Регулирование угловой скорости ДПТ НВ

Этап

Этап

Этап

;

;

– проверка на верность расчетов;

Полученных четырех точек на каждой ступени (этапе пуска) достаточно для построения кривых скорости, момента ( тока ) при пуске двигателя.

Сопротивления секций пускового реостата определяются по следующим выражениям:

; ; .

5.4. Автоматический пуск
и динамическое торможение ЭД

Схема пуска и динамического торможения ЭД приведена на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Схема пуска и динамического торможения ДПТ НВ

Пуск ЭД осуществляется в функции ЭДС. Для этого необходимо нажать на кнопку SB₁. После срабатывания контактора КМ мгновенно в прямом направлении срабатывает реле времени КТ.

Для останова ЭД необходимо нажать на кнопку SB₂. В результате чего отключается контактор КМ и включается контактор КМ₂. Якорь ЭД замыкается на тормозное сопротивление Rд₂, и происходит динамический режим торможения. Реле времени, отсчитав выдержку времени при нулевой скорости, размыкает свой контакт. Катушка контактора КМ₂ теряет питание, и схема приходит в исходное положение для повторного включения ЭД.

Анализируя приведенные схемы автоматического пуска и торможения ДПТ НВ при питании его от сети, можно сделать следующие выводы. Пуск, торможение (как и реверс) ДПТ осуществляются с помощью релейно-контакторных схем управления. При их автоматизации используются принципы времени, скорости и тока.

Реализация указанных принципов осуществляется с помощью соответствующих датчиков, от которых в схему управления поступает информация о текущих значениях скорости, тока или времени.

Некоторые схемы управления строятся по принципу пути, когда с помощью конечных или путевых выключателей осуществляется контроль за углом поворота вала ДПТ.

Статические механические характеристики при пуске и кривые переходного процесса при динамическом торможении ЭД приведены на рисунке 5.6 [1].

Рис. 5.6. Статические механические характеристики при пуске
и кривые переходного процесса при динамическом торможении ЭД

Со схемой автоматического пуска и реверса ЭД и механическими переходными процессами при активном и реактивном моментах сопротивления можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе.

5.5. Электромеханические переходные процессы
при учете индуктивности цепи якоря Lя

Индуктивность цепи якоря Lя(в генри) ДПТ оказывает существенное влияние на характер переходных процессов (на зависимости и в электроприводе. В первую очередь ее влияние проявляется в незначительном ограничении пиков тока в якоре и значительном увеличении времени переходных процессов.

При определенных соотношениях механической и электромагнитной постоянных времени, а именно при переходные процессы в электроприводе имеют колебательный характер. Для примера на рисунке 5.7 показаны кривые изменения момента и скорости ДПТ НВ при пуске под нагрузкой, отражающие это положение [1].

Из-за колебательного характера процесса увеличивается время пуска и перерегулирование скорости. Отметим также, что наличие индуктивности привело к некоторому запаздыванию при пуске, которое определяется временем нарастания момента ДПТ до момента нагрузки Мс.

Рис. 5.7. Изменение момента (а) и скорости (б)
при пуске ДПТ НВ при существенной индуктивности цепи якоря

Индуктивность якоря нарушает в переходных процессах однозначную связь между скоростью и моментом ДПТ, определяемую его статической механической характеристикой. Это обстоятельство может привести в переходных процессах (например, сброса или наброса нагрузки) к существенно большим динамическим перепадам скорости по сравнению со статическими, которые соответствуют статической механической характеристике.

При питании ДПТ от сети индуктивность в цепи якоря в переходных процессах проявляется, как правило, не очень сильно. Определяется это тем обстоятельством, что для ограничения переходных токов в цепь якоря вводятся дополнительные резисторы, которые значительно уменьшают постоянную времени Тя и увеличивают электромеханическую постоянную времени Тм. В этом случае в электроприводе будет протекать механический переходный процесс (он был рассмотрен ранее). В то же время при питании ДПТ от вентильного преобразователя, когда в цепь якоря включаются сглаживающие и уравнительные реакторы, индуктивность якорной цепи может оказывать существенное влияние на переходные процессы.

