Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автоматизированный электропривод. Учебно-методическое пособие
.pdf
но подключить катушку А, потам В (А выключить), потом С (В выклю-
M
чить) и снова А, то возникнет эффект перемещения (вращения) магнита по окружности статора. Так возникает вращающееся (слева направо)
магнитное поле. Если вначале включить катушку В, потом А, С и снова
В, то направление вращения изменится. Вращающееся МП
статора
«наводит» ЭДС в обмотке ротора, и в ней возникает ток. За вращаю-
щимся полем статора – «вращающимся магнитом» следует ротор, проводники с током которого также являются электромагнитом (вспомните
ваши детские игры с магнитами) – ротор вращается.
Трехфазная система гармонических токов создает равномерное вращение поля, а смена последовательности фаз обеспечивает
реверс АД.
Регулировочные свойства электродвигателей определяются их электромеханическими ()I
3.2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДВИГАТЕЛЕМ
ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
3.2.1. УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ
и механическими ()
ХАРАКТЕРИСТИК
характеристиками.
Силовую схему электропривода постоянного тока (системы: ис-
точник питания – двигатель) для установившегося режима можно
представить в виде замкнутой цепи, содержащей ЭДС источника – Е
ЭДС двигателя – Е
теля – R
и дополнительные сопротивления R
ДВ
, активные сопротивления источника – RИ, двига-
Д
(рис. 3.1).
ДОП
И
Очень важно не забывать, что, будучи нагрузкой для источника,
электродвигатель отличается от активного сопротивления тем, что
имеет ЭДС, которая,
в зависимости от режима работы двигателя,
может быть:
и меньше, и больше ЭДС источника;
направлена и встречно, и согласно с ЭДС источника.
Для схемы (рис. 3.1) в установившемся режиме справедливы соотношения:
,
ИИ И ИД ДОПДB
() ( ).Е UIR UЕ IR R
Обращаем внимание, что напряжение на клеммах источника U
(1)
от-
И
личается от ЭДС источника на величину равную падению напряжения
UIR
ИИ
на активном сопротивлении источника. Однако здесь при
21
расчете характеристик привода считают, что напряжение источника не
Д
I
p
p
зависит от тока (U
= const).
И
R
ИДОПДВ
Е
И
U = U
R
ИЯЦ
U
R
Д
Е
Рис. 3.1. Силовая цепь ДПТ при питании
от источника напряжения
Если учесть, что
КФω,Е
ДДДД
КФМI
ДДД
(2)
, (3)
то из (1), (2) и (3) определяются уравнения электромеханической и механической статических характеристик электропривода (двигателя).
()
U
Д 0
КФ КФ
ДД ДД
U
Д 0
И
КФ (КФ)
ДД ДД
Характеристика, полученная при U
IR R
И
ДВ ДОП
М RR
()
ДДВ ДОП
2
И
= UН,
;
(4)
.
(5)
КФ КФ
,
Н
ДОП
0R
называется естественной характеристикой ДПТ, любые другие (при
других U
, КФ, R
И
) называются искусственными.
ДОП
В уравнениях (2), (3), (4),(5):
, КД – конструктивные коэффициенты генератора и двигателя,
К
Г
определяются по каталожным данным машин:
К
N
,
а
2
, а – соответственно число пар полюсов и параллельных ветвей об-
мотки якоря; N – число активных проводников обмотки якоря; Ф = f(i
)
В
[Вб] – магнитный поток на полюс, задается кривой намагничивания;
22
– электромагнитный момент двигателя; ω0 – скорость идеального
М
Д
холостого хода, определяется первыми слагаемыми формул (4), (5);
Δω – отклонение скорости от скорости идеального холостого хода, обусловленное нагрузкой (М
формул (4), (5); ω
– установившаяся скорость двигателя, до которой он
Д
разгоняется при моменте нагрузки (М
движения при подключении якорной цепи к напряжению U
, рис. 3.2), определяется вторым слагаемым
С
) в соответствии с уравнением
С
:
И
d
M М J
ДС
.
(6)
dt
Имея паспортные данные двигателя, можно, задаваясь значениями
тока якоря и момента, по формулам (4) и (5) рассчитать характеристики двигателя для заданных значений напряжений, дополнительных сопротивлений в якорной цепи и потоков возбуждения (рис. 3.2). При
этом для двигателя независимого возбуждения можно считать, что величина КФ не зависит от тока якоря и
для номинального тока возбуж-
дения может быть определена по паспортным данным:
UIR
КФ ,20,104.
