Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

замкнс

=Δ

(4.11)

Сопоставив с (4.9), получим (см. рис.4.5)

Кав

аб

Таким образом, введение отрица-

тельной обратной связи по скорости повы-

шает жесткость механических характеристик

привода, уменьшает статическую ошибку,

расширяет диапазон регулирования скоро-

сти. Введение обратной связи по скорости

также сказывается на динамических харак-

теристиках привода - повышается быстро-

действие привода. Показатели качества ре-

гулирования, характеризующие динамиче-

ские свойства привода, рассмотрены в главе 8.

Задача 4.1. Электропривод имеет линейные механические характери-

стики с жесткостью β = 10 Нм.с. Номинальный момент М

,=50Нм. Наибольшее

значение скорости холостого хода ω

=104,6 1/с. Найти величину диапазона ре-

гулирования скорости, который обеспечивает данный электропривод, если мо-

мент на валу двигателя может изменяться в пределах 0,15М

≤М

≤1,2М

и тре-

буемая точность поддержания заданной скорости составляет 10%. Какой должна

быть жесткость механических характеристик, чтобы достичь диапазона регули-

рования D=100.

Диапазон регулирования определим по формуле (4.5):

86,3

5015,0502,1

)5015,0502,16,104102(1,0

)2(

⋅−⋅

⋅−⋅−⋅⋅

−

−Δ

минмакс

минмаксдоп

мин

макс

ММ

βω

Для того, чтобы достичь диапазона регулирования D

=100, жесткость

механических характеристик нужно повысить до значения

250

1,06,1042

)5015,0502,1(1,0)5015,0502,1(100

)()(

⋅⋅

⋅−⋅+⋅−⋅

−

доп

минмаксдопминмакс

ММММD

Увеличения жесткости механических характеристик можно добиться, приме-

нив замкнутую по скорости систему регулирования и повысив общий коэффи-

циент усиления разомкнутой системы.

4.3. Контрольные вопросы для самопроверки

1. Назовите технические требования, которые определяют необходи-

мость применения регулируемого электропривода.

2. Что такое диапазон регулирования по скорости?

3. От какого параметра зависит диапазон регулирования скорости

элек-

тропривода?

4. В чем разница между абсолютной и относительной статическими

ошибками?

5. Какая обратная связь применяется для повышения жесткости меха-

нических характеристик электропривода?

6. Во сколько раз повышается жесткость механических характеристик

электропривода с замкнутой системой управления по сравнению с разомкну-

той?

7. Во сколько раз уменьшается статическая ошибка при использовании

замкнутой

по скорости системы управления по сравнению с разомкнутой?

8. Что представляет собой механическая характеристика электроприво-

да с замкнутой по скорости системой управления?

9. Какие меры следует принять в системе управления, чтобы повысить

диапазон регулирования электропривода?

10.Что дает с точки зрения улучшение статических характеристик при-

вода введение отрицательной обратной связи по скорости?

Глава 5. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИ-

ГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1. Электромеханические характеристики двигателей постоянного

тока независимого возбуждения

Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой регулируе-

мого электропривода и широко применяются во всех областях техники. Только

в последние годы началось интенсивное использование регулируемых электро-

приводов на базе двигателей переменного тока.

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, по-

следовательное или смешанное возбуждение. В

зависимости от схемы возбуж-

дения существенно разнятся и электромеханические характеристики двигате-

лей.

Двигатели независимого возбуждения могут иметь электромагнитное

возбуждение, (рис.5.1,а) и возбуждение от постоянных магнитов (рис.5.1,б).

Последнее применяется для высокодинамичных двигателей мощностью до 20

кВт.

Реверсирование (изменение направ-

ления вращения) двигателей независимого

возбуждения производится изменением

полярности напряжения, подводимого к

якорю двигателя или к обмотке его

возбуждения.

Напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя, в установившемся

режиме уравновешивается падением напряжения на сопротивлениях цепи яко-

ря и противо э.д.с. якоря, которая наводится в обмотке якоря при его вращении

в электромагнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения (см.рис.5.1,а)

яяяя

IREU

(5.1)

- сопротивление якорной цепи, складывающееся из сопротивления

обмотки якоря R

оя

, обмотки дополнительных полюсов R

дп

, компенсационной

обмотки R

ко

(если она имеется) и внутреннего сопротивления источника пита-

ния двигателя R

(если оно учитывается)

= R

оя

+ R

дп

+ R

ко

+ R

Э.д.с. якоря Е

равна

кФЕ

(5.2)

где Ф - поток возбуждения (Вб);

aNрк

2/= - конструктивная постоянная двигателя; где р

- число пар

полюсов машины; N - число активных проводников обмотки якоря; а - число

параллельных ветвей обмотки якоря.

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току якоря и потоку

возбуждения

кФIМ

(5.3)

Из уравнений (5.1), (5.2) и (5.3) легко получить зависимость скорости от

тока якоря ω = f(I

), которая называется электромеханической характеристикой

двигателя, и зависимость скорости от момента двигателя ω = f(M) - механиче-

скую характеристику привода.

