Лекция 17

ЛЕКЦИЯ 17

17.1. Многодвигательные электроприводы работающие на один вал

Существуют ситуации, когда для приведения машины или механизма в движение используют несколько двигателей, преодолевающих одну нагрузку. Если валы электродвигателя имеют непосредственную механическую связь, то говорят, что многодвигательный электропривод работает на один механический вал.

Необходимость использования многодвигательного электропривода возникает в тех случаях, когда необходимо оптимизировать конструкцию электропривода при ограничениях на габариты, или при больших мощностях сложно подобрать один двигатель на соответствующую мощность. Примером таких систем являются электроприводы разнообразных горных машин, где габариты ограничены условиями горных выработок, мощные транспортные машины, как, например, ленточные конвейеры большой протяженности, или подъемные машины.

Например, на рис. 17.1 приведено схематическое расположение приводных двигателей на экскаваторе КТМ-400. Как видно, на нем используется четыре двигателя в приводе поворота и четыре двигателя в приводе хода.

Одной из основных задач при проектировании многодвигательных электроприводов является обеспечение равномерного распределения мощности между двигателями. Рассмотрим особенности распределения мощности между двигателями в разомкнутых электромеханических системах на примере двухдвигательного электропривода с электрическими машинами одинаковой номинальной угловой скоростью и одной мощности.

Механическое соединение валов двигателей гарантирует равенство угловых скоростей двигателей. При этом распределение мощности между двигателями будет равномерным в том случае, если момент каждого из двигателей будет равен половине момента сопротивления. Данное условие будет выполнятся в области момента сопротивления от нуля до номинального только в том случае, если механические характеристики двух двигателей абсолютно одинаковы, то есть имеют одинаковую скорость холостого хода и одинаковую жесткость для каждого участка характеристики.

На практике, как правило, два двигателя даже одной марки будут иметь различные характеристики. Это вызвано тем, что при производстве двигателей допускаются погрешности при штамповке элементов магнитопровода, возможно отличие активного сопротивления обмоток, магнитные свойства магнитопровода неоднородны по объему и так далее. При изготовлении электродвигателей гостом допускается отклонение отдельных

128

параметров до 20 %. Все это влечет к тому, что абсолютно одинаковых двигателей не бывает.

Рис. 17.1. Схематичное изображение приводов экскаватора КТМ-400

Рассмотрим как влияет неравенство жесткостей линейных механических характеристик на распределение мощности между двигателями. Из рис. 17.2 видно, что двигатель с более жесткой механической характеристикой преодолевает больший момент сопротивления по сравнению с двигателем, обладающим меньшим коэффициентом жесткости.

Рис. 17.2. Распределение моментов между двигателями с различным коэффициентом жесткости работающими на один вал

129

В отдельных случаях, как, например, у двигателей постоянного тока, также может отличаться скорость холостого хода, что также сказывается на разнице моментов. Распределение моментов у двигателей с разной скоростью холостого хода и одинаковой жесткостью показано на рис. 17.3.

Рис. 17.3. Распределение моментов между двигателями с различными скоростями холостого хода работающими на один вал

Рассмотрим зависимость разницы между моментами двигателей от коэффициентов жесткости и скоростей холостого хода их механических характеристик. Момент одного двигателя в установившемся режиме рабо-

ты определяется зависимостью:

М = β(ω0 −ω) ,

где β – жесткость механической характеристики; ω0 – угловая скорость идеального холостого хода; ω – скорость вращения вала двигателя.

Обозначив индексами 1 и 2 параметры механических характеристик первого и второго двигателей соответственно, определим разницу между их моментами:

Рассмотрим влияние каждого из параметров на величину разброса моментов. Примем, что коэффициенты жесткости двух двигателей одинаковы, а угловые скорости идеального холостого хода отличаются. Тогда выражение (17.1) примет вид:

∆M = β(ω01 −ω02 ) .

То есть разброс моментов будет тем больше, чем больше, чем больше разница между угловыми скоростями холостого хода, и чем больше коэффициент жесткости механической характеристики двигателя.

С другой стороны, если ω01= ω02= ω0, то получим:

∆M =(β1 − β 2 )(ω0 −ω).

Из данной зависимости видно, что разброс моментов двигателей относительно среднего значения, вызванный различием коэффициентов жесткости, будет увеличиваться при уменьшении угловой скорость вращения ротора двигателя. Это объясняется тем, что уменьшение скорости со-

130

провождается увеличением нагрузки, и как следствие, увеличением моментов развиваемых двигателями.

