Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
51
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
19.13 Mб
Скачать

вращаться в обратном направлении или, как принято говорить, произойдет реверсирование электропривода (от лат. reversus — обратный).

Отметим, что принципиально возможен другой вариант, когда полярность напряжения на зажимах якоря оста­ ется неизменной, а меняется полярность напряжения на обмотке возбуждения. Но такой способ реверсирования практически по используется ввиду необходимости перемагничнвания магнитной цепи двигателя, что связано с относительно длительным переходным процессом.

В обоих рассмотренных случаях электродвигатель вращается в направлении, обратном направлению дви­ гательного режима. С этим связано название этого ре­ жима — протпвовключение. .

Из анализа эквивалентной схемы на рис. 2-5 следует, что в режиме протнвовключсния напряжение сети и э. д. с. двигателя включены последовательно. При этом также справедливо уравнение (2-24а) баланса мощностей. Однако в данном случае знаки мощностей Рс и Рш противопо­

ложны: Рс

> 0, а Рэм < 0,

так как знаки напряжения

сети и тока

якоря одинаковы,

а знаки момента и скорости

противоположны. Это дает основание записать уравнение баланса мощностей в виде

Рс + Рэя —АР,

где каждый член представляет собой модуль соответствую­

щей мощности.

потребляемая

из сети,

Таким образом, мощность,

Рс и мощность, генерируемая

электрической

машиной

в процессе торможения, Рэм выделяются в виде потерь, рассеиваемых в сопротивлениях цепи якоря двигателя Ян и Лп.я. Очевидно, что при таком преобразовании энер­ гии не имеет смысла говорить о к. и. д., так как полезно используемой энергии в этом случае нет.

Необходимо обратить внимание на то обстоятельство,

что при

противовклгочении

ток якоря, как это следует

из (2-1)

с учетом знака э. д.

с. Е < 0, обусловлен суммой

напряжения сети и э. д. с. двигателя. Если учесть, что относительная величина собственного сопротивления якоря обычно не превышает 0,10—0,12 (рис. 2-4), то становится очевидной необходимость включения в цепь якоря зна­ чительного добавочного сопротивления для осуществле­ ния режима противовключения при допустимых значениях

60

/ я. Из (2-1) в данном случае следует:

Ля + Лп.я = ^ ф Д

(2-29)

 

J Я

 

 

или в ^относительных величинах

 

 

Rsiif ~Ь^п.я* :

Uс*-+! Ejf

 

Обычно / я.допф = 2 -т- 2,5.

Если

Uc = UH и в началь­

ный момент торможения со

= .сон,

то и Сй. +

|i?*l « 2 .

Тогда

 

 

 

^Яй: + ^П.Я*=

1,0-и 0,8.

 

Вследствие больших величин сопротивления цепи якоря жесткость механических характеристик в режиме противо-

включения не может быть высокой (см.

 

 

рис. 2-8).

Модуль

ее относительного

 

 

значения

в

соответствии

с

(2-23)

 

 

составляет

| р |

= 1,0

и-

1,3.

Для

 

 

сравнения укажем, что модуль относи­

 

 

тельной жесткости естественных харак­

 

 

теристик

изменяется

в

пределах

 

 

I Ре* | — 30 -т- 8.

 

 

 

 

 

 

На рис. 2-10 показана схема, с по­

Рис. 2-10.

Схема

мощью которой осуществляется дина­

включешш

двига­

мическое торможение двигателя посто­

теля постоянного

янного тока независимого возбуждения

тока независимого

в случае отключения его якоря от сети

возбуждения, пре-

дусматри в а ю ща я

(отключение контактора Л) и замыка­

динамическое тор­

ния его цепи на резистор й ят (включе­

можение.

ние контактора Т). Уравнение ско­

получено,

если в

ростной характеристики

может

быть

(2-6) положить

Uc — 0.

Тогда

 

 

 

Отсюда

 

0= Я + С Д я + Дд.т)/я.

 

(2-30)

 

 

ю = _ Л я + ^ д 11/я1

_ (2_31)

 

 

 

Соответственно уравнение механической характери­

стики таково

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a = -

2s&

1 M ’

 

(2-32)

Скоростные и механические характеристики режима динамического торможения представляют собой прямые

61

линии, проходящие через начало координат, как показано на рис. 2-11. Из (2-32) следует, что жесткость механических характеристик в режиме динамического торможения так же, как и в двигательном режиме, определяется добавоч­ ным сопротивлением в дени якоря и потоком возбужде­ ния двигателя. Механические характеристики при раз­ личных потоках возбуждения показаны на рис. 2-12. Сопоставляя (2-31) и (2-32) с (2-7) и (2-9), можно сделать вывод о том, что при Дд т = 7?п.я й одинаковых значениях Ф механическая и скоростная характеристики динамичес­ кого торможения будут параллельны соответствующим

Рнс. 2-11. Скоростные (а) и мехапическно (6) характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, ра­ ботающего в режиме динамического торможения

(Лд.т1 <С -йд.та < Лд.Тз).