ННД
(7)
ННН
Н
n
60
Н
n
Для любых других значений токов возбуждения значение КФ может быть определено по кривой намагничивания, заданной в относительных единицах КФ/КФ
= f(i/iН) (приложение 1, табл. П1.2).
Н
Чтобы процедура расчета и построения характеристик была наглядной, перед выполнением лабораторной работы для каждого пункта программы, требующего расчета и экспериментального определения электромеханической или механической характеристики, рекомендуется составить таблицу (табл. П2.2), приведенную в протоколе лабораторной
работы.
По данным таблицы строятся зависимости ω(I), ω(
М).
При расчете характеристик для режима динамического торможения
нулю, а сопротивление динамического торможения (R
в формулах (5), (6) напряжение на якоре принимают равным
) представля-
ДТ
ется дополнительным сопротивлением.
Для схемы с шунтированием якоря (рис. 2.2, б) уравнения элек-
тромеханической и механической характеристик имеют следующий
вид:
23
IR
R
R
R
Э
М
R
ДЭ
2
R
Ш
– коэффициент шунтирования;
R
ШД
;
.
(9)
Д 0
В формулах (8, 9):
R
RR
ЭДВ
ШД
R
ШД
U
(8)
Д 0
И
КФ КФ
ДД ДД
U
И
КФ (КФ)
ДД ДД
– эквивалентное сопротивление якорной цепи, ес-
ли сопротивление источника считать равным нулю.
На рис. 3.2 качественно изображена ЭМХ для схемы с шунтированием якоря. Так как 1
реостатной характеристике. А поскольку R
, то скорость холостого хода меньше, чем на
> RДВ, жесткость меньше,
Э
чем у естественной характеристики, но больше, чем на реостатной с
таким же последовательным сопротивлением R
3.2.2. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
НА ПЛОСКОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
.
Д
На рис. 3.2 показан возможный вид механических характеристик
ω(М).
Каждое установившееся значение скорости, при заданном моменте
вычисляется по формулам (4) или (5) и соответствует согласно (6) значению момента двигателя, равного значению момента нагрузки (М
= МС).
Д
Величину момента можно рассчитать по формуле (2) через значения
потока (КФ) и установившегося тока якоря исследуемого двигателя.
Кроме того, величину момента нагрузки можно определить по
формуле (2), применив ее к нагрузочной машине, учитывая при этом
момент холостого хода исследуемого двигателя (момент трения в кинематической цепи). При этом в двигательном режиме момент
ки (М
) определяется как сумма электромагнитного момента нагрузоч-
С
нагруз-
ной машины и момента холостого хода, а в генераторном режиме М
определяется как разность электромагнитного момента нагрузочной
машины и момента холостого хода.
На характеристиках I, II отмечены точки установившегося движения 1, 2, 3, 4, 6 при различных значениях момента нагрузки (при раз-
С
24
личных значениях установившегося электромагнитного момента двигателя). Эти точки соответствуют различным режимам работы электродвигателя.
Рис. 3.2. Графики механических характеристик
двигателя постоянного тока независимого возбуждения ω(М)
Из соотношений (1), (2) несложно установить, что точки 1, 4, 6 соответствуют режиму, при котором ЭДС двигателя по модулю меньше
напряжения источника, а направлены они встречно. Направление тока
определяется направлением напряжения источника. В этом случае говорят, что двигатель потребляет электрическую энергию, вырабатываемую источником, и преобразует ее в механическую, расходуемую на
преодоление сил сопротивления – М
, и в тепловую – на нагрев про-
С
водников.
Этот режим называется двигательным и является основным
для электропривода.
Баланс мощности в двигательном режиме соответствует следующему соотношению:
2
.РР РМ IR
ЭМ Э С ЯЦ
Здесь
,,РР Р
ЭМ Э
– соответственно электрическая мощность, потреб-
ляемая двигателем; механическая мощность, расходуемая на преодо-
25
ление момента сопротивления; мощность тепловых потерь на актив-
ном сопротивлении якорной цепи.
Точка 2 соответствует режиму, при котором ЭДС двигателя боль-
, направлены они (ЭДС и напряжение) также встречно. Направ-
ше U
И
ление тока определяется направлением ЭДС двигателя.
В этом случае говорят, что двигатель преобразует механическую
энергию в электрическую, часть (ΔР
) которой тратится на нагрев про-
Э
водников электрических машин и линии соединения с источником, а
оставшаяся мощность (Р
) отдается источнику.
Э
Баланс мощности в этом режиме соответствует следующему соотношению:
МЭ ЭЭ Д Э
,.РР РРМ Р
(10)
Этот режим называется режимом рекуперативного или генераторного торможения.
