Электрический привод

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Уральский энергетический институт Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок» ‘ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Конспект лекций для студентов всех форм обучения по непрофильным специальностям Авторы: Кириллов А.В., Степанюк Д.П., Ясенев Н.Д., доценты кафедры Электропривод и автоматизация промышленных установок Екатеринбург 2015 Введение Электроприводом называется электромеханическое устройство, посредством которого осуществляется движение рабочих органов машины. Электрическая часть электропривода состоит из электродвигателя, являющегося преобразователем электрической энергии в механическую, и электроаппаратуры, включенной по той или иной схеме и образующей систему управления двигателем. Посредством электроаппаратуры осуществляется управление электродвигателем, а через него движением рабочих органов машины. Механическая часть в зависимости от формы движения рабочих органов, их скорости и т.п. может включать в себя редукторные передачи, преобразователи движения, коробки скоростей, муфты и т.д. С точки зрения схемы передачи энергии от электросети к рабочим органам электроприводы можно разделить на три группы: групповой привод, индивидуальный привод, многодвигательный привод. Структурные схемы приводов разных групп приведены на рис. 1 3. Рис. 1. Схема группового электропривода Рис. 2. Схема индивидуального электропривода Рис. 3. Схема многодвигательного электропривода Первая система наиболее несовершенна. Один двигатель приводит в движение сразу несколько машин. Путь передачи энергии от двигателя к машине наиболее длинный, что вызывает большие потери энергии, низкую надежность привода. Производительность машин наиболее низкая, условия труда тяжелые. При индивидуальной системе привода каждый двигатель приводит одну рабочую машину. Механическое распределение энергии между машинами заменено электрическим. Возможно регулирование скорости каждой машины электрическими методами, уменьшены потери энергии, повышена надежность привода, улучшены условия труда. Подбор для каждой машины отдельного двигателя, наиболее отвечающего ее требованиям, позволяет упростить конструкцию машин и повысить производительность, недостатком этой системы является наличие механического распределения энергии внутри машины между отдельными ее органами. Этот недостаток устранен третьей системой привода. Многодвигательным называется электропривод, в котором два или несколько двигателей работают на один вал, либо совокупность индивидуальных электроприводов связяны между собой через исполнительный орган рабочей машины либо эти электроприводы объединены общим технологическим назначением. Многодвигательный привод сильно упрощает кинематику машин, позволяет широко вводить автоматизацию, сокращает потери энергии и повышает производительность. В такой же последовательности развивался электрический привод и исторически. Электрический двигатель явился на смену паровой машины. Самый первый электродвигатель в 183438 годах был применен Ленцем и Якоби для привода прогулочного катера на Неве. Позднее, в 189094 годах электроприводы постоянного тока применялись на различных механизмах военных кораблей. В 190307 годах появились трамваи. Далее внедрение электропривода пошло более бурно и широко в транспорт и промышленность. Особенную роль в этом сыграло изобретение в 1889 году асинхронного двигателя и трансформатора Михаилом Осиповичем Даливо-Добровольским. За прошедшие с тех пор десятилетия электродвигатель стал основным видом приводных машин. Сейчас на долю электрических двигателей приходится более 90% мощностей всех силовых установок. Бурно развивающаяся электропромышленность коренным образом изменила лицо современной промышленности. Сейчас в разных устройствах и установках работают миллиарды двигателей мощностью от долей ватта, когда размеры двигателя определяются в миллиметрах, до десятков тысяч киловатт, когда размеры двигателя превышают 23 человеческих роста. Одновременно с развитием электромашиностроения развивались и другие отрасли электротехнической промышленности, что привело к широкому применению новейших средств автоматизации. Основными задачами являлось создание регулируемых приводов на базе асинхронного двигателя с применением тиристоров и других средств бесконтактного управления, а также разработка надежных, экономичных и дешевых статических преобразователей энергии. В последние годы расширилось применение цифровых вычислительных и управляющих устройств для управления электроприводами. Широкое внедрение автоматизированного электропривода во все отрасли хозяйства и быстрое его развитие требует от всех инженеров знания основ электропривода и автоматики, поскольку это обеспечит лучшее использование и проектирование оборудования. Часть 1. Основы теории электропривода Глава1. Понятие о механических характеристиках и режимах работы электроприводов Свойства электродвигателей, имеющие значение для электропривода, полнее всего определяются по механическим характеристикам, представляющим собой зависимость частоты вращения электродвигателя от электромагнитного момента, развиваемого им (n = f(M)). В тех случаях, когда необходимо связать работу двигателя с питающей сетью, полезны характеристики, выражающие зависимость между скоростью двигателя и током в его обмотках (n=f(I)), которые называются электромеханическими. Характеристики могут быть статическими, если они показывают поведение двигателя в установившемся режиме, т.е. когда его скорость становится постоянной при равенстве моментов двигателя и приводимого механизма. В случае, когда характеристики показывают поведение двигателя в переходных режимах, они называются динамическими. Характеристики двигателя называются естественными, если они получены при номинальных значениях: напряжения UN, частоты fN (для двигателей переменного тока), потока возбуждения ФN (для двигателей постоянного тока), а также при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Характеристики, полученные при изменении хотя бы одного из перечисленных выше параметров, называются искусственными. Качество характеристик оценивается жесткостью (tg α) или крутизной (tg β). Оба эти показателя относятся к числу качественных. Для количественной оценки пользуются относительным снижением скорости под нагрузкой, которое называется скольжением: s = , где n0 - скорость холостого хода; n - рабочая скорость. Рис. 1.1. Жесткость механической характеристики Рис. 1.2. Сравнение характеристик по жесткости По величине жесткости характеристики делят на три группы (рис. 1.2): 1. Идеальножесткие скорость под нагрузкой не меняется. 2. Жесткиескорость при номинальном моменте снижается не более, чем на 25% от n0 . 3. Мягкие скорость при номинальной нагрузке снижается более чем на 25%. Для того, чтобы судить о работе системы «двигательрабочий механизм», нужно, помимо характеристик двигателя, знать характеристики рабочих механизмов. Механической характеристикой рабочего механизма называется зависимость между его частотой вращения и моментом сопротивления, который он создает при вращении (n = f(Mс)). Обобщенная формула для механической характеристики рабочего механизма выглядит следующим образом: Мс = М0 + (Мс,N.М0)∙(n/nN.)х, где Мс – момент сопротивления рабочего механизма при номинальной частоте вращения nном.; М0 – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; Мс,N. – момент сопротивления при номинальной частоте вращения nN. В зависимости от значения показателя степени х возможны следующие варианты : х = 0 – момент нагрузки от частоты вращения не зависит (грузоподъемные машины, характеристика 1, рис. 1.3); х = 1 нагрузка типа вязкого трения, в чистом виде на практике встречается редко рис. 1.3, характеристика 2) х = 2 – вентиляторы, центробежные насосы (характеристика 3, рис. 1.3); х>2 – центробежные насосы, работающие на противодавление более 10 метров; х =  1 – моталки, механизмы главного движения металлообрабатывающих станков. (характеристика 4, рис. 1.3). Рис.1.3. Механические характеристики механизмов Рис. 1.4. Режимы работы электродвигателя Механические характеристики изображаются в прямоугольных координатах. За положительное направление скорости принимают движение вверх и вперед, а за отрицательное вниз и назад. Момент двигателя положителен, если обеспечивает положительное ускорение в положительном направлении скорости. Момент сопротивления положителен, если он направлен навстречу положительному моменту двигателя. Когда знаки момента двигателя и скорости совпадают, то мощность, развиваемая двигателем, положительна и передается от двигателя к механизму. Такой режим называется двигательным. Когда момент и скорость двигателя имеют разные знаки, мощность отрицательна и предается от механизма к двигателю. Такой режим называется тормозным (генераторным). Эти соотношения показаны на рис. 1.4. По характеру действия все нагрузки можно разделить на реактивные и активные. Реактивными моментами сопротивления называются моменты сопротивлению движению рабочего органа возникающие как реакция на это движение (примеры: сила терния, сила резания металла и т.д.). Эти моменты меняют свой знак при изменении знака скорости и всегда препятствуют движению. Активными (или потенциальными) называются моменты сопротивления, вызванные внешними по отношению к двигателю источниками энергии (сила тяжести, сила сжатой пружины, сила ветра). Направление их действия не зависит от направления движения электропривода, поэтому при одном направлении они будут оказывать тормозящее действие, при другом (например, при опускании груза) – будут помогать движению. Глава 2. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока 2.1. Принцип действия, устройство и параметры двигателей постоянного тока Принцип действия двигателей постоянного тока основан на свойствах проводников с током в магнитном поле. Если в поле постоянного магнита поместить рамку, по проводникам которой пропустить электрический ток (рис. 2.1), то взаимодействие тока и магнитного потока вызовет появление Рис. 2.1. Рамка с током в магнитном поле Обмотка возбуждения Обмотка якоря Щетки Рис. 2.2. Конструкция двигателя постоянного тока Рис. 2.3. Общий вид двигателя постоянного тока вращающего момента. Направление вращения определяется «правилом левой руки». Двигатель постоянного тока построен на использовании этого явления. Большое число «рамок», уложенных в пазах якоря, набранного и штампованных стальных дисков, образует якорную обмотку. Роль постоянного магнита выполняет статор, на полюсах которого намотана обмотка возбуждения. Возбуждением называется процесс создания магнитного поля. По схеме включения обмоток возбуждения различают двигатели независимого (шунтовой двигатель), последовательного (сериесный двигатель) и смешанного (компаундный двигатель) возбуждения. Схемы включения обмоток приведены на рисунках (рис. 2.4, 2.5). В общем случае в цепях обмоток могут быть включены добавочные сопротивления. Рис. 2.4. Схема включения двигателя с независимым возбуждением Рис. 2.5. Схема включения двигателя с последовательным возбуждением На металлической табличке, прикрепленной к каждому двигателю, указано: завод-изготовитель, тип машины и способ возбуждения (П, ПН, ДП, МП и др.), номинальные данные : PN, UN, IN , nN , иногда ηN , G, J, год изготовления, заводской номер. В каталогах и справочниках можно найти: максимальный момент или перегрузочную способность, габариты машины, все установочные размеры, ток возбуждения, обмоточные данные. Наиболее часто бывают нужны ток возбуждения, перегрузочная способность, сопротивление обмотки якоря. Эти величины можно определить и без каталога с достаточной точностью. У шунтовых двигателей iвN = 23% IN . У сериесных эти токи равны, но при работе ток возбуждения меняется. Сопротивление якорной обмотки rа можно найти из условия, что в номинальном режиме половина потерь в двигателе приходится на якорь, откуда rа = = 0,5 Перегрузочная способность у шунтовых двигателей по току и моменту одинакова и составляет λM = Ммакс / МN = λI = Iмакс / IN = 22,5, а у сериесных λм =2,5 3, а λI = 22,5. 2.2. Механическая и электромеханическая характеристики двигателей постоянного тока Уравнение электромеханической и механической характеристик двигателей постоянного тока наиболее удобно получить для шунтового двигателя. Уравнения характеристик выводятся из баланса напряжений цепи якоря: U = E + Iа Rа , где Uнапряжение питания якорной обмотки ; Е электродвижущая сила (ЭДС) якоря, Iа ток якоря, Rа сопротивление якорной цепи, равное сумме сопротивления якоря и добавочного сопротивления: Rа = rа +Rа доб. ЭДС Е индуктируется в обмотке якоря при его вращении может быть определена по формуле: Е = Φ ω = Φ n = ke Φ n , Рис. 2.6. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением где p число пар полюсов; N число активных проводников в обмотке якоря; a число пар параллельных ветвей в обмотке якоря; Φ магнитный поток возбуждения; ω угловая скорость вращения якоря (рад/с); nчастота вращения якоря(об./мин.); ke конструк- тивная постоянная машины по ЭДС. Подставив выражение для ЭДС в уравнение баланса напряжений, получим: U = ke Ф n + Iа Rа , откуда n = . Это уравнение электромеханической характеристики n = f(I). Для получения уравнения механической характеристики n = f(М) воспользуемся выражением момента через ток и магнитный поток: М = kм Φ Ia , где kм = конструктивная постоянная машины по моменту. Подставив это выражение в уравнение для электромеханической характеристики, получим: n = . Из уравнения видно, что характеристики шунтового двигателя представляют собой линейную зависимость. Обычно sN = 310%,. Мкз / МN = Iкз / IN = 10 15 (рис. 2.6.) Для двигателя с последовательным возбуждением эти уравнения также справедливы, однако в отличие от шунтового магнитный поток не постоянен, а зависит от тока якоря, а значит от нагрузки. По этой зависимости при малых нагрузках магнитный поток сначала пропорционален току якоря, а затем при больших нагрузках происходит насыщение и поток практически постоянен (рис. 2.7). Рис. 2.7. Кривая намагничивания Рис. 2.8. Зависимость момента от тока якоря Рис. 2.9. Зависимость скорости от тока якоря Поэтому зависимость момента от тока сначала квадратичная, а затем линейная (рис. 2.8.). Вид механической и электромеханической характеристик близок к гиперболе, но пропорциональности масштабов при этом нет. Основными особенностями сериесного двигателя являются отсутствие режима холостого хода, несколько большая крутизна характеристики в зоне малых нагрузок, больший, чем у шунтового двигателя, момент при тех же токах в зоне больших нагрузок. Сериесный двигатель не может работать без нагрузки, т.к. при этом его скорость возрастает и двигатель идет вразнос. 2.3. Построение характеристик двигателей постоянного тока Для шунтового двигателя рассчитываются две точки: номинальный режим и идеальный холостой ход. Для номинального режима: МN = 9550РN / nN ; ke ΦN nN = UN - IаN rа ; ke ΦN = (UN - IаN rа )/ nN. Зная ke ΦN, можно определить частоту вращения идеального холостого хода: n0 = UN / ke ΦN = nN UN /(UN - IаN rа ). Для любой искусственной характеристики расчет ведут аналогично, задавая соответствующие новые параметры или кратность магнитного потока. Для сериесного двигателя характеристики строят, как правило, по универсальным кривым, построенным в относительных единицах и предоставляемых заводом-изготовителем для серии двигателей: υ = n/nN: I = I/IN ; m = M/MN Рис. 2.10. Универсальные характеристики По этим зависимостям можно построить характеристики любого двигателя из данной серии. Номинальные данные определяются из паспорта. Задаваясь кратностью тока, по кривым определяются кратности скорости и момента. Искусственные характеристики стро- ятся с использованием естественных характеристик для конкретных значений момента и тока и измененным параметрам (напряжение или сопротивление якоря). 2.4. Пуск двигателя постоянного тока и расчет пускового реостата Всякий режим пуска начинается с режима короткого замыкания, т.