Белов М.П. Технические средства автоматизации и управления

Подождите немного. Документ загружается.

биной регулирования. Это непосредственно вытекает из способа регулирова-

ния: скорость изменяется за счет включения резистора – элемента, превращаю-

щего поступающую в него электрическую энергию в тепло.

Этот способ регулирования всё еще широко применяется на практике

(подъемно-транспортные установки, общепромышленные механизмы и т.п.) в

случаях, когда источником питания является сеть постоянного

тока. Это объяс-

няется практическим отсутствием до недавнего времени других возможностей

регулировать скорость вниз от основной при питании от сети постоянного тока

(

U = U

= const).

Разновидностью реостатного регулирования при

U = U

являются схемы с

шунтированием якоря двигателя, несколько расширяющие регулировочные

возможности.

Отличие этого способа от ранее рассмотренного состоит в том, что в пер-

вом случае при идеальном холостом ходе двигателя напряжение на якоре равно

напряжению сети для всех реостатных характеристик и не зависит от сопротив-

ления якорной цепи. В шунтировочной схеме при

= 0 напряжение на якоре

двигателя меньше напряжения сети и поэтому скорость идеального холостого

хода снижается в зависимости от соотношения сопротивлений

и R

Включение резисторов в якорную цепь при

U = U

и Ф = Ф

использует-

ся для ограничения тока при пуске и реверсе электропривода, поскольку, как

подчеркивалось,

доп

= (2,5 … 3)I

, тогда как на естественной характеристике I

к.з

= (20 … 50)I

Схема силовых цепей при пуске и реверсе приведена на рис. 2.14,

а, соот-

ветствующая диаграмма ω(

M) – на рис. 2.14, б.

Регулирование координат изменением магнитного потока [5]. Схема

включения двигателя для регулирования скорости изменением магнитного по-

тока приведены на рис. 2.15. Будем полагать, что якорная цепь двигателя без

каких-либо добавочных резисторов подключена к источнику с напряжением

U = U

, а цепь возбуждения питается от усилителя – возбудителя В (рис. 2.15)

или в простейшем случае от того же источника через добавочный резистор.

Нормальные электрические машины рассчитаны таким образом, что номиналь-

ному току возбуждения соответствует магнитный поток на колене кривой на-

магничивания. Типичная усредненная кривая намагничивания для ряда машин

показана на рис. 2.16. Так как

вн

соответствует допустимому нагреву обмоток

возбуждения, то при регулировании скорости в условиях продолжительной ра-

боты ток возбуждения можно только уменьшать.

а)

б)

Рис. 2.14. Схема реостатного пуска – реверса двигателя постоянного тока неза-

висимого возбуждения (а) и пусковая диаграмма (б)

Электромеханические и механические характеристики двигателя при ос-

лаблении поля показаны на рис. 2.17 [5] (нерабочие участки изображены пунк-

тирными линиями). Скорость идеального холостого хода

kФ

ω растет с

уменьшением потока. Так как ток короткого замыкания не зависит от степени

ослабления поля, все электромеханические характеристики пересекаются в од-

ной точке

к.з

(следует помнить, что ток короткого замыкания для нор-

мальных машин может во много раз превосходить допустимый). Момент ко-

роткого замыкания

к.зк.з

=MkIФ уменьшается с уменьшением потока (рис. 2.17,

б).

При питании якорной цепи от источника тока изменение магнитного по-

тока, как это следует из (2.7), позволяет регулировать момент от –

до +М

при вертикальных механических характеристиках.

Рис. 2.15. Схема электропривода

с регулированием скорости из-

менением магнитного потока

Рис. 2.16. Типичная кривая намагничи-

вания машины постоянного тока

а) б)

Рис. 2.17. Характеристики двигателя постоянного тока

при ослаблении поля

Произведем оценку регулирования изменением магнитного потока [5]: 1)

регулирование скорости при

U = const однозонное – вверх от основной скоро-

сти. Это главный недостаток способа, существенно ограничивающий область

его применения. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позво-

ляющими регулировать скорость вниз от основной. Стабильность скорости от-

носительно высокая – характеристики жесткие (следует помнить, что

к.з

= (20…50)I

). Регулирование момента при I = const – в широких пределах от

–

до +М

; 2) диапазон регулирования скорости может быть значительным –

до (3…4):1; 3) регулирование скорости плавное, можно получить характеристи-

ки, расположенные как угодно близко друг к другу; 4) в связи с тем, что регу-

лирование скорости при U = const достигается уменьшением магнитного пото-

ка,

доп

= kI

Ф < М

на искусственных характеристиках (линия со штриховкой

на рис. 2.17,

б. Из уравнения (2.4), в котором I = I

доп

= I

, следует:

