Синхронный двигатель может работать и в режиме гене- ратора параллельно с сетью при синхронной угловой ско- рости, когда нагрузочный момент на его валу будет иметь отрицательное значение, чему отвечает левая ветвь характе- ристики на рис. 3.38. Для торможения такой режим практи- ческого значения не имеет, так как при этом нельзя полу- чить снижения скорости.

Обычно применяется динамическое торможение синхрон- ных двигателей, при котором обмотки статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы (рис. 3.43). Механиче- ские характеристики в этом случае подобны характеристи- кам асинхронного двигателя при динамическом торможении. Интенсивность торможения зависит от сопротивления ста- торной цепи и от потока, создаваемого током роторной об- мотки. Время торможения при питании цепей возбуждения от собственного возбудителя, находящегося на валу син- хронного двигателя, больше, чем при питании от независи- мого источника постоянного тока. Объясняется это тем, что при снижении угловой скорости возбудителя уменьша- ется его ЭДС, а следовательно, уменьшаются ток возбужде- ния двигателя и тормозной момент.

Торможение синхронных двигателей противовключе- нием практически не применяется, так как оно сопровож- дается большими толчками тока и ведет к усложнению управ- ления ввиду необходимости отключения двигателя при под- ходе к нулевой скорости.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

4.1. Основные показатели регулирования угловой скорости электроприводов

В современной промышленности используется большое количество производственных механизмов, рабо- тающих с различной, изменяющейся скоростью. К этой мно- гочисленной группе относятся металлообрабатывающие станки, прокатные металлургические станы, подъемные краны и транспортные устройства, а также различные ме- ханизмы бумажной, угольной, текстильной и других отрас- лей промышленности. Так, в металлорежущих станках

скорость электропривода должна регулироваться в зависи- мости от рода обрабатываемого металла, качества резца, размеров обрабатываемых изделий и других факторов. В прокатных станах для каждого профиля прокатываемого металла также имеются свои наиболее благоприятные ско- рости, определяющие производительность стана и качество продукции. Снижение скорости при прокатке ведет к умень- шению производительности и увеличению расхода энергии вследствие охлаждения металла, а чрезмерное увеличение скорости ухудшает качество продукции и даже приводит к появлению брака, так как при чрезмерных скоростях металл не успевает заполнить углы калибров прокатных валков.

В лифтах, подъемных и транспортных механизмах ско- рость необходимо снижать по мере подхода к пункту оста- новки, чтобы обеспечить плавное замедление и точную оста- новку в нужном месте. Скорость, при которой должен рабо- тать дымосос в котельной, определяется качеством топлива, его влажностью, зольностью, условиями процесса горения и требуемой производительностью котла. Во всех этих меха- низмах, как и во многих других, для достижения высокой производительности и требуемого качества работы необхо- димо осуществлять регулирование скорости.

Регулированием скорости называется принудительное изменение скорости электропривода в зависимости от тре- бований технологического процесса. Понятие регулирования скорости не следует смешивать с естественным изменением скорости, возникающим в электроприводах в силу изме- нения нагрузки на валу работающей машины. Регулиро- вание скорости осуществляется дополнительным воздей- ствием на приводной двигатель; оно может быть произ- ведено человеком или специальным автоматическим устрой- ством.

В настоящее время все большее применение находит электрическое регулирование скорости, которое имеет ряд преимуществ в отношении технических и экономических показателей.

Основными показателями, характеризующими различ- ные способы регулирования скорости электроприводов, являются: 1) диапазон регулирования; 2) плавность; 3) экономичность; 4) стабильность скорости; 5) направле- ние регулирования скорости (уменьшение или увеличение ее относительно основной скорости); 6) допустимая нагрузка при различных скоростях.

1. Диапазон регулирования угловой скорости определя- ется отношением возможных установившихся скоростей! максимальной ω_тах к минимальной ω_min

при заданной точности регулирования (с заданным статиче- ским падением скорости электропривода) для установленных пределов изменения момента нагрузки и других возмуще- ний.

Обычно диапазон регулирования выражается в числах в виде отношения, например: 2:1,4:1, 10 : 1, 20 : 1 и т. д. Современные системы автоматического регулирования элек- троприводов с обратными связями позволяют существенно расширить диапазон регулирования скорости.