Рассмотрим возможные варианты выравнивания нагрузки между электрическими машинами многодвигательного электропривода. Выравнивания нагрузки можно добиться изменением угловой скорости идеального холостого хода, как это показано на рис. 17.4. Изменяя угловую скорость холостого хода одного из двигателей от ω01 до ω’01 можно добиться равенства моментов двигателей при некоторой нагрузке. Скорость холостого хода при этом определяется из зависимости:

∆M = β1(ω01' −ω) − β 2 (ω02 −ω) = 0 ,

откуда

ω01' = β 2 (ω02 −ω) +ω .

β1

Недостатком такого способа является то, что при изменении нагрузки изменится угловая скорость общего вала, на который работают двигатели, в результате чего возникнет рассогласование моментов. В связи с этим, использование такого способа выравнивания нагрузок в разомкнутых системах, если имеется вероятность изменения нагрузки электропривода, нецелесообразно.

Рис. 17.4. Выравнивание моментов изменением угловой скорости холостого хода одного из двигателей

Для того, чтобы добиться равномерного распределения моментов во всем диапазоне изменения нагрузок необходимо получить равенство коэффициентов жесткости всех двигателей. Помимо этого также необходимо обеспечить равенство скоростей холостого хода всех двигателей. Для двигателей переменного тока скорость холостого хода определяется частотой питающей сети, которая, как правило, одинакова для всех двигателей, поэтому проблемы выравнивания скоростей холостого хода для них нет.

Выравнивание скоростей холостого хода для двигателей постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения осуществляют подстройкой ве-

131

личины магнитного потока полюсов, путем изменения напряжения или введения добавочных сопротивлений в цепи обмотки возбуждения.

Выравнивания коэффициентов жесткости механических характеристик в разомкнутых системах электропривода добиваются подбором выравнивающих реостатов включаемых в цепь якоря двигателя постоянного тока или в цепь ротора асинхронного двигателя. При этом за счет введения добавочных сопротивлений, увеличиваются потери энергии электропривода.

Также эффективным методом выравнивания нагрузки в ДПТ НВ при различии величины активных сопротивлений их якорной цепи является последовательное включение обмоток якоря, как это показано на рис. 17.5. Выравнивание нагрузок в данном случае осуществляется автоматически, за счет внутренних обратных связей.

Рассмотрим случай, когда активное сопротивление первого двигателя больше активного сопротивления второго. Неравенство сопротивлений при этом, учитывая, что ток якоря обоих двигателей одинаков, приведет к тому, что падение напряжения на первом двигателе будет больше чем на втором (U1>U2). Это, приведет к тому, что механическая характеристика первого двигателя поднимется вверх относительно механической характеристики 1, которая была бы при одинаковых сопротивлениях, а второго – опустится вниз, как это показано на рис. 17.6, выровняв тем самым нагрузки между двигателями. На рис. 17.6 сплошными линиями обозначены механические характеристики при подключении обмоток якоря к независимым источникам с напряжением U/2, а пунктирными при последовательном подключении обмоток якоря.

Рис. 17.5. Последовательное включение якорных обмоток ДПТ НВ

Рассмотрим случай, когда активное сопротивление первого двигателя больше активного сопротивления второго. Неравенство сопротивлений при этом, учитывая, что ток якоря обоих двигателей одинаков, приведет к тому, что падение напряжения на первом двигателе будет больше чем на

132

втором (U1>U2). Это, приведет к тому, что механическая характеристика первого двигателя поднимется вверх относительно механической характеристики 1, которая была бы при одинаковых сопротивлениях, а второго – опустится вниз, как это показано на рис. 17.6, выровняв тем самым нагрузки между двигателями. На рис. 17.6 сплошными линиями обозначены механические характеристики при подключении обмоток якоря к независимым источникам с напряжением U/2, а пунктирными при последовательном подключении обмоток якоря.

Рис. 17.6. Выравнивание нагрузок при последовательном включении двигателей

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, способами выравнивания нагрузки многодвигательных электроприводов является использование регулируемых электроприводов, в которых осуществляется автоматическое выравнивание нагрузки за счет изменения угловых скоростей холостого хода двигателей. При этом каждый из двигателей должен питаться от независимого преобразователя частоты (для асинхронных двигателей), или от управляемого выпрямителя (для двигателей постоянного тока).

На динамику многодвигательных электроприводов существенное влияние оказывают упругие элементы в механических передачах6. При этом в системе возможен режим незатухающих колебаний. Аналитическое исследование таких систем дает достаточно громоздкие выражения, которые усложняются по мере роста числа двигателей. Исследование динамического поведения таких систем возможно осуществлять с помощью средств компьютерного моделирования.