характеристикам при включении двигателя в сеть по схеме на рнс. 2-1. В частности, при 7?д т = 0 и Ф = Ф„ они будут параллельны соответствующим естественным характеристикам.

Баланс мощностей в режиме динамического торможе­ ния, как это следует из (2-30), выражается соотношением

0 == РЭп + >

т. е. вся энергия, генерируемая электрической машиной в процессе торможения, выделяется в виде потерь, рас­ сеиваемых на сопротивлениях цепи якоря. Как и при торможении противовключением, полезного использова­ ния генерируемой энергии в этом случае нет, поэтому понятие к. и. д. для рассматриваемого режима утрачи­ вает смысл.

62

Следует отметить, что при одинаковых начальных значениях скорости и момента потери энергии в режиме динамического торможения меньше, чем в режиме тормо­ жения противовключеиием, так как в первом случае нет потребления энергии из сети. Но в отличие от режима протпвовключения динамическое торможение при сниже­ нии угловой скорости становится малоэффективным в связи со снижением тормозного момепта двигателя, как это следует из характеристик на рис. 2-11, б. С другой

стороны,

в

режиме динами­

 

 

 

ческого торможения

может

 

 

 

быть реализована

жесткая

 

 

 

механическая характеристи-

 

 

 

ка

при

Ддт =

0,

которая

 

 

 

используется

в

электропри­

 

 

 

водах подъемных механизмов

 

 

 

для

спуска

тяжелых

грузов

 

 

 

на пониженной скорости.

 

 

 

- Для

ограничения

тока

 

 

 

якоря при динамическом тор­

 

 

 

можении

сопротивление его

 

 

 

цепи

должно

быть не ниже

 

 

 

 

■^л +

-Дц. т — Е / 1 n j\o n i

Рис. 2-12.

Механические ■х а ­

где /я,доп — максимально до­

рактеристики двигателя

по­

пустимый

ток

якоря.

 

стоянного

тока независимого

Если,

как

и в

 

случае

возбуждения, ' работающего в

 

режиме динамического тормо­

торможения

противовключе­

жения, при изменении потока

иием, ПРИНЯТЬ /я.доп*

= 2-ь

возбуждения

 

2,5,

Е% ~

1,

 

то

 

Дя* +

(Фи >

Фх > Фа > Ф3).

 

+ Д„.т* =

0,5 -4- 0,4.

относительной жесткости | {З*

| =

Отсюда

модуль

= 2-4- 2,5, т. е. жесткость механических характеристик динамического торможенпя, как правило, выше жесткости соответствующих характеристик при торможении в ре­ жиме протпвовключения.

2-2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

На рис. 2-13 приведена схема включения двигателя последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с его якорем, в связи

/

63

с чем ток возбуждения, а следовательно, н поток возбужде­ ния определяются нагрузкой на валу двигателя. Для схемы рпс. 2-13 будет справедливо уравнение (2-6) с той лишь разницей, что сопротивление цепи якоря включает в себя и сопротивление обмотки возбуждения Л в, т. е.

Uс — Л:Ф (/я) со -\-

(2-33)

где Ляs — Ля -Ь Лп -f- Лп.я-

Однако в отличие от двигателя с независимым возбуж­ дением в данном случае из этого уравнения нельзя полу­ чить аналитические выражения для скоростной и меха­ нической характеристик, так как поток и ток возбужде­

*- 0

ния связаны

между со­

бой нелинейной зависи­

 

мостью, которую, как

 

правило, нельзя пред­

 

ставить в виде формулы.

 

Внешне

уравнения

Рис. 2-13. Схема включения двига­

скоростной п механиче­

теля постоянного тока последова­

ской характеристик рас­

тельного возбуждения.