Различные производственные машины требуют разных диапазонов регулирования. Например, главные механизмы металлорежущих станков в зависимости от их назначения работают с диапазонами регулирования D = (4 : 1)- - (100 : 1) и выше; для механизмов подач универсальных станков требуется диапазон до 10 000 : 1 и выше. При изго- товлении бумаги для газет бумагоделательная машина ра- ботает с диапазоном регулирования D = 3 : 1, а при изго- товлении высших сортов бумаги D = 20 : 1. Некоторые прокатные металлургические станы имеют диапазон регули- рования D = (20 : 1) -:- (25 : 1).

2. Плавность регулирования характеризует скачок ско- рости при переходе от данной скорости к ближайшей воз- можной. Плавность тем выше, чем меньше этот скачок. Число скоростей, получаемых в данном диапазоне, определяется плавностью регулирования. Ее можно оценить коэффициен- том плавности регулирования, который находится как отношение двух соседних значений угловых скоростей при регулировании

где и — угловые скорости соответственно наi-й и (i — 1)-й ступенях регулирования.

При плавном регулировании φ_пл → 1, а число скоростей z → ∞. В случае ступенчатого регулирования коэффи- циент плавности регулирования может существенно отли- чаться от единицы. Число скоростей, диапазон регулиро- вания D и коэффициент плавности регулирования при та- ком регулировании связаны между собой равенством

Плавность регулирования во многих случаях определяет качество продукции. В практике электропривода наимень- шей плавностью регулирования обладают двухскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (φ_пл = = 2). Высокая плавность регулирования угловой скорости достигается, например, в двигателе постоянного тока неза- висимого возбуждения при регулировании изменением по- тока или подводимого к якорю двигателя напряжения.

3. Экономичность регулирования характеризуется затра- тами на сооружение и эксплуатацию электропривода.

Необходимо отметить, что экономически выгодным ока- зывается такой регулируемый электропривод, который обес- печивает большую производительность приводимого им в действие механизма при высоком качестве технологиче- ского процесса и сравнительно быстро окупается.

При оценке экономичности регулируемого электропри- вода следует принимать во внимание надежность его в экс- • плуатации, а также учитывать дефицитность материалов и оборудования, затрачиваемых на сооружение того или иного привода. Существенное значение имеют потери энергии ъ процессе регулирования. Потери мощности ΔР, возникаю- щие при регулировании скорости, определяют КПД при- вода:

где Р₂ — мощность на валу двигателя.

При работе двигателя на разных угловых скоростях следует подсчитывать так называемый средневзвешенный КПД за регулировочный цикл, состоящий из т ступеней, по выражению

где P_2q и ΔРq — полезная мощность и потери на q-й ступени; t_q — время, в течение которого двигатель работает на q-й ступени.

Из этого соотношения следует, что при известных усло- виях работы электропривода КПД за цикл может оказаться значительно выше КПД на какой-либо одной ступени ско- рости. Если цикл не задан, то можно принять, что на всех ступенях двигатель работает одинаковое время с одинако- вой нагрузкой.

Потери энергии при регулировании скорости различны для разных способов регулирования. Они сравнительно

велики в системах, где регулирование ведется в главных цепях машин, и значительно ниже при регулировании в це- пях возбуждения. Последнее становится понятным, если вспомнить, что мощность цепи возбуждения, например, машин постоянного тока составляет лишь 1—5 % мощности главных цепей.

Важным экономическим показателем электропривода является коэффициент мощности и потребление реактивной энергии за рабочий цикл. В случае двигателя переменного тока сдвиг фаз между током и напряжением сети обусловли- вается потреблением реактивной мощности, затрачивае- мой на создание магнитного потока.

Зная потребляемые двигателем активную Р_а и реактив- ную Р_р мощности, можно определить коэффициент мощно- сти, с которым в данный момент работает двигатель:

и средневзвешенный cos φ_р при работе на разных угловых скоростях с разным временем и с различными нагрузками в течение цикла регулирования:'

Номинальный коэффициент мощности для большинства двигателей составляет cos φ_ном = 0,8 -- 0,9 и зависит от мощности двигателя. С ростом мощности и номинальной уг- ловой скорости двигателя повышается номинальный коэф- фициент мощности. Коэффициент мощности асинхронного двигателя в сильной степени зависит от нагрузки; при хо- лостом ходе коэффициент мощности мал вследствие значи- тельной реактивной мощности, затрачиваемой на создание потока, и малой активной мощности, связанной лишь с по- стоянными потерями. По мере роста нагрузки примерно до номинальной активная мощность растет быстрее реактивной и cos ф возрастает до номинального значения.