Расчетная схема многодвигательного электропривода с упругими связями в общем виде приведена на рис. 17.7. Для многодвигательного электропривода с линеаризованными моделями электродвигателей математическая модель такой системы будет иметь вид:

6 Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.:

Энергия, 1979. – 616 с.

133

T Э1 dMdt 1 + M 1 = β1(ω01 −ω11)

J 11 dωdt11 = M 1 − M 11,2

dM 11,2 =C 11,2 (ω11 −ω2 )

dt

T Э2 dMdt 2 + M 2 = β 2 (ω02 −ω12 )

J 12 dωdt12 = M 2 − M 12,2

dM 12,2 =C 12,2 (ω12 −ω2 )

dt

M

Для асинхронного электродвигателя с учетом его полной модели необходимо использовать уравнения, описывающие его электромагнитное состояние для каждого двигателя и уравнения электромагнитного момента. Описание механической подсистемы будет аналогично таким же, как у электропривода с линеаризованными механическими характеристиками.

134

Рис. 17.7. Расчетная схема многодвигательного электропривода с упругими связями

17.2. Многодвигательные электроприводы с электрическим соединением валов

В случае, если возникает необходимость согласованной работы нескольких двигателей разнесенных в пространстве, но механическое соединение валов по тем или иным причинам нецелесообразно, то используют так называемый электрический вал.

Нецелесообразность механического соединения валов машин возникает при большом разнесении в пространстве приводных двигателей (приводы разводных мостов, шлюзов и т.д.) или если это влечет к усложнению механической конструкции установки.

Наиболее очевидный вариант электрического вала, это использование группы синхронных двигателей от одного преобразователя частоты. Если использование регулируемого электропривода необоснованно, то можно использовать один из трех видов электрического вала:

-электрический вал с уравнительными машинами;

-электрический вал с рабочими машинами;

-дистанционный электрический вал.

Ограничение использования нерегулируемого электрического вала на базе синхронного двигателя заключается в том, что при асинхронном

135

пуске синхронной машины в переходных процессах возможно рассогласование скоростей двигателей.

Функциональная схема электрического вала с уравнительными машинами приведена на рис. 17.8. В данной системе на один вал с рабочими машинами РМ, обеспечивающими движение механизма, подсоединяются уравнительные машины УМ, которыми являются асинхронные двигатели с фазным ротором, роторные обмотки которых подключены между двигателями встречно. В качестве рабочих машин при этом могут использоваться любые двигатели, в том числе и неэлектрические, а согласование их движения осуществляют уравнительные машины.

Рис. 17.8. Электрический вал с уравнительными машинами

В качестве уравнительных машин используются двигатели одинаковой марки с равным числом полюсов и на одинаковое напряжение. При одинаковом положении роторов уравнительных машин их ЭДС будут направлены встречно, и ток в роторной цепи двигателей будет равен нулю, моменты создаваемые этими двигателями, также будут равны нулю. При рассогласовании их положения появляется фазовое рассогласование между ЭДС обмоток ротора, в результате чего по цепи ротора начинает течь ток, и уравнительные двигатели начинают формировать моменты такого направления, чтобы вернуть положение роторов в одно состояние.

Учитывая, что ЭДС ротора будет тем больше, чем больше скольжение, при одинаковых отклонения положений двигателей уравнительный момент будет тем больше, чем больше отличается скорость рабочей машины от скорости холостого хода уравнительной машины. По этой причине, статоры уравнительных машин подключают так, чтобы их поле вращалось навстречу движению рабочих машин.

На основании схемы замещения роторной цепи уравнительных машин, приведенной на рис. 17.9, получим уравнения их моментов.

Уравнение электрического равновесия роторной цепи в соответствии с рис. 17.9 будет иметь вид:

136

где θ – электрический угол между положением роторов первого и второго двигателей.

Активная составляющая тока ротора равна:

Это уравнение можно записать в следующем виде:

мальной схеме включения двигателя; s к ≈ R 2 / x 2 - критическое скольжение.

Рис. 17.9. Схема замещения роторной цепи уравнительных машин

Учитывая, что момент асинхронного двигателя пропорционален активной составляющей тока ротора, можно записать уравнение для момента первой уравнительной машины:

где M – момент двигателя при текущем скольжении в нормальной схеме включения.

Так же можно получить уравнение второй уравнительной машины:

Как видно из уравнений, при отсутствии рассогласования в положениях роторов двигателей (θ=0), уравнительные моменты двигателей будут отсутствовать, а при возникновении такого рассогласования они будут стремиться его уменьшить.

Недостатком электрического вала с уравнительными машинами является то, что в них дополнительные двигатели работают только для синхронизации приводов. Таково недостатка лишен электрический вал с рабо-

137