сматриваемого двигате­

 

ля не отличаются от

соответствующих уравнений для двигателя с независимым

возбуждением. Они

могут

быть получены из

(2-33) и

(2-8) и записываются в виде

 

 

 

 

Uс ■

Ля2

т

(2-34)

“ ~

кФ (/„)

кФ (In)1”’

 

 

ис

1

М

(2-35)

М-АФ(/„) “

[АФ(/я)1-

 

 

При расчете или построении характеристик по форму­ лам (2-34) и (2-35) необходимо знать, как изменяются поток н момент при изменении тока якоря. Для этой цели используют так называемые универсальные (или обоб­ щенные) кривыё Ф* (/„*) и М* (/„*), построенные для определенной серии электрических двигателей последо­ вательного возбуждения (рис. 2-14, а). Возможность обобщения подобного рода характеристик связана с тем обстоятельством, что для электрических машин определен­ ной серии относительные величины зазоров' и степени насыщения магнитной цепи мало отличаются друг от друга. При построении характеристик на рис. 2-14, а в относительных единицах в качестве базисных величин

64

для напряжения, тока якоря и потока возбуждения приняты те же величины, что и для двигателей с незави­ симым возбуждением. Следует обратить внимание на то, что при / я* > 1 момент, развиваемый двигателем последо­ вательного возбуждения, возрастает в большей степени, чем ток якоря, т. е. М* > / я*. Это свойство является одним из достоинств рассматриваемых:. двигателей. На рис. 2-14, а для сравнения пунктиром показана зависи­ мость Мн.в* (7Я*) для двигателей с независимым возбуж­ дением. При одной и той же перегрузке по току якоря

Рис. 2-14. Универсальные завпспмостп для двигателей постоянного

тока последовательного возбуждения серии ДП а М * (In*) и

Ф*(/я*); б - Ф* (М*).

двигатель последовательного возбуждения развивает боль­ ший момент, чем двигатель независимого возбуждения, что объясняется ростом потока возбуждения с увеличением тока якоря в первом из них (при /я* > 1 также Ф* > 1). В частности, при обычно допустимых значениях тока якоря / я.доп* = 2 2,5 момент М* = 2,4 н- 3,0.

Из рис. 2-14, а можно сделать вывод, что момент и поток двигателя связаны однозначно, т. е. для двигателя после­ довательного возбуждения можно построить кривую Ф* (Л/-*), показанную на рис. 2-14, б. Последнее озна­ чает, что при построении механических характеристик не обязательно пользоваться двумя кривыми Ф (/„) и М (7Я);

можно

воспользоваться

лишь зависимостью

Ф (М), за­

писывая (2-35) в виде

 

 

 

 

ис

я

М

(2-35а)

 

кФ(М)

 

[/сФ (М)\-

 

 

3

М. Г. Чиллкпн

 

 

65

Следует отметить, что здесь пе случайно подчерки­ вается необходимость использования зависимости Ф (7,г), а не кривой намагничивания Ф (7и), так как первая из них соответствует работе машины в схеме последователь­ ного возбуждения, что позволяет автоматически учесть реакцию якоря при изменении 7Я. Кривая же Ф (7В) соот­ ветствует изменению потока от тока возбуждения при отключенном якоре двигателя.

При увеличении тока якоря увеличиваются ток воз­ буждения и момент двигателя, что в соответствии с (2-34) и (2-35а) приводит к снижению его скорости. Для полу­ чения более подробного представления о характеристиках двигателя последовательного возбуждения можно вос­ пользоваться кусочно-линейной аппроксимацией кривой намагничивания Ф (7Я). Ее начальный участок (7Я„. =sS 0,3) может быть с достаточной точностью аппроксимирован

прямой

Ф = а11п.

(2-36)

 

Тогда зависимость

Ф (М)

может быть

представлена

в виде

 

 

 

Ф = У

'^ М.

(2-37)

Подставляя (2-36) в (2-34) и (2-37) в (2-35а), получаем:

 

ис

 

 

со: ка11я

 

(2-38)

со =

ис

 

 

—г~-----------(2-39)

 

 

Yka^I

 

Таким образом, при малых нагрузках, когда 1Я%sg: 0,3 и М %^ 0,15, скоростная и механическая характеристики представляют собой кривые гиперболического типа, одной из асимптот которых является ось ординат. Вторую асимп­ тоту рассматривать не имеет смысла, так как она соот­ ветствует 7Я-> оо и оо, т. е. таким величинам тока якоря и момента, которые лежат за пределами аппрок­ симации. Из (2-38) и (2-39) следует, что при 7П-> 0 и М — 0, т. е. при идеальном холостом ходе, скорость двигателя неограниченно *возрастает (со->оо). В дей­ ствительности скорость двигателя даже при идеальном холостом ходе будет конечной, так как при 7Я-> 0 имеем

ФФостНаличие остаточного потока определяет сле­

66

дующую -величину скорости идеального холостого хода:

ис

®0 _ /сФ0СТ '

 

