Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Моме»гт, развиваемый двигателем, пропорционален гоку

ря и потоку возбуждения

Л/=*Ф/,. (6.3)

Из уравнений (6.1) и (6.2) легко получить зависимость ско-

ги от гока якоря т- /(/,). которая называется электромеха-

теской характеристикой двигателя

= (6.4)

кФ кФ

Подставляя в (6.4) значения тока якоря из (6.3). получим

•сравнение механической характеристики двигателя

(6.5)

кФ (хФ)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным по-

ом возбуждения, то величину кФ считают постоянной

кФ = С. (6.6)

Тогда уравнения (6.2), (6.4) и (6.5) будут иметь вид:

Е,=Сй) (6.7)

иЛ^-ИА (6.8)

с с

: и

M ,,

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изме-

няется ток якоря, поток двигателя вследствие размагничивающе-

го влияния реакции якоря не остается постоянным. Для устране-

ния влияния тока в цепи якоря на поток возбуждения на крупных

Ьшинах используют компенсационную обмотку, которая вклю-

чается последовательно с обмоткой якоря и располаг ается на по-

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

компенсированных машин в инженерных расчетах обычно пре-

небрегают размагничивающим действием реакции якоря, возла-

гая обеспечение линейности механической характеристики дви-

гателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с воз-

буждением от постоянных магнитов реакция якоря практически

in- проявляется. Для более точного учета влияния реакции якоря

на механические характеристики рекомендуем обратиться к [1-3].

Ьстественная механическая характеристика двигателя посто-

янного тока независимого возбуждения показана на рис.6.2.

Жесткость естественной механической характеристики Р для

осматриваемых двигателей обычно высока и равна

£ ё

(

В-

я.

i 0)

Рекуператны-

мое генератор-

Двигательный

ное торможение

режим

•

Рис.6.2. Естественная механическая

характсритпгя двигателя постоянного

тока независимого возбуждения

СО

= СО л -

(6.10)

Заметим, что в

уравнениях (6.4). (6.5), (6.8).

U Ш

(6.9) члены —- и — равны

кФ С

скорости холостого хода

двигателя свч. С учетом

(6.10) получим удобное

выражение для

механической характери-

стики при постоянном

потоке возбуждения

(611)

CT)

Шо

Регу лирование скорости двигателя постоянного тока незави-

симого возбуждения может производиться гремя способами:

1. Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

2. Изменением величины напряжения, питающего якорную

пепь двигателя, при постоянном потоке возбуждения.

3. Изменением тока возбуждения, г.е. изменением магнит-

ного потока двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорое л.

холостого хода о>„

остается неизменной,

а изменяется наклон

механических харак-

теристик. т.е. умень-

шается их жесткость

(см.рис.6.3). Данный

способ регулирова-

ния скорости в

настоящее время не

используется, ПОСКО-

ЛЬКУ введение доба-

Рнс 6.3 Реостатные «««низкие харднерипили

вачиого

сопротивле-

двигали постоянного гока независимого возбуждения

ния сопряжено с

потерями энергии в этом сопротивлении.

Кзаов^г*^

Кз

ин^

Основным способом регулирования скорости двигателей по-

тного тока независимого возбуждения является регулирова-

ие напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение

илн>и

Л1

>и

Л2

>и

я>

Удк

Ркс.6.4. Механические хлршгтсристмхи двигателя постоянного

тока независимого воэбуящсння при регулировании

напряжениилкоря

рОсти при

М произво-

Я вниз от

овной (110-

налыюй) с-ко-

ги, Опреде-

мой естссг-

шой харак-

истикой

ис.6.4). Повы-

ние нанря-

ния питания

ше номииа-

ного, как ира-

ло. не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на

лекторе.

При уменьшении напряжения якоря уменьшается скорость

лостого хода loo, а жесткост

механических характеристик ос-

ся постоянной. Плавность регулирования, отсутствие допол-

нтельных потерь энергии при регулировании и высокая жест-

механических характеристик составляют основные досто-

нства этого способа регулирования скорости.

Регулирование скорости выше основной производится

еньшепием тока (потока) возбуждения (см.рис.6.5), При

нмнении магнитного потока Ф согласно (6.5) происходит

личёние скорости холостого хода соц и одновременно снижа-

ся жесткость механических характеристик двигателя

см.рис.6.5а).

