Теория электропривода

3.3.Электромеханические свойства

ихарактеристики электродвигателей переменного тока

Математическое описание процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе (АД). Схема двухфазной модели АД.

Естественная механическая и электромеханическая характеристики асинхронного двигателя. Формула Клосса. Искусственные механические характеристики АД при изменении параметров цепей статора, ротора и питающей сети.

Тормозные режимы АД (рекуперативное, противовключения, динамическое торможение с возбуждением постоянным током и с самовозбуждением).

Особенности механических характеристик к.з. АД.

Расчет естественной и искусственных механических характеристик АД. Расчет пусковых сопротивлений для роторной цепи АД и расчет сопротивлений, включаемых в цепь обмотки статора для ограничения пускового тока к.з. АД при питании от сети ограниченной мощности.

Уравнения и электромеханические свойства синхронных двигателей (СД). Особенности их механических характеристик.

Методические указания

Методические указания по данному разделу курса в основном такие же, что и по предыдущему. Дополнительно можно отметить следующее. Необходимо твердо запомнить уравнение механической характеристики АД (формулу Клосса) и уметь пользоваться им при расчете статических характеристик двигателя поегопаспортным данным.

Следует разобраться и понять влияние индуктивного сопротивления обмоток ротора АД на величину начального тормозного момента в режиме противовключения, а также понять, почему при введении в цепь ротора двигателя с фазным ротором добавочного активного сопротивления растет пусковой и тормозной моменты, несмотря на ограничение тока ротора.

Следует также разобраться и понять, почему при изменении частоты напряжения, подводимого к статору (если оно постоянно), из-

11

меняется критический момент и почему АД может выйти из строя при увеличении или уменьшении напряжения сверх допустимых пределов при неизменной нагрузке на валу.

При изучении электромеханических свойств синхронного двигателя следует повторить принцип его работы из курса электрических машин, еще раз уяснить механизм образования синхронного момента и понять, почему форсирование возбуждения СД при пиках нагрузки увеличивает его перегрузочную способность.

Литература: [1. гл. 3, § 3.10; 3.11; 3.14; 3.15]; [2. гл. 3, § 3.7; 3.8; 3.9]; [3. гл. 3, § 3.3; 3.4; 3.7; 3.8; 3.11; 3.14; гл. 4, § 4.2; 4.3; 4.5].

4.Переходные режимы электроприводов

4.1.Общие характеристики переходных режимов электроприводов

Понятие о переходных режимах электроприводов, причины их возникновения, факторы, влияющие на характер переходного процесса. Классификация переходных процессов. Оптимальные переходные процессы. Методы анализа переходных процессов в линейных и нелинейных системах.

Уравнения электромеханического переходного процесса электропривода с линейной механической характеристикой при ω0 = const,

Mc = const.

Методические указания

При изучении данного раздела нужно усвоить, что переход электропривода из одного установившегося режима в другой происходит во времени. При этом изменяются все переменные (токи, моменты, ускорения, скорость). Нужно уяснить причины возникновения переходных процессов и знать факторы, которые в наибольшей степени влияют на характер процесса: механическая, электромагнитная и тепловая инерции. Но поскольку тепловые процессы в двигателе протекают медленно, при анализе электромеханических переходных процессов учитывается влияние только механической и электромаг-

12

нитной инерции. Следует также понять, почему при математическом описании переходных процессов пренебрегают электромагнитной постоянной времени, когда двигатель работает при пуске, торможении на промежуточных (искусственных) механических характеристиках.

Следует иметь представление о методах анализа переходных процессов и знать, что понимается под оптимальными переходными процессами.

Литература: [1. гл. 4, § 4.7; 4.8]; [2. гл. 7, § 7.1].

4.1.1. Электромеханические переходные процессы

Переходный процесс электропривода с линейной механической характеристикой двигателя при одно- и многоступенчатом пуске

в случае ω0 = const, Mc = const. Переходные процессы электропривода

слинейной механической характеристикой в тормозных режимах

при ω0 = const, Mc = const.

Переходные процессы электропривода с линейной и нелинейной

механической характеристикой при ω0 = const, Mc = f(ω). Переходный процесс электропривода с линейной характеристикой при ω0 = f(t),

Mc = const.

Переходный процесс электропривода с двигателем независимого возбуждения при изменении магнитного потока и Mc = const.