е. с такого, при котором обмотка якоря включена в сеть, а якорь неподвижен. В этом случае ток цепи якоря определяется в соответствии с законом Ома: Iкз = U/ ra . Поскольку на естественной характеристике сопротивление якоря очень мало, Iкз = (10-15) IN. Отсюда можно сделать вывод, что при пуске двигателя необходимо либо снижать напряжение на обмотке якоря, либо увеличивать сопротивление цепи якоря. При питании от сети используют включение пускового сопротивления. Изменением напряжения пользуются только при наличии регулируемого источника питания. При пуске двигателя надо обеспечить два условия: 1. Пусковой момент двигателя должен быть больше момента статической нагрузки. При их равенстве разгон прекратится. 2. Максимальные значения тока и момента при пуске не должны превышать допустимых пределов. По условиям коммутации, т.е. по условиям работы щеточного контакта, допустимый ток составляет 2,5 IN. Однако по условиям питающей сети или допустимых ускорений механизма допустимые ток и момент могут быть ограничены в большей степени. Для обеспечения плавного пуска с минимальным временем обычно делают пуск многоступенчатым. Число ступеней можно выбрать произвольно, но как правило не более пяти. Для обеспечения пуска задаются одним из значений пускового момента максимальным или минимальным: Мп мин = (1,2 1,5) Мс ; Мп макс Мдоп . Каждой ступени сопротивления соответствует своя характеристика. Для трехступенчатого пуска получаются показанные на рисунке диаграммы. Рис. 2.11. Схема пуска двигателя с независимым возбуждением Рис. 2.12. Схема пуска двигателя с последовательным возбуждением Рис. 2.13. Пусковая диаграмма двигателя с независимым возбуждением Рис. 2.14. Пусковая диаграмма двигателя с последовательным возбуждением Процесс пуска происходит так: при включении двигателя бросок момента до М1=Ммакс. (рис. 2.13). Двигатель начинает разгон по первой характеристике (е – n0). При достижении момента М2 = Ммин (рис. 2.13) происходит переключение двигателя, при котором часть сопротивления шунтируется (то есть выводится из цепи якоря). Момент снова скачком увеличивается до максимального и так до тех пор, пока двигатель не разгонится до рабочей скорости nс . Для того, чтобы при пуске момент не превышал допустимых пределов, необходимо сопротивления правильно рассчитать. Для шунтового двигателя по паспортным данным рассчитывают пусковую диаграмму так. Строят естественную механическую характеристику. Задаются значениями Ммакс и М мин и числом ступеней. Строят всю пусковую диаграмму. Если подбор сделан правильно, то на всех характеристиках максимальный и минимальный моменты получатся одинаковыми. По правильной пусковой диаграмме отрезки ab, bc, cd и de пропорциональны сопротивлениям якорной цепи. Масштаб сопротивлений определяют по отрезку ae, который пропорционален полному сопротивлению цепи якоря. Для расчета сопротивлений для сериесного двигателя существует несколько методов. Наиболее простой метод лучевой диаграммы. При этом линеаризуется участок естественной характеристики между моментами Ммакс и М мин. Линия продолжается до пересечения с осью скорости. Далее построение идет как было показано для шунтового двигателя. 2.5. Тормозные режимы двигателей постоянного тока Электродвигатели отличаются той особенностью, что для их остановки не требуется применение специальных тормозных устройств. Торможение используется при необходимости ограничения скорости движения привода, находящегося под действием потенциальных (активных) сил и моментов, а также при необходимости снижения скорости привода вплоть до полной остановки. При этом могут применяться три тормозных режима. 1. Рекуперативное торможение возникает в тех случаях, когда скорость двигателя становится выше скорости идеального холостого хода. Очевидно, что такой режим возможен только у шунтовых двигателей. Поскольку в этом режиме скорость двигателя становится выше скорости идеального холостого хода, ЭДС двигателя превышает напряжение питания: Е = ke Φ n U = ke Φ n0 , т.к. n n0 . Следовательно, ток якоря должен изменить направление: U = Е + ( Ia Ra ), Ia 0 . Двигатель стал генератором, работающим параллельно с сетью. Причем, торможение возникает только за счет переключения двигателя на другую характеристику. Режим может проявляться как установившийся и как переходный. 1. При переключении двигателя с одного напряжения на другое или с одного тока возбуждения на другой меняется скорость холостого хода. От nнач до режим генераторного торможения. 2. При силовом спуске легкого груза или при движении транспорта под уклон под действием момента двигателя и нагрузки привод разгоняется до скорости , при которой будет установившийся режим торможения. Рис. 2.15. Механические характеристики при генераторном торможении Рекуперативное торможение применяется для снижения или ограничения скорости. Механи-ческая энергия, поступающая с вала, идет на покрытие потерь и отдается в сеть, поэтому торможение весьма экономично. 2. Торможение противовключе-нием возникает во всех случаях, когда двигатель включен для работы в одном направлении, а его якорь вращается в обратном под действием внешних сил или моментов. Этот режим также может возникать в двух случаях. 1. У вращающегося двигателя изменили полярность напряжения питания якорной обмотки (рис. 2.16). В этом случае направление поля двигателя не изменилось. В первый момент направление скорости тоже остается прежним, т.к. двигатель и механизм обладают инерцией. Поэтому при изменении полярности напряжения ток якоря должен изменить направление, следовательно, изменится и направление момента. Рис. 2.16. Включение обмоток двигателя с независимым возбуждением до и после изменения полярности напряжения питания Рис. 2.17. Механические характеристики двигателя с независимым возбуждением при торможении противовключением Очевидно, что в первый момент времени ток будет очень велик: Iнач = (U + E) / ra 2 Iкз . Поэтому при противовключении необходимо вводить большое добавочное сопротивление в цепь якоря. Достоинством этого режима является возможность полной остановки двигателя и достаточно большой средний тормозной момент. Рис. 2.18. Механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением при торможении противовключением Торможение эффективное и может служить для остановки. Недостатком является сильное увеличение потерь из-за больших добавочных сопротивлений, наличие момента при нулевой скорости, что затрудняет автоматизацию режима, поскольку возможен реверс двигателя. Этот способ обычно применяется в реверсивных механизмах. При тормозном спуске груза в цепь якоря включают большое добавочное сопротивление. При этом момент короткого замыкания двигателя в пределах первого квадранта меньше момента нагрузки, поэтому привод раскручивается в обратную сторону и двигатель работает в тормозном режиме (рис. 2.17). В отличие от предыдущего случая здесь получается устойчивый режим работы. В потери обращается энергия, поступающая из сети и с вала двигателя. Торможение противовключением у двигателя с последовательным возбуждением проходит аналогично, характеристики представлены на рис. 2.18. 2. Динамическое торможение может быть с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Первый случай используется как аварийное торможение и мы его рассматривать не будем. При торможении с независимым возбуждением якорная обмотка двигателя отключается от питающей сети и а б Рис. 2.19. Включение обмоток двигателей при динамическом торможении : а) - при независимом возбуждении; б) при последовательном возбуждении Рис. 2.20. Характеристики двигателей при динамическом торможении замыкается на тормозное сопротивление. Обмотка возбуждения подключена к сети и по ней протекает номинальный ток, для чего у сериесного двигателя включается добавочное сопротивление (рис. 2.19). Процесс торможения и характеристики у обоих двигателей одинаковы. Двигатель стал генератором, работающим на постоянное сопротивление. Поскольку в якорной обмотке действует только ЭДС, ток меняет направление. Величина тока, а следовательно и момента, зависят от величины тормозного сопротивления: чем оно меньше, тем момент и ток больше (рис. 2.20). Торможение приводит к полной остановке. Различие режима для разных двигателей состоит в разной энергетике: для шунтового двигателя потребление из сети равно Рв = iвN Uв = (2-3 %) IN Uв = (2-3 %) РN, для сериесного Рв = IN Uв = РN . Энергия, поступившая с вала, обращается в потери. По сравнению с противовключением эффективность торможения меньше, поэтому целесообразно применять ступенчатое выключение сопротивлений в якорной цепи по мере снижения скорости. Глава 3. Электромеханические свойства асинхронных двигателей 3.1. Принцип действия, устройство и параметры асинхронного двигателя Асинхронный двигатель имеет две обмотки: статора и ротора, уложенные в пазах статорного и роторного пакетов электротехнической стали. Обмотка статора трехфазная, равномерно распределенная в пазах статорного пакета. Выполняется медным проводом. От каждой секции обмотки, относящейся к одной фазе, имеется по два вывода. В зависимости от требований обмотку статора собирают по схемам «звезда» или «треугольник». По выполнению обмотки ротора различают двигатели с фазным ротором (с контактными Рис. 3.1. Схемы включения обмоток статора кольцами) и двигатели с короткозамкнутым ротором. У первых обмотка выполнена проводом, уложенным в пазах ротора. Три вывода от обмотки, соединенной в «звезду» внутри машины подведены к кольцам и через щетки подключаются к внешней схеме. Иногда имеется устройство для замыкания колец накоротко. У короткозамкнутых двигателей обмотка ротора выполнена из стержней, замкнутых по торцам кольцами, от нее выводов нет. Обмотка статора, включенная в сеть трехфазного тока, создает вращающееся магнитное поле. Рассмотрим, как это происходит. Секции обмотки статора, соответствующие трем фазам, уложены на статоре так, что их оси располагаются под углом 1200 друг к другу. По секциям проходит трехфазный ток (рис. 3.2) Рис. 3.2. Принцип получения вращающегося магнитного поля Ia = Im sin ωt Ib = Im sin (ωt - 2π/3) Ic = Im sin (ωt - 4π/3) Рассмотрим состояние системы для моментов времени 16 (рис. 3.2). По схеме видно, что за период магнитный поток делает полный оборот. Очевидно, если взять частоту больше, то и частота вращение поля будет больше. Зависит частота вращения поля (она называется синхронной частотой вращения) и от числа пар полюсов: n0 = 60∙f1/p где f1 частота тока статора; p число пар полюсов. Рис. 3.3. Принцип создания вращающего момента Рис. 3.4. Конструкция асинхронного двигателя Для того, чтобы изменить направление вращения поля, надо изменить порядок чередования фаз напряжения питания статора. При своем вращении поле пересекает неподвижные пока проводники обмотки ротора. В ней наводится ЭДС, а т.к. обмотка замкнута, то и ток. Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает момент. Направление момента таково, что он стремиться повернуть ротор в сторону вращения поля статора. Если ротор будет вращаться со скоростью, равной скорости поля статора, то пересечения обмотки ротора магнитным потоком не будет, следо-вательно, не будет и тока в роторе, не будет момента, вращающего ротор. Ротор всегда отстает от поля, сохраняя разность скоростей, обеспечи-вающую наличие тока и момента. В зависимости от ве- величины нагрузки, которую приходится преодолевать ротору, разница в скорости поля и ротора будет меняться: чем больше нагрузки, тем меньше скорость ротора. Поэтому двигатель называется асинхроннымон не может самостоятельно вращаться со скоростью, равной скорости поля. Асинхронные двигатели, особенно короткозамкнутые, проще по конструкции, чем двигатели постоянного тока, а значит и надежнее. Они удобны в обслуживании, т.к. у короткозамкнутых нет контактных соединений, нет щеток и коллектора. У двигателей с фазным ротором есть контактные кольца и щетки, но коммутация у них надежная. Промышленность выпускает несколько серий двигателей имеющих самые различные характеристики и пусковые свойства. В паспорте двигателя указаны завод-изготовитель, исполнение, способ соединения обмоток статора, номинальные напряжение, ток статора, мощность, скорость, частота, КПД, коэффициент мощности, год выпуска. Остальные данные (сопротивления обмоток, момент инерции, перегрузочная способность по току и моменту и пр.) приводится в каталогах. 3.2. Электромеханическая и механическая характеристики асинхронного двигателя Процессы, происходящие в асинхронном двигателе, весьма сложны и описать их математически точно трудно, т.к. уравнения получаются сложными и требуют многих допущений. Для практических целей при приближенных расчетах можно пользоваться приближенными методами. Уравнение механической характеристики двигателя можно получить с использованием уравнений энергетического баланса и схемы замещения. Из уравнения энергетического баланса момент двигателя можно выразить через ток ротора: М = , где М электромагнитный момент; I2 ток ротора; r2 сопротивление роторной обмотки; n0 синхронная частота вращения поля статора; s = (n0 n)/ n0 скольжение; n частота вращения ротора. . Используя известные по схеме замещения выражения, можно получить для тока ротора: = , где: U напряжение сети; kтр коэффициент трансформации, определяемый конструктивными параметрами; f частота тока сети; L2 индуктивность роторной обмотки. Это уравнение, по сути, является уравнением электромеханической характеристики. В зоне больших скоростей ток пропорционален скольжению, в зоне малых сильнее сказывается знаменатель и ток почти не меняется Скоростная характеристика имеет вид, представленный на рис. 3.5. а б Рис. 3.5. Скоростные характеристики асинхронного двигателя: а) скорость в функции тока ротора; б) скорость в функции тока статора Подставив полученное выражение для тока в уравнение для момента, получим: М = , Следует заметить, что ток пропорционален напряжению в первой степени, а момент в квадрате. Судя по формуле, момент должен иметь максимум, который называется критической точкой. Для определения ее координат нужно найти dM/ds и приравнять ее нулю. Тогда получим: sк = ; Mк = , По этим уравнениям видно, что критическое скольжение sк зависит от сопротивления роторной обмотки r2, а момент Мк не зависит. Строить механическую характеристику по формуле для момента неудобно, поэтому рассчитывают зависимость М/Мк и определяют механическую характеристику по выражению: М = . Это уравнение называется упрощенной формулой Клосса. Оно используется для построения механических характеристик (рис. 3.6). Характерные точки: синхронная частота вращения, номинальный режим, критический режим, пуск или режим короткого замыкания. Рис . 3.6. Механическая характеристика асинхронного двигателя Для построения характеристики по паспортных данным надо, зная Мн , sн , λм = Мк/Мн по формуле Клосса определить критическое скольжение: sк = sy (λм + ) После этого в формуле будут только известные величины и для всех значений скольжения можно рассчитать моменты. Обычно у асинхронных двигателей sн = 25%. λм = 1,7 2,8. 3.3. Пуск асинхронного короткозамкнутого электродвигателя Как правило, короткозамкнутые двигатели запускаются прямой подачей номинального напряжения на обмотку статора. Однако, иногда приходится снижать пусковые токи и моменты, что может быть вызвано требованиями источника питания или особенностями механизма. В этом случае могут быть использованы следующие способы: 1. Пуск с добавочными сопротивлениями в цепи статора. Сопротивления могут быть активными или реактивными (рис. 3.7). 2. Пуск с использованием автотрансформатора (рис. 3.8.). 3. Пуск с переключением обмотки статора со звезды на треугольник. Рис. 3.7. Пуск асинхронного двигателя с использованием сопротивлений в цепи статора Рис. 3.8. Пуск асинхронного двигателя с использованием автотрансформатора При использовании этих приемов пусковые характеристики имеют вид, показанный на рис. 3.8. Наиболее благоприятен вид характеристик при автотрансформаторном пуске, т.к. при этом изменение момента наиболее плавное. Недостаток при переходе на естественную характеристику будет большой бросок тока статора. Кроме того, стоимость установки сильно возрастает. Чаще для снижения момента или ограничения тока статора используют включение сопротивлений. Следует иметь в виду, что на эти меры целесообразно идти только в крайних случаях, т.