ння

UIR

kФ

тогда

ння

доп н

UIR

или Р

доп

= М

доп

ω = U

– I

= const, то

есть при данном способе регулирования неизменна допустимая мощность, сни-

маемая с вала машины на искусственных характеристиках; 5) простота реали-

зации рассматриваемого способа регулирования и отсутствие дополнительных

элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ

весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопро-

вождается дополнительными потерями энергии.

Регулирование скорости изменением напряжения на якоре [5]. Схема

электропривода, обеспечивающая регулирование напряжения на якоре, показа-

на на рис. 2.18,

а. Этот способ регулирования предполагает использование си-

лового управляемого преобразователя (УП), установленная мощность которого

превышает мощность двигателя. Из уравнений (2.4) и (2.5) следует, что при из-

менении

U (в данном случае Е

) пропорционально изменяется лишь ω

, а ∆ω не

зависит от

U, т.е. семейство искусственных характеристик при kФ = kФ

= с –

параллельные прямые с наклоном несколько большим чем у естественной ха-

рактеристики двигателя, поскольку

R = R

+ R

– рис. 2.18, б; предполагается,

что УП имеет двустороннюю проводимость.

Уравнения характеристик:

вх

(+)

щ=-

КU

вх

(+)

щ=-

КU

, (2.15)

где

вх

- коэффициент передачи УП.

Свойства УП оказывают влияние на вид характеристик. Так, при исполь-

зовании преобразователей с односторонней проводимостью (

I > 0) характери-

стики располагаются лишь в I и IV квадрантах.

Проведем оценку рассматриваемого способа регулирования скорости: 1)

регулирование однозонное, вниз от основной скорости; 2) диапазон регулиро-

вания в разомкнутой структуре (8…10):1, стабильность скорости достаточно

высокая; 3) регулирование плавное; 4)

доп

= М

, так как kФ = kФ

= с; 5) способ

экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные рези-

сторы, рассеивающие энергию.

а) б)

Рис. 2.18. Схема (а) и характеристики (б) при регулировании скорости

двигателя постоянного тока изменением напряжения

Кроме того, как будет показано ниже, при управлении напряжением уда-

ется существенно снизить потери энергии в переходных процессах и обеспе-

чить наиболее благоприятное их протекание.

Вопросы для самопроверки

1. Опишите основную схему включения ДПТ НВ.

2. Какие допущения принимаются при выводе формул для характеристик двигате-

ля постоянного тока?

3. Назовите виды и соответствующие признаки энергетических режимов ДПТ.

4. Назовите основные способы регулирования координат ЭП с ДПТ НВ.

5. Охарактеризуйте основные способы регулирования скорости ДПТ НВ.

6. Что такое пусковая диаграмма и как она строится?

7. В чем цель и сущность формирования статических и динамических ха-

рактеристик электропривода?

8. Что такое универсальные характеристики двигателей постоянного тока по-

следовательного и смешанного возбуждения (ДПТ ПВ, ДПТ СВ)?

9. В чем особенности схемы включения и характеристик ДПТ ПВ?

10. Назовите способы регулирования скорости ДПТ ПВ.

11. Назовите способы торможения ДПТ ПВ.

Глава 3. Электродвигатели переменного тока

3.1. Общие сведения

Отечественные электромашиностроительные предприятия выпускают

асинхронные двигатели (АД) общепромышленного назначения различного кон-

структивного исполнения (серии 4А, 5А, 6А, АИР и др.) и их модификации

специального назначения: взрывозащищенные двигатели (ВА, ВРА, 2В, АИМ и

др); крановые и лифтовые двигатели (MTF, MTH, MTKF, MTKH, 4MTM,

4MTKM, 5AН, АНП и др.); высоковольтные АД (A4, ДАЗ04 и др.). Среди за-

рубежных производителей

наиболее широкую номенклатуру АД предлагает

компания Siemens. Компанией выпускаются следующие серии:

Стандартные двигатели серии 1LA8 на 400 В (500…690 В): 3000 об/мин:

250…1000 кВт; 1500 об/мин: 250…1000 кВт; 1000 об/мин: 200…800 кВт; 750

об/мин: 160…630 кВт. Двигатели предназначены для работы от сети с преобра-

зователями частоты (ПЧ).