Обычно Фост* = 0,02 -г- 0,09, в связи с чем <г>0

может

в десятки раз превышать

номинальную скорость

двига­

теля. Такое превышение

значения скорости двигателя

Рис. 2-15. Скоростные (а) и механические (б) характеристики двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

недопустимо по условиям прочности коллектора и бан­ дажей, крепящих обмотку • якоря. Для выпускаемых промышленностью двигателей последовательного возбуж­ дения кратность допустимой максимальной скорости ,к номинальной составляет не более 4. В связи с этим огра­ ничивается область применения рассматриваемых элек­ тродвигателей. Их нельзя применять для привода меха­ низмов, у которых возможен режим холостого хода с малыми потерями. В частности, для устранения условий

3*

67

возникновения разноса в приводах с двигателями после­ довательного возбуждения недопустимо применение ре­ менных, клиноременных и цепных передал.

Из (2-38) и (2-39) следует, что начальные участки скоростной и механической характеристик двигателя име­ ют большую крутизну (рис. 2-15), т. е. относительно небольшим изменениям нагрузки соответствуют значи­ тельные изменения скорости. Поэтому при малых нагруз­ ках жесткость механической характеристики невелика.

Для определения значения р следует решить (2-39) от- , носптельно момента

ка.Щ

М = --------_____

(*“1“ + * яв)3 ‘

Отсюда

а2 (kaxUс)а

н(ka^ + R ^ f

Из последнего выражения следует, что жесткость механической характеристики изменяется. По мере сни­ жения скорости растет модуль абсолютной жесткости характеристик.

Второй участок линейной аппроксимации характери­ стики намагничивания Ф (/„) соответствует значениям тока якоря / Я!|. > 1 ,3 и > 1,4. Для этого участка справедливы следующие соотношения:

ф = ф„ + а 2/ я;

(2-36а)

Ф = ®°(1 + У1 + £М),

(2-37а) •

где с = 4ov'M4i.

Используя (2-36а)- н (2-37а), можно уравнения харак­ теристик двигателя представить в виде

и с _____________ г .

(2-38а)

к (Фо + а аЛ9

к (Ф0 + а,2/ я) я’

 

2Uc

М

(2-39а)

“ ~ Ш 0(1 + Vi+IM)

к'-Ф1 (1+1/ Г+р7)2 М ’

 

Из последних формул следует, что и в этом случае крутизна скоростной и механической характеристик за­ висит от нагрузки, но уже в меньшей степени, чем на начальном участке, так как а 2^ а х. При полном насы­ щении машины (а2 -> 0) уравнения характеристик двига­

68

теля последовательного возбуждения (2-38а) и (2-39а) становятся аналогичными уравнениям характеристик дви­ гателя независимого возбуждения (2-7) и (2-9). Таким образом, в зоне больших нагрузок, когда 1„.м > 1,3, M.Y> 1,4, скоростные и мехапические характеристики двигателя последовательного возбуждения близки к пря­ мым (рис. 2-15). Из последних уравнений также следует, что крутизна характеристик возрастает при увеличении сопротивления в цепи якоря двигателя.

Для определения жесткости механической характе­

ристики

при

больших нагрузках найдем зависимость

М (со):

 

л, ,( ^ с - ^ Ф о ) № + Ф0«ях)

 

 

 

 

(«./•«+ Rя2)2

Тогда

 

 

Р =

- /с 2

(azUс+ Ф0Т?я2) •

 

 

(«/'“ + Лях)2

Жесткость механической характеристики и в этом случае является переменной величиной, зависящей от скорости, но в отличие от начального участка механичес­ кой характеристики здесь она меняется относительно меньше и ее модуль существенно больше. При увеличении нагрузки, когда сс2 — 0, жесткость характеристик ста­ новится постоянной, так как [3 — (кФ0)2Шях-

Таким образом, механическая характеристика двига­ теля последовательного возбуждения представляет собой кривую с переменной крутизной, причем крутизна умень­ шается по мере увеличения нагрузки двигателя. В этом заключается и определенное достоинство рассматриваемого двигателя: оператор, управляющий электроприводом, име­ ет возможность по величине скорости косвеипо судпть о загрузке механизма. Кроме того, если выполнение рабочих операций осуществляется при скорости, близкой к номинальной, то выполнение вспомогательных операций в режиме холостого хода механизма (но не двигателя) автоматически происходит при повышенных значениях скорости.

На 'основании (2-34) и (2-35а) можно построить се­ мейство скоростных и механических характеристик при различных значениях Лп%и CJc. Из этого семейства харак­ теристик принято выделять естественные характеристики со (/я) и со (М ) при = t/л и Т?я2 = Rn + Да, а также

69