Увеличение тока возбуждения выше номинального нецеле-

браэно, так как вследствие насыщения магнитной цепи маши-

ны существенного возрастания магнитного потока не произойдет,

.1 тепловой режим двигателя нарушится. Электромеханические

рактеристики двигателя при ослаблении поля

со

- /(/J будут

иметь вид, показанный на рис.6.56. Эти характеристики, как еле-

ет из (6.4), на оси абсцисс сходятся в одной точке, соответст-

уюшей гоку короткого замыкания /

= ''

. Заметим, что мас-

штаб по оси абсцисс на рис.6.5а и 6.56 различен.

Рис.б.5. Мехлинчеекие (а) и зпсктрс^сялиичоскис (6) хардгтсрмстши лвнгатслл

ПОСТОЯННОГО

тока независимого возбуждения при уменьшении потока

птЛуатлсггая к номинальном напряжении якоря

При анализе механических характеристик при ослаблении

поля следует иметь н аилу, что при работе с постоянным стат и-

ческим моментом ток якоря по мерс ослабления потока увеличи-

вается. Так. если статический момент на валу двигателя будет

равен номинальному, то при номинальном напряжении якоря U

двигатель будет работать в т.1 (см рнс.6.5а). Если, например, ос-

лабни. поток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода

двигателя ©а увеличивается в 2 раза. Если момент двигателя со-

хранится постоянным и равным номинальному, то двигатель

будет работать в т.4. Однако, как это следует из (6.3) ток якоря

при этом увеличится в 2 раза. Поэтому длительная работа двига-

теля в т.4 недопустима. Из этого примера следует, что одновре-

менно с повышением скорости необходимо снижать длительно

допустимый по условия нагрева (номинальный) момент. Линия

номинального момента при ослаблении поля отображается кри-

вой 1-2-3. Аналогично при ослаблении ноля уменьшается допус-

тимый максимальный момент, определяемый по условиям ком-

мутации на коллекторе. Поскольку при ослаблении поля скорость

увеличивается примерно пропорционально степени ослабления

Ф „

поля ——, а длительно допустимый момент уменьшается про-

поршюнально отношению , то мощность двигатетЛ

Р - М' (а остается примерно постоянной Поэтому регулирова-

ние ослаблением поля называют регулированием с постоянной

П юна

-U=&5U

_U=0,25Lf^

—. ]_30H0

-—__

Мм М.

Рмс.б.бДвухзсннос регулирование скоросгн

давгпела посеянного тока

нюстью в отличие or регулирования изменением напряжения

)я при постоянном потоке возбуждения, которое называют

гулированием с постоянным моментом

Для электроприводов

многих механизмов

используют комбини-

рованное управление,

гак называемое двух-

зонное регулирование

скорости. Механи-

ческие характеристи-

ки для этот способа

управления показаны

на рис.6.6. R первой

зоне скорость двига-

теля в диапазоне от

нуля до основной

скорости а)о» регулн-

ся изменением напряжения якоря при постоянном потоке

уждения Ф„. Во второй зоне регулирование производится

снением тока (потока) возбуждения при постоянном но.ми-

ьном напряжении якоря. Соответственно номинальный мо-

в первой зоне регулирования остается постоянным, а во

й зоне снижается пропорционально уменьшению потока

ксимально допустимая скорость двигателя при ослаблении

я определяется механической прочностью якоря и условиями

мутации на коллекторе. Эта скорость указывается в каталоге

двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулиро-

ии скорости для установления основной (максимальной) еко-

и. В отличие от синхронных и асинхронных двигатели по-

янпого тока не имеют жестко определенной номинальной ско-

ти. В каталогах указывается номинальная и максимальная

рости. Например, если указано, что двигатель мощностью

кВт имеет номипатьную скорость ЮООоб/мин и максималь-

ую 2000об/мин, то основная скорость может быт

установлена

этих пределах выбором соответствующего значения тока воз-

уждения. Например. - 1600об/мип; при этом мощность двигате-

я останется равной 100кВт. Это удобно при конструировании

ИЙсматической схемы рабочей машины.