Точка 3
соответствует режиму, при котором ЭДС двигателя может
быть и меньше и больше напряжения источника в зависимости от величины скорости. Но направлены U
и ЕД согласно, так как направле-
И
ние ЭДС двигателя по сравнению с направлением в точке 1 изменилось с изменением направления скорости.
Баланс мощности в этом режиме соответствует следующему соот-
ношению:
РР Р
ЭМ Э
(11)
,
т. е. преобразуются в тепловые потери и потребляемая двигателем
электрическая энергия, и механическая энергия механизма, который
заставил двигатель изменить направление скорости по сравнению с
направлением в точке 4.
Этот режим называется режимом торможения противовклю-
чением.
Заметим, что с точки зрения процесса преобразования энергии для
двигателя этот режим также является генераторным.
Конечно, для того чтобы окончательно понять, почему режим рекуперации и режим противовключения при неизменных скоростях в
точках 2 и 3 – тормозные режимы, нужно подумать.
Режим рекуперативного торможения и режим торможения противовключением могут быть реализованы посредством
различных пере-
ключений в схеме электропривода.
При защите отчетов по лабораторным работам студенты должны назвать возможные способы реализации тормозных режимов.
26
Существует еще один режим торможения двигателя
намического торможения.
С точки зрения преобразования энергии
– режим ди-
для двигателя этот режим также генераторный.
Реализуется динамическое торможение отключением якорной цепи
двигателя от источника напряжения и замыканием ее на дополнительное сопротивление. При этом цепь обмотки возбуждения остается
включенной на напряжение возбуждения.
При переходе из двигательного режима (точка 4) в режим динамического торможения при
реактивной нагрузке начальной и конечной
точками торможения будут соответственно точки 7 и 0. При активной
нагрузке установившемуся режиму соответствует точка 8 (рис. 3.2).
Баланс мощности в этом режиме соответствует следующему соотношению:
РР
МЭ
(12)
,
т. е. механическая энергия механизма преобразуется в тепловые потери.
Следовательно, все режимы торможения электропривода являются генераторными режимами работы электродвигателя, отличающимися тем, что механическая энергия механизма после
преобразования двигателем в электрическую используется различным образом.
Как
вы думаете, откуда берется и как определяется та меха-
ническая
двигателем в электрическую при работе в тормозных режимах?
ся
энергия, которая в системе электропривода преобразует-
Кроме указанных двигательного и тормозных – генераторных режимов, можно выделить еще два «особых» режима
: режим идеально-
го холостого хода и режим короткого замыкания.
При идеальном холостом ходе мощность равна нулю,
= МС = 0, ω = ω0 = U/КФ. (13)
М
Д
Режим короткого замыкания электропривода соответствует условию:
ω = 0, М
= МС = МКЗ = КФU/RЯЦ = КФIКЗ. (14)
Д
В этом режиме потребляемая из сети мощность преобразуется в тепловые потери на сопротивлении якорной цепи:
(I
)2RЯЦ = ΔРЭ.
КЗ
27
Точки механических и электромеханических характеристик, соот-
ветствующие этим режимам, легко определяются по приведенным соотношениям и могут быть использованы при расчете и построении характеристик.
На рис. 3.2 пунктиром изображена МХ, полученная (в отличие от
всех других) при потоке возбуждения, меньшем прежнего (номинального). Эта характеристика (как и другие) может быть
построена по
двум точкам:
*
1) М = 0, ω =
2) М = М
КЗ
При этом согласно (12) и (13)
;
0
, ω = 0.
*
> ω0; МКЗ(Ф < ФН)< МКЗ(Ф = ФН).
0
Следует обратить внимание на то, что при неизменном моменте
нагрузки с ослаблением потока возбуждения скорость может как возрасти (сравни точки 4 и 4
*
), так и уменьшиться (сравни точки 1 и 1*).
Явление уменьшения скорости ДПТ при уменьшении потока возбуждения называется
опрокидыванием регулирования – нежела-
тельное явление.
Ослаблять поток с целью регулирования (повышения скорости)
следует при моментах нагрузки, значительно меньших номинального.
Электромеханические характеристики при ослаблении потока также можно построить по точкам холостого хода и короткого замыкания.
Скорости холостого хода при различных потоках возбуждения,
меньших номинального, будут те же, что и для механических характеристик.
Точка короткого замыкания (
(0) /II UR
КЗ ЯЦ
) будет общей
для всех электромеханических характеристик, полученных при одинаковых напряжениях на якоре и различных потоках возбуждения.
Как
это объяснить?