Стандартные двигатели серии 1PQ8 на 400 В и 690 В с дополнительным

встроенным вентилятором

охлаждения: 3000 об/мин: 250…1000 кВт; 1500

об/мин: 250…1000 кВт; 1000 об/мин: 200…800 кВт; 750 об/мин: 160…630 кВт.

Двигатели предназначены для работы от сети и с ПЧ.

Взрывозащищенные двигатели серии 1МА8 на 400 В и 690 В. Степень

взрывозащиты EExeIIT3 (повышенная надежность против взрыва). 3000

об/мин: 220…300 кВт (до 400 кВт по классу Т2); 1500 об/мин: 215…350 кВт (до

400 кВт по

классу Т2); 1000 об/мин: 200…315 кВт (до 340 кВт по классу Т2).

По запросу могут поставляться двигатели во взрывозащищенном исполнении

Exd или Exd(e) – двигатели серии 1MJ8.

Мощные двигатели серии 1LA1 для работы с ПЧ с выходным напряжени-

ем 690 В. 3000 об/мин: 680…1650 кВт; 1500 об/мин: 655…1910 кВт; 1000

об/мин: 470…1570 кВт; 750 об/мин: 360…1230 кВт. 10-ти и 12-ти полюсные

машины (600

и 500 об/мин) – по заказу. По запросу могут поставляться двига-

тели 1LA1 во взрывозащищенном исполнении Ex n или Eexpe II – ″продувка

под давлением″.

Мощные двигатели серии 1PQ1 с встроенным дополнительным вентиля-

тором охлаждения. Для работы с ПЧ с выходным напряжением 690 В. 1500

об/мин: 890…1910 кВт; 1000 об/мин: 715…2700 кВт; 750 об/мин: 550…2290

кВт; 10-ти и 12-ти полюсные машины (600 и 500 об

/мин) – по заказу.

Взрывозащищенные двигатели серии 1МJ8 на 400 В и 690 В: степень

взрывозащиты EExdeIICT4; 3000 об/мин: 160…560 кВт; 1500 об/мин: 160…630

кВт; 1000 об/мин: 110…500 кВт; 750 об/мин: 90…450 кВт. Двигатели 1MJ8 мо-

гут поставляться с двумя клеммными коробками для снижения диаметра от-

дельных подводимых кабелей.

Другие двигатели – для рольгангов, дымососов, приводов главного дви-

жения металлообрабатывающих станков, крановые двигатели и др. – по требо-

ванию.

3.2. Модели асинхронного электропривода

Принцип действия асинхронной машины в самом общем виде состоит в

следующем: один из элементов машины – статор используется для создания

движущегося с определенной скоростью магнитного поля, а в замкнутых про-

водящих пассивных контурах другого элемента – ротора наводятся ЭДС, вызы-

вающие протекание токов и образование сил (моментов) при их взаимодейст-

вии с магнитным

полем. Все эти явления имеют место при несинхронном –

асинхронном движении ротора относительно поля, что и дало машинам такого

типа название – асинхронные.

Статор обычно выполнен в виде нескольких расположенных в пазах ка-

тушек, а ротор – в виде ″беличьей клетки″ (короткозамкнутый ротор) или в ви-

де нескольких катушек (фазный ротор), которые соединены

между собой, вы-

ведены на кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним

щеток могут быть замкнуты на внешние резисторы.

Несмотря на простоту физических явлений полное математическое опи-

сание процессов в асинхронной машине весьма сложно: 1) все напряжения, то-

ки, потокосцепления – переменные, т.е. характеризуются частотой, амплитудой,

фазой или соответствующими

векторными величинами; 2) взаимодействуют

движущиеся контуры, взаимное расположение которых изменяется в простран-

стве; 3) магнитный поток не линейно связан с намагничивающим током (прояв-

ляется насыщение магнитной цепи), активные сопротивления роторной цепи

зависят от частоты (эффект вытеснения тока), сопротивления всех цепей зави-

сят от температуры и т.п.