6.1. Регулирование угловой скорости путем введения
добавочных резисторов (сопротивлений) в цепь якоря

Электромеханические и механические характеристики получаются такие же, как показаны на пусковой диаграмме (рис. 5.4 а).

Скорость регулируется только вниз. Способ регулирования скорости ступенчатый, так как регулировочный реостат разбит на секции. Диапазон регулирования Д при длительном регулировании небольшой: Д ≈ 1,5. При большом диапазоне регулирования уменьшается жесткость механических характеристик, из-за этого трудно поддерживать пониженную скорость при колебаниях Мс на валу ЭД. Кроме этого увеличивается расход электроэнергии по причине потерь его мощности в якорной цепи.

Допустимой нагрузкой на валу ЭД является Мс = Мсн. При этом ток в якоре не превышает номинального значения для тех ДПТ, условия охлаждения которых не изменяются по мере снижения их скорости.

Стоимость регулировочного реостата невелика, но могут быть большие потери мощности в якорной цепи при большом диапазоне регулирования [1]

. (6.1)

В формуле (6.1): – относительный перепад скорости.

Так, при = 0,5, что соответствует диапазону регулирования Д = 2, половина потребляемой мощности ЭД теряется в якорной цепи . При кратковременном и повторно-кратковременном регулировании диапазон регулирования скорости можно увеличить до Д 5.

Сопротивление регулировочного реостата в цепи якоря определяется по формуле

. (6.2)

Значения и находятся по заданным естественной и искусственной характеристикам ДПТ, как показано на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. К расчету сопротивления
регулировочного резистора

Несмотря на низкие технико-экономические показатели, реостатное регулирование скорости из-за простоты своей реализации используется достаточно широко, например в электроприводах подъемных кранов, некоторых металлорежущих станков.

6.2. Регулирование угловой скорости
уменьшением магнитного потока

С уменьшением тока возбуждения уменьшается и магнитный поток, а скорость якоря увеличивается.

Возможные схемы включения обмотки возбуждения ДПТ НВ приведены на рисунке 6.2.

а) б)

Рис. 6.2. Схемы включения обмотки возбуждения ДПТ НВ

Схема рис. 6.2 а предусматривает включение в цепь возбуждения добавочного резистора Rдв, за счет чего ток возбуждения Iв и тем самым магнитный поток Ф могут быть уменьшены. В схеме рис. 6.2 б для изменения тока возбуждения используется управляющий выпрямитель УВ, выходное напряжение которого регулируется по сигналу управления Uу. Эта схема более экономична и применяется для регулирования тока возбуждения мощных ДПТ.

В соответствии с выражением (4.7) уменьшение магнитного потока приводит к увеличению скорости идеального холостого хода ω₀:

. (6.3)

При пуске ЭД пусковой ток якоря Iпя (ток короткого замыкания): при скорости ω = 0 от магнитного потока не зависит и будет оставаться неизменным. Пусковой момент (момент короткого замыкания) при уменьшении магнитного потока изменяется. Так как
Iпя = const, то при уменьшении магнитного потока пропорционально ему уменьшается и пусковой момент Мп (момент короткого замыкания).

Пусковые электромеханические характеристики при уменьшении магнитного потока приведены на рисунке 6.3 а, а пусковые механические характеристики – на рисунке 6.3 б.

Для ДПТ НВ традиционного исполнения диапазон регулирования скорости при данном способе равен 3–4. Для специальных ЭД с повышенной механической прочностью якоря и улучшенным коллекторно-щеточным устройством диапазон регулирования скорости равен 8–9.

а) б)

Рис. 6.3. Пусковые характеристики ЭД
при уменьшении магнитного потока

Направление регулирования скорости – вверх от естественной характеристики. Плавность регулирования скорости определяется плавностью регулирования тока возбуждения. Стабильность скорости достаточно высока, хотя она и снижается при уменьшении магнитного потока. Способ регулирования скорости экономичный, так как малы потери мощности в цепи возбуждения.

Допустимая нагрузка ДПТ при его работе на искусственных характеристиках определяется по выражению:

, (6.4)

где - магнитный поток на искусственной характеристике.

