книги из ГПНТБ / Рекус, Г. Г. Элементы автоматизированного электропривода учебное пособие

Рис. 2-27. Пусковые характерис­ тики синхронного электродвига­ теля при асинхронном пуске

На рис. 2,27 показана пусковая характеристика синхронного двигателя при асинхронном пуске. На этой характеристике пока­ заны начальный пусковой Мп и входной М„ моменты синхрон­ ного двигателя.

Одной из важных характеристик синхронного двигателя яв­ ляется механическая характеристика (рис. 2,28). Скорость враще­ ния ротора синхронного двигателя зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов и не зависит от нагрузки. Механическая характеристика синхронного двигателя является абсолютной жесткой и представляется в виде прямой, параллельной оси абсцисс в системе координат л, М. Однако при некотором (максимальном) значении момента нагрузки на валу синхронный двигатель не способен развить необходимый момент и выпадает из синхронизма. Области устойчивой работы синхронного двигателя видны из его угловой характеристики, под которой понимается зависимость электромагнитного момента

60

синхронной машины М от угла в (рис. 2,29) между напряжением и э. д. с.

Рис. 2-30. Векторная диаграмма напряжений син­ хронного электродвигателя

Рис. 2-29. Угловая характеристика синхронного электродвигателя

Установим связь между углом нагрузки и моментом двигателя, что обеспечивает уравнение угловой характеристики, которое мо­ жет быть получено из векторной диаграммы синхронного двига­ теля, представленной для неявнополюсной машины на рис. 2,30.

Пренебрегая электрическими потерями в обмотке статора, считая г = 0, подводимая к синхронному двигателю мощность может быть принята равной электромагнитной мощности:

где I и U — фазный ток и напряжение статора. т — число фаз обмотки статора.

При этом векторная диаграмма синхронного двигателя упрос­ тится и может быть приведена к виду рис. 2,31.

Из прямоугольного треугольника ОБД имеем: ОД = U cos q>, а из прямоугольного треугольника ОСД следует, что ОД =

— Е cos (<р— 0). Приравнивая правые части выражений для ОД, получим:

61

В результате выражение для электромагнитной мощности при­ водится к виду:

Отсюда электромагнитный момент синхронного электродвига­ теля:

Следует заметить, что в случае явнополюсной машины появ­ ляется еще дополнительный реактивный момент.

Таким образом электромагнитная мощность и электромагнит­ ный момент синхронного двигателя являются функцией угла в и изменяются по синусоидальному закону. Максимальное значе­ ние мощности и момента будут иметь место при sin в = 1, т. е. когда в = 90 :

В результате угловая характеристика синхронного двигателя представляется зависимостью:

Из зависимости (2,58) следует, что при возрастании нагрузки на валу электродвигателя будет происходить увеличение угла сдвига фаз между напряжением и э. д. с. При этом будет возрас­ тать момент, развиваемый двигателем. Устойчивый режим рабо­ ты находится в пределах 0 < в < 90 . Если статический момент нагрузки на валу станет равным или большим Мм (угол в ^ 90), двигатель выпадает из синхронизма и останавливается.

Номинальному моменту нагрузки двигателя# соответствует угол, примерно равный вя = 20 -т- 30 ; ( sin0Н= 0,35 ч- 0,5).

Поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя нахо­ дится в пределах:

62

Тормозные режимы синхронных электродвигателей могут быть получены в режимах противовключения и динамического тормо­ жения.

Рис. 2-31. Упрощенная векторная диаграмма напряжений синхрон­ ного электродвигателя (при Г = 0)

Режим противовключения практически не применяется, так как в этом случае усложняется схема и увеличивается количество необходимой электрической аппаратуры из-за необходимости отключения двигателя при достижении скорости, равной нулю. Вместе с тем режим противовключения сопровождается значи­ тельными толчками тока, в системе питания превосходящими пусковой ток двигателя. Поэтому основным способом торможе­ ния синхронных двигателей является динамическое торможение.

При этом способе торможения обмотка статора двигателя от­ ключается от сети и замыкается на сопротивление, а обмотка ротора питается постоянным током, как и при работе в двигатель­ ном режиме. Взаимодействие магнитного потока ротора с током в обмотках статора и создает тормозной момент двигателя.

Механические характеристики синхронного двигателя в ре­ жиме динамического торможения аналогичны характеристикам асинхронного двигателя в этом режиме.

Питание обмотки ротора постоянным током может осущест­ вляться как от возбудителя, связанного с валом двигателя, так и от самостоятельного источника постоянного тока. Поэтому интенсивность торможения будет больше при питании от отдель­ ного источника постоянного тока, так как в этом случае ток воз­ буждения не зависит от скорости вращения двигателя и остается неизменным. Интенсивность торможения так же зависит от вели­ чины сопротивления статорной цепи двигателя.