Как вы думаете, почему нецелесообразно при больших нагрузках
регулировать – уменьшать скорость ослаблением потока возбуждения
(работать в зоне опрокидывания регулирования)?
3.2.3. АНАЛИЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
НА ПЛОСКОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Данный раздел не является обязательным для подготовки к вы-
полнению
готовке
лабораторных работ, но может быть полезен при под-
к их защите.
28
Установившиеся значения скорости в точках 1, 2, 3, 4, 6 рассчитаны по формуле (5) при соответствующих значениях момента двигателя. Однако при подключении двигателя к источнику напряжения или
при изменении параметров электрической цепи установившемуся режиму предшествует переходный процесс. Это процесс перехода электропривода из одного установившегося состояния (начального) в другое установившееся состояние. Если
в изучении этих процессов не
учитывается инерционность электромагнитных цепей электропривода,
то их называют механическими, т. е. процессами, обусловленными
лишь инерционностью движущихся масс кинематической цепи электропривода
2
.
Характер изменения скорости и момента во время переходного
процесса определяется решением уравнения (6).
В рассматриваемом случае при пуске двигателя начальный – пус-
ковой – момент (М
М I
ПДДКЗД
I
– ток короткого замыкания (ток при скорости, равной нулю).
КЗ
) двигателя определяется из (5) при ω = 0:
П
Е U
RR R RR
()()
ИИ
ДДОПИ ДДОП
КФ КФ КФ ,
(15)
Из (6) очевидно, что при включении на характеристику I c нагруз-
кой, равной М
, пусковой момент МП > МС1, ускорение положительно
С1
и скорость увеличивается в одну сторону (к точке 1). При активной
нагрузке, равной М
изменяется в другую сторону (алгебраически уменьшается) до ω
, МП < МС3, ускорение отрицательно и скорость
С3
У3
.
Пусть начальное состояние электропривода соответствует следу-
ющему:
момент нагрузки определяется ломаной М
(ω) (реактивный мо-
С
мент);
двигатель подключен к источнику постоянного напряжения и
вращается в установившемся режиме при М
= М
Д
со скоростью ωУ4.
С4
Изменим полярность напряжения на якоре и увеличим в цепи якоря
дополнительное сопротивление так, чтобы характеристика приняла вид II.
То, что характеристика при указанных изменениях в якорной цепи
изменится именно в этом направлении, очевидно из (5). В этом урав-
2
В системе Г-Д при анализе переходных процессов, возникающих при
изменении напряжения возбуждения генератора, недопустимо пренебрегать
индуктивностью обмотки возбуждения. Однако для качественного понимания
сути переходных процессов приведенные ниже рассуждения будут полезны.
29
нении с изменением полярности напряжения изменяется только знак
М
первого слагаемого (ω
). При изменении сопротивления увеличивается
0
второе слагаемое – Δω. В этом случае говорят, что уменьшилась жесткость механической характеристики, которая определяется модулем
коэффициента жесткости
(наклоном: больше наклон – мень-
ше жесткость).
Какие процессы начинаются в электроприводе при указанных
изменениях в якорной цепи и чем они заканчиваются?
Естественно, что при работе в двигательном режиме (точка 4) с изменением знака напряжения должен мгновенно измениться знак тока
(индуктивность якоря договорились не учитывать). Скорость инерционных масс привода мгновенно измениться не может.
Следовательно, при переходе на характеристику II момент двигателя мгновенно изменяется до значения М
(точка 5). При этом возника-
Д5
ет разность момента двигателя и момента нагрузки, который остался
прежним. Так как эта разность отрицательна, то в соответствии с (6)
начинается процесс торможения.
Разность между моментом двигателя и моментом нагрузки
(М
) называется динамическим моментом:
ДИН
d
МММ
Д5 С4 ДИН
0, 0.
dt
Переходный процесс на участке между точками 5 и 7 соответствует
режиму торможения противовключением. (Мы поменяли полярность
напряжения, т. е.
включили его так, чтобы изменилось направление
вращения двигателя, а на участке 5–7 он еще вращается в прежнем
направлении, т. е.
против включения.)
Подумайте, как участок характеристики 5–7 согласуется с данным выше определением режима торможения противовключением
для точки 3.
Процесс торможения закончится при скорости, равной нулю (точка 7), но переходный процесс здесь не заканчивается. Ведь попрежнему имеет место разница между моментом двигателя и моментом нагрузки. Динамический момент будет прежнего знака, но
другой
по величине, так как изменился знак момента сопротивления:
dd
() 0,| .
МММ
Д7 С4 ДИН
30
75
dt dt
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]