кФ

яяя

−=

(5.4)

)(кФ

МR

кФ

яя

−=

(5.5)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным потоком воз-

буждения, то величину кФ считают постоянной

кФ = С (5.6)

Тогда приведенные выше уравнения будут иметь вид:

М = СI

(5.7)

= Сω (5.8)

яя

−=

(5.9)

МR

−=

(5.10)

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изменяется ток

якоря, поток двигателя вследствие размагничивающего влияния реакции якоря

не остается постоянным. Для устранения влияния тока в цепи якоря на поток

возбуждения на крупных машинах используют компенсационную обмотку, ко-

торая включается последовательно с обмоткой якоря и располагается на по-

люсах машины, усиливая поток возбуждения. Однако и для некомпенсирован-

ных машин в инженерных расчетах обычно пренебрегают размагничивающим

действием реакции якоря, возлагая обеспечение линейности механической ха-

рактеристики двигателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с

возбуждением от постоянных магнитов реакция якоря практически

не проявля-

ется.

Естественная механическая

характеристика двигателя постоянного тока

независимого возбуждения показана на рис.5.2.

Жесткость естественной механической

характеристики β для рассматриваемых

двигателей обычно высока и равна

яя

кФ

)(

(5.11)

Механические характеристики двигателя постоянного тока независи-

мого возбуждения представляют собой прямые, пересекающие ось ординат в

точке идеального холостого хода ω

, величина которой равна

кФ

яя

(5.12)

С учетом (5.11) получим удобное выражение для механической харак-

теристики при постоянном потоке возбуждения

ωω

−=

(5.13)

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого воз-

буждения может производиться тремя способами:

1. Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

2. Изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двига-

теля, при постоянном потоке возбуждения.

3. Изменением тока возбуждения, т.е. изменением магнитного потока

двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в

цепь якоря скорость холостого хода ω

остается

неизменной, а изменяется наклон механических

характеристик, т.е. уменьшается их жесткость

(см. рис.5.3). Данный способ регулирования

скорости в настоящее время не используется,

поскольку введение добавочного сопротивления

сопряжено с потерями энергии в этом сопротив-

лении.

Основным способом регулирования скорости двигателей постоянного

тока независимого возбуждения (ДПТ-НВ) является регулирование напряже-

ния

, подводимого к якорю двигателя.

Изменение

скорости при этом

производится вниз от

основной (номинальной)

скорости, определяемой

естественной харак-

теристикой (рис.5.4). При

уменьшении напряжения

якоря уменьшается скорость холостого хода ω

, а жесткость механических ха-

рактеристик остается постоянной. Повышение напряжения питания выше но-

минального не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллек-

торе.

Плавность регулирования, отсутствие дополнительных потерь энергии

при регулировании и высокая жесткость механических характеристик состав-

ляют основные достоинства этого способа регулирования скорости.

Регулирование скорости выше основной производится

уменьшением

тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока Ф согласно

(5.5) происходит увеличение скорости холостого хода ω

и одновременно сни-

жается жесткость механических характеристик двигателя (см.рис.5.5,а).

Увеличение

тока возбуждения

выше номинального

нецелесообразно, так

как вследствие

насыщения магнитной

цепи машины

существенного возрас-

тания магнитного

потока не произойдет, а тепловой режим двигателя нарушится. Электромеха-

нические характеристики двигателя при ослаблении поля ω = f(I

.) будут иметь

вид, показанный на рис.5.5,б. Эти характеристики, как следует из (5.4), на оси

абсцисс сходятся в одной точке, соответствующей току короткого замыкания I

кз

= U

, / R

. Заметим, что масштаб по оси абсцисс на рис.5.5,а и 5.5,б различен.

При анализе механических характеристик при ослаблении поля следует

иметь в виду, что при работе с постоянным статическим моментом ток якоря по

мере ослабления потока увеличивается. Так, если статический момент на валу

двигателя будет равен номинальному, то при номинальном

напряжении якоря

ян

двигатель будет работать в т.1 (см. рис.5.5,а). Если, например, ослабить по-

ток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода двигателя ω

увеличива-

ется в 2 раза. Если момент двигателя сохранится постоянным и равным номи-

нальному, то двигатель будет работать в т.4. Однако, как это следует из (5.3)

ток якоря при этом увеличится в 2 раза. Поэтому длительная работа двигателя в

т.4 недопустима. Из этого примера следует, что одновременно с повышением

скорости необходимо снижать длительно

допустимый по условия нагрева

(номинальный) момент. Линия номинального момента при ослаблении поля

отображается кривой 1-2-3. Аналогично при ослаблении поля уменьшается до-

пустимый максимальный момент, определяемый по условиям коммутации на

коллекторе. Поскольку мри ослаблении поля скорость увеличивается примерно

пропорционально степени ослабления поля Ф

/Ф

осл

а длительно допустимый

момент М

доп

уменьшается пропорционально отношению Ф

осл

,/Ф

, то длительно

допустимая мощность двигателя Р = М

доп

ω остается примерно постоянной. По-

этому регулирование ослаблением поля называют регулированием с постоян-

ной мощностью в отличие от регулирования изменением напряжения якоря при

постоянном потоке возбуждения, которое называют регулированием с посто-

янным моментом.