63

Глава 111

РЕГУ ЛИ РО ВА Н И Е С КО РО СТИ ВРАЩ ЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. Общие вопросы регулирования

Имеется большое число исполнительных механизмов, для которых по условию технологического процесса требуется регу­ лирование скорости их вращения.

Регулирование скорости вращения рабочей машины в боль­ шинстве практических случаев осуществляется регулированием скорости вращения соответствующего приводного электродвига­ теля, может быть периодическим и непрерывным, плавным и ступенчатым.

Применение регулируемого электропривода наряду с обеспе­ чением требований технологического производственного процесса в ряде случаев позволяет упростить кинематическую схему сис­ темы привод — исполнительный механизм, например, устранить коробку передач и т. д.

Изменение скорости вращения исполнительного механизма может быть обеспечено изменением скорости вращения привод­ ного электродвигателя и изменением передаточного числа систе­ мы передачи при сохранении скорости вращения приводного электродвигателя неизменной.

В первом случае изменение скорости вращения достигается путем ручного или автоматического воздействия на электродвига­ тель с помощью релейно-контакторной и другой аппаратуры. Этот способ вследствие ряда преимуществ (высокая экономич­ ность, плавность регулирования,, легкость осуществления авто­ матизации) в настоящее время нашел широкое применение при регулировании скорости многих производственных механизмов.

Второй способ получил сравнительно небольшое применение. Этот способ регулирования кроме изменения передаточного числа с помощью коробок скоростей в настоящее время осуществляется также с помощью электромагнитных муфт скольжения.

В ряде случаев, например, в приводах станков, оказывается целесообразным применять комбинированное регулирование с ис­ пользованием указанных двух способов.

Регулирование скорости в общем случае характеризуется ря­ дом показателей. Важным показателем является диапазон изме­ нения скорости, который определяется как отношение наиболь-

64

шей допустимой скорости к наименьшей скорости вращения при номинальном значении тока:

Пределы регулирования скорости привода обычно характе­ ризуются стандартными отношениями: 2 : 1; 4 : 1; 10 : 1; и т. д. Это означает, что наибольшая скорость вращения при номиналь­ ном токе соответственно в 2 — 4 — 10 раз больше наименьшей скорости вращения двигателя.

Для различных производственных механизмов требуются раз­ личные диапазоны регулирования, которые во многих случаях и являются определяющим условием при выборе способа регу­ лирования.

Другим важным показателем является плавность регулирова­ ния, под которой понимается отношение двух соседних ступеней

где т — ступень регулирования.

Показатель регулирования определяется требованием техно­ логического процесса, поскольку в одних случаях необходимо плавное регулирование, а в других случаях допустимо ступенча­ тое регулирование скорости. При регулировании реостатом плав­ ность регулирования в ряде случаев ограничивается числом сту­ пеней регулировочного реостата.

Показатель экономичности регулирования определяется мини­ мумом полных затрат, связанных с созданием регулируемого привода. Вопрос экономичности решается технико-экономичес­ ким сравнением нескольких вариантов с учетом наилучшего удовлетворения требований производственного процесса и быст­ роты окупания.

В процессе регулирования возможно изменение скорости как вниз от номинальной скорости вращения, что сопровождается снижением скорости вращения исполнительного механизма, так и вверх от номинальной скорости, когда скорость исполнитель­ ного механизма повышается.

Часто применяется и двухстороннее регулирование — вниз и вверх от номинальной скорости вращения.

65

Допустимая нагрузка двигателя при работе определяется до­ пустимым его нагревом. Это объясняется тем, что величина тока двигателя зависит от нагрузки. При работе как на естественной, так и на регулировочных характеристиках во всех случаях должно соблюдаться условие / ^ /н, что при длительном режиме рабо­ ты нагрузка на валу двигателя должна быть такой, чтобы нагру­ зочный ток не превосходил номинальное значение тока двига­ теля.

При этом предполагается неизменность условий охлаждения двигателя в процессе изменения скорости его вращения.

Указанное условие сохраняется для любых способов регули­ рования электродвигателя.

Для самовентилируемых двигателей, имеющих на валу венти­ лятор для охлаждения, снижению скорости вращения должно соответствовать уменьшение допустимых потерь, а следователь­ но, уменьшение момента нагрузки на валу и соответствующего ему тока нагрузки.

§ 2. Регулирование скорости вращения электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения

Возможность осуществления регулирования скорости враще­ ния электродвигателей постоянного тока является одним из важ­ ных свойств, определивших их сравнительно широкое применение

вкачестве привода различного рода исполнительных механизмов.