Для высокодинамичны.ч электроприводов небольшой мош-остн (до 20кВт) эффективно использование высокомоментных и

двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных

магнитов. Благодаря применению высокоэнергетичёских посто-

янных магнитов на основе редкоземельных элементов (например

сплава самарий-кобальт) эти двигатели особенно при малых ско-

ростях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе

более легкие) способны развивать большой крутящий момент

Отношение пускового момента такого двигателя к номинальном)

составляет 10-12. в то время как у двигателей с электромагнит

ным возбуждением это отношение не превышает 2-1. Такие дви-

гатели находят применение в металлорежущих станках с число-

вым программным управлением, R приводах роботов и следящих

электроприводах различного назначения [1-9]

В некоторых случаях двигатели независимого возбуждения

снабжают «легкой» обмоткой последовательного возбуждения,

создающей м.д.с при номинальном токе якоря около 20% от

м.д.с. обмотки независимого: возбуждения. Такие двигатели сме-

танною возбуждения применяются в случаях многодвигательно-

го привода, ког да два или несколько двигателей работают на

один вал или их валы связаны механически (например, лентой

конвейера), В этом случае скорость всех двигателей будет одина-

ковой. но из-за неидентичности характеристик двигателя возни-

кает задача равномерного распределения нагрузки между ними

Благодаря наличию последовательной обмотки возбуждения п

более нагруженном двигателе увеличивается поток и возрастает

иротивоэде 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 возраста-

ет Таким образом, благодаря наличию слабой последовательной

обмотки происходит выравнивание тока якрря между двигателя-

ми. питающимися от общего источника напряжения.

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуж-

дения могут работать в трех тормозных режимах; режиме реку-

перативного торможения, динамического торможения и тормо

жеиия противовключением.

Режим рекуперативного генераторного торможения отража-

ется на механических характеристиках во втором квандранте. ко-

гда скорость двигателя превышает скорость холостого хода

со><и,-

(рис.6 7) При этом э.д.с. якоря Е

превышает величину напряже-

ния питания якорной цепи £»>й

и ток в якорной цепи пойдо

под действием э.д.с. якоря Е

: знак тока будет противоположен

знаку напряжения питания, что означает, что энергия торможе-

ния отдается в сеть питания постоянного тока Отсюда следуют

I условия существования режима рекуперативного торможе-

1. 11епь питания

должна обеспечивать

возможность проте-

кания тока встречно

напряжению источ-

ника питания: это

условие особенно

важно в случае пита-

ния двигателя пос-

тоянного тока от

полупроводниковых

преоб разовател ей.

элементы которых

обладают односто-

ронней проводимо-

стью гока(см.§6.2).

2. Источник пи-

тания должен обла-

возможностью воспринимать отдаваемую двигателем энер-

ю и передавать ее в питающую сеть; так режим рекуперативно-

торможепия невозможен, если привод получает питание от

номной дизель-генераторной установки.

3. Для того, чтобы рекуперативное торможение было воз-

но в пределах заданного диапазона регулирования скорости,

н регулирования должен применяться способ изменения на-

"•ения, подводимого к якорной цепи двигателя.

В режиме рекуперативного торможения уравнения (6.1) и

6.5) принимают вид:

V„ R.M

о?

= - +

•

* ,.

кФ {к ФУ

Основными достоинствами рекуперативного торможения яв-

тся: энергетическая эффективность, связанная с полезным

пользованием энергии торможения, высокая жесткость меха-

.ческих характеристик, плавный переход из двигательного в

рмозной режим на одной и той же характеристике. Благодаря

кому характеру механических характерист ик улучшается каче-

о управления приводом. Вернемся к рассмотрению рис.6.7.

усть двигатель работал в

т.1

в двигательном режиме со статиче-

Рскуиератинное Двигательный режим

'ис.6.7 Механические характеристики лвнгатс-

III постоянного тока о режиме рекуперативного

торможений

ским моментом

.-V/,

Если оператор хочет уменьшить скорость, он

уменьшает напряжение источника питания с L\\ до 6'

я2

. В первый

момент скорость двигателя из-за механической инерции не может

измениться, и двигатель переходит на работу в 1.2. При этом ни

валу двигателя возникает тормозной момент, равный сумме тор-

мозною момента двигателя и статического момента. Скорость

двигателя быстро снижается до скорости и далее под дейст-

вием статического момента до скорости, определяемой т.З.

Вторым возможным тормозным режимом является режим

динамического торможения. В этом режиме якорь двигателя от-

ключается от источника постоянного тока (см.рис.6.8) и замыка-

ется на сопротивление динамического торможения. Питание об-

мотки возбуждения при этом должно быть обязательно сохране-

но. В указанном режиме двигатель Л/ работает как генератор по-

стоянного тока, нагруженный на сопротивление R

l>m

. Энергия

торможения расходуется на нагрев сопротивления R,,

и обмоток

цепи якоря двигателя.

Рис.бЛ