Так как при данном способе регулирования ф_и <ф_н, то и Мдоп < Мном, т.е. ДПТ по условиям нагрева не может быть нагружен на искусственных характеристиках номинальным моментом. Этим способом осуществляется регулирование при постоянной мощности на валу электродвигателя [2]:

. (6.5)

Таким образом, при работе ДПТ на искусственных характеристиках он может быть нагружен на свою номинальную мощность. Объяснение этого заключается в том, что хотя момент нагрузки (Мс) при уменьшении магнитного потока должен быть снижен, одновременно повышается скорость ДПТ, а их произведение, определяющее механическую мощность, остается неизменным и численно равным номинальной мощности ДПТ.

Данный способ нашел широкое применение в электроприводе металлорежущих станков, прокатных станов, наматывающих устройств. Он также часто используется в комбинации с другими способами регулирования скорости.

6.3. Регулирование угловой скорости ДПТ НВ
путем изменения напряжения на якоре в системе Г-Д

Электрическая схема системы Г-Д приведена на рисунке 6.4.

Уравнение равновесия ЭДС системы

. (6.6)

Если решить уравнение (6.6) относительно скорости , то получим уравнения:

для электромеханической

(6.7)

и механической характеристик [1,2]:

(6.8)

Рис. 6.4. Электрическая схема системы Г-Д

Схема замещения системы (рис.6.5) и ее параметры:

Рис. 6.5. Схема замещения системы

Уменьшая напряжение на якоре ДПТ в разомкнутом электроприводе можно получить диапазон регулирования скорости Дmax_вниз = 8. Диапазон регулирования скорости можно расширить до Дmax_вверх = 2, если уменьшить магнитный поток ДПТ. Тогда суммарный диапазон будет равен . В замкнутом электроприводе этот диапазон может быть несколько сотен.

Предельные значения диапазона регулирования скорости в разомкнутом приводе [1]

, (6.9)

где –модуль жесткости механической характеристики в системе Г-Д.

Этот диапазон невелик и зависит от жесткости механической характеристики ЭД. В тех случаях, когда требуется обеспечить заданное значение скорости с определенной точностью, пользуются понятием статизма (погрешностью) механической характеристики [1]

. (6.10)

На практике задают в относительных единицах или в процентах.

Тогда

. (6.11)

ДПТ может работать в тех же режимах, как и при подключении его к сети. Механические характеристики ДПТ, подключенного к генератору постоянного тока, приведены на рисунке 6.6.

Рис. 6.6. Механические характеристики ДПТ,
подключенного к генератору постоянного тока

С уменьшением надо уменьшать Д_max. Для расширения диапазона регулирования надо формировать более жесткие механические характеристики. При этом увеличивается модуль жесткости , что возможно только в замкнутых электроприводах. Минимальная скорость при этом определяется как

. (6.12)

6.4. Регулирование угловой скорости ЭД в системе
«Управляемый тиристорный выпрямитель – ДПТ НВ»

Для регулирования скорости применяют однофазные и трехфазные нереверсивные и реверсивные выпрямители. Устройство, принцип работы и их характеристики подробно рассмотрены в дисциплине «Электрические и электронные аппараты». Значительный интерес представляет тиристорный реверсивный электропривод, состоящий из двух управляемых выпрямителей, выполненных по мостовой схеме и включенных параллельно-встречно (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Тиристорный реверсивный электропривод

Выпрямленные напряжения при работе на холостом ходу и с нагрузкой на валу ЭД определяются по выражениям [2]:

В схеме на рисунке 6.7 L1 и L2 – уравнительные реакторы, предназначены для уменьшения уравнительного тока, чтобы протекающий ток через тиристоры выпрямителей В1 и В2 не превышал номинального тока; Ld – реактор (фильтр), предназначенный для сглаживания выпрямленного тока.

В приведенных выражениях [2] – угол открывания тиристоров;– линейнаялинейное ЭДС вторичной обмотки понижающего (согласующего) трансформатора ТV.

Выпрямленный постоянный ток определяется по выражению [2] как

, (6.13)

В формуле (6.13) – эквивалентное сопротивление преобразователя (выпрямителя), которое определяется по выражению:

, (6.14)

где – приведенные ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеивания и активное сопротивление первичных обмоток трансформатора;

– активное сопротивление сглаживающего реактора.