Для электроприводов многих

механизмов используют ком-

бинированное управление, так

называемое двухзонное регулирование

скорости. Механические

характеристики для этого способа

управления показаны на рис.5.6. В пер-

вой зоне скорость двигателя в

диапазоне от нуля до основной

скорости ω

0н

регулируется изменением

напряжения якоря при постоянном

потоке возбуждения Ф

. Во второй зоне регулирование производится измене-

нием тока (потока) возбуждения при постоянном номинальном напряжении

якоря. Соответственно номинальный момент в первой зоне регулирования ос-

тается постоянным, а во второй зоне снижается пропорционально уменьшению

потока. Максимально допустимая скорость двигателя при ослаблении поля оп-

ределяется механической прочностью якоря и условиями коммутации на кол-

лекторе. Эта скорость указывается в каталоге на двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулировании скоро-

сти для установления основной (максимальной) скорости. В отличие от син-

хронных и асинхронных двигатели постоянного тока не имеют жестко опреде-

ленной номинальной скорости. В каталогах указывается номинальная и макси-

мальная скорости. Например, если указано, что двигатель мощностью 100кВт

имеет номинальную скорость 1000об/мин и максимальную 2000об/мин, то ос-

новная скорость может быть установлена в этих пределах выбором соответст-

вующего значения тока возбуждения, например, - 1600об/мин. При этом мощ-

ность двигателя останется равной 100кВт. Это удобно при конструировании

кинематической схемы

рабочей машины.

Для высокодинамичных электроприводов небольшой мощности (до

20кВт) эффективно использование высокомоментных двигателей постоянного

тока с возбуждением от постоянных магнитов. Благодаря применению высоко-

энергетических постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов

(например, сплава самарий-кобальт), эти двигатели особенно при малых скоро-

стях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе более

легкие)

способны развивать большой крутящий момент. Отношение пускового момен-

та такого двигателя к номинальному составляет 8-10, в то время как у двигате-

лей с электромагнитным возбуждением это отношение не превышает 2-4. Дви-

гатели находят применение в металлорежущих станках с числовым про-

граммным управлением, в приводах роботов и следящих электроприводах раз-

личного назначения.

некоторых случаях двигатели независимого возбуждения снабжают

«легкой» обмоткой последовательного возбуждения, создающей м.д.с. при но-

минальном токе якоря около 20% от м.д.с. обмотки независимого возбуждения.

Высокодинамичные двигатели смешанного возбуждения применяются в случа-

ях многодвигательного привода, когда два или несколько двигателей работают

на один вал или их валы связаны

механически (например, лентой конвейера), В

этом случае скорость всех двигателей будет одинаковой, но из-за неидентично-

сти характеристик двигателя возникает задача равномерного распределения на-

грузки между ними. Благодаря наличию последовательной обмотки возбуж-

дения в более нагруженном двигателе увеличивается поток и возрастает проти-

воэ.д.с. якоря, что ведет к снижению

тока якоря. Напротив, менее нагруженный

двигатель будет иметь несколько меньший поток, его э,д.с. будет ниже и ток

якоря соответственно возрастает. Таким образом, благодаря наличию слабой

последовательной обмотки происходит выравнивание тока якоря между двига-

телями, питающимися от общего источника напряжения.

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуждения могут

работать в трех тормозных режимах: режиме рекуперативного торможения, ди-

намического торможения и торможения противовключением.

Режим рекуперативного генера-

торного торможения имеет место, когда

скорость

двигателя превышает ско-

рость холостого хода ω> ω

(рис. 5.7).

При этом э.д.с. якоря Е, превышает

величину напряжения питания якорной

цепи E

, и ток в якорной цепи

пойдет под действием э.д.с. якоря E

;

знак тока будет противоположен знаку

напряжения питания, что означает, что энергия торможения отдается в сеть пи-

тания постоянного тока. Отсюда следуют три условия существования режима

рекуперативного торможения.

1. Цепь питания должна обеспечивать возможность протекания тока

встречно напряжению источника питания; это условие особенно важно в слу-

чае питания двигателя постоянного тока от

полупроводниковых преобразова-

телей, элементы которых обладают односторонней проводимостью тока.

2. Источник питания должен обладать возможностью воспринимать от-

даваемую двигателем энергию и передавать ее в питающую сеть; так режим ре-

куперативного торможения невозможен, если привод получает питание от ав-

тономной дизель-генераторной установки.

3. Для того чтобы рекуперативное торможение было возможно в

преде-

лах заданного диапазона регулирования скорости, регулирование должно про-

изводиться путем изменения напряжения, подводимого к якорной цепи двига-

теля.