Впроцессе регулирования скорости двигателя изменяется его механическая характеристика вследствие изменения параметров

самого двигателя (сопротивления якорной цепи, напряжения на якоре, тока возбуждения двигателя).

При решении вопроса о выборе двигателя постоянного тока в качестве приводного двигателя для того или иного рабочего механизма следует учитывать, что для его питания требуется со­ ответствующий источник постоянного тока. При использовании в качестве источника постоянного тока специальных преобразова­ тельных приборов вес и стоимость их оказываются больше веса и стоимости двигателей трехфазного тока той же мощности.

Эксплуатационные расходы по обслуживанию электродвига­ телей постоянного тока в процессе работы так же значительно больше по сравнению с асинхронными трехфазными двигателями. Поэтому применение этих двигателей в качестве регулируемого привода должно быть технико-экономически обоснованным.

Возможность регулирования скорости вращения двигателей

66

постоянного тока вытекают из уравнения скоростной характе­ ристики этих двигателей:

Из этого уравнения следует, что для двигателей постоянного тока возможны следующие способы регулирования скорости вращения: регулирование изменением сопротивления в цепи яко­ ря; регулирование изменением тока возбуждения; регулирование изменением величины подводимого напряжения.

Регулирование скорости вращения двигателя изменением сопротивления в цепи якоря происходит в результате изменения наклона его механической характеристики. С изменением наклона механическая характеристика как бы поворачивается вокруг точки, соответствующей скорости идеального холостого хода, которая при этом не изменяет своей величины, поскольку она не зависит от величины сопротивления якорной цепи.

При изменении сопротивления в цепи якоря получаются искус­ ственные механические характеристики, уравнение которых имеет

Из уравнения (3,4) видно, что при прочих равных условиях увеличение последовательно с якорем включеннрго Сопротивле­ ния гд приводит к уменьшению скорости вращения двигателя. На рис. 3,1 представлены механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при регулирова­ нии рассматриваемым способом.

В настоящее время этот метод регулирования двигателями с независимым и параллельным возбуждением находит относи­ тельно широкое применение, что объясняется его сравнительной простотой.

Для этой цели применяются специальные, станции управ­ ления.

Регулирование, как правило, осуществляется автоматически с помощью релейно-контакторной аппаратуры, включающей или выключающей дополнительное сопротивление в цепи якоря дви­ гателя.

Рассматриваемый способ регулирования скорости имеет и ряд

67

п* естественная

характеристика

га,

1дг регулировочные zd j характеристики

ОИ ст .

Рис. 3-1. Механические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения при регу­ лировании скорости изменением величины сопротивления в цепи якоря

недостатков. Введение последовательно с якорем дополнительно­ го сопротивления соответственно вызывает появление в нем до­ полнительных тепловых потерь. При этом потери мощности в якорной цепи пропорциональны потребляемой мощности и отно­ сительному перепаду скорости:

(3,5)

«о

где и — текущее значение скорости, соответствующее данной нагрузке при заданном сопротивлении якорной цепи.

Подобный метод регулирования в связи с этим не всегда мо­ жет оказаться экономичным.

Диапазон регулирования скорости исполнительного механизма зависит от момента нагрузки на валу. При номинальной нагрузке, соответствующей моменту Мн (рис. 3,1), диапазон регулирования при наличии в цепи якоря добавочного сопротивления гди равен

При моменте нагрузки равном М„ диапазон регулирования

68

ществить регулирование скорости в сторону уменьшения, т. е. здесь осуществляется регулирование только вниз при неизменном моменте нагрузки на валу.

Значительные тепловые потери в добавочном сопротивлении при данном методе регулирования скорости делают целесообраз­ ным его применение для механизмов и машин с повторно-кратко- временным режимом работы, поскольку при этом величина по­ терь в добавочном сопротивлении оказывается относительно не­ большой. При этом нет необходимости рассчитывать сопротивле­ ния для длительного режима работы, что уменьшает его габа­ риты, вес и стоимость.

Рис. 3-2. Принципиальная схема системы генератордвигатель (системы Г-Д)

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока изменением подводимого напряжения осуществляется при питании двигателя независимого возбуждения в системе генера­ тор-двигатель (система Г—Д) или при питании от регулируемых статических выпрямительных устройств.

В схеме Г — Д двигатель, приводящий во вращение рабочую машину, питается от индивидуального генератора (рис. 3,2). Обмотки возбуждения в рассматриваемой системе обычно пи­ таются от отдельного возбудителя, устанавливаемого на одном валу с генератором. При этом генератор и возбудитель приво­

69