к. применение всяких добавочных устройств удоро- Рис. 3.8. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики: 1 – естественные; 2 – пуск через реактор; 3 – пуск через резистор; 4 – пуск через автотрансформатор жает установку и увеличивает потери. Кроме того, двигатели разных серий имеют разное значение пускового момента, поэтому следует правильно выбирать приводной двигатель и по этому параметру. Сегодня данные способы пуска двигателя являются устаревшими и практически не используются.В настоящее время плавный пуск АД осуществляется при нечастых пусках от устройства плавного пуска на базе тиристорного преобразователя напряжения (ТПН), при частотном регулировании частоты вращения двигателя от преобразователя частоты (ПЧ). 3.4. Пуск асинхронного двигателя с контактными кольцами Двигатели с кольцами, как правило, имеют весьма жесткую характеристику в рабочей зоне и очень небольшой пусковой момент. Поэтому при их пуске приходится заботиться не только о снижении пускового тока, но и об увеличении пускового момента. В отличие от короткозамкнутых, двигатели с кольцами нельзя пускать прямой подачей питания на статор. Для запуска в их роторную цепь включают добавочные сопротивления, которые выводят ступенями (рис. 3.9). Возможны два варианта построения роторной цепи: с симметричным и несимметричным выведением сопротивлений ротора. При несимметричном выведении схема проще, но из-за несимметрии характеристики имеют провал, а б Рис. 3.9. Пусковая схема (а) и пусковая диаграмма асинхронного двигателя с контактными кольцами (б) который может привести к ненормальному разгону. Такой способ используется при управлении пуском с использованием силового контроллера. При симметричном выведении сопротивлений требуется больше контактов, но характеристики имеют более высокие качественные показатели. Расчет пускового реостата может быть произведен двумя способами. Первый приближенный, графоаналитический, аналогичен расчету для двигателей постоянного тока с использованием лучевой диаграммы. Второй аналитический, состоит в следующем. При известном числе ступеней задаемся значением максимального пускового момента М1 . По числу ступеней и относительному значению максимального момента рассчитываем кратность максимального и минимального пусковых моментов: / = , где М1 максимальный пусковой момент; М2 минимальный пусковой момент; m число ступеней пускового реостата sN – номинальное скольжение; максимальный пусковой момент в относительных единицах. = М1/МN Далее проверяется величина минимального пускового момента: М2 = М1 /λ Мс. Если полученный момент переключения больше, чем момент сопротивления, то можно рассчитать сопротивления ступеней: R3 = rр (λ – 1); R2 = R3 λ; R1 = R2 λ, где R1, R2, R3 сопротивление ступеней; rр сопротивление обмотки ротора. rр = , где Е2к линейная ЭДС на разомкнутой обмотке ротора при n = 0. 3.5. Тормозные режимы асинхронных двигателей Асинхронный двигатель имеет три способа торможения с такими же названиями, как у двигателей постоянного тока. Рассмотрим их. 1. Рекуперативное торможение имеет место тогда, когда частота вращения ротора становится больше, чем синхронная частота вращения. При этом фаза ЭДС и тока ротора меняется на обратную и двигатель превращается в генератор, питающий сеть активной энергией. Самостоятельно двигатель в этот режим не переходит. Возможны два его проявления: – при переходе двигателя с одной искусственной характеристики на другую, с меньшим значением n0, например, при уменьшение частоты питающего тока или изменение числа пар полюсов. Режим проявляется как переходный (характеристика 2, рис . 3.10); Рис. 3.10. Торможение рекуперативное – при работе с активным моментом нагрузки может быть получен установившийся режим (характеристика 3, точка В, рис. 3.10). Следует учитывать, что в этом режиме двигатель отдает в сеть только активную энергию, а реактивную потребляет. Способ используется для снижения или ограничения скорости. 2.Торможение противовключением возникает тогда, когда направление вращения ротора и поля статора не совпадают. Режим возникает при переключении на ходу обмотки статора на другое чередование фаз и в этом случае может быть использовано для остановки. При остановке двигатель надо отключить, иначе произойдет реверс. Рис. 3.11. Торможение противовключением У короткозамкнутых двигателей противовключение сопровождается большими токами, в то время как моменты невелики (характеристика 2, рис.3.11). У двигателей с кольцами за счет включения добавочных сопротивлений в цепь ротора можно уменьшить ток и одновременно увеличить тормозной момент (характеристика 3, рис.3.11). Причем, можно подобрать сопротивление таким, что время торможения будет минимальным. У двигателей с кольцами возможен статический режим противовключения при действии активных моментов нагрузки и включении в роторную цепь больших добавочных сопротивлений (характеристика 4, рис.3.11). Рис. 3.12. Схема динамического торможения Во всех случаях противовключения в роторной цепи выделяются большие потери энергии: ΔР2 = Рэм s Рэм , т.к. s 1. Эти потери выделяются в цепи ротора и идут на нагрев обмоток и сопротивлений. 3. Динамическое торможение производится при отключении статорной обмотки от сети переменного тока и включении любых двух ее фаз к сети постоянного тока (рис. 3.12). Форма характеристики сохраняется, но она проходит через начало координат. Меняя ток статора за счет изменения добавочного сопротивления можно получить разные моменты: чем больше ток статора, тем больше момент. У двигателя с кольцами режим можно сделать более эффективным за счет введения добавочных сопротивлений в цепь ротора (рис. 3.13, б). Режим используется для точной остановки двигателя. Ток статора должен быть не более2-3 значений тока холостого хода, т.к. при больших токах наступает насыщение магнитной цепи и момент не растет. а б Рис. 3.13. Характеристики динамического торможения: для разных значений тока статора (а); для разных значений сопротивления ротора (б) Глава 4. Электромеханические свойства синхронных двигателей 4.1. Устройство и принцип действия Синхронный двигатель основан на использовании свойств трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Вращающееся поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично обмотке асинхронного двигателя. На роторе двигателя размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по обмотке ротора (обмотке возбуждения) взаимодействует с вращающимся полем статорной обмотки, что вызывает появление вращающего момента. Этот момент зависит от тока возбуждения и не зависит от скорости, поэтому двигатель называется синхронным (ротор вращается со скоростью поля статора). У двигателей, рассчитанных на большие скорости (3000, 1500 об/мин), роторная обмотка распределена по поверхности цилиндрического ротора равномерно. Такие двигатели называются неявнополюсными. У двигателей тихоходных на роторе выполнены полюса, на которых имеются катушки обмотки возбуждения. Такие двигатели называется явнополюсными. Синхронные двигатели находят применение для электроприводов средней и большой мощности, работающих с постоянной скоростью длительно. Кроме обеспечения постоянства скорости они позволяют регулировать энергетические характеристики, поскольку при определенном токе возбуждения имеют опережающий cosφ, что позволяет использовать их для компенсации реактивной мощности предприятий. 4.2. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя В силу особенностей синхронного двигателя его момент не зависит от скорости. Поэтому механическая характеристика синхронного двигателя идеально жесткая (рис. 4.1): n =, где f1 частота тока статора; рчисло пар полюсов статорной обмотки. Однако, характеристика n = f(M) не отражает полного поведения двигателя. При увеличении нагрузки происходит смещение осей поля статора и ротора. Каждой определенной нагрузке соответствует опре- Р иРис. 4.1. Механическая характеристика синхронного двигателя Рис. 4.2. Векторная диаграмма деленный угол между их осями. При очень большой нагрузке, которую дви-гатель не в состоянии преодолеть, он останавливается выпадает из синхро-низма. Если для простоты пренебречь активными сопротивлениями обмоток машины, то можно записать: Рэм = m U I1cosφ , где: Рэм электромагнитная мощность; m число фаз; U напряжение статора; I1 ток статора. По векторной диаграмме (рис. 4.2) можно записать U cosφ = Е cos(φθ), где: Е ЭДС, индуктированная в обмотке статора полем ротора; θ угол между осями поля статора и ро-тором (угол вылета ротора). С другой стороны, по той же диаграмме находим: cos(φθ) = U sin θ / I1 x1 , где: х1индуктивное сопротивление обмотки статора. В этом случае можно записать Рэм = mЕ U sin θ/ x1 Mэм = = sin θ = Mmax sin θЭто достаточно приближенное уравнение угловой характеристики (рис. 4.3), представляющей зависимость момента на валу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 900. Рис. 4.3. Угловая характеристика Перегрузочная способность синхронного двигателя λм = Мmax /MN = 2 – 3. 4.3. Пуск и торможение синхронного двигателя Пуск синхронного двигателя простым включением невозможен. Его обеспечивают либо разгоном двигателя на холостом ходу вспомогательным пусковым двигателем (асинхронным), или (чаще) за счет специальной пусковой короткозамкнутой обмотки, уложенной в пазах ротора. В этом случае пуск синхронного двигателя происходит так же, как у асинхронного (характеристика 1, рис. 4.4) до скорости 0,95 n0, которая называется подсинхронной, при отключенной обмотке возбуждения. При достижении подсинхронной скорости подается питание на обмотку возбуждения, и двигатель разгоняется самостоятельно до синхронной скорости (характеристика 2, рис. 4.4). Включение обмотки статора при пуске может быть таким же, как у асинхронного короткозамкнутого двигателя (напрямую или через добавочное сопротивление а б Рис. 4.4. Схема пуска синхронного двигателя (а) и пусковая диаграмма (б) или реактор). Обмотка возбуждения подключается к возбудителю (генератор постоянного тока или в современных электроприводах полупроводниковый выпрямитель). Таким образом, в момент пуска включается контактор КМ1, двигатель разгоняется, а при подсинхронной скорости включается контактор КМ2. Тормозные режимы применительно к синхронному двигателю не используются как рабочие, а только как аварийные, поскольку они не обеспечивают эффективного торможения. При противовключении изменяется порядок чередования фаз статора торможение идет за счет пусковой и обмотки как у асинхронного двигателя. Динамическое торможение производится путем отключения статорной обмотки от сети переменного тока и замыкания ее на сопротивления, соединенные «звездой». Тормозной момент обеспечивается за счет обмотки возбуждения. Глава 5. Регулирование скорости электродвигателей 5.1. Общие положения Регулированием называется изменение скорости привода путем принудительного воздействия на его параметры и характеристики в соответствии с требованиями технологического процесса. Регулирования следует отличать от саморегулирования, когда скорость привода меняется из-за изменения нагрузки на валу, поскольку в этом случае характеристика двигателя не изменяется. Регулирование может осуществляться как механически, так и электрическими средствами. Последним обычно отдается предпочтение, т.к. их применение позволяет упростить конструкцию машин и дает возможность автоматизировать работу. Электрическое регулирование связано с изменение электромеханических свойств двигателя, т.е. изменением вида его характеристик. При выборе способа регулирования и при сопоставлении разных способов используются следующие показатели регулирования: 1. Диапазон регулирования, характеризующийся отношением наибольшей скорости к наименьшей. 2. Направление регулирования, т.е. изменение скорости выше или ниже естественной характеристики. При этом регулированием может быть одно- или двухзонным. 3. Плавность регулирования, характеризующаяся отношением скоростей на соседних ступенях регулирования. Чем это отношение ближе к единице, тем регулирование более плавное. 4. Стабильность работы на заданной скорости. Характеризуется изменением скорости при заданном изменении момента нагрузки. Она тем выше, чем более жесткая характеристика. 5. Экономичность регулирования, определяемая затратами на создание системы регулирования, потерями энергии, связанными с регулированием, эксплуатационными расходами на обслуживание установки. 6. Допустимая нагрузка, которая также зависит от способа регулирования. Различные механизмы предъявляют разные требования в отношении соотношения скорости и момента при работе. Выбирая двигатель соответствующей мощности можно удовлетворить любое изменение момента или мощности нагрузки. Однако при этом регулирование скорости может оказаться неэкономичным, т.к. на разных ступенях регулирования двигатель будет использоваться по-разному. Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы ток в обмотках на разных характеристиках был бы по возможности постоянным и не превышал номинального, поскольку это обеспечит стабильный нагрев обмоток, не превышающий допустимых пределов. 5.2. Регулирование скорости двигателей постоянного тока Уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя постоянного тока позволяют определить, какие параметры влияют на вид характеристик и могут быть использованы для регулирования: n = . Судя по этим уравнениям, на вид механической и электромеханической характеристик должны влиять три параметра: сопротивление якорной цепи Rа, напряжение питания U, магнитный поток Φ. 5.2.1. Регулирование скорости изменением сопротивления цепи якоря Введение добавочных сопротивлений в цепь якоря (рис. 5.1) вызывает увеличение падения скорости под нагрузкой, поэтому характеристики с увеличением этого сопротивления становятся мягче (рис. 5.2). Регулирование осуществляется с непостоянным диапазоном: чем меньше нагрузка, тем меньше диапазон регулирование ступенчатое, т.к. для создания плавного регулирования требуется очень большое число ступеней, что нецелесообразно, т.к. нерационально увеличивает установку. а б Рис. 5.1. Схемы включения добавочных сопротивлений в цепь двигателей постоянного тока: а) при независимом возбуждении; б) при последовательном возбуждении а б Рис. 5.2. Регулировочные характеристики двигателей постоянного тока: а) при независимом возбуждении; б) при последовательном возбуждении При работе на регулировочных характеристиках большие потери энергии, поэтому регулирование неэкономичное. Поскольку при увеличении диапазона регулирования жесткость характеристик снижается, снижается и стабильность работы, т.е. при небольшом колебании момента нагрузки скорость изменяется значительно. Регулирование однозонное, только вниз. Способ применяется для кратковременного получения пониженных скоростей в приводах не требующих строгого поддержания рабочей скорости (например, подъемно-транспортные машины). В настоящее время данный способ регулирования практически не применяется. 5.2.2. Регулирование скорости изменением магнитного потока Этот способ применяется, как правило, у двигателей с независимым возбуждением. Магнитный поток изменяется за счет изменения тока возбуждения, что может быть получено при использовании регулируемых выпрямителей или за счет регулирования сопротивления в цепи обмотки возбуждения. Последний способ используется у двигателей небольшой мощности. В зоне малых моментов нагрузки ослабление магнитного потока приводит к росту скорости, поскольку уменьшается ЭДС двигателя и для компенсации возрастания тока требуется дополнительный разгон. В зоне больших нагрузок скорость падает за счет того, что снижается момент двигателя. Диапазон регулирования может быть от 2 до 4, регулирование плавное, а б в Рис. 5.3. Схема с регулированием тока возбуждения (а); механические (б) и скоростные (в) характеристики особенно при использовании регулируемых выпрямителей, однозонное (только вверх), достаточно экономичное, т.