Переходный процесс при пуске и торможении электропривода с асинхронным короткозамкнутым двигателем.

Методические указания

При изучении электромеханических переходных процессов в электроприводах следует хорошо разобраться в методике их анализа и расчета, влиянии на их длительность электромеханической и электромагнитной инерции, а также характере Mc. Следует усвоить, что собой представляют электромеханическая Тм и электромагнитная Тэ постоянные времени.

Особое внимание нужно уделить анализу переходных процессов при ω0 = f(t), когда двигатель питается от управляемого преобразователя, при изменении магнитного потока двигателя независимого возбу-

13

ждения, влиянию Тэ на переходный процесс в электроприводе с к.з. асинхронным двигателем. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что при линейном изменении во времени скорости идеального холостого хода ω0 динамический момент определяется темпом изменения ω0 (т.е. напряжения или частоты преобразователя).

Литература: [1. гл. 4, § 4.8; 4.9]; [2. гл. 7, § 7.2; 7.3; 7.4; 7.5; 7.6; гл. 8, § 8.1; 8.2; 8.3].

5.Регулирование координат электроприводов

5.1.Общие вопросы регулирования координат электропривода

Требование к координатам электропривода и формированию статических и динамических характеристик. Понятие об управлении и регулировании координат. Цели и задачи регулирования координат.

Основные показатели способов регулирования координат (точность, диапазон, плавность, динамические показатели качества, экономичность, допустимая нагрузка). Регулирование при постоянном моменте и постоянной мощности (2 зоны регулирования).

Методические указания

При изучении данного раздела курса следует разобраться в понятиях управления и регулирования координат и уяснить цели и задачи регулирования. Необходимо хорошо уяснить, какими основными показателями оцениваются различные способы регулирования координат (переменных) электроприводов.

Литература: [1. гл. 5, § 5.1; 5.2]; [2. гл. 4, § 4.1].

5.2. Регулирование тока и момента электропривода

Задачи и принципы управления током и моментом. Реостатное регулирование тока и момента двигателей постоянного и переменного тока. Регулирование тока и момента асинхронного двигателя импульсным изменением сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора. Регулирование момента всистеме источниктока – двигатель (ИТ–Д).

14

Регулирование момента асинхронного электропривода изменением подводимого напряжения.

Регулирование момента асинхронного электропривода при частотномуправлении ипитанииот источника напряжения иисточника тока.

Методические указания

Для нормального функционирования электропривода необходимо ограничивать ток и момент двигателя допустимыми значениями в переходных процессах пуска, торможения, изменения нагрузки, а в ряде случаев и непрерывного регулирования момента в целях ограничения динамических ударных нагрузок механизмов, испытывающих при работе значительные перегрузки. Поэтому при изучении данного раздела курса необходимо усвоить способы и возможности регулирования момента (тока) изменением сопротивления в якорной и роторной цепи двигателей, при питании от источника тока, изменением подводимого к статору АД напряжения и при частотном управлении АД.

Литература: [1. гл. 6, § 6.1; 6.2; 6.3; 6.7]; [2. гл. 6, § 6.6; 6.8].

5.3. Регулирование скорости электропривода

Задачи и принципы регулирования скорости электроприводов. Реостатное регулирование скорости ДПТ и АД. Автоматическое регулирование скорости АД при использовании

отрицательной обратной связи.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока изменением магнитного потока. Максимально достижимая скорость при ослаблении магнитного потока.

Регулирование скорости асинхронных двигателей изменением подводимого напряжения при питании от тиристорных регуляторов (ТРН) напряжения.

Система генератор – двигатель (Г–Д). Принципиальная схема системы, ее элементы. Основные уравнения, статические механические характеристики, режимы работы, регулирования скорости, торможение. Достоинства и недостатки системы. Основные технико-экономические показатели. Расчет статических механических характеристик.

15

Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д). Принципиальная схема системы, ее основные элементы. Временная диаграмма выпрямленного напряжения. Основные уравнения, структурная схема, статические механические характеристики с одним и двумя комплектами вентилей. Причины возникновения прерывистых токов, режимы работы. Торможение и реверсирование двигателя при одном и двух комплектах. Причины появления уравнительных токов и их ограничение.