Рассмотрим модель асинхронной машины, пригодную

для объяснения

основных явлений в асинхронном электроприводе.

Принцип получения движущегося магнитного поля [5]. Пусть на ста-

торе расположен виток (катушка)

А-Х (рис. 3.1, а, б), по которому протекает пе-

ременный ток i

= I

sinωt; ω = 2πf

. Магнитная движущая сила (МДС) F

, соз-

данная этим током, будет пульсировать по оси витка

= F

sinωt (горизон-

тальные штриховые стрелки на рис. 3.1,

в). Если добавить виток (катушку) В-Y,

расположенный под углом 90

к А-Х, и пропускать по нему ток i

= I

cosωt, то

МДС

будет пульсировать по оси этого витка (вертикальные стрелки): F

cosωt. Вектор результирующей МДС имеет модуль

= + = = const.

AB m

FFFF

Его фаза

α определится из условия tg = = tg

ω .

Таким образом, вектор результирующей МДС при принятых условиях,

т.е. при сдвиге двух витков в пространстве на

и при сдвиге токов во времени

на

, вращается с угловой скоростью

f , где f

– частота токов в витках.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.1. К образованию вращающегося магнитного поля в машине

В общем случае для машины, имеющей р пар полюсов (р = 1, 2, 3...), син-

хронная угловая скорость ω

, рад/с, т.е. скорость поля, определится как

; (3.1)

для частоты вращения n

, об/мин, будем иметь:

= , (3.2)

т.е. при питании от сети f

= 50 Гц синхронная частота вращения может быть

3000, 1500, 1000, 750, 600... об/мин в зависимости от конструкции машины.

Выражения (3.1) и (3.2) имеют принципиальный характер: они показыва-

ют, что для данной машины имеется лишь одна возможность изменять скорость

поля – изменять частоту источника питания f

Процессы при ω = ω

. Пусть ротор вращается со скоростью ω

, т.е. его

обмотки не пересекают силовых линий магнитного поля и он не оказывает су-

щественного влияния на процессы. В весьма грубом, но иногда полезном при-

ближении можно представить обмотку фазы статора как некоторую идеальную

катушку, к которой приложено переменное напряжение

=sin

uU tω . Мы будем

дальше либо обозначать его и другие синусоидально изменяющиеся перемен-

ные соответствующими заглавными буквами, если интерес представляют лишь

их действующие значения, либо будем добавлять точку вверху, показывая тем

самым, что речь идет о временном векторе, имеющем амплитуду

= 2 и

фазу ϕ.

Очевидно, что приложенное напряжение



уравновесится ЭДС самоин-

дукции



(рис. 3.2, а, б)

111об

=4,44 ,Efwk

, (3.3)

где

– число витков обмотки; k

об

– коэффициент, зависящий от конкретного

выполнения обмотки.

а) б) в)

Рис. 3.2. Идеализированная модель асинхронной машины при ω = ω

(а),

векторная диаграмма (б) и кривая намагничивания (в)

Можно приближённо считать, что магнитный поток определяется прило-

женным напряжением, частотой и параметрами обмотки:

11об 1

4, 44

wk f

Φ . (3.4)

Ток в обмотке (фазе) статора – ток намагничивания определится при этом

лишь магнитным потоком и характеристикой намагничивания машины (рис.

3.2,в):

110 м

II.

В серийных машинах при

= U

1н

и f

= f

1н

, т.е. при номинальном магнит-

ном потоке ток холостого хода

составляет обычно 30%…40% от номиналь-

ного тока статора

1н

Процессы под нагрузкой. При нагружении вала ω≠ω

; отличие скоростей

ω и ω

принято характеризовать скольжением

ωω

. (3.5)

Теперь в роторной цепи появится ЭДС

′

, наведенная по закону элек-

тромагнитной индукции и равная

′

= E

s; (3.6)

штрихом здесь и далее отмечены приведенные величины, учитывающие неоди-

наковость обмоток статора и ротора. Частота наведенной ЭДС составляет

= f

s (3.7)

Ток

′

в роторной цепи, обладающей сопротивлением R

′

и индуктивно-

стью

′

, определится как

'2 ' 2

222

()+(2 )

fLπ

или после простых преобразований

′

()()

, (3.8)

где

′

- индуктивное сопротивление рассеяния вторичной цепи при частоте f

Рис. 3.3. Схема замещения фазы АД