунтируют часть R’_п сопротивления R_п. Это соответствует переходу с механической характеристики 2 (точка «б» на рис.1) на механическую характеристику 3 (точка «в»). Ток двигателя снова возрастает до значения I₁. Дальнейший разгон идет по характеристики 3 (рис.1) из точки «в» в точку «г». Скорость и ток разгоняются согласно (15) и (20). T_м рассчитывается по формуле (12) при R_яц=R_я+R₂. По истечению времени t₂ ток двигателя снижается до значения I₂, скорость двигателя увеличивается до значения ω₂, в этот момент выключателем S₃ шунтируют часть R’’_п сопротивления R_п. Это соответствует переходу механической характеристики 2 (точка «г») на естественную характеристику (точка «д»). Ток двигателя опять возрастает до значения I₁. Разгон двигателя идет далее по естественной характеристики и завершается достижением скорости ω₀. Скорость и ток изменяются в соответствии с (15) и (20), T определяется по формуле (12), причем R_яц=R_я.

Время t₁, за которое ток изменяется от значения I₁ до значения I₂ на i-той ступени пуска, можно определить, разрешая уравнение (28) относительно времени t:

, (29)

где i=1,2,

При этом электромеханическую постоянную времени T_м для соответствующей ступени пуска определяют по формуле (12) с учетом соответствующего данной ступени значения R_яц.

Анализ процесса пуска показывает, что управление пуском может быть осуществлено в функции скорости, тока или времени.

Анализ процесса динамического торможения

Включение режима динамического торможения производится переключением выключателя S₁ на рис.2 в левое положение. При этом ток достигает значения –I₁=-I_{T ДОП}. Скорость и ток якоря изменяются согласно (25) и (28) соответственно при I_нач=I₁.

Время t_T, через которое заканчивается торможение при реактивном моменте нагрузке, определяется решением (25) и (28) относительно t ω=0, I=0:

, (30)

где T_м определяется согласно (12) при R_яц=R_я+R_T

Обоснование применения системы автоматизированного управления процессами пуска и торможения ДПТ

Управление переключателями S₁,S₂ и S₃ на рис.2 может вестись вручную или автоматически.

Автоматизация процессов пуска торможения значительно облегчает управление электродвигателями, устраняет возможные ошибки при пуске, способствует повышению производительности рабочих механизмов.