Конспект лекций - Электромеханические системы

Так как зависимость между током и моментом линейная (2.1), то электромеханическая характеристика ω(I) имеет аналогичный вид и отличается только шкалой оси х.

Более детально о режимах работы ДПТ НВ рассмотрим далее.

2.1.2Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

Вэлектроприводах постоянного тока иногда используются двигатели с последовательным возбуждением, когда специально выполненная обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря (рис.2.1.).

а) Схема включения б) Механические характеристики Рис.2.1. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения

Для двигателя последовательного возбуждения, как и для других двигателей постоянного тока при питании якоря от источника напряжения (U=const), справедливо уравнение (2.5), однако, если для двигателя независимого возбуждения поток не зависит от тока нагрузки, то для двигателя последовательного возбуждения поток является функцией тока нагрузки.

Зависимость Ф = ϕ(I) - характеристика намагничивания - не имеет простого аналитического выражения. Но в первом приближении в установившемся режиме ее можно представить линейной:

Таким образом, при сделанном допущении механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения изображается гиперболой (рис.2.2); одной из ее асимптот является ось ординат, а другой - прямая, параллельная оси абсцисс,

Вопросы для самопроверки

22

1)Как включается обмотка возбуждения для ДПТ НВ и ДПТ ПВ?

2)Как выглядят механические характеристики для ДПТ НВ и ДПТ ПВ?

3)Какая зависимость между током и потоком возбуждения для ДПТ НВ и ДПТ ПВ?

4)Как записывается уравнение для механической характеристики для ДПТ НВ и ДПТ ПВ?

5)Как можно получить уравнение для электромеханической характеристики?

Список литературы:

1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

Тема 2.2. Энергетические режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Цель и задачи: изучить схемы включения, основные соотношения и виды характеристик двигателей постоянного тока различных включений

Учебные вопросы:

1.Двигатель постоянного тока независимого возбуждения.

2.Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения.

Электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. она может работать как двигателем, так и генератором, осуществляя обратное преобразование энергии.

Энергетический режим можно определить исходя из взаимных направлений двух переменных:

-электрических (ЭДС «Е» и тока «I»);

-механических (момента «М» и скорости «ω»).

При одинаковых направлениях скорости и момента (ω↑↑М) и разных направлений тока и ЭДС (I↑↓Е) имеет место двигательный режим, а при (ω↓↑М) и (Е↑↑I)

генераторный режим.

Граничные режимы:

-режим холостого хода I=0; M=0;

-режим короткого замыкания E=0; ω=0.

Рассмотрим режимы работы двигателя на разных участках его характеристик.

23

ω

II

A +U

IV ω0 I

B

Iкз, I, M

-U

Рис.2.3. Механические характеристики ДПТ при различных режимах работы

Режим холостого хода (точка А).

Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. В этом режиме: I=0, E=U=CeФω0, М=0, ω=ω0.

Двигательный режим (участок 1).

В диапазоне 0<ω<ω0, т.е. в 1 квадранте где ω и М совпадают по направлению. В этом режиме: Е<U, I=(U·E)/R; I↑↓E. Электрическая энергия ЭЭ поступает из сети, а механическая энергия МЭ с вала двигателя передается исполнительному органу.

Генераторный режим работы параллельно с сетью (торможение с рекупера-

цией энергии в сеть) (участок 2).

На этом участке ω>ω0, при этом ЭДС увеличивается до значения, превышающего напряжение питающей сети. В результате ток якоря I и соответственно момент М меняют свое направление. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает её (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть.

Электромагнитный момент М двигателя становится тормозящим, т.е. он противодействует внешнему вращающему моменту. Этот процесс торможения продолжается до тех пор, пока частота вращения якоря (скорость), уменьшаясь, не достигнет пограничной частоты n0 (скорость холостого хода).

24

Режим короткого замыкания (точка В).

Возникает при ω=0, Е=0. В этом режиме I=Iк.з.=U/R. Электроэнергия (ЭЭ), поступающая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. МЭ с вала ДПТ не отдается, так как ω=0.

Генераторный режим при последовательном соединении с сетью (торможе-

ние противовключением) (участок 3).

Наступает при ω<0. ЭДС меняет свою полярность за счет изменения направления скорости. Ток I ↑↑ Е и определяется I=(U+E)/R. В результате ЭЭ, поступающая из сети и вырабатываемая самим двигателем за счет МЭ рабочей машины, рассеивается в виде тепла в резисторах цепи якоря.

Режим автономного генератора (динамическое торможение) (участок 4). Необходимость в таком торможении возникает, когда после отключения дви-

гателя от сети его якорь под действием кинетической энергии движущихся масс ЭП продолжает вращаться. Если при этом обмотку якоря, отключив от сети, замкнуть на резистор Rg, то двигатель перейдет в генераторный режим (ОВ должна отстаться включенной в сеть). Вырабатываемая при этом электроэнергия не поступает обратно в сеть, как при рекуперативном торможении, а преобразуется в теплоту, которая выделяется в сопротивления Rя и Rg.