к. капитальные затраты сравнительно невелики и дополнительные эксплуатационные расходы почти отсутствуют Стабильность работы достаточно высокая, но при ослаблении потока несколько снижается. Этот способ регулирования возможен только при постоянстве мощности, поэтому допустимое значение момента нагрузки с ростом скорости снижается. Допустимый момент на искусственной характеристике определяется номинальным током якорной цепи: Мдоп = Кm Φн IаN. По уравнениям для ЭДС на естественной и искусственной характеристиках получим: Ее = Ке Φ N ωн = UN - IаN Rа, Еи = Ке Φ и ωи = UN - IаN Rа. Отсюда получим: Φ N ωN = Φ и ωи , Φ и = Φ N ωN / ωи. Тогда Мдоп. и = Кm ϕи Iан. = Кm Φ N IаN. ωN / ωи. = МN ωN / ωи.. Следовательно, Мдоп. и ωи = МN ωN = РN. Таким образом, регулирование происходит при постоянстве мощности. 5.2.3. Регулирование скорости изменением напряжения питания якоря При изменении величины напряжения, питающего обмотку якоря, чем оно ниже, тем ниже n0. Xарактеристики располагаются параллельно естественной, но ниже. Регулирование напряжения постоянного тока можно производить тремя способами: 1. Применением потенциометрических схем. 2. Применением генератора постоянного тока с регулируемым напряжением возбуждения. 3. Использованием регулируемого преобразователя напряжения. Применение потенциометрических схем. В ряде приводов, особенно в подъемно-транспортных машинах, находят применение схемы потенциометричес- Рис. 5.4. Схема с шунтированием якоря кого деления напряжения питания якорной обмотки, получившие название схем с шунтированием якоря. У двигателя с независимым воз-буждением используется схема, представ-ленная на рис. 5.4. Для этой схемы можно записать: U = Е + Iа Rа, + Iп Rп,, U = Iш Rш + Iп Rп,, Iп,= Iш + Iа Подставив 3-е уравнение во 2-е, получим: U = Iш Rш + Iш Rп, + Iа Rп . Отсюда Iп = . Первое уравнение можно записать в виде: U = Е + Iа Rа, + + Iа Rп,, Отсюда получим: Е = U Iа Rа, Rп + Iа Rп =U Iа (Rа,+ ). Обозначим = А и поделим всё уравнение на Ке ϕн : n = An0 Iа . Получили уравнение электромеханической характеристики в схеме с шунтированием якоря. Заменив ток моментом, получим уравнение механической характеристики: n = An0 М . Rш = constant Rп = constant Рис. 5.5. Электромеханические характеристики в схеме с шунтированием якоря Характеристики линейные, располагаются ниже естественной. На рис. 5.5 представлены семейства электромеханических характеристик при различных величинах сопротивлений Rш и Rп. Аналогично выглядят механические характеристики. При определенных значениях Rш и Rп характеристики проходят ниже естественной (рис. 5.6). Рис. 5.6. Механические характеристики при определенных Rш и Rп Достоинство метода по сравнению с реостатным регулированием, описанным в 5.2.2, в том, что характеристики более жесткие. Для двигателя с последо-вательным возбуждением этот метод также применим. В этом случае двигатель получает режим холостого хода, при котором скорость тем меньше, чем меньше Rш. При переходе во второй квадрант характеристика имеет максимум момента, поскольку рост ЭДС снижает ток возбуждения. Пока машина в насыщенном состоянии, создается тормозной момент, но после выхода из насыщения момент резко падает и скорость возрастает. Способ неэкономичен из-за потерь энергии. Применяется для кратковременного снижения скорости. В настоящее время практически не используется. Рис. 5.7. Сема с шунтированием якоря двигателя с последовательным возбуждением Рис. 5.8. Характеристики двигателя: 1) естественная; 2) в схеме с шунтированием якоря при определенных Rш и Rп Регулирование скорости двигателя постоянного тока в системе «генератор- двигатель» (система «Г-Д»). В системе «генератор-двигатель» двигатель питается от специального агрегата, состоящего из нескольких машин. Рис. 5.9. Схема электропривода по системе «генератор-двигатель» В него входят гонный двигатель М2, в качестве которого обычно используется асинхронный или синхронный двигатель, генератор постоянного тока G1, возможен возбудитель G2. Последнего может и не быть, а вместо машины для возбуждения может быть использован управляемый выпрямитель. Напряжение с якорной обмотки генератора подается на якорную обмотку двигателя М1. Цепи возбуждения генератора и двигателя могут питаться от автономных источников, но в приведенной схеме они питаются от общего возбудителя G2 с использованием реостатов R1 и R2. Изменяя положение движка потенциометра R1 можно менять напряжение и ток возбуждения генератора, отчего будет изменяться напряжение, поступающее на якорь двигателя. Кроме регулирования скорости система «Г-Д» позволяет производить все управление двигателем в цепи возбуждения генератора (рис. 5.10). Для пуска потенциометр R1 устанавливается в положение, соот-ветствующее необходимому напряжению, после чего включается напряжение переключателем S. При этом за счет индуктивности обмотки возбуждения генератора его ток возбуждения и магнитный поток нарастают плавно, что обуславливает плавное нарастание напряжения генератора. Рис. 5.10. Диаграмма пуска и торможения двигателя в системе Г-Д Это позволяет снизить пусковые токи двигателя без использования добавочных сопротивлений в главной цепи. При отключении возбуждения генератора переключателем S поток возбуждения и напряжение генератора станут уменьшаться. Скорость и ЭДС двигателя в первый момент не меняются, поэтому ЭДС двигателя станет больше, чем напряжение генератора. Двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, а генератор преобразует полученную электрическую энергию в механическую и через гонный двигатель может отдать ее в сеть переменного тока. Для реверсирования двигателя переключатель S переключают в обратную сторону и меняют полярность напряжения на обмотке возбуждения генератора. Двигатель сначала остановится в режиме рекуперативного торможения, а затем разгонится в обратном направлении. Диапазон регулирования в системе «Г-Д» около 10, регулирование плавное. Диапазон ограничен в нижнем пределе влиянием остаточного намагничивания генератора. Для получения двухзонного регулирования частоты вращения дополняют схему регулированием потока возбуждения двигателя. Недостатками системы «Г-Д» являются низкий КПД, высокая стоимость установки, большие габариты и строительные расходы, усложнение эксплуатации за счет увеличения числа коллекторных машин. Применение тиристорных преобразователей напряжения (система «ТП-Д»). В качестве управляемых преобразователей напряжения для питания двигателей постоянного тока в настоящее время находят применение управляемые полупроводниковые выпрямители, элементной базой которых, в основном, являются тиристоры, представляющие собой полупроводниковые четырехслойные переключающие приборы. Структурная схема, условное обозначение и вольтамперная характеристика тиристора показаны на рис. 5.11. а б Рис. 5.11. Структура и условное обозначение тиристора (а); его вольтамперная характеристика (б) Если положительный вывод внешнего источника напряжения подсоединить к аноду, а отрицательный – к катоду, то до уровня напряжения Uпр тиристор остается закрытым, а при U Uпр он открывается и проводит ток. Однако это весьма высокий уровень напряжения и в нормальных условиях он не достигается. Для открытия тиристора используется подача на управляющий электрод положительного относительно катода импульса напряжения достаточной амплитуды и длительности. Чем выше значение тока управления, тем меньше напряжение отпирания тиристора. Величина тока управления, при котором тиристор откроется при анодном напряжении около 1 В, равна примерно 30-100 мА. Причем, после открытия тиристор остается в этом состоянии вне зависимости от того, есть ли ток управления или нет. Таким образом, величина тока управления и длительность его протекания определяет только момент открытия тиристора. Для того, чтобы тиристор запереть, необходимо снизить анодный ток до очень малого значения (примерно 4 мА) или сменить полярность приложенного напряжения на противоположную. При этом, если обратное напряжение превысит уровень пробоя -Uобр , то тиристор выйдет из строя. Рассмотрим, каким образом тиристор может использоваться для регулирования выпрямленного напряжения. Пусть тиристор включен последовательно с нагрузкой в цепь, питаемую переменным током (рис. 5.12). На его управляющий электрод подают импульсы с системы импульсно-фазового управления (СИФУ), причем момент подачи этих импульсов относительно начала положительной полуволны питающего напряжения (точка естественной коммутации) можно изменять. Если импульсы подаются точно в момент начала положительной полуволны, то тиристор открывается сразу же и остается открытым весь полупериод. Если же СИФУ подает импульсы с запаздыванием, т.е. с углом открытия α 0, то тиристор открывается только в момент поступления импульса. От этого среднее значение тока за полупериод будет тем меньше, чем больше α. Рис. 5.12. Схема включения тиристора и диаграмма напряжений и токов Для управления двигателями или другими потребителями постоянного тока используются многофазные схемы выпрямления, позволяющие уменьшить пульсации тока. Наибольшее распространение получили мостовые схемы. В общем случае для получения требуемого напряжения выпрямитель питается через трансформатор (рис. 5.13). На управляющие электроды тиристоров подаются импульсы от СИФУ 1 и СИФУ 2. Поскольку в проведении тока каждый раз должны участвовать два тиристора, импульсы подаются одновременно на 2 тиристора с соответствующими углами открытия, определяющими конечное значение выпрямленного напряжения. Например, сначала работает Т1 с Т4, а затем Т1 с Т6. После этого Т6 работает в паре с Т3 и т.д.. Порядок работы тиристоров определяется соотношением линейных напряжений: работает та пара, Рис. 5.13. Схема тиристорного выпрямителя на которой наибольшее напряжение. Обеспечивая подачу импульсов с заданным углом открытия можно регулировать напряжение на нагрузке. Особенностью силовых преобразователей является то, что при очень малых нагрузках появляются прерывистые токи, что приводит к появлению пульсаций момента и скорости. Среднее выпрямленное напряжение определяется соотношением Ud = Ud0 cos α Id ( + Rт + RL ), где Ud0 среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя и полностью открытых тиристорах; Ud0 = U sin , где U действующее значение переменного фазного напряжения; m число фаз выпрямителя; xт , Rт приведенные к вторичной обмотке индуктивное и активное сопротивления фазы трансформатора; RL активное сопротивление сглаживающего реактора L. Исходя из этого уравнения получим для электромеханической характеристики: n = , а для механической : n = , Rэ = ( + Rт + RL + Rа ). Для построения реверсивных приводов используют два комплекта выпрямителей. В реверсивных схемах можно получить генераторное торможение. Для этого у обратного комплекта создается большой угол α и его выпрямленное напряжение будет меньше, чем ЭДС двигателя. Тогда ток идет под действием ЭДС и создает тормозной момент. Энергия отдается в сеть переменного тока. Такой обратный режим называется инверторным (преобразование постоянного тока в переменный). Тиристорные выпрямители не требуют строительных расходов, обладают высоким КПД, но у них хуже cosφ, появляются высшие гармоники тока за счет его несинусоидальности, стоимость систем довольно высока, они плохо переносят перегрузки по току. Следует отметить, что в системе «ТП-Д» характеристики имеют меньшую жесткость, чем в системе «Г-Д» за счет большего сопротивления цепи якоря. При конечных значениях индуктивности сглаживающего реактора и малых нагрузках наступает режим прерывистых токов (то есть в выходном токе присутствуют бестоковые паузы), это приводит к нелинейному искажению Рис. 5.14. Механические характеристики тиристорного электропривода механических характеристик в области малых моментов (нелинейно увеличивается частота вращения, рис. 5.14). Чем больше угол отпирания тиристоров, тем шире зона прерывистых токов. Это является одним из основных недостатков системы «ТП-Д». Вместе с тем, совершенствование полупроводниковых схем выпрямления способствует их широкому использованию. Тиристорные выпрямители находят применение не только для питания цепей якоря, но и для цепей возбуждения машин постоянного тока и синхронных машин. 5.3. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей Вопрос о регулировании скорости приводов переменного тока чрезвычайно актуален. Разработка все более современных широкорегулируемых электроприводов на базе асинхронного двигателя является в настоящее время одним из важнейших направлений развития регулируемых электроприводов. Параметрами асинхронных двигателей, по которым можно осуществлять регулирование, являются: число пар полюсов, частота и амплитуда питающего статор напряжения, сопротивления ротора и статора. 5.3.1. Регулирование скорости переключением числа полюсов Переключение числа полюсов возможно только у специально выпускаемых многоскоростных асинхронных короткозамкнутых двигателей. Наличие короткозамкнутого ротора позволяет сделать конструкцию менее сложной. Двигатели выпускаются на две, три и четыре скорости. Статорная обмотка этих двигателей секционирована и в каждой фазе секции можно переключать на параллельное и последовательное соединение. Рис. 5.14. Способы включения секций обмоток статора а б Рис. 5.15. Характеристики асинхронного двигателя при переключении числа пар полюсов: а) переключение со схемы «двойная звезда» на схему «треугольник»; б) переключение со схемы «двойная звезда» на схему «звезда» При параллельном включении секций число пар полюсов становится меньше, что приводит к изменению скорости поля статора: чем число пар полюсов больше, тем меньше скорость: n0 = . Изменение частоты вращения поля статора приводит к соответствующему изменению частоты вращения ротора. В зависимости от схемы соединения фаз и секций можно получить разные характеристики. При схеме «двойная звезда» скорость вращения ротора высокая. При переключении на схему «звезда» скорость вращения снижается в два раза. При этом в два раза снижается и мощность двигателя: = = ; Мдз = Мз ; nдз = 2nз . При переключении на схему «треугольник» снижается скорость вращения, но возрастает момент, поэтом регулирование происходит при постоянстве мощности: = = =0,87; nдз = 2nтр . Регулирование получается ступенчатое, максимальный диапазон 1:8. Регулирование сравнительно экономичное, но машина дороже на 25-40%. Способ регулирования используется в тех случаях, когда требуется получать пониженные скорости, например в подъемно-транспортных механизмах и турбомашинах. 5.3.2. Регулирование скорости изменением частоты питающего статор напряжения Для регулирования частоты питающего двигатель напряжения необходимо иметь специальный источник питания, в качестве которого может использоваться электромашинный агрегат с преобразователем частоты или специальным генератором либо полупроводниковый преобразователь. Развитие электронной промышленности привело к созданию современных полупроводниковых преобразователей частоты, которые практически устранили необходимость использования машинных преобразователей. Возможно использование трех типов преобразователей частоты: 1. С промежуточным звеном постоянного тока. 2. Двухзвенные преобразователи частоты 3. Преобразователи с непосредственной связью. Использование преобразователей частоты со звеном постоянного тока. Преобразователи этого типа состоят из мостового выпрямителя, преобразующего напряжение переменного тока стандартной частоты в напряже- ние постоянного тока, и мостового инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты (рис. 5.16). Рис. 5.16. Схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока Рис. 5.17. Принцип формирования напряжений фаз Выпрямитель может быть регулируемым, а может быть выполнен на диодах. Тиристоры инвертора переключаются в определенном порядке, обеспечивая формирование ступенчатой зависимости напряжения на двигателе (рис. 5.17). Изменяя длительность каждого периода, можно изменять частоту основной гармоники напряжения, а следовательно и скорость вращения поля статора. Эти преобразователи обеспечивают управление двигателем по закону U/f = const , Рис. 5.18. Механические характеристики при частотном регулировании скорости что позволяет получать широкий диапазон регулирования скорости при удовлетворительном КПД и уровне моментов двигателя при разных частотах. Это обеспечивается одновременным регулированием тока ротора и магнитного потока двигателя. Недостатком такого способа является высокая доля высокочастотных составляющих напряжения Использование двухзвенных преобразователей частоты. Более совершенным и более распространенным в настоящее время является применение двухзвенных Рис. 5.18. Блок-схема двухзвенного преобразователя частоты. преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией на базе мостовых выпрямителей и мостовых инверторов, в большинстве случаев выполненных с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) (рис. 5.18). Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя В, автономного инвертора АИ, дросселя L и конденсатора С. Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления силовыми ключами. Оно характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода широтно-импульс- Рис. 5.19. Графики фазного напряжения и тока ной модуляции (ШИМ) изменяется по синусоидальному закону. При высоких тактовых частотах (2-15 кГц) в обмотках статора протекают синусоидальные токи (рис. 5.19). Форма кривой выходного напряжения представляет собой высо-кочастотную двухполупериодную после-довательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ, а длительность (ширина) в течение периода выходной частоты АИ модулирована по синусоидальному закону. Регулирование амплитуды выходного напряжения может осуществляться двумя способами: амплитудным, за счет регулирования входного напряжения АИ (в этом случае необходим управляемый выпрямитель) и широтно-импульсным, за счет изменения программы переключения силовых ключей. Преобразователи частоты с непосредственной связью. Для получения низких скоростей нашли применение преобразователи частоты с непосредственной связью - циклоконверторы. В этом случае преобразователь образован 6-ю тиристорными выпрямителями, включенными по встречно-параллельной схеме. Обмотка каждой фазы питается от своей пары выпрямителей. Переменный ток пониженной частоты формируется за счет того, что угол открытия тиристоров в каждом выпрямителе меняется по определенному закону. Например, первая обмотка питается сначала от В1. За счет периодического уменьшения и увеличения угла α формируется положительная полуволна тока, среднее значение которого за полупериод изменяется по синусоидальному закону заданной частоты. Рис. 5 .20. Схема циклоконвертора Рис. 5 .21. Графики напряжений для разных частот Затем первая обмотка питается от В2 и формируется отрицательная полуволна тока. Во второй и третьей фазах получаются те же зависимости, но со сдвигом на 1/3 периода напряжения низкой частоты (рис. 5.21). 5.3.3. Регулирование скорости изменением напряжения статора (фазовое управление) Для изменения напряжения статора целесообразно применять устройства, которые будучи включенными между сетью и обмоткой статора двигателя позволяли бы изменять долю напряжения, поступающего на обмотку. Для этой цели можно применять дополнительные активные сопротивления, индуктивные регулируемые сопротивления и полупроводниковые регуляторы. Первые два способа отличаются большими потерями энергии и поэтому бесперспективны. Наибольший интерес и распространение имеют тиристорные преобразователи напряжения (ТПН) (рис. 5.22). Поскольку момент асинхронного двигателя сильно зависит от напряжения, регулировать напряжение следует так, чтобы была возможность подстройки схемы на соответствующий момент нагрузки. а б Рис. 5.22. Схема тиристорного преобразователя напряжения (а) и регулировочные характеристики (б) Двигатель должен иметь мягкую естественную характеристику. Уровень скорости определяется величиной напряжения задания, подаваемого на сумматор. Туда же подводится напряжение обратной связи по скорости от тахогенератора. В результате сравнения напряжений задания Uз и Uтг формируется напряжение управления СИФУ Uу. Чем больше напряжение управления, тем меньше угол открытия тиристоров, а следовательно больше напряжение двигателя. При изменении нагрузки на валу будет изменяться скорость, что приводит к изменению Uтг , Uу и α, а следовательно и напряжение статора двигателя. Изменяя величину напряжения Uз можно получать требуемый уровень скорости. Может быть получен диапазон регулирования 1:10, с хорошей стабильностью и плавностью. Установка много дешевле частотной, но требуется иметь мягкие характеристики двигателя и при низкой скорости в роторе выделяются очень большие потери, что может привести к перегреву машины. Эти схемы находят применение для сравнительно кратковременного получения пониженных скоростей. В настоящее время используются только в устройствах плавного пуска двигателей. 5.3.4. Регулирование скорости введением сопротивлений в цепь ротора Рис. 5.23. Схема и характеристики двигателя при реостатном регулировании Этот способ применим для кратковременного регулирования скорости двигателя с контакт-ными кольцами, т.к. потери при низких скоростях резко возрас-тают. Увеличение сопротивления роторной цепи приводит к умяг-чению характеристик, а следова-тельно к снижению стабильности работы. Регулирование однозон-ное, только вниз, ступенчатое, диапазон зависит от нагрузки. 5.3.5. Каскадное регулирование скорости Для регулирования скорости мощных асинхронных двигателей с контактными кольцами находят применение каскадные схемы регулирования. В этом случае в роторе двигателя включен выпрямитель, напряжение с которого через инвертор и трансформатор возвращается в сеть переменного тока. Рис. 5.24. Схема машино-вентильного каскада Рис. 5.25. Регулировочные характеристики двигателя Изменяя ЭДС, создаваемую инвертором, можно воздействовать на ток ротора и соответственно момент двигателя. Для того чтобы получить пониженную скорость необходимо увеличивать ЭДС инвертора. Регулировочные характеристики представлены на Рис. 5.25 Глава 6. Общие сведения о механике электроприводов 6.1. Уравнение движения электропривода Для анализа поведения электропривода в динамике недостаточно знать и учитывать только свойства самого двигателя, необходимо рассматривать единую систему «электродвигатель – рабочая машина». Эта система находится под действием трех групп сил и моментов: движущие, инерции, сопротивления. Если эти силы уравновешивают друг друга, то движение установившееся, скорость постоянна. Если силы не уравновешены, то движение неустановившееся и имеется ускорение dn/dt. Знак ускорения определяется преобладающими силами или моментами. Появление переходных режимов возможно в ряде случаев: изменение нагрузки на валу двигателя, пуск и торможение двигателя, переключения в цепях обмоток двигателя. Механическое движение от вала двигателя к исполнительному органу передается с помощью механического передаточного устройства, которое состоит из шестерен, валов, муфт сцепления и т.д. Эти элементы вращаются или движутся поступательно с разной скоростью, имеют определенную жесткость и момент инерции, а соединения содержат зазоры. Анализ механического движения осуществляется с использованием расчетных схем электропривода. По второму закону Ньютона уравнение для вращательного движения имеет вид: ΣМ = J , где ΣМ векторная сумма моментов, действующих на тело; J момент инерции; ω – угловая скорость вращения; = ε угловое ускорение вращающегося тела; ω =; При поступательном движении уравнение имеет вид: ΣF = m , где ΣF векторная суммы сил, действующих на тело; m масса тел; = a ускорение поступательного движения. Поскольку все векторные величины направлены вдоль одной оси, можно вместо них принять скалярные величины. В большинстве случаев при расчетах пренебрегают возможной упругостью передачи и наличием зазоров. В этом случае реальная система электропривода может быть представлена уравнением: Мд Мс = J() += Мдин. При постоянстве момента инерции получим Мд Мс = J = Мдин . Движение любого элемента может быть описано аналитическими выражениями. Взаимодействие отдельных звеньев электропривода может быть учтено приведением моментов и усилий к одному валу. При этом реальное кинематическое устройство заменяется расчетной схемой, основу которой составляет тот элемент, движение которого анализируется. Как правило, этим элементом является двигатель, поэтому все моменты и усилия должны быть приведены к его валу. Приведение момента нагрузки основано на равенстве мощностей на валу двигателя и механизма с учетом КПД передачи. Для случая поступательного движения механизма уравнение имеет вид: Мс ωд = Fио Vио / η ; Мс = Fио . При вращательном движении уравнение имеет вид: Мс ωд = Мио ωио / η ; Мс = Мио = . В этих уравнениях: Мс момент сопротивления, приведенный к валу двигателя; Мио и Fио момент и сила на валу исполнительного органа; Vио и ωио скорость поступательного движения и угловая скорость исполнительного органа; η КПД передачи; i передаточное отношение. При активном характере нагрузки (грузоподъемные машины) возможно покрытие потерь за счет момента нагрузки. В этом случае КПД переходит в числитель формулы. Приведение моментов инерции и масс осуществляется исходя на основе равенства запаса кинетической энергии в реальной и эквивалентной расчетных схемах: Ак. пр = = = Jд + J1 + J2 + …. + . Из этого уравнения находим: Jпр = Jд + J1 + J2 + J3 + . Как правило, нет необходимости детально рассчитывать моменты инерции всех звеньев. Наиболее точно надо знать момент инерции двигателя и момент инерции или массу рабочей машины. Остальные звенья (соединительные муфты, тормозные устройства, редукторы и т.д.) можно учесть использованием коэффициента: Jпр =δ Jд + Jрм + , δ = 1,05 1,3. Такой приближенные расчет допустим при понижающем редукторе. 6.2. Определение времени пуска и торможения Уравнение движения позволяет рассчитать время неустановившегося режима, которое необходимо при расчетах нагрузочной диаграммы привода и определении производительности приводов с частыми пусками. Наиболее просто эти расчеты ведутся при постоянных моментах нагрузки и инерции. В этих случаях, проинтегрировав уравнение движения, можно получить при пуске: tп = . Поскольку в подинтегральное выражение входит сложная функция скорости Мд = f (ω), для упрощения обычно принимают момент двигателя постоянным, равным среднему значению пускового момента. При этом для случая ступенчатого пуска двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с контактными кольцами принимаем Мд. ср = , где М1 максимальный пусковой момент, а М2 минимальный пусковой момент (момент переключения). Для асинхронного короткозамкнутого двигателя средний момент определяется по формуле: Мд. ср =0,9 , где Мп пусковой момент, а Мк критический. Тогда время пуска находим по формуле: tп = . При расчете времени торможения получим: tт = , или для среднего тормозного момента tт = . В более сложных случаях, когда нельзя определить среднее значение момента, уравнение движения интегрируют с помощью вычислительных средств. 6.3. Многомассовые механические системы Рассмотренная ранее система предполагала наличие элементов конечной жесткости, которые не подлежат деформации в процессе работы. При наличии упругих элементов в кинематической схеме не удается получить одномассовую расчетную схему. В зависимости от числа упругих звеньев получаются многомассовые системы двух, трех и т.д. При рассмотрении таких систем вводится понятие коэффициента жесткости С упругого элемента. Он служит коэффициентом пропорциональности между линейной ΔL или угловой Δφ деформацией и возникающими в упругом элементе силой Fу или моментом Му: Fу = С1 ΔL ; Му = С2 Δφ . Коэффициенты жесткости С1 и С2 определяются геометрическими размерами и материалом. Для упругого стержня при его растяжении и сжатии С1 = н/м, где L длина стержня, м; S площадь поперечного сечения, м2 ; модуль упругости, Па. Для вала радиусом R при его кручении коэффициент жесткости будет С2 = , где R радиус вала, м; L длина вала, м; G модуль упругости кручения, Па. При параллельном соединении упругих звеньев эквивалентная жесткость определяется зависимостью: Сэкв = С1 + С2 + С3 + … При их последовательном соединении = + + + …. При составлении расчетной схемы механической части осуществляется приведение коэффициентов жесткости по формулам : для упругого вала : С = С2 / i2 ; для упругого стержня: С = С1 /( ), где радиус приведения. В большинстве случаев систему сводят к двухмассовой (рис. 6.1). Рис. 6.1. Расчетная схема двухмассовой системы Обычно первую массу образует вал двигателя, элементы между валом и упругим звеном, а вторую массу – исполнительный механизм и элементы между ним и упругим звеном. Эти массы связаны упругим элементом с коэффициентом упругости С. Такая система описывается системой уравнений: Мд – Му = J1 = J1 Му – Мс = J2 = J2,, Му = С ( 1 2 ). Движение двухмассовой системы более сложное, носит колебательный характер. При этом может возникнуть явление механического резонанса. Еще более сложным является многомассовая система с учетом зазоров в передаче. Приведение зазоров осуществляется по правилам: При вращательном движении: δ = δ1 i1 , рад; При поступательном движении: δ = δ2 /ρ , м. 6.4. Переходные процессы в электроприводах и их влияние на работу электропривода. Установившимся режимом работы электропривода называется режим, при котором ‘электропривод работает с постоянной скоростью. В этом случае динамическая составляющая момента будет равна нулю. Действительно, при ω=const: = ε= 0, Мдин = J = 0; Отсюда уравнение движения электропривода будет иметь следующий вид: Мд = Мс Следовательно, в установившемся режиме работы электропривода момент двигателя полностью уравновешивается моментом сопротивления, создаваемым нагрузкой. Как уже говорилось, переходным называется процесс, связанный с изменением скорости двигателя, то есть переходом из одного установившегося состояния в другое. У механизмов с большим объемом переходных режимов резко снижается производительность, т.к. снижается средняя скорость работы, возникают нежелательные динамические перегрузки в приводе и передачах, которые могут привести к авариям, выделяются большие потери, т.к. переходные процессы связаны с возрастанием токов. Переходные процессы обусловлены наличием инерции. В электроприводах действуют три вида инерции: 1. Механическая инерция движущихся элементов; 2. Электромагнитная инерция индуктивных цепей; 3. Тепловая инерция частей, которые в процессе работы меняют свою температуру. Влияние тепловой инерции, как правило, не учитывается, поскольку постоянная времени нагрева весьма велика, существенно выше времени переходных процессов, вызванных другими видами инерции. Чтобы учесть влияние нагрева используют параметры элементов привода, соответствующие рабочей температуре 35-400С. Наличие механической инерции снижает быстродействие электропривода, поэтому в быстродействующих приводах применяют двигатели с малым диаметром ротора или используют два двигателя половинной мощности. В приводах с ударной нагрузкой механическую инерцию наоборот целесообразно увеличивать за счет применения маховиков, поскольку это позволяет уменьшить момент двигателя и снизить его мощность (рис. 6.2). . Рис. 6.2. Моменты двигателя и нагрузки Значительное влияние оказывает на работу привода и электро-магнитная инерция. Она влияет на работу цепей возбуждения машин постоянного тока и цепи асинхронных двигателей. Влияние на цепи возбуждения машин постоянного тока было рассмотрено в связи с системой «Г-Д». Было отмечено, что при этом снижается быстродействие и снижаются броски тока в цепях. В асинхронных двигателях эти процессы а б Рис. 6.3. Динамические характеристики асинхронного двигателя при пуске (а) и противовключении (б) вызывают возникновение больших ударных моментов, что сильно меняет характер работы двигателя. Динамические характеристики асинхронного двигателя при пуске и противовключении приведены на рис. 6.3. При пуске возникает бросок момента, достигающий 2,2 от Мк, а при противовключении при неблагоприятных условиях бросок момента может достигать 7 от Мк. При частых пусках и торможениях необходимо учитывать, что работа идет не по статической, а по динамической характеристике. Глава 7. Выбор двигателя 7.1. Предварительный выбор двигателя При предварительном выборе двигателя определяется серия и примерная мощность двигателя, которая затем уточняется проверками. Для определения серии необходимо выбрать двигатель по роду тока, величине напряжения, мощности, конструктивному исполнению. 