Статические механические характеристики реверсивной системы ТП–Д. Расчет статических механических характеристик. Коэффициент мощности и основныетехнико-экономические показатели системы.

Законы частотного управления асинхронным электроприводом. Статические механические характеристики АД при частотном управлении. Компенсация падений напряжения. Система ПЧ–АД с электромашинным и статическим преобразователем частоты. Основные технико-экономические показатели системы ПЧ–АД.

Электропривод переменного тока с вентильным двигателем. Назначение датчика положения ротора и его принципиальное устройство. Механические характеристики вентильного двигателя. Достоинства вентильного двигателя и области применения.

Принцип регулирования скорости АД в каскадных схемах и понятия об электромеханическом и электрическом каскадах. Каскад с АД, работающим в режиме двойного питания. Распределение потоков мощности при работе с нижесинхронной и сверхсинхронной скоростью в случае активногоиреактивногомомента сопротивления.

Каскады АД с машиной постоянного тока и вентильным преобразователем. Пуск, регулирование скорости, статические механические характеристики.

Методические указания

Основной целью при изучении данного раздела курса является усвоение основных способов регулирования скорости электроприводов. Необходимо хорошо усвоить все показатели, которыми характеризуются различные способы регулирования скорости. Они практи-

16

чески те же, что и изложенные в разд. 5.2. К ним добавится лишь еще один важный показатель – допустимая нагрузка при работе на регулировочных характеристиках.

Следует уяснить факторы, ограничивающие диапазон изменения скорости, понять, почему при введении обратных связей диапазон регулирования скоростей и точность регулирования существенно увеличиваются и могут быть сформированы механические характеристики с желаемой жесткостью.

При изучении системы ГД следует уяснить, как осуществляется регулирование скорости и что основным способом торможения двигателя в ней является торможение с рекуперацией энергии в сеть. Это достигается ослаблением магнитного потока генератора, питающего двигатель, а также при скорости двигателя большей скорости идеального холостого хода (при активной нагрузке). Нужно понять, какая энергия отдается в сеть в этом тормозном режиме в случае гонного асинхронного двигателя и в случае гонного синхронного двигателя, а также какая потребляется из сети.

При изучении системы ТП–Д следует обратить внимание на то, что в реверсивных электроприводах с двумя комплектами вентилей основным способом торможения, как и в системе Г–Д, является рекуперативное торможение. При этом следует иметь в виду, что для получения такого тормозного режима еще недостаточно того, чтобы скорость двигателя стала больше скорости идеального холостого хода. Для осуществления режима рекуперативного торможения необходимо заставить преобразователь выпрямлять не положительные, а отрицательные полуволны питающего напряжения, т.е. перевести его в инверторный режим. Нужно хорошо разобраться, почему это следует делать. Следует уяснить и понять, почему при малых нагрузках в случаях нереверсивного преобразователя возникает зона прерывистых токов, а при обычных, нормальных нагрузках прерывистые токи отсутствуют, так же как и в случае двухкомплектного преобразователя с совместным управлением.

Необходимо понять причину появления уравнительных токов и почему его нужно ограничивать.

17

Очень внимательно следует подойти к изучению вопросов частотного регулирования скорости асинхронного электропривода. Нужно понять, почему необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлениях обмоток статора и ротора.

Следует хорошо разобраться в принципе регулирования асинхронного электропривода при питании от тиристорного регулятора напряжения (ТРН), позволяющего осуществлять фазовое управление, понять возможности, которые этот способ предоставляет, обратить внимание на вид механических характеристик, которые можно сформировать при фазовом управлении в замкнутой системе, а также на недостатки этого способа, ограничивающие область его применения, обусловленные необходимостью снижения нагрузки при малых скоростях с целью предотвращения перегрева двигателя.

При изучении регулирования скорости вентильного электропривода переменного тока необходимо уяснить назначение датчика положения ротора, высокоамперных транзисторных ключей и понять алгоритм работы тиристорного коммутатора, выполняющего функцию коллекторной машины постоянного тока.

При изучении материала по регулированию скорости АД в каскадных схемах нужно хорошо разобраться в сущности этого способа регулирования, его возможностях, областях применения, особенно в случае каскада с АД, работающим в режиме двойного питания. Следует уяснить распределение потоков мощности при работе с ниже- и вышесинхронной скоростями в двигательном и тормозном режимах.