Коэффициент мощности синхронного двигателя также за- висит от нагрузки, однако он может быть изменен при регу- лировании тока возбуждения. При меньшем токе возбужде- ния синхронный двигатель является потребителем реактив- ной мощности. С увеличением тока возбуждения возрастает cos ф. При дальнейшем увеличении тока возбуждения син- хронный двигатель может работать в качестве генератора реактивной мощности.

Широкое использование управляемых полупроводнико- вых преобразователей для регулирования угловой скоро- сти двигателей постоянного и переменного тока приводит к искажению формы первичного напряжения и тока и к значительному возрастанию потребляемой из сети реактив- ной мощности. Коэффициент мощности примерно равен:

где ω_ао — минимальная угловая скорость идеального холо- стого хода, соответствующая наибольшему углу регулиро- вания α; ω₀ — то же приα= 0.

4. Стабильность угловой скорости характеризуется изме- нением угловой скорости при заданном отклонении момента

нагрузки и зависит от жестко-сти механической характеристи- ки; она тем выше, чем больше жесткость характеристики.

Если при регулировании угловой скорости жесткость ха- рактеристикй^йзменяется, то и

Рис. 4.1. Иллюстрация изменения уг- ловой скорости для механических ха- рактеристик различной жесткости.

отклонение скорости от заданной тоже будет изменяться. На рис. 4.1 приведены две характеристики двигателя посто- янного тока параллельного возбуждения при регулирова- нии угловой скорости введением резисторов в цепь якоря.

Если при этом момент сопротивления М_С остается неиз- менным, то двигатель, работавший ранее с угловой ско- ростью ω_l будет после введения дополнительного резистора в цепь якоря работать с угловой скоростью ω₂. Однако при наличии изменений нагрузочного момента в некоторых пределах (± ΔМ) угловая скорость двигателя не остается постоянной, она изменяется относительно средних значе- ний ω_l или ω₂. Отклонения угловой скорости Δω, вызван- ные изменениями нагрузки, будут тем больше, чем меньше жесткость характеристики. Это обстоятельство во многих случаях ограничивает диапазон регулирования скорости.

9. Направление регулирования скорости, т. е. уменьше- ние или увеличение ее по отношению к основной скорости, зависит от способов регулирования.

Основная угловая скорость, например, двигателя по- стоянного тока независимого возбуждения соответствует номинальным значениям напряжения и магнитного потока. Эта скорость получается в том случае, когда в цепях, двига- теля нет никаких внешних резисторов, т. е. точка со_ося . находится на естественной механической характеристике.

Различают однозонное регулирование вниз от основной скорости, однозонное регулирование вверх от основной ско- рости и двухзонное регулирование, когда имеется возмож- ность получать характеристики выше и ниже естественной. ^:> При регулировании с помощью резисторов в цепи якоря двигателя постоянного тока или в цепи ротора асинхрон- ного двигателя угловая скорость в двигательном режиме при данной нагрузке по мере увеличения сопротивления резисторов уменьшается. Это означает, что регулирование изменением сопротивления резисторов может быть осуще- ствлено только вниз по отношению к основной скорости.

Напротив, регулирование уменьшением магнитного по- тока .ведет в пределах, нормальных нагрузок к увеличению угловой скорости, т. е. в этом случае осуществляется однозонное регулирование вверх от основной скорости.

6. Допустимая нагрузка двигателя, т. е. наибольшее значение момента, который двигатель способен развивать длительно при работе на регулировочных характеристиках, определяется нагревом двигателя и для разных способов регулирования будет различной.

Изменение нагрузочного момента в зависимости от ско- рости у различных производственных механизмов различно. Например, многие механизмы требуют регулирования при - постоянном моменте. К ним относятся: подъемные краны, лебедки, некоторые прокатные станы и т. п. С другой сто- роны, существуют механизмы, у которых регулирование скорости производится с постоянной мощностью. В ка- честве примеров подобного механизма можно привести TOKapHbifr станок, у которого в процессе обработки данной детали желательно поддержание постоянства линейной скорости (или скорости резания) и усилия, резания. При этих условиях произведение скорости резания на усилие даст постоянство мощности. Поддержание постоянства скорости резания достигается плавным регулированием угловой скорости электропривода.

Принципиально путем выбора соответствующей мощ- ности двигателя можно удовлетворить любому изменению нагрузочного момента или мощности при регулировании

скорости двигателя может оказаться неэкономичным, так как двигатель на разных угловых скоростях будет исполь- зован неодинаково и при работе на некоторых из них скорости. Однако в таком случае регулирование угловой будет недогружен.

Недогрузка двигателя ведет к ухудшению эксплуата- ционных показателей привода, так как при этом умень- шается КПД двигателя, а при переменном токе, кроме того, уменьшается и коэффициент мощности. Желательно поэтому применять такой способ регулирования, при кото- ром двигатель был бы по возможности полностью загру- жен при всех угловых скоростях.

Допустимая нагрузка двигателя ограничивается сте- пенью его нагрева. Степень нагрева в свою очередь зави- сит от потерь энергии в двигателе, а последние опре- деляются главным образом током, потребляемым двига- телем.

Таким образом, мы приходим к выводу, что условием полного использования двигателя при работе на разных регулировочных характеристиках является постоянство на- грузочного тока. Если при работе на всех характеристиках ток будет равен номинальному току двигателя, то это и будет означать, что двигатель загружен полностью при всех угловых скоростях. При этом предполагается, что условия охлаждения двигателя остаются неизменными как при больших, так и при малых угловых скоростях. С учетом этого важного предположения допустимой нагруз- кой двигателя можно считать такую, при которой ток дви- гателя в его силовых цепях равен номинальному. Тогда допустимый момент, например, двигателя постоянного тока

Момент зависит от способа регулирования.

Рассмотрим в качестве примера двигатель постоянного тока независимого возбуждения. Он может иметь две зоны регулирования, как это показано на рис. 4.2. Зона I отве- чает регулированию с постоянным моментом. Действитель- но, если регулирование осуществляется изменением сопро- тивления или напряжения главной цепи при неизменном номинальном магнитном потоке двигателя, то при номи- нальном токе якоря допустимый момент будет постоянным

Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна угло- вой скорости

Зона II отвечает регулированию с постоянной мощ- ностью, когда оно производится изменением магнитного потока двигателя.

В этом случае при неизменном токе якоря,'равном номинальному, магнитный поток с увеличением угловой скорости необходимо регулировать по закону гиперболы,

Рис. 4.2. Характеристики двух зон регулирования двигателя постоян- ного тока независимого возбужде- ния.

что следует из (3.3). Если решить это уравнение относи- тельно магнитного потока, то получим:

Таким образом, становится ясной зависимость допусти- мого момента от угловой скорости в зоне регулирования II, а именно:

Отсюда следует, что мощность в этой зоне регулирова- ния остается постоянной, так как

Допустимая нагрузка при регулировании угловой ско- рости двигателей других типов определяется аналогич- ными методами.

Следует, однако, иметь в виду, что для самовентилируе- мых двигателей, снабженных собственным вентилятором для охлаждения, снижению угловой скорости должно соответствовать уменьшение допустимых потерь в двига- теле. На малых угловых скоростях эти двигатели должны работать при токах, меньших номинального, а следова-

тельно, и допустимый момент уменьшается по мере умень- шения угловой скорости.

В приводах с вентиляторным моментом нагрузки дви- гатель не может быть полностью загружен при низких угловых скоростях. Особенностью регулирования таких приводов является увеличение момента с возрастанием угловой скорости. Поэтому здесь приходится выбирать . мощность двигателя по нагрузке при наибольшей угловой скорости. При всех других меньших угловых скоростях двигатель будет недогружен. Особенно больших габаритов при вентиляторной нагрузке необходим двигатель в случае регулирования током возбуждения. Это следует из того, что такой двигатель должен будет развивать наибольший момент при наименьшем магнитном потоке.