1. По роду тока. Для большинства механизмов применяется привод переменного трехфазного тока. Это объясняется тем, что переменный ток легко генерируется, трансформируется и передается на расстояния. Наиболее простым по устройству и обслуживанию является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В приводах до 100 кВт он является основным. Для более мощных приводов зачастую целесообразнее использовать синхронные двигатели т.к. они позволяют влиять на энергетические показатели. В механизмах, требующих широкого плавного регулирования скорости или частых включений, применяются как двигатели постоянного тока, так и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. 2. По напряжению. При питании переменным током широко используется напряжение 380/220 В. При этой системе питания силовые цепи и освещение могут питаться от одного трансформатора. В тех случаях, когда приводы имеют большие мощности и позволяют условия безопасности, применяются высокие напряжения до 10 кВ. Сети постоянного тока обычно рассчитаны на напряжение 220 В, но иногда используются приводы с автономным питанием напряжением 440 и 800 В. 3. По конструкции корпуса. Двигатели выбираются в зависимости от условий окружающей среды. Там, где исключено попадание посторонних предметов на токоведущие и вращающиеся части, отсутствуют пыль, грязь, невозможно прикосновение персонала к токоведущим и вращающимся частям, применяются открытые двигатели. Защищенные двигатели закрыты от прикосновений к токоведущим и вращающимся частям и от попадания посторонних предметов, но имеют окна, через которые пыль и влага проникают внутрь машины. Устанавливаются в чистых помещениях и на открытом воздухе. Закрытые двигатели имеют герметичный корпус, не допускающий проникновения внутрь пыли и влаги. Они снабжаются внешним обдувом или специальной системой вентиляции. В условиях взрывоопасной среды используются взрывобезопасные двигатели, имеющие упрочненный герметичный корпус. Для насосных установок применяют погружные двигатели, у которых жидкость проходит через двигатель, омывая его обмотки. 4. По скорости. Во многих случаях прямое соединение двигателя с механизмом невозможно из-за разности скоростей. Поэтому применяют редукторы. На основании технико-экономического сравнения вариантов выбирается быстроходный двигатель с многоступенчатым редуктором или тихоходный двигатель с более простым редуктором. 5. По способу крепления двигателя. Возможна установка двигатель на лапах с горизонтальным валом, с вертикальным валом или применение фланцевых двигателей, у которых вал может находиться в произвольном положении. 6. По мощности. Наиболее важен вопрос выбора мощности приводного двигателя. При занижении мощности не обеспечивается долговечность и производительность, а при завышении двигатель недогружен, у него низкий КПД, поэтому установка будет относительно дороже. Предварительный выбор двигателя производится по нагрузочной диаграмме механизма или по аналогии с уже существующими того же назначения. После предварительного выбора производится проверка двигателя по производительности, для чего рассчитывается его нагрузочная диаграмма с учетом переходных процессов. Затем производится проверка двигателя по перегрузке и нагреву. 7.2. Проверка двигателя по перегрузке и нагреву Для проверки двигателя по перегрузке, по паспортным данным определяется максимально допустимый момент двигателя, который сравнивается с максимальным моментом нагрузки по диаграмме моментов: Мд.макс. = λм МN Мс макс. Если двигатель по перегрузке проходит, далее производится проверка по нагреву, которая является по сути проверкой на долговечность. Проверка двигателя по нагреву необходима потому, что при работе в обмотках двигателя за счет потерь может выделиться столько тепла, что изоляция обмоток выйдет из строя. Для проверки необходимо определить температуру, до которой двигатель нагреется при работе, и сравнить ее с допустимой для данного класса изоляции. Однако температуру точно определить трудно из-за сложности математического описания тепловых процессов. Поэтому проверку проводят приближенно, косвенными методами. При этом исходят из того, нагрев двигателя определяется потерями, потери, в основном, определяются током нагрузки. При постоянном магнитном потоке ток однозначно определяет момент, а момент при постоянной скорости определяет мощность. Поэтому потери, ток, момент и мощность могут быть косвенными показателями степени нагрева обмоток. При этом методики расчетов зависят от режима работы двигателя. 7.3. Классификация режимов работы электропривода по условиям нагрева. Нагрев и охлаждение двигателя происходит в соответствии с зависимостью τ = τуст.∙(1 – е-t/Тн) + τ0∙ е-t/Тн, где τ – превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды; τуст. – установившееся значение τ; t – время; Тн – постоянная времени нагрева; τ0 – начальное значение τ. τуст. = , где Q – общее количества тепла, выделяемое двигателем в единицу времени; А – теплоотдача. Тн = , где С – теплоемкость. При нулевых начальных условиях, то есть τ0 = 0 (температура двигателя равна температуре окружающей среды) исходное выражение упрощается и принима-ет вид τ = τуст.∙(1 – е-t/Тн). По условиям нагрева ГОСТ выделяет восемь режимов работы электродвига-телей. 1. Продолжительный режим работы S1 это режим работы двигателя с неизменной нагрузкой в течение продолжительного времени, за которое температура всех его частей достигает установившегося значения (рис. 7.1). 2. Кратковременный режим работы S2 в этом режиме периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. За время включенного состояния температура частей двигателя не достигает установившегося значения, а за время отключенного состояния двигатель успевает полностью остыть до температуры окружающей среды (рис. 7.2.). Стандартные значения продолжительности рабочего периода составляют 10, 30, 60 и 90 минут. время Рис. 7.1. Графики длительного режима S1 время Рис. 7.2. Графики кратковременного режима S2 время Рис. 7.3. Графики повторно-кратковременного режима S3 3. Повторно-кратковременный режим работы S3 кратковременные периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения. За время работы части двигателя не успевают нагреться до установившейся температуры, а за время пауз не успевают остыть до температуры окружающей среды. Максимальная продолжительность времени цикла равна 10 мин. Режим характеризуется продолжительностью включения: ПВ = ∙ 100% , где tр и t0 - время работы и время паузы. Стандартные ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%. 4. Повторно-кратковременный режим с частыми пусками S4 периоды пуска и кратковременной работы чередуются с периодами отключения. За время работы части двигателя не успевают нагреться до установившейся температуры, а за время пауз не успевают остыть до температуры окружающей среды. В данном режиме нормируются ПВ, число пусков в час и коэффициент инерции, равный отношению суммарного приведенного момента инерции привода к моменту инерции якоря (ротора) двигателя (рис. 7.4) . 5. Повторно-кратковременный режим с частыми пусками и электрическим торможением S5 аналогичен режиму S4, но в диаграмме нагрузки двигателя присутствуют участки тормозных режимов (рис. 7.5.) 6. Перемежающийся режим S6 рабочие периоды с неизменной нагрузкой чередуются с периодами холостого хода (двигатель включен продолжительное время). Превышение температуры не достигает установившегося значения. Режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки: ПН = ∙100% , где tхх - время холостого хода. Нормируемые значения ПН равны 15, 25, 40 и 60%. время Рис. 7.4. Графики повторно-кратковременного режима S4 Рис. 7.5. Графики повторно-кратковремен-ного режима S5 время Рис. 7.6. Графики перемежающегося режима S6 7. Перемежающийся режим работы с частыми реверсами S7 – периоды реверса чередуются с периодами неизменной нагрузки. Превышение температуры не достигает установившегося значения. Нормируется число реверсов в час (30, 120, 240) и коэффициент инерции (как для S5), (рис. 7.7). 8. Перемежающийся режим работы с двумя и более угловыми скоростями S8 – периоды работы с одной нагрузкой на одной скорости чередуются с периодами работы на другой скорости. Температура перегрева не достигает установившегося значения. Нормируются число циклов в час (30, 60, 120, 240), коэффициент инерции (1,2; 1,6; 2; 2,5; 4) и относительная продолжительность нагрузки (рис. 7.8). время Рис. 7.7. Графики перемежающегося режима S7 время Рис. 7.8. Графики перемежающегося режима S8 7.4. Проверка двигателя по нагреву методом эквивалентного момента В большинстве случаев, имея нагрузочную диаграмму двигателя в виде зависимости М = f(t), целесообразно пользоваться методом эквивалентного момента, при котором загрузка двигателя по моменту позволяет оценить степень нагрева его частей. Этот метод требует пренебрежения потерями в стали и постоянства магнитного потока. Методика расчета эквивалентного момента определяется режимом работы. При этом все режимы делят на три группы. 1. Продолжительный режим работы. При длительной работе с постоянной нагрузкой (режим S1) условием правильного выбора двигателя является соотношение Мс МN . Если двигатель работает длительно с переменным моментом нагрузки (режимы S6, S7, S8), то эквивалентный момент вычисляется по формуле: Мэкв = Mн , где Mi момент двигателя на участке нагрузочной диаграммы ti; α коэффициент ухудшения теплоотдачи, учитывающий условия охлаждения у двигателей с самовентиляцией. α = 0,5 если двигатель неподвижен, α = 0,7 на участках пуска и торможения, α = 1,0 при работе на номинальной скорости. 2. Повторно-кратковременный режим работы (режимы S3, S4, S5). При повторно-кратковременном режиме работы участки работы чередуются с участками отключения. Метод расчета эквивалентного момента определяется типом двигателя. Если выбранный двигатель спроектирован для работы в продолжительном режиме, то эквивалентный момент определяется по формуле продолжительного режима: Мэкв = MN . Если двигатель относится к серии, предназначенной для работы в повторно-кратковременном режиме, то эквивалентный момент рассчитывается по формуле: Мэкв = MN . где ПВф фактическая продолжительности включения (по нагрузочной диаграмме). ПВн – продолжительности включения номинальная, по паспорту двигателя: ПВн = 15, 25, 40, 60 %. Поскольку при прямом пуске асинхронных короткозамкнутых двигателей пусковой ток значительно превышает номинальный, число пусков для этих двигателей ограничено. Поэтому при их проверке по нагреву необходимо дополнительно проводить проверку на допустимое число включений в час. Оно определяется кратностью пускового тока, временем пуска и числом циклов: hдоп = , где ПВф фактическая продолжительность включения по нагрузочной диаграмме; tп расчетное время пуска по нагрузочной диаграмме; Iп / Iн кратность пускового тока двигателя. Фактическое число включений определяется по формуле hф = , Если hф hдоп , то двигатель по нагреву не проходит. 3. Кратковременный режим работы (режим S2). В кратковременном режиме проверка по нагреву, как правило, не производится, если двигатель предназначен для работы в продолжительном режиме (S1). Если он прошел по перегрузке, то считается, что он выбран правильно. Для режима S2 выпускаются двигатели специального исполнения со стандартной линейкой продолжительности работы – 10, 30, 60, 90 минут. Если двигатель в течение этого времени будет загружен номинальной нагрузкой, то он будет полностью использован по нагреву. Часть2. Управление электроприводами Глава 8. Общие принципы построения систем управления Электроприводами В зависимости от того, какие задачи ставятся перед системой электропривода, структура схемы управления им может быть различна. Системы автоматического управления (САУ) могут иметь следующие функции: 1. Управление процессами пуска, реверса, торможения. 2. Поддержание постоянства заданной величины: скорости, мощности, момента и т.д. 3. Слежение за вводимыми в систему произвольно изменяющимися входными сигналами. 4. Отработка заданной программы. 5. Выбор целесообразных режимов работы электропривода. Наиболее просто решается первая задача. Для ее реализации используются разомкнутые САУ, т.е. системы, предназначенные для выполнения определенных одноразовых или многоразовых операций. Структурная схема такой системы приведена на рис. 8.1. Рис. 8.1. Структура разомкнутой САУ В ряде случаев требуется дополнить систему средствами визуального контроля, для чего включаются приборы, контролирующие ток двигателя, его скорость или другие параметры. Характерным для разомкнутых систем является то, что процесс работы САУ не зависит от результатов ее воздействия на управляемый объект двигатель. Таким образом, в разомкнутых системах невозможно точное регулирование требуемой координаты электропривода. Более совершенными являются замкнутые САУ, в которых вводится обратная связь по регулируемой переменной (например, скорости), что позволяет САУ сравнивать задание с реальной величиной переменной и в функции ошибки корректировать управляющее воздействие на преобразователь с целью Рис. 8.2. Структура замкнутой САУ уменьшения этой ошибки. Для технической реализации обратной связи необходимо измерительное устройство соответствующей координаты (для указанного примера датчик скорости), (рис. 8.2). Глава 9. Управление основными режимами двигателя с помощью электроконтактной аппаратуры Процессы пуска, торможения и реверса могут быть реализованы с помощью разомкнутых систем контактного и бесконтактного управления. При этом для управления используются разного типа реле. Реле могут контролировать любой Рис. 9.1. Диаграмма пуска двигателя из основных параметров режима: ток, скорость, время (рис. 9.1). Автома-тизация управления в функции каждого из этих параметров имеет свои особенности. Наиболее просто реализовать автоматизацию в функции времени, т.к. реле времени являются достаточно надежным аппаратом. Но ясно, что в этом случае не учитывается возможность изменения условий пуска или торможения. Управление в функции тока позволяет учесть эти изменения, но все аппараты должны настраиваться на одинаковые уровни токов I1 и I2 , что вызывает осложнения в работе схемы. Управление в функции скорости требует применения реле скорости, а эти аппараты относительно ненадежны и поэтому применяются достаточно редко. На постоянном токе иногда используется управление в функции ЭДС двигателя, что эквивалентно управлению в функции скорости, но технически проще в реализации. 9.1. Типовые схемы управления асинхронным короткозамкнутым двигателем Асинхронные короткозамкнутые двигатели малой и средней мощности управляются с помощью магнитных пускателей. Пуск производится прямым включением, поэтому этот процесс не требует сложного управления. Автоматизация режимов торможения сводится к фиксации момента остановки ротора для того, чтобы своевременно отключить аппараты, участвовавшие в торможении. 9.1.1. Нереверсивный магнитный пускатель Схема управления двигателем приведена на рис. 9.2. Обозначения в схеме: Рис. 9.2. Схема управления нереверсивным асинхронным двигателем М двигатель; КМ линейный контактор магнитного пускателя; FR тепловое реле; SB1 и SB2 кнопки «пуск» и «стоп; QS рубильник; FU предохранители. Порядок работы схе-мы следующий. Замыка-ется рубильник QS и на схему подается напряже- ние. При нажатии кнопки SB1 по цепи управления через контакты SB2, SB1, FR.Катушку КМ проходит ток. Контактор срабатывает, якорь притягивается к сердечнику и замыкает контакты КМ в силовой цепи . Одновременно блок-контакт КМ в цепи eправления шунтирует кнопку SB1, поэтому после снятия нажатия на нее контакт SB1 размыкается , но контактор КМ остается включенным Для того, чтобы отключить двигатель, надо нажать кнопку SB2. Цепь катушки контактора КМ разорвется, якорь отпадет, и замыкающие контакты контактора КМ разомкнутся. Двигатель отключится от сети и остановится за счет действия сил сопротивления или за счет усилия механического тормоза. Отпускание кнопки SB2 не вызовет включения контактора, т.