25

Эффективность электромеханического преобразования энергии двигателя оценивается коэффициентом полезного действия (КПД), который определяется от-

Вопросы для самопроверки

1)Из взаимного направления каких переменных можно судить об энергетическом режиме электродвигателя?

2)Какие вам известны граничные режимы?

3)Что происходит в режиме холостого хода и короткого замыкания?

4)Какой генераторный режим называется торможением с рекуперацией энергии в сеть?

5)Как организовать динамическое торможение?

6)Что происходит при торможении противовключением?

7)Как оценивается коэффициент полезного действия электродвигателя?

Список литературы:

1.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

2.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

Тема 2.3. Регулирование частоты вращения электроприводов с ДПТ

Цель и задачи: изучить основные способы регулирования скорости двигателей постоянного тока, вид механических характеристик при этом и техническую реализацию каждого способа.

Учебные вопросы:

1.Реостатное регулирование частоты вращения.

2.Регулирование изменением магнитного потока.

3.Регулирование изменением напряжения якоря.

4.Импульсное регулирование.

Частота вращения ДПТ определяется выражением:

(2.14)

26

откуда следует, что регулирование частоты вращения возможно следующими способами:

-изменением сопротивления реостата rдоб в цепи якоря;

-изменением магнитного потока возбуждения Ф (изменением тока в цепи возбуждения IB);

-изменением напряжения U, подводимого к обмотке якоря;

-импульсное регулирование ЭП.

2.3.1. Регулирование изменением сопротивления реостата rдоб в цепи якоря.

Возможно только в сторону уменьшения частоты вращения «вниз» от номинальной.

С увеличением сопротивления увеличивается наклон искусственной характеристики, что ведет к увеличению перепада частоты вращения ∆n при изменениях момента нагрузки.

Достоинства способа: простота реализации и плавность (в зависимости от числа ступеней регулируемого реостата)

Рис.2.10. Механические характеристики ДПТ при включении добавочного сопротивления

Недостатки:

-неэкономичность, обусловленная потерями в реостате rдоб, величина которых пропорциональна квадрату тока якоря (Iя2 rдоб) и как следствие, уменьшение полезной мощности;

-возможность регулировки n только вниз от номинальной.

27

Рис.2.11. Схемы включения добавочного сопротивления

2.3.2. Регулирование частоты изменения магнитного потока возбуждения

Осуществляется изменением тока в цепи возбуждения: (для ДПТ НВ)

-с помощью добавочного резистора rB;

-изменением напряжения питания обмотки возбуждения, например, с помо-

щью управляемого выпрямителя УВ, входящее напряжение UB регулируется по сигналу управления Uy.

UУ

УВ

а) с помощью резистора б) управляемым выпрямителем Рис.2.12 Схемы регулирования изменения тока в цепи возбуждения

Уменьшение тока, а следственно и магнитного потока Ф (например при увеличении сопротивления реостата) приводит к увеличению скорости идеального холостого хода ω0.

Ток короткого замыкания IК.З.=U/RЯ не зависит от Ф, следовательно остается неизменным. Электромеханические характеристики при разомкнутых значениях магнитного потока ФНОМ>Ф1>Ф2 будут иметь вид прямых (рис.2.13).

28

Рис.2.13 Характеристики ДПТНВ при изменении потока возбуждения

Момент короткого замыкания МК.З.=kФIК.З. при уменьшении потока Ф будет снижаться (т.к. IК.З.=const).Тогда механические характеристики будут иметь вид:

Достоинства:

-диапазон регулирования 3…4

-направление регулирования – вверх от естественной характеристики

-плавность регулирования определяется плавностью регулирования тока возбуждения.

2.3.3. Регулирование частоты вращения изменением подводимого к цепи якоря напряжения

Может происходить только вниз от номинальной частоты вращения, т.к. подавать на двигатель напряжение выше номинального недопустимо по условиям коммутации и электрической прочности изоляции.

Т.к. в уравнение механической характеристики:

то со снижением напряжения U пограничная частота n0 уменьшается пропорционально, а перепад частоты вращения ∆n, вызванный нагрузкой двигателя, не зависит от U.

Механические характеристики имеют вид, представленный на рис.2.14.

29

Основной способ изменения U в современном ЭП – питание от управляемого преобразователя напряжения. (Питание ОЯ и ОВ в данном случае должно быть раздельным

Достоинства: стабильность механической характеристики, плавность и широкий диапазон регулирования.

Недостатки: требуются специальные электрические устройства.

2.3.4. Импульсное регулирование электропривода с двигателем постоянного тока

Принцип регулирования – цепь якоря двигателя периодически подключается к сети напряжением UИ, а затем отключается. Выполняется с помощью ключа SA (обычного, бесконтактного). ОВ при этом остается постоянно включенной в сеть постоянного тока на напряжение UВ и возбуждение двигателя не прерывается.

Импульсы прямоугольной формы высотой UНОМ с продолжительностью tИ чередуются с паузами, продолжительностью tn. За время импульса ток в цепи якоря IЯ обладающий некоторой индуктивностью LЯ нарастает постепенно, достигаю в конце импульса значения Imax.

VD

UИ

ОВ

I

- +

Рис.2.15. Схема импульсного регулирования ДПТ НВ

30