4.4. Регулирование скорости вращения электродвигателей по системе генератор-двигатель

Принципиальная схема включения шунтового двигателя постоянного тока по системе генератор – двигатель (Г-Д) приведена на рис.4.2.

Г

L1

L2

L3

M1

ω=const

G

DBG

R_Г

енератор G с постоянной скоростью ω приводится во вращение асинхронным или синхронным двигателем М1. Питание цепей возбуж-дения генератора G и исполнительного двигателя М2 осуществляется от независимого источника постоянного тока (генератор-возбудитель, тиристорный, электромашинный или магнитный усилители). Якорь двигателя М1 присоединяется к якорю генератора G непосредственно. Для изменения направления вращения двигателя М2 необходимо изменить ЭДС генератора Е2 путем изменения магнитного потока генератора или путем изменения полярности напряжения и направления тока в обмотке возбуждения генератора.

При оценке экономичности регулирования следует иметь в виду, что системе Г-Д осуществляется трехкратное преобразование энергии. Каждая из ступеней преобразования сопровождается потерями энергии, поэтому общий КПД системы

η_г-д = η_м1η_гη_м2, (4.4)

где η_м1,η_г,η_м2 – соответственно КПД приводного первичного двигателя М₁ , генератора, исполнительного двигателя М₂.

Рис. 4.2. Принципиальная схема включения шунтового двигателя по системе Г-Д

Результирующий КПД особенно низок для электроприводов малой мощности и достигает 75…80% электроприводов средней и большой мощности.

Уравнение равновесия ЭДС имеет вид

Е₂ – Е = I_я(R_г + R_дв), (4.5.)

где Е₂, Е – соответственно ЭДС генератора и ЭДС двигателя;

I_я – ток в якорной цепи генератора и двигателя;

R_Г, R_дв – соответственно сопротивление якоря генератора и двигателя М₂.

Отсюда угловая скорость двигателя М₂

, (4.6.)

где ω_о – скорость вращения идеального холостого хода;

– величина постоянная

Из выражения (4.7.) момент двигателя М_дв2 при неизменном и изменном потоке Ф

(4.7.)

Уравнение (4.7.) в развернутом виде определяет семейство линейных механических характеристик, наклон которых остается постоянным и определяется общим сопротивлением якорной цепи.

Зона 1

Зона 2

ω_о

М_дв2

Рис. 4.3. Механические характеристики шунтового двигателя постоянного тока для двигательного режима в системе Г-Д

Скорость вращения двигателя М₂ регулируется ниже основной изменением ЭДС генератора Е₂ при номинальном потоке двигателя (зона 1), а выше основной – уменьшением магнитного потока двигателя Ф при номинальной ЭДС генератора (зона 2) (рис.4.3.), что видно из выражения для ω_о = Е₂/сФ.

Достоинством системы Г-Д является плавность регулирования, а недостатками, высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Регулирование скорости вращения шунтового двигателя по системе управляемый выпрямитель – двигатель (УВ-Д) широко используется для регулирования любых координат электропривода при высоких требованиях к показателям качества регулирования. Этот способ по этой причине являются основным при создании автоматизированных электроприводов постоянного тока.

Реализация способа предусматривает питания якоря шунтового двигателя от преобразователя, выходное напряжение которого регулируется по величине и по полярности. Так как основным источником питания электропривода служит сеть переменного тока, то таким преобразователем должен быть управляемый выпрямитель, чаще всего тиристорный преобразователь.

Схема электропривода при питании от УВ, получившая название система УВ-Д, показана на рис 4.4., где Е_п – ЭДС УВ, R_n – его внутреннее сопротивление, К_n = Е_n/U – коэффициент усиления УВ, U_у – входной сигнал управления. Напряжение на выходе УВ вследствие наличия его внутреннего сопротивления R_в определяется

U = E_n – IR_в (4.8.)

L1

L2

L3

Рис. 4.4. Схема включения шунтового двигателя кУВ

U

У_В

U_y

M_дв

Р

ω_о2

ω_о3

ис. 4.5. Механические характеристики шунтового двигателя при регулировании напряжения в двигательном режиме

Обмотка возбуждения двигателя питается от отдельного источника постоянного тока, например, неуправляемого выпрямителя.

В

U

ыражения для скорости ω и момента двигателя М_дв согласно формулы (4.7.) имеем вид

; (4.9.)

откуда

(4.10.)

Из (4.9.) и (4.10.) видно, что при изменении Е_n пропорционально изменяются скорость идеального холостого хода ω_о, а искусственные механические характеристики, оставаясь линейными и параллельными друг другу, имеют по сравнению с естественной механической характеристикой шунтового двигателя больший наклон из-за сопротивления R_n в выражение для перепада скорости ∆ω. Естественная механическая характеристика получена при питании двигателя от источника бесконечно большой мощности или по другому, от источника с нулевым внутренним сопротивлением. Характеристики построены соответственно при следующих значениях ЭДС УВ

К достоинствам системы УВД, например, тиристорный преобразователь-двигатель относятся: плавность и значительный диапазон регулирования Д=10:1 и более; большая жесткость получаемых искусственных механических характеристик; высокий КПД электропривода, определяемый КПД трансформатора (0,93…0,98) и УВ(0,9…0,92); бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации. К недостаткам системы УВД следует отнести: преобразователь имеет одностороннюю проводимость; для получения механических характеристик во всех квадрантах необходимо использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь; напряжение на якоре и ток имеют пульсирующий характер; вентильный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания; тиристорные преобразователи имеют невысокую помехозащищенность и малую перегрузочную способность по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП-Д является основным видом высокоэффективного регулируемого электропривода постоянного тока.