к. контакт SB1 и блок-контакт КМ разомкнуты. Описанная схема обеспечивает ряд защит: 1. От коротких замыканий предохранители. 2. От длительных перегрузок по току тепловое реле FR, контакты которого разомкнутся при длительном протекании больших токов, что приведет к отключению контактора КМ. 3. Нулевая защита контактор КМ. При снижении ниже допустимого предела или при исчезновении напряжения схема отключится. После восстановления нормального напряжения питания для включения схемы надо нажать кнопку SB1. 9.1.2. Реверсивный магнитный пускатель Обозначения в схеме: М двигатель; КМ1 и КМ2 линейные контакторы магнитных пускателей хода вперед и назад; FR тепловое реле; SB1, SB2 и SB2 кнопки «вперед», «стоп» , «назад»; QS рубильник; FU предохранители. Рис. 2.3. Схема реверсивного магнитного пускателя Работа схемы принципиально не отличается от описанной выше. Если двигатель, работающий вперед нужно реверсировать, нажимают кнопку SB2, а затем пусковую кнопку обратного направления. Если нажать кнопку обратного направления без предварительного отключения схемы, то реверса не произойдет, т.к. размыкающие контакты контакторов обратного направления будут разомкнуты и не позволят контакторам включиться. Тем самым исключается короткое замыкание в силовой цепи, которое могло бы произойти при одновременном включении контакторов КМ1 и КМ2. Для той же цели в реверсивных пускателях применяется механическая блокировка. Она выполняется за счет того, что расположенные рядом контакторы пускателей связаны системой рычагов, подсоединенных к подвижным системам. Это исключает одновременное включение. Схема имеет те же защиты, что и предыдущая. 9.1.3. Управление динамическим торможением асинхронного короткозамкнутого двигателя Обозначения в схеме (рис. 9.4): М двигатель; КМ1 линейный контактор магнитного пускателя; КМ2 - контактор динамического торможения; FR тепловое реле; SB1, SB2 кнопки «пуск», «стоп»; КТ - реле времени; QS1 QS2, QS3 рубильники; FU 1, FU 2, FU 3 предохранители. Рис. 9.4. Схема управления динамическим торможением асинхронного двигателя Пуск двигателя. После замыкания рубильников QS1, QS2, QS3, при нажатии кнопки SB1 подается питание на катушку контактора КМ1. Контактор срабатывает, замыкает силовые контакты, подается питание на статор двигателя. Двигатель начинает разгон. Одновременно блок-контакты КМ1 шунтируют кнопку SB1, размыкают цепь катушки КМ2 и включают рала КТ. Торможение двигателя. Нажатием кнопки SB2 отключается контактор КМ1. Двигатель отключается от сети, теряет питание катушка КТ, отчего реле начинает отсчет выдержки времени, в течение которой включен контактор КМ2. Происходит динамическое торможение двигателя (характеристики рис. 9.5). Рис. 9.5. Характеристики двигателя при работе схемы динамического торможения По истечении выдержки времени реле КТ его контакт разомкнет цепь катушки КМ2, контактор отключится и отключит статор двигателя. Выдержка должна быть равна времени остановки двигателя. Если реле отключится раньше, то торможение затянется и остановка не будет точной. Если выдержка будет больше времени остановки, увеличится нагрев двигателя. Схема обеспечивает те же защиты, что и предыдущие схемы. Имеется блокировка от одновременного включения КМ1 и КМ2 за счет ввода в цепи их катушек размыкающих контактов. 9.2 Автоматическое управление асинхронным двигателем с контактными кольцами Асинхронный двигатель с контактными кольцами запускается с добавочным сопротивлением в цепи ротора. Автоматическое выведение этих сопротивлений возможно в функции времени, тока статора или ротора, ЭДС ротора. Автоматическое управление торможением может осуществляться в функции тех же параметров и имеет своей целью автоматическое выведение сопротивлений роторной цепи или отключение аппаратуры, участвовавшей в торможении. 9.2.1. Управление пуском в функции тока статора Обозначения в схеме (рис. 9.6): М двигатель; КМ1 линейный контактор магнитного пускателя; КМ2 - контактор ускорения; FR тепловое реле; SB1, SB2 кнопки «пуск», «стоп»; КА - реле тока; QS рубильник; FU предохранители. Рис. 9.6. Схема пуска асинхронного двигателя, автоматизированного в функции тока статора Рис. 9.7. Пусковая диаграмма Величина пускового тока на ступенях изменяется от наибольшего, выбранного по условию Iп1 Iдоп , до наименьшего Iп2 (1,2 - 1,5) Ic . Токовое реле настраивается так, что оно включается при токе Iп1,а отключается при токе Iп2 . Работа схемы. Включается вводной рубильник. Нажатием кнопки SB1 подается питание на катушку КМ1. Его силовые контакты присоединяют статор двигателя к сети при полном сопротивлении в цепи ротора. Блок-контакт КМ1 шунтирует кнопку SB1. Одновременно со срабатыванием КМ1 могут получить питание реле КА и контактор КМ2. Поскольку реле имеет большее быстродействие, оно включается раньше КМ2. КМ2 остается отключенным. Разгон двигателя происходит при полном сопротивлении в роторе. По мере разгона двигателя его ток статора уменьшается (рис. 9.7). В точке 2 ток становится равным Iп2 . Реле КА отключается и его контакт включает контактор КМ2. Силовые контакты КМ2 шунтируют сопротивление в цепи ротора. Двигатель переходит на естественную характеристику в точку 3 и продолжает разгон до рабочей точки 4. Реле КА снова включится, но это не меняет состояния схемы, т.к. его контакт зашунтирован контактом включенного КМ2. Для отключения двигателя нажимают кнопку SB2. Схема обеспечивает защиты от коротких замыканий предохранителями, от перегрузок по току тепловыми реле, нулевую защиту обеспечивает контактор КМ1. Достоинством схемы является контролирование непосредственно тока, а недостатком гонка аппаратов КА и КМ2. Схема может иметь несколько пусковых ступеней при использовании одного токового реле КА. 9.2.2. Управление пуском в функции времени Обозначения в схеме рис. 9.8: М двигатель; КМ1 линейный контактор магнитного пускателя; КМ2 - контактор ускорения; FR тепловое реле; SB1, SB2 кнопки «пуск», «стоп»; КТ реле ускорения (реле времени); QS1, QS2 рубильники; FU1, FU2 предохранители. Работа схемы. При включении рубильников QS1, QS2 включается реле КТ. Нажатием SB1 подается питание на катушку контактора КМ1, двигатель подклю- Рис. 9,8. Схема пуска в функции времени Рис. 9.9. Пусковая диаграмма чается к сети и начинает разгоняться. Блок-контакты КМ1 шунтируют кнопку SB1 и разрывают цепь катушки реле КТ. Реле отрабатывает выдержку времени, в течение которой двигатель разгоняется с полным сопротивлением в цепи ротора. По истечении выдержки времени КТ замыкает свой контакт и включает катушку контактора КМ2. Контакты КМ2 шунтируют сопротивление роторной цепи, двигатель выходит на естественную характеристику и разгоняется до рабочей точки (рис. 9.9). При остановке двигателя нажатием SB2 отключаются КМ1 и КМ2, включается КТ. Схема готова к новому пуску. Схема обеспечивает защиты: от больших токов и коротких замыканий предохранители, от длительных перегрузок тепловые реле FR, нулевую защиту контактор КМ1. Глава 10. Управление синхронным двигателем Автоматизация пуска синхронного двигателя в первую очередь заключается во включении возбуждения двигателя при подходе к синхронной скорости. Это может быть сделано разными методами: в функции времени, скорости, напряже- Рис. 10.1. Схема управления синхронным двигателем ния , частоты. Первые три принципа не отличаются от того, что мы рассмотрели для асинхронного двигателя. Остановимся на последнем методе. Обозначения в схеме рис. 10.1 : М статор синхронного двигателя; LM обмотка возбуждения; КМ1 линейный контактор; КМ2 контактор возбуждения; КМ3реле блокировочное; КМ4 соленоид защелки контактора КМ2; КF реле частоты; SB1 и SB2 кнопки «пуск» и «стоп»; FR1 и FR2 тепловые реле; FU1 и FU2 предохранители; QS1, QS2 рубильники. Работа схемы. После замыкания рубильников QS1, QS2 нажатием SB1 включается контактор КМ1. Обмотка статора подключается к сети переменного тока. Блок-контакты КМ1 шунтируют SB1 и включают реле КМ3. Реле КМ3 подготавливает включение КМ2. Это включение зависит от состояния реле KF. Реле KF получает напряжение, индуктированное в обмотке возбуждения магнитным полем статорной обмотки. При малых скоростях частота тока в катушке КМ3 велика и индуктивное сопротивление катушки реле оказывается решающим. Индуктируемая ЭДС переменного тока в обмотке LМ и частота тока в катушке КМ3 при увеличении скорости уменьшаются. Ток в катушке при этом остается практически постоянным по величине, поскольку одновременно с уменьшением ЭДС снижается индуктивное сопротивление, которое остается больше активного. При скорости близкой к 0,95 от синхронной индуктивное сопротивление катушки становится соизмеримым с активным, поэтому ток начинает уменьшаться и при достижении подсинхронной скорости реле КF отключается и включает контактор КМ2. Контактор снабжен механической защелкой, поэтому его катушка обесточивается, но якорь удерживается во включенном состоянии. Силовые контакты КМ2 подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и двигатель втягивается в синхронизм. Одновременно отключаются цепи катушки КМ2 и реле KF. При необходимости отключить двигатель нажимают кнопку SB2. Контактор КМ1 отключается, отключая статорную обмотку двигателя. Подается импульс на отключение реле КМ3 и включение катушки КМ4. Время срабатывание реле КМ3 таково, что до его отключения успевает сработать соленоид защелки, освобождающий якорь контактора КМ2. Обмотка LM отключается от питания. Предусмотрена защита от коротких замыканий, перегрузок по току, нулевая. Схема предназначена для управления низковольтными синхронными двигателями малой и средней мощности. Глава 11. Управление двигателем постоянного тока с независимым возбуждением При управлении шунтовым двигателем необходимо решать те же задачи, что и при управлении асинхронным двигателем с контактными кольцами, т.е. обеспечивать своевременный вывод добавочных сопротивлений и переключение двигателя из тормозного режима. Рассматриваемая схема (рис. 11.1) обеспечивает Рис. 11.1. Схема управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением пуск двигателя в функции времени с одной ступенью ускорения и динамическое торможение, автоматизированное в функции ЭДС якоря. Обозначения в схеме: М якорная обмотка двигателя; LMобмотка возбуждения; КМ1 контактор линейный; КМ2 контактор ускорения; КМ3контактор динамического торможения; КТ реле времени; КV реле напряжения; КА1, КА2реле тока; SB1, SB2 кнопки «пуск», «стоп»; QS1, QS2рубильники; FU предохранители. Работа схемы. После включения рубильников QS1, QS2 включаются КТ и КА2. При нажатии кнопки SB1 включается контактор КМ1 и двигатель начинает разгоняться по пусковой характеристике. Одновременно включается реле КV, контакт которого шунтирует контакт КМ2 в цепи КМ1. Отключается катушка реле КТ, которое начинает отработку выдержки времени, за время которой двигатель разгоняется до скорости переключения. По истечении выдержки времени замыкается контакт КТ в цепи КМ2. Силовой контакт КМ2 шунтирует пусковое сопротивление в цепи якоря и двигатель переходит на естественную характеристику. Рис. 11.2. Диаграмма пуска и торможения При остановке двигателя нажимают кнопку SB2. Отключаются контакторы КМ1 и КМ2. Якорь двигателя отключается от сети. Его ЭДС достаточно велика, поэтому реле KV остается включенным. Размыкающий контакт КМ1 включает контактор КМ3, под- ключающий к якорной обмотке сопротивление R2.Идет динамическое торможение. По мере снижения скорости снижается ЭДС якорной обмотки и при скорости примерно 5% от номинальной реле KV отключается и отключает КМ3. Схема обеспечивает защиты: от коротких замыканийпредохранители и реле КА1; от обрыва цепи возбуждения реле КА2; нулевая контактор КМ1. Имеются блокировки: от одновременного включения КМ1 и КМ3, от неподготовленности цепи торможения если KV не втянулось, то при включении КМ2 отключится КМ1. Для гашения поля возбуждения при отключении использован диод. Глава 12. Управление двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением Схема предусматривает автоматизацию пуска в функции времени и торможение противовключением в функции ЭДС двигателя. Обозначения в схеме рис. 12.1: М якорная обмотка двигателя; LMобмотка возбуждения; КМ1, КМ2 контакторы хода вперед и назад; КМ3 контактор Рис. 12.1. Схема управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением противовключения; КМ4контактор ускорения; КТ реле времени; КV1, КV2, КV3 реле напряжения; КАреле тока; S1, S2, S3 контакты командоконтроллера; QS1, QS2рубильники; FU предохранители. Работа схемы. При включении рубильников включается реле напряжения KV3. Его контакт шунтирует контакт S1 командоконтроллера. При пуске двигателя рукоятка командоконтроллера переводится из нулевого положения в рабочее, например «вперед». При этом контакт S1 размыкается и питание схемы идет через контакт реле КV3. Включается контактор КМ1, который подводит питание к двигателю. В силовой цепи включены оба сопротивления, поэтому бросок тока при включении невелик. Через замыкающий блокконтакт КМ1 включается реле KV1, которое включает контактор КМ3. Этот контактор шунтирует ступень противовключения и реле КТ. Двигатель переходит на характеристику II в точку 3 (рис. 12.2) и разгоняется до точки 4, в которой заканчивается выдержка времени реле КТ. Включается контактор КМ4 и двигатель переходит на естественную характеристику далее разгоняясь до рабочей точки. При реверсе ручку командоконтроллера ставят в положение «назад». Сначала отключаются все аппараты, кроме реле KV3.Затем после замыкания контакта S3 включается КМ2. Его силовые контакты реверсируют питание обмотки якоря. Что приводит к большому броску тока в цепи якоря (точка 6 на рис. 12.2). Место подключения реле КV1, КV2 выбрано таким образом, что при таком броске тока из-за падения напряжения на резисторах напряжение на катушках этих реле оказывается недостаточным для их срабатывания. Поэтому торможение двигателя проходит в режиме противовключения с полным сопротивлением в цепи якоря. При подходе к остановке (точка 7 рис. 12.2) ток снижается настолько, что реле KV2 включается, включает контактор КМ3, контакты которого шунтируют ступень противовключения. Далее либо происходит реверс, либо командоконтроллер ставится в нулевое положение и схема приходит в исходное состояние. В схеме предусмотрены защиты: от перегрузок по току и коротких замыканий предохранители и реле КА; нулевая защита реле КV3. Имеются блокировки: от одновременного включения контакторов КМ1 и КМ2. Глава 13. Принципы построения замкнутых систем автоматического управления 13.1. Принципы построения и оптимизации систем подчиненного регулирования. Современные электроприводы строятся обычно на базе полупроводниковых преобразователей. Система автоматического управления (САУ) выполняется замкнутой и организована по принципу подчиненного регулирования. В общем случае структурную схему САУ можно представить в виде: yз(t) 1 Δy(t) x(t) i(t) u(t) y(t) • - z(t) Рис. 13.1. Структурная схема САУ подчиненного регулирования Выходная величина y(t), значение которой необходимо контролировать, называется регулируемой величиной. В электроприводе в качестве y(t) в зависимости от технологии может выступать положение рабочего органа, его скорость и т.