Необходимо уяснить принцип регулирования скорости АД в электрическом и электромеханическом каскадах с вентильным преобразователем, какие механические характеристики имеет АД при работе в каскадных схемах.

Литература: [1. гл. 5, § 5.1; 5.2; 5.3; 5.4; 5.5; гл. 7, § 7.1; 7.2; 7.8; 7.9; 7.10; 7.12; 7.13]; [2. гл. 4, § 4.1; 4.2; 4.3; 4.4; 4.8; 4.9; 4.10; 4.12; 4.13; 4.14; 4.16]; [3. гл. 2, § 2.10; 2.11; 2.17; гл. 3, § 3.9; 3.10; 3.15; 3.16].

6. Многодвигательные системы электропривода

Работа двигателя на общий вал. Схемы многодвигательного электропривода. Искусственные механические характеристики двухдвигательного электропривода. Распределение нагрузки между дви-

18

гателями в установившемся (статическом) режиме. Выравнивание нагрузки двигателей.

Методические указания

При изучении данного раздела курса необходимо понять техни- ко-экономические предпосылки применения систем многодвигательного электропривода, когда и с какой целью целесообразно применение таких систем.

Следует разобраться в вопросах распределения нагрузки между двигателями, работающими на общий вал, при одинаковой и различной их мощности, понять, как влияет жесткость механических характеристик двигателей на распределение нагрузки между ними, как можно, при необходимости, выровнять нагрузку между двигателями (в случае двигателей постоянного тока и в случае асинхронных двигателей при работе их на общий вал).

Литература: [2. гл. 5, § 5.1; 5.2].

7.Нагревание электродвигателей

иосновы их выбора по мощности

7.1.Основы теории нагрева электрических машин

Общие сведения о нагревании двигателей и ограничения, накладываемые на процесс нагрева. Классы изоляции обмоток двигателей. Нагрузочные диаграммы электроприводов. Номинальные режимы работы электродвигателей (S1–S8) и их характеристики.

Нагревание и охлаждение двигателей при длительном режиме работы (S1) с постоянной нагрузкой. Законы изменения температуры перегрева τ = f(t).

Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы (S2). Нагревание двигателей при повторно-кратковременном режиме работы (S3).

Методические указания

При изучении данного раздела необходимо твердо запомнить, какие существуют стандартные номинальные режимы работы (нагрузки) электродвигателей, чем они характеризуются, уметь по на-

19

грузочной диаграмме электропривода определять режим работы конкретного электропривода. Необходимо запомнить классы изоляции обмоток двигателей и знать предельно допустимую температуру нагрева для каждого класса изоляции.

Следует разобраться, понять и усвоить методику анализа процессов нагрева и охлаждения электрических машин при различных режимах их нагрузки и уметь определять, с какой термической и механической перегрузкой могут работать двигатели длительного режима (S1) при использовании их в кратковременном (S2) и повторнократковременном (S3) режимах.

Литература: [1. гл. 9, § 9.4; 9.6]; [2. гл. 9, § 9.3; 9.4].

7.2. Методы проверки допустимой нагрузки электродвигателей и выбор их по мощности.

Выбор преобразователей

Предварительный выбор мощности двигателя. Проверка допустимой нагрузки по методу средних потерь. Определение потерь и КПД двигателя при номинальной и неноминальной нагрузках.

Проверка допустимой нагрузки двигателей по методу эквивалентных величин (тока, момента, мощности).

Выбор мощности двигателей при длительном режиме работы с неизменной нагрузкой (S1). Выбор мощности двигателей при кратковременном (S2) и повторно-кратковременном режиме (S3). Пересчет мощности с одной ПВ% к другой ПВ%. Учет отклонения температуры окружающей среды от стандартной.

Особенности выбора мощности асинхронных к.з. двигателей и определение допустимого числа включений в час при повторнократковременном режиме. Особенности выбора мощности двигателя для механизмов с ударной нагрузкой и определение момента инерции и размеров маховика для сглаживания пиков нагрузки. Выбор мощности двигателей для режимов S4–S8. Выбор преобразователей.

Методические указания

Обычно мощность двигателя для конкретного механизма выбирается предварительно по нагрузочной диаграмме механизма, так как нагрузочная диаграмма электропривода до выбора двигателя обычно

20