Обратные напряжения, которые прикладываются к закрытым тиристорам, определяются по следующему выражению:

(6.15)

где – фазное (действующее) значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора.
Выпрямители могут работать раздельно и совместно. При раздельной работе выпрямитель В1 включен, а выпрямитель В2 отключен, или наоборот.

Электромеханические и механические характеристики можно построить по следующим выражениям [2,3,4]:

Пусть работает только выпрямитель В1.Электромеханические и меха­ни­чес­кие характеристики ДПТ НВ приведены на рисунке 6.8.

При совместной работе выпрямителей В1 и В2 импульсы управления на один выпрямитель подают при углах от 0 до 90°, а на другой – при углах от 90 до 180°. Тогда один из выпрямителей (например, В1) будет работать в выпрямительном режиме, а второй будет подготовлен для работы в инверторном режиме. Для перевода последнего в инверторный режим необходимо, чтобы ЭДС электродвигателя оказалась больше выпрямленного напряжения .

Условия работы тиристоров при совместной работе выпрямителей В1
и В2:

α_В1 + α_В2 = 180°.

Рис. 6.8. Электромеханические и механические характеристики ДПТ НВ при работе выпрямителя В1

Характеристики ЭД, работающего в различных режимах, показаны на рисунке 6.9.

Рис. 6.9. Характеристики ЭД, работающего в различных режимах

Достоинства тиристорных электроприводов постоянного тока:

1) плавность и значительный диапазон регулирования скорости (до 10 и более);

2) большая жесткость получаемых механических характеристик;

3) высокий КПД электропривода (около 0,95);

4) уменьшение количества электрических машин;

5) бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации.

Тиристорным электроприводам постоянного тока присущи следующие недостатки:

1) из-за односторонней проводимости тиристоров для получения характеристик ДПТ во всех четырех квадрантах требуется использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь;

2) для сглаживания пульсаций тока, которые ухудшают условия работы ДПТ, в большинстве случаев необходимо применять сглаживающий реактор;

3) с ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности электропривода ();

4) тиристорный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания;

5) тиристорные преобразователи обладают невысокой помехозащищенностью и малой перегрузочной способностью по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д) является в настоящее время основным видом регулируемого электропривода постоянного тока и широко применяется для привода таких ответственных рабочих машин, как прокатные станы, металлорежущие станки, экскаваторы и т.д.

В заключение следует отметить, что в некоторых случаях на практике, кроме рассмотренных способов регулирования скорости, применяют способы импульсного регулирования и в схеме шунтирования якоря ДПТ НВ.

Способы импульсного регулирования угловой скорости повторяют основные способы регулирования скорости ДПТ НВ и связаны с импульсным изменением сопротивления добавочного резистора в цепи якоря, магнитного потока и подводимого к якорю напряжения. Для схем импульсного регулирования в современных электроприводах чаще всего применяются бесконтактные полупроводниковые ключи, обычно тиристорные.

Характерной особенностью импульсных регулируемых электроприводов является простота и надежность их схем, определяемая малым числом элементов. Показатели импульсного регулирования скорости в основном соответствуют непрерывным способам регулирования. Вместе с тем энергетические показатели импульсных электроприводов постоянного тока несколько хуже.

Схема с шунтированием якоря, которая с помощью двух добавочных резисторов Rш, включаемых параллельно якорю, и Rп, включаемого последовательно с якорем, позволяет получать сравнительно жесткие характеристики в области малых скоростей.

Данный способ регулирования скорости по своим характеристикам и показателям занимает промежуточное положение между способами, связанными с изменением напряжения на якоре и сопротивлением в цепи якоря. Диапазон регулирования скорости лежит в пределах 5–6, плавность регулирования определяется плавностью изменения сопротивлений Rш и Rп. Регулирование скорости осуществляется вниз от основной при постоянном моменте нагрузки.

Экономичность этого способа регулирования невысока из-за значительных потерь мощности в якорной цепи. По этой причине данный способ используется для регулирования скорости ДПТ небольшой мощности при кратковременной работе на пониженной скорости (например, для электроприводов некоторых подъемных кранов).

6.5. Переходные процессы
при изменении магнитного потока ДПТ НВ

Индуктивность обмотки возбуждения ДПТ, как правило, существенно превышает индуктивность якорной цепи. Поэтому ток возбуждения и поток будут изменяться не мгновенно, а постоянно. Процесс изменения скорости и момента ДПТ при уменьшении магнитного потока иллюстрирует рисунок 6.10.

а) б)

Рис. 6.10. Переходные процессы в ДПТ
при ослаблении магнитного потока

На рисунке 6.10 а показаны статические механические характеристики ДПТ при номинальном и ослабленном потоке (соответственно прямые 1 и 2) и динамическая механическая характеристика в виде пунктирной кривой 3.

На рисунке 6.10 б (в качестве примера) показаны зависимости от времени скорости и момента ДПТ в переходном процессе при ослаблении магнитного потока. Эти кривые соответствуют показанному на рисунке 6.10 а переходному процессу [2].

6.6. Регулирование координат электропривода
в системе источник тока – электродвигатель

В рассмотренных ранее системах электропривода ДПТ питался от источника ЭДС, не зависящей от тока нагрузки. При питании ДПТ от источника тока (ИТ), который обеспечивает протекание по якорю тока, неизменного и независящего от ЭДС и сопротивления нагрузки (допустим I = Iном), электропривод получил название «система источника тока – двигатель» (ИТ–Д). Такая система приведена на рисунке 6.11.

Механические характеристики такого привода представляют собой вертикальные прямые линии (рис. 6.11в), т.е. являются абсолютно мягкими (момент не зависит от угловой скорости), а их положение (значение момента) определяется магнитным потоком, так как М=кфI=кфI_ном. Такие характеристики обеспечивают постоянство момента на валу ДПТ при любой его скорости, а сам электропривод приобретает свойства источника момента, управляемого по цепи возбуждения.

а) б) в)

Рис. 6.11. Система источника тока – двигатель:
а) схема; б) электромеханическая характеристика;
в) механическая характеристика

Такие электроприводы при введении обратной связи по скорости позволяют получать характеристики, пригодные и для целей регулирования скорости.

Рассматриваемый электропривод применяется для создания требуемого натяжения в обрабатываемом материале (изготовление проводов, бумаги и т. д.).

7. Электроприводы постоянного тока
с двигателями последовательного
и смешанного возбуждения

7.1. Механические и электромеханические
характеристики двигателей постоянного тока
последовательного возбуждения

В электроприводах постоянного тока иногда используются двигатели постоянного тока последовательного возбуждения ДПТ ПВ.

На рисунке 7.1 приведена схема включения двигателя последовательного возбуждения.

Рис. 7.1. Схема включения двигателя
последовательного возбуждения

Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с его якорем, в связи с чем ток возбуждения, а следовательно, и поток возбуждения определяются нагрузкой на валу двигателя. Ток якоря одновременно является и током возбуждения.

Уравнение электромеханической характеристики:

(7.1)

Уравнение механической характеристики:

(7.2)

Внешне уравнения электромеханической (7.1) и механической (7.2) характеристик рассматриваемого двигателя не отличаются для соответствующих уравнений ДПТ НВ [1,4].

Если предположить, что магнитный поток от тока якоря имеет линейную зависимость, то получим характеристики, представленные на рисунке 7.2.

а) б)

Рис. 7.2. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики
ДПТ ПВ

Уравнения (7.1) и (7.2) не могут быть использованы для инженерных расчетов, так как в действительности магнитная система машины насыщена, и кривая намагничивания весьма далека от прямой. Поэтому в практических целях обычно пользуются универсальными характеристиками для серии машин, построенными в относительных единицах (величинах): и () – номинальные величины двигателя, Rп.я = 0.

На практике построение искусственных механических характеристик производится на основании данных каталогов, где приводятся естественные характеристики и (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Кривые и

Когда известна естественная электромеханическая характеристика, значение скорости на искусственной характеристике при заданном токе якоря определяется по следующей формуле пересчета [1]:

. (7.3)