д. Выходная величина должна воспроизводить сигнал задания yз(t). В замкнутых системах контролируемая величина измеряется, и измеренное значение подается на вход системы, образуется главная обратная связь. На входе системы, в устройстве сравнения (1) сигнал задания сравнивается с измеренным. Если они не равны, появляется сигнал ошибки (Δy), который подается на регулятор соответствующей величины (2). Алгоритмы, по которым происходит обработка сигнала ошибки, строятся на знании математического описания объекта регулировании и рассматриваются в теории автоматического управления, в простейшем случае, это может быть простое усиление ошибки в k раз. В целом действие регулятора направлено на уменьшение ошибки или ее полное устранение. Часто в электроприводе кроме главной переменой требуется контролировать ряд промежуточных (например, ток), поэтому организуют несколько обратных связей и несколько контуров управления со своими регуляторами (3). Обычно САУ строится так, что промежуточный контур управления входит внутрь главного и подчинен ему, то есть реализуется принцип подчиненного управления. И уже регулятор внутреннего контура формирует сигнал управления u(t) на преобразовательное устройство (3). Объекты управления (4, 5) представляют собой для внутреннего контура тока электрическую часть электропривода, для внешнего контура скорости (или положения) – механическую. Раньше САУ были аналогового типа, и регуляторы строились на специальных операционных усилителях. Сегодня, как правило, применяется цифровое управление и САУ записывается в виде программы и реализуется на микроконтроллерах. Рис. 13.2. Графики изменения параметров регулирования. Каждый параметр следует регулировать возможно быстрее и точнее. Однако, обычно на практике этот принцип вступает в противоречие с рядом технических и экономических условий: если высока точность, то не будет быстродействия и наоборот. 13.2. Тиристорный электропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости. В качестве примера реализации системы подчиненного регулирования рассмотрим двухконтурную двухзонную систему регулирования скорости двигателя постоянного тока. Задачей управления является получение скорости двигателя, соответствующей заданию, при высокой точности ее поддержания и ограничении тока якоря допустимым значением. Якорная обмотка двигателя питается от тиристорного преобразователя ТПЯ, подключенного к сети переменного тока через трансформатор Тр1. Силовая часть тиристорного преобразователя в диапазоне мощностей от 10 до 5000 кВт выполняется обычно по трехфазной мостовой схеме. При мощностях выше 2000 кВт используются более сложные, так называемые эквивалентные 12-фазные схемы, состоящие из Рис. 13.3. Функциональная схема тиристорного электропривода постоянного тока с двухзонным регулированием 2-х трехфазных тиристорных преобразователей по мостовой схеме, подключенных последовательно или параллельно к нагрузке. Тиристорные преобразователи могут быть реверсивными и нереверсивными. Во втором случае торможение осуществляется за счет переключения направления тока в цепи якоря с помощью реверсивных контакторов или за счет реверса поля возбуждения. Реверсивные тиристорные преобразователи содержат два мостовых выпрямителя, включенных встречно-параллельно, управление которыми может осуществляться раздельно или совместно. Тиристорные преобразователи управляются СИФУ (система импульсно-фазового управления), обеспечивающей генерацию импульсов управления на управляющие электроды тиристоров соответствующей амплитуды и длительности, синхронизированных с питающим напряжением переменного тока. Принцип действия СИФУ – вертикальный. Опорное напряжение может быть синусоидальным или пилообразным, на него накладывается напряжение управления. Импульс формируется в момент равенства этих напряжений. САУ цепи якоря двухконтурная, образована регуляторами скорости РС и тока РТ. Сигналы обратной связи поступают с датчика тока ДТЯ и тахогенератора ТГ. На входе САУ имеется задатчик интенсивности ЗИ, который определяет темп разгона двигателя, а значит и величину максимального тока. Обмотка возбуждения питается от своего тиристорного преобразователя ТПВ, управляемого СИФУ 2. САУ также выполнена двухконтурной. Внешний контур – контур ЭДС со своим регулятором. По заданному уровню скорости (ему соответствует Ез) он формирует задание на ослабление магнитного потока. Сигнал обратной связи по ЭДС формируется по сигналам датчиков напряжения ДН и тока якоря ДТЯ: Ед = Uа – IаRа Внутренний контур обеспечивает обратную связь по магнитному потоку. При этом измеряется ток возбуждения, который после функционального преобразователя, учитывающего форму кривой намагничивания, преобразуется в сигнал обратной связи по магнитному потоку. На вход САУ цепи якоря подается сигнал задания скорости. На вход САУ возбуждения подается сигнал задания номинальной ЭДС двигателя. При работе Рис. 13.4. Графики изменения скорости, магнитного потока, тока якоря и ЭДС. двигателя на скоростях ниже основной САУ возбуждения поддерживает постоянный ток возбуждения, равный номинальному. Пока ЭДС двигателя ниже номинальной, регулятор ЭДС работает на ограничении, величина которого определяет номинальный ток возбуждения, поддерживаемый регулятором. Как только ЭДС достигнет номинального значения, определяемого устав-кой задания РЭ, регулятор вступает в работу и поддерживает, изменяя поток возбуждения, ЭДС на номинальном. уровне. Если скорость двигателя выше основной и задание регулятора скорости увеличивается в процессе доразгона электропривода, то сначала растет напряжение на якоре и ЭДС двигателя, а затем РЭ возвращает ЭДС к прежнему уровню, снижая ток возбуждения 13.3. Замкнутые системы управления асинхронными электроприводами. До конца 1980х годов электроприводы, требовавшие высококачественного регулирования скорости, строились преимущественно с использованием двигателей постоянного тока с тиристорным управлением. Разработка систем векторного управления частотными приводами с асинхронными двигателями позволила получить системы с динамическими свойствами, превышающими возможности приводов постоянного тока. К тому же эти привода проще в обслуживании. Электродвигатели создают момент вращения как результат взаимодействия двух магнитных полей – статора и ротора. Поля создаются токами, протекающими в соответствующих обмотках. Момент пропорционален произведению этих токов. В двигателях постоянного тока ток возбуждения, создающий магнитный поток, как правило, постоянен по величине. Поэтому момент пропорционален току якоря, который может быть использован как сигнал обратной связи по моменту в замкнутых системах. Оба тока в двигателях постоянного тока легко измеряются. В двигателях асинхронных намагничивающий ток, обеспечивающий создание основного потока, и ток ротора, отвечающий за момент, не могут быть выделены отдельно, т.к. входят в состав тока статора. Принцип векторного управления состоит в расчете отдельных векторов тока, чтобы иметь возможность воздействовать раздельно на намагничивающий ток и ток ротора при всех скоростях и нагрузках. Расчет построен на измерении доступных величин: ток статора, напряжение статора, соотношение фаз, частота, скорость вала и т.д. Эти переменные затем поступают в модель двигателя, которая включает в себя параметры двигателя: сопротивление и индуктивность обмоток, индукция намагничивания, число полюсов и т.д. При моделировании АД применяется представление трехфазного двигателя в виде двухфазной модели, а векторы переменных – вращающимися в неподвижных осях d - q с частотой ω0 = 2πf. При этом с помощью схемы замещения получаются системы дифференциальных уравнений, описывающие как статические, так и динамические режимы. Из-за большого числа факторов модель может быть более или менее детальна. Чем более подробна модель, тем более сложным получается расчет. Поэтому центральной частью систем векторного управления является действующая модель, которая постоянно моделирует состояние двигателя: 1. Постоянно вычисляет в режиме реального времени ток, создающий момент, осуществляя при этом следующие действия: – сохраняет в памяти параметры двигателя; – измеряет ток и напряжение фаз статора; – измеряет с помощью датчика скорость или рассчитывает ее, если датчика нет. 2. Постоянно вычисляет в режиме реального времени намагничивающий ток. 3. Реализует обратную связь по скорости и вычисляет погрешность. 4. Реализует обратную связь по моменту, сравнивая действующий момент, рассчитанный по току и скорости, с требуемым, чтобы формировать сигнал ошибки, необходимый для управления логикой ШИМ. Для адекватной реакции привода модель должна обеспечивать не менее 2000 операций в секунду, что стало возможно с появлением современных микропроцессорных устройств. Замкнутые системы векторного управления используются в приводах, требующих высокой точности (не менее 0,01%) и высокого быстродействия (не менее 50 радиан/сек). Это примерно в 10 раз выше, чем у приводов с частотными преобразователями, реализующими закон управления U/f = const. Система построена по подчиненному принципу (рис 13.5). Задание по скорости сравнивается в компараторе с сигналом обратной связи и формирует сигнал задания момента. Он сравнивается с расчетным сигналом момента по модели. Наличие ошибки формирует сигнал ускорения или замедления двигателя. Имеется отдельный регулятор магнитного потока, который обеспечивает необходимое соотношение U/f. Система может работать и при отсутствии датчика скорости. При этом скорость тоже рассчитывается моделью. Недостатки этой системы: 1. Система сложнее и дороже, чем системы постоянного тока. 2. Датчик скорости иногда сложно монтировать, а без него точность и быстродействия снижаются. 3. При работе на низких скоростях нужна система независимого охлаждения. 4. Сложно использовать рекуперативное торможение. Поэтому приходится применять динамическое торможение, которое менее эффективно. Рис. 13.5. Функциональная схема тиристорного электропривода переменного тока Замкнутые системы векторного управления используются в электроприводах, требующих высокой точности (не менее 0,01%) и высокого быстродействия (не 13.4. Системы цифрового управления электроприводами. Дальнейшим шагом в развитии электропривода явилось применение цифроаналоговых, цифровых и далее – микропроцессорных систем. Рис. 13.6. Блок-схема электропривода с микропроцессорн ым управлением Цифровые системы позволяют обеспечить высокий диапазон регулирования при высокой статической точности, состав-ляющей 0,01 – 0,001 %. В этих системах как правило имеется цифровой вход задания (рис. 13.6), импульсные (частотные) датчики скорости, аналоговый или цифровой выход на силовую часть системы. Поскольку САУ включает в себя как цифровые, так и аналоговые устройства, требуется обеспечить соответствующий перевод командных воздействий, для чего применены аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Они строятся на различных принципах. Два варианта представлены на рис. 13.7. Аналого-цифровой преобразователь состоит из устройства сравнения, генератора импульсов и двоичного счетчика. Измеряемый аналоговый сигнал ux . На второй его вход подается опорное пилообразное напряжение uоп. В начале импульса сравнения запускается двоичный счетчик, считающий импульсы, поступающие с генератора ГИ. При равенстве входного и опорного напряжений счет прекращается и на выходе счетчика устанавливается цифровой эквивалент измеренного сигнала. При обратном преобразовании цифровой код поступает на набор ключей, которые управляют резисторной сеткой. В зависимости от ее схемы формируется определенное выходное напряжение, являющееся аналоговым эквивалентом входного кода. а б Рис. 13.7. Блоксхемы АЦП (а) и ЦАП (б) Современные системы цифрового управления позволяют строить более сложные электроприводы, в которых требуемый закон регулирования формируется с применением вычислительных средств. При этом на систему управления может поступать большое число сигналов управления, анализируя которые обеспечиваются оптимальные законы управления электроприводом. Такая структура электропривода наиболее совершенна. Список литературы 1. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учебное пособие для вузов/ Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. – М.: Энергия, 1979. – 616 с. 2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат – 1981. – 576 с. 3. Ключев В.И., Теория электропривода.: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560 с. 4. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Мастерство, 2000. 5. Онищенко Т.Б. Автоматизированный электропривод промышленных установок. . М.: Изд. РАСХН. 2001. Содержание Стр Введение …………………………………………………………………….. 2 Часть 1. Основы теории электропривода………………………………….. 5 Глава 1. Понятие о механических характеристиках и режимах работы электроприводов…………………………………………………….. 5 Глава 2. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока… 8 2.1. Принцип действия, устройство и параметры двигателей постоянного тока……………………………………………….. 8 2.2. Механическая и электромеханическая характеристики двигателей постоянного тока………………………………….. 10 2.3. Построение характеристик двигателей постоянного тока…… 12 2.4. Пуск двигателя постоянного тока и расчет пускового реостата 13 2.5. Тормозные режимы двигателей постоянного тока…………… 15 Глава 3. Электромеханические свойства асинхронных двигателей…… 19 3.1. Принцип действия, устройство и параметры асинхронного Двигателя………………………………………………………… 19 3.2. Электромеханическая и механическая характеристики асинхронного двигателя………………………………………… 22 3.3. Пуск асинхронного короткозамкнутого электродвигателя…….. 24 3.4. Пуск асинхронного двигателя с контактными кольцами………. 26 3.5. Тормозные режимы асинхронных двигателей…………………… 28 Глава 4. Электромеханические свойства синхронных двигателей……… 30 4.1. Устройство и принцип действия…………………………………... 30 4.2. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя 31 4.3. Пуск и торможение синхронного двигателя……………………… 32 Глава 5. Регулирование скорости электродвигателей……………………. 34 5.1. Общие положения…………………………………………………… 34 5.2. Регулирование скорости двигателей постоянного тока…………. 35 5.2.1. Регулирование скорости изменением сопротивления цепи якоря…………………………………………………………………. 35 5.2.2. Регулирование скорости изменением магнитного потока…….. 36 5.2.3. Регулирование скорости изменением напряжения питания якоря………………………………………………………………… 38 5.3. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей……… 47 5.3.1. Регулирование скорости переключением числа полюсов……… 47 5.3.2. Регулирование скорости изменением частоты питающего статор напряжения……………………………………………….. 49 5.3.3. Регулирование скорости изменением напряжения статора (фазовое управление)……………………………………………. 54 5.3.4. Регулирование скорости введением сопротивлений в цепь ротора…………………………………………………………….. 55 5.3.5. Каскадное регулирование скорости…………………………….. 55 Глава 6. Общие сведения о механике электроприводов…………………. 56 6.1. Уравнение движения электропривода……………………………. 56 6.2. Определение времени пуска и торможения……………………… 59 6.3 Многомассовые механические системы………………………….. 60 6.4. Переходные процессы в электроприводах и их влияние на работу электропривода………………………………………………….. 62 Глава 7. Выбор двигателя…………………………………………………. 65 7.1. Предварительный выбор двигателя……………………………… 65 7.2. Проверка двигателя по перегрузке и нагреву…………………… 67 7.3. Классификация режимов работы электропривода по условиям нагрева…………………………………………………………...….. 71 7.4. Проверка двигателя по нагреву методом эквивалентного момента…………………………………………………………….. 61 Часть 2. Управление электроприводами Глава 8. Общие принципы построения систем управления…………… 73 электроприводами Глава 9. Управление основными режимами двигателя с применением электроконтактной аппаратуры……………………………………. 75 9.1. Типовые схемы управления асинхронным короткозамкнутым двигателем……………………………………………………… 75 9.1.1. Нереверсивный магнитный пускатель……………………….. 76 9.1.2. Реверсивный магнитный пускатель………………………….. 77 9.1.3. Управление динамическим торможением асинхронного короткозамкнутого двигателя………………………………… 78 9.2. Автоматическое управление асинхронным двигателем с контактными кольцами………………………………………… 79 9.2.1. Управление пуском в функции тока статора………………… 79 9.2.2. Управление пуском в функции времени……………………… 81 Глава 10. Управление синхронным двигателем………………………… 82 Глава 11. Управление двигателем постоянного тока с независимым возбуждением…………………………………………………… 84 Глава 12. Управление двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением…………………………… 86 Глава 13. Принципы построения замкнутых систем автоматического управления ………………………………… 88 13.1. Принципы построения и оптимизации систем подчиненного регулирования………………………………………………… 88 13.2. Тиристорный электропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости……………………… 90 13.3. Замкнутые системы управления асинхронными электроприводами……………………………………………. 92 13.4. Системы цифрового управления электроприводами………. 96 Список литературы ………………………………………………………100