Регулирование скорости ДПТПВ изменением сопротивления в цепи якоря

Рассмотрим характерные точки при введении сопротивлений в якорную цепь.

 

Рисунок 3.40 - Механические характеристики ДПТПВ прт реостатном регулировании

 

U=Uн=const.

Ток изменяется от 0 до ∞

На естественной характеристике

Iя=0, ω =∞.

При Iя=∞ .

 

При включении Rдl

Iя=0, ω =∞ При Iя=∞ .

 

Для естественной характеристики ;

Для искусственной характеристики ;

 

 

 

– для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от сопротивления линейно. Данным уравнением можно воспользоваться, если известна скорость и требуется определить добавочное сопротивление.

Введением резисторов после­довательно с обмоткой якоря двигателя можно ступенчато регулировать его угловую скорость вниз от основной. Жесткость характеристик при этом уменьшается по мере увеличения сопротивления резистора, т. е. стабильность угловой скорости невысокая, уменьшается по мере уве­личения диапазона регулирования и зависит от момента сопротивления. Диапазон регулирования угловой скорости не превышает (2÷2,5) : 1 и зависит от нагрузки. Регулирование угловой скорости изменением сопротивления последовательно включенного резистора по условиям полного использования двигателя на всех угло­вых скоростях должно производиться при постоянном нагрузочном моменте, что соответствует работе двига­теля с неизменным током якоря, равным номинальному. Несмотря на большие потери в резисторах, этот способ находит применение в крановых и тяговых установках, поскольку он является одним из простейших для двига­телей последовательного возбуждения, применяемых в ука­занных приводах, а также потому, что работа этих уста­новок происходит с перерывами.

3.13 Регулирование скорости изменением подводимого напряжения Регулирование может быть осуществлено с помощью отдельного генератора, тиристорного преобра­зователя, широтно-импульсного преобразователя, либо последовательно-параллельным включением двигателей. При последовательно-параллельном включении двух двигателей можно получить две ступени угловой скорости благодаря изменению напряжения, подводимого к каждому из двигателей. Подобный способ регулирова­ния осуществляется в том случае, если один производствен­ны» механизм приводится одновременно двумя двигателями половинной мощности.   Рисунок 3.41 - Регулирование скорости ДПТПВ за счет параллельного и последовательного включения   Применение двух двигателей вместо одного возможно по разным причинам, например: из-за необходимости сократить время пуска и торможения путем уменьшения суммарного момента инерции или по условиям большей надежности работы, если ее можно вести при пониженной мощности, т. е. с одним двигателем, или, на­конец, по условиям удобства размещения двух двигателей меньших габаритов вместо одного большого. Такой при­вод находит применение, например, для мощных разли­вочных кранов, в транспортных устройствах, трамваях, в доменных подъемниках, мощных ножницах для разреза­ния металла и для других механизмов. В подобных меха­низмах два двигателя одинаковой мощности работают на один общий вал (многодвигательный электропривод). Применение последовательно параллельного включения дает экономические выгоды. При последовательном вклю­чении на каждый из двигателей приходится половина напряжения сети. Когда двигатели переключаются на параллельную работу, каждый из них оказывается включённым на полное напряжение. Таким образом получается две ступени регулирования. При снижении угловой скорости вдвое роль резистора, в котором должно теряться напряжение, играет второй двигатель. Для получения промежуточных ступеней регулирования в цепь якоря может быть включён добавочный резистор. В целях полного использования двигателя это регулирование может производится при постоянном нагрузочном моменте. Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение вели­чины подводимого к двига­телю напряжения. По мере уменьшения напряжения они смешаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике.   Рисунок 3.42 - Механические характеристики ДПТПВ при изменении напряжения   Характеристики получают при Rд=0. Пусть нагрузка изменяется от 0 до ∞. Так как напряжение можно уменьшать по сравнению с номинальным, то При Iя=0, ω =∞ При Iя=∞ т.к. Rя=const, то β=const   Для естественной характеристики Для искусственной характеристики       – для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от напряжения линейно. Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулиро­вании изменением напряжения дополнительные потери отсутст­вуют.
3.14 Регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока последовательного возбуждения шунтированием обмотки якоря или обмотки возбуждения Регулирование может быть осуществлено с помощью отдельного генератора, тиристорного преобра­зователя, широтно-импульсного преобразователя, либо последовательно-параллельным включением двигателей. При последовательно-параллельном включении двух двигателей можно получить две ступени угловой скорости благодаря изменению напряжения, подводимого к каждому из двигателей. Подобный способ регулирова­ния осуществляется в том случае, если один производствен­ны» механизм приводится одновременно двумя двигателями половинной мощности.   Рисунок 3.41 - Регулирование скорости ДПТПВ за счет параллельного и последовательного включения   Применение двух двигателей вместо одного возможно по разным причинам, например: из-за необходимости сократить время пуска и торможения путем уменьшения суммарного момента инерции или по условиям большей надежности работы, если ее можно вести при пониженной мощности, т. е. с одним двигателем, или, на­конец, по условиям удобства размещения двух двигателей меньших габаритов вместо одного большого. Такой при­вод находит применение, например, для мощных разли­вочных кранов, в транспортных устройствах, трамваях, в доменных подъемниках, мощных ножницах для разреза­ния металла и для других механизмов. В подобных меха­низмах два двигателя одинаковой мощности работают на один общий вал (многодвигательный электропривод). Применение последовательно параллельного включения дает экономические выгоды. При последовательном вклю­чении на каждый из двигателей приходится половина напряжения сети. Когда двигатели переключаются на параллельную работу, каждый из них оказывается включённым на полное напряжение. Таким образом получается две ступени регулирования. При снижении угловой скорости вдвое роль резистора, в котором должно теряться напряжение, играет второй двигатель. Для получения промежуточных ступеней регулирования в цепь якоря может быть включён добавочный резистор. В целях полного использования двигателя это регулирование может производится при постоянном нагрузочном моменте. Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение вели­чины подводимого к двига­телю напряжения. По мере уменьшения напряжения они смешаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике.   Рисунок 3.42 - Механические характеристики ДПТПВ при изменении напряжения   Характеристики получают при Rд=0. Пусть нагрузка изменяется от 0 до ∞. Так как напряжение можно уменьшать по сравнению с номинальным, то При Iя=0, ω =∞ При Iя=∞ т.к. Rя=const, то β=const   Для естественной характеристики Для искусственной характеристики       – для любой точки характеристики при М(I)=const скорость зависит от напряжения линейно. Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулиро­вании изменением напряжения дополнительные потери отсутст­вуют. 3.15 Пуск двигателя постоянного тока последовательного возбуждения   Рисунок 3.50 Пусковая диаграмма и механические характеристики ДПТПВ   Пуск двигателей с последовательным возбуждением непосредственным включением в сеть и ступенчатым изменением сопротивления в роторной цепи осуществляется так же, как и для двигателей с параллельным (независимым) возбуждением, причем первый применяется только для двигателей небольшой мощности, у которых сопротивление обмоток относительно велико. Расчет пусковых сопротивлений для второго способа производится графоаналитическим методом. Для этого выбираются число ступеней пускового реостата и величины токов I1 и I2 из тех же соображений, что и двигателя с параллельным возбуждением. В правом квадранте строится естественная электромеханическая характеристика (кривая 1, рис. 3.50) и откладываются пределы изменения пускового тока I1 и I2. Таким образом определяются скорости ωе1 и ωе2, соответствующие токам I1 и I2. В левом квадранте строятся зависимости ω (R) при I1 = const и I2 = const. При неизменном токе I эти зависимости, согласно уравнению (4-÷15) представляют собой прямые линии. Строят их по двум точкам: для I1 = const по точкам а и g и для I2 = const по точкам а' и k. При пуске двигателя из неподвижного состояния с сопротивлением роторной цепи, равном R1 (точка а на рис. 3.50), скорость возрастает, а ток уменьшается от I1 до I2. Этому процессу соответствует переход по вертикали от точки а до точки b. Очевидно, что скорость, соответствующая точке b, является скоростью, при которой выводится первая ступень пускового реостата. При мгновенном выведении первой ступени скорость остается неизменной, в силу механической инерционности привода, а ток возрастает от I2 до I1, чему соответствует переход по горизонтали от точки b в точку с. Таким образом, отрезок bc соответствует величине выключаемой ступени пускового реостата R1ст. Далее, проводя вертикаль через точку с до пересечения с прямой ω (R) при I2 = const, находится точка d, в которой происходит выключение второй ступени пускового реостата R2ст, чему соответствует отрезок de и т. п. Последняя горизонтальная прямая fg, проведенная через точку f, должна пройти через точку g, поскольку при правильно построенной пусковой диаграмме выключение последней ступени сопровождается переходом на естественную характеристику при токе I1 и скорости ωе1. Если этого не произошло, то нужно изменить величину тока I2 или I1 и выполнить построение заново. Отрезок fg соответствует величине третьей ступени пускового реостата R3ст. 3.16 Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в тормозных режимах Для двигателя последовательного возбужде­ния возможны два тормозных режима: торможение противовключением и динамическое торможение. Торможение с отдачей энергии в сеть для этих двигателей осуществить невозможно, так как их ЭДС не может быть больше прило­женного напряжения сети. 3.16.1 Режим торможения противовключением Осуществляется при тех же условиях, что и для двигателя с независимым возбуждением: при активном моменте нагрузки, когда Мс>Мк.з.(характеристика 1, рис.3.51), это возможно за счёт уменьшения жёсткости механической характеристики, т.е введением в цепь якоря добавочного сопротивления.   Рисунок 3.51 Механические характеристики и схема включения ДПТПВ при торможении противовключением   При переключении полярности напряжения приложенного к якорю в соответствии со схемой. Для ограничения тока вводится добавочное сопротивление. Величина этого сопротивления может быть определена по формуле ,   где ωмах - начальная скорость, с которой осуществляется режим противовключения. Характеристика 2. 3.16.2 Динамическое торможение Для двигателя последовательного возбуждения воз­можны две схемы осуществления динамического торможе­ния при питании обмотки возбуждения независимо от якоря и при самовозбуждении.   3.16.2.1 Динамическое торможение с независимым возбуждением Схема для реализации первого варианта показана на рисунке. После отключе­ния линейного контактора Л замыкаются оба контакта контактора Т, в результате чего якорь двигателя замы­кается на резистор Rд.т, а обмотка возбуждения вклю­чается на напряжение сети через добавочный резистор Rд.B. Величина сопротивления последнего обычно выби­рается таким образом, чтобы Iт в = Iя н.   Рисунок 3.52 Схема динамического торможения с независимым возбуждением ДПТПВ   В рассматриваемом случае поток двигателя не изменяется и, следова­тельно, скоростные и механические характеристики и их уравнения будут точно такими же, как и для двигателя независимого возбуждения. Однако в отличие от двига­теля независимого возбуждения в данном случае при динамическом торможении цепью обмотки возбуждения потребляется большая мощность из сети. Действительно, если выбирается Iт в = Iя н, то Рв = IянUн = Ря, т. е. в цепи возбуждения рассеивается такая же мощность, какая потребляется двигателем из сети в номинальном режиме.   3.16.2.2 Динамическое торможение с самовозбуждением При динамическом торможении с самовозбуждением двигатель отключается от сети, его обмотка возбуждения остается включенной в цепь якоря, которая замыкается на дополнительное сопротивление Rдт. После отключения двигателя от сети якорь продолжает вращаться под действием сил инерции и в его обмотке наводится э.д.с., обусловленная остаточным потоком возбуждения. Под действием этой э.д.с., в замкнутом контуре цепи якоря возникает ток, который одновременно является и током возбуждения. Если этот ток протекая по обмотке возбуждения, создаёт поток, направленный согласно с потоком остаточного намагничивания, т.е. усиливает его, начнётся процесс самовозбуждения.   Рисунок 3.53 Схема динамического торможения ДПТПВ с самовозбуждением   В результате, увеличивается поток и возрастает э. д. с. якоря, что в свою очередь вызывает увеличение тока, а значит, и потока и т. д. Из приведенного описания процесса самовозбуждения следует, что для его возникновения необходимо, чтобы направление тока в обмотке возбуждения совпадало с направлением тока в этой обмотке в режиме, предшество­вавшем торможению, если при этом направление вращения также остается прежним.   Рисунок 3.54 Вольт-амперные характеристики сопротивления цепи якоря (RяΣI) и источника ЭДС Е (IВ) ( )   Как известно из теории электрических цепей, установившийся режим ра­боты такой цепи характеризуется точкой пересечения вольт-амперных характеристик элементов схемы. Вольт-амперная характеристика активного сопротивления пред­ставляет собой прямую линию, угол наклона которой определяется RяΣ в соответствии с выражением tgγ = mRяΣ, где т — коэффициент, учитывающий масштабы по осям (рис.3.54). Для источника э.д.с. следует построить семейство характеристик Е (IВ) для ряда зна­чений скорости по формуле . Из графиков на рис. видно, что не для всякого значения скорости существует точка пересе­чения вольт-амперных характеристик, т. е. не всегда возможен режим самовозбуждения. В частности, при ω=ω2 самовозбуждение прекращается. Очевидно, что для существования режима самовозбуждения при какой-либо скорости ωi необходимо, чтобы угол наклона γ вольт-амперной характеристики сопротивления цепи якоря U=RяΣ·Iя был меньше угла наклона γi начального участка вольт-амперной характеристики источника э. д. с. Е (IВ) при данной угловой скорости, т. е. γ <γi Или для существования режима самовозбуждения необходимо, чтобы RяΣ < Ri При RяΣ=Ri - самовозбуждение прекращается при ско­рости ωi. Поэтому это сопротивление является крити­ческим для данной скорости ωi. Принимая начальный участок кривой намагничивания электрической машины линейным и выражая учитывая э. д. с. можно представить Rкp в виде   - откуда следует, что критическое сопротивление контура самовозбуждения снижается по мере уменьшения ско­рости в процессе торможения.   Рисунок 3.55 Механические характеристики при динамическом торможении с самовозбуждением ДПТПВ   Из приведенных рассуждений вытекает, что для воз­никновения режима динамического торможения с самовозбуждением необходимо выполнение условия RяΣ < , где ωнач. – скорость, с которой начинается процесс торможения самовозбуждением. Характеристики привода в режиме торможения проще всего построить если   и воспользоваться универсальной характеристикой М=f(Iв). Примерный вид характеристик приведён на рис.3.55. Режим используется только в качестве аварийного торможения при снижении напряжения сети. 3.17 Особенности статических характеристик двигателя со смешанным возбуждением Двигатель со смешанным возбуждением имеет обмотки независимого LM1 и последовательного LM2 возбуждения и включается по схеме, приведенной на рис. 3.56, а. Соответственно его магнитный поток определяется постоянной МДС обмотки независимого возбуждения и пропорциональной току якоря МДС обмотки последовательного возбуждения. Если осуществить приведение параметров обмотки независимого возбуждения к числу витков обмотки последовательного возбуждения wп, характеристику намагничивания двигателя можно представить в функции тока якоря, как показано на рис. 3.56, б.     Рисунок 3.56 Схема включения (а) и характеристика намагничивания двигателя смешанного возбуждения (б)   При токе якоря Iя = 0 результирующая МДС определяется МДС обмотки независимого возбуждения Iн,в wп . Вид механической характеристики двигателя существенно зависит от выбора значения этой МДС, так как соответствующее значение магнитного потока Фн,в определяет скорость идеального холостого хода нa естественной характеристике дви­гателя:   (3.19)   Чем больше значение Фн,в, тем ближе по своим свойствам двигатель со смешанным возбуждением к свойствам двигателя с независимьм возбуждением. Напротив, при небольшой МДС обмотки LM1 этот двигатель не имеет существенных отли­чий от двигателя с последовательным возбуждением. Как пра­вило, обмотка независимого возбуждения двигателя со сме­шанным возбуждением рассчитывается на создание значи­тельной МДС, обеспечивающей поток при идеальном хо­лостом ходе: Фн,в= (0,7÷0,85) Фном, при этом скорость идеального холостого хода лежит в пределах:     Уравнения электромеханической и механической характе­ристик двигателя со смешанным побуждением совпадают с соответствующими уравнениями для двигателя с после­довательным возбуждением: (3.20) (3.21)     Рисунок 3.57 Статические естественные характеристики двигателя со смешанным возбуждением   Форма статических характеристик ω(Iя) и ω(М) в этом случае определяется представленной на рис. 3.55, б кривой Ф(IЯ). Можно установить, что добавление МДС Iн,в wп смещает кривую Ф(Iя) по оси абсцисс на отрезок Iн,в wп. Соответственно естественная электромеханическая характеристика двигателя со смешанным возбуждением (рис. 3.57, а) повторяет форму характеристики двигателя с последовательным возбуждением, если ocь ординат сместить на значение этого тока. При токе Iя= 0, ω=ω0, и при изменении нагрузки в двигательном: режиме от 0 до Мном скорость изменяется в более широких пределах, чем у двигателя с независимым возбуждением. При переводе двигателя в генераторньй режим изменение знака МДС обмотки последовательного возбуждения приводит к быстрому сни­жению потока (рис. 3.56, б), который при Iя1=-Iн,в становится равным нулю. Этому значению тока якоря соответствует асимптота, к которой приближается кривая ω= f (Iя) при ω→∞. Естественная механическая характеристика (рис. 3.57, б) по форме отличается от электромеханической характеристики. Так как при Iя→-Iн,в поток стремится к нулю, зависимость ω= f (M) в генераторном режиме имеет максимум и при возрастании скорости асимптотически приближается к оси ординат слева. Эффективность режима рекуперативного торможения у дви­гателя со смешанным возбуждением из-за размагничивающего действия обмотки последовательного возбуждения су­щественно снижается. Модуль жесткости механической характеристики с ростом нагрузки в этом режиме уменьшается до значения β=0, соответствующего максимуму момента Mmax, а само это значение этого момента невелико. Более благоприятные условия рекуперативного торможения обеспечиваются путем отключения обмотки LM2 при переходе в генераторный режим, при этом в генераторном режиме механическая характеристика становится линейной и имеет жесткость:     Таким образом, характеристики двигателя со смешанным возбуждением занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей с независимым и с последовательным возбуждением. 4. Электропривод переменного тока 4.1 Принцип работы асинхронного двигателя Асинхронные двигатели (АД) являются в настоящее время самым распространённым видом электродвигателей. Это определяется рядом преимуществ АД по сравнению с двигателями постоянного тока: он прост по конструкции; имеет меньшую массу, габариты и стоимость; возможно питание электродвигателя непосредственно от сети переменного тока (см. рис. 4.1).  
I1

 

Рисунок 4.1 – Схема включения асинхронного двигателя

 

Электромагнитный момент М в асинхронном двигателе соз­дается благодаря взаимодействию вращающегося магнитного по­ля статора Ф с активной составляющей тока ротора М = 3кФI2а.

Ток ротора возникает благодаря э.д.с. Е2, которая индуктиру­ется в обмотках ротора вращающимся магнитным полем. Когда ротор неподвижен, асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор с обмотками замкнутыми накоротко или нагруженными на пусковое сопротивление. Возникающая при неподвижном роторе в его обмотках э.д.с. называется номи­нальной фазной э.д.с. ротора Е2н. Величина э.д.с. ротора Е2н при вращающемся двигателе и час­тота этой э.д.с. (а значит, и частота тока в обмотках ротора) f2 за­висят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора (в короткозамкнутом двигателе - стержней). Эта частота определяется разностью скоростей поля статора ω1 и ротора ω2 . Эта разность называется абсолютным скольжением sабс= ω1- ω2.

При анализе режимов работы асинхронного двигателя с по­стоянной частотой питающего напряжения (50Гц) обычно поль­зуются относительной величиной скольжения:

(4.1)

 

 

Когда ротор двигателя неподвижен, s=1.

Наибольшая величина э.д.с. ротора при работе в двигатель­ном режиме будет при неподвижном роторе Е2н, по мере увели­чения скорости (уменьшении скольжения) э.д.с. Е2 будет умень­шаться E2=E2h-s.

Аналогично частота э.д.с. и тока ротора f2 при неподвижном роторе будет равна частоте тока статора f1, и по мере увеличения скорости будет уменьшаться пропорционально скольжению .

В номинальном режиме скорость ротора незначительно от­личается от скорости поля, и номинальное скольжение составляет для двигателей общего применения мощностью 1,5-200 кВт всего 2-5%, а для двигателей большей мощности порядка 1%. Соответ­ственно в номинальном режиме э.д.с. ротора составляет 1-3% от номинального значения этой э.д.с. при s=1. Частота тока ротора в номинальном режиме будет составлять всего 0,5-1,5 Гц. При s=0, когда скорость ротора равна скорости поля, э,д.с. ротора Е2 и ток ротора I2 будут равны нулю, момент двигателя также будет равен нулю. Этот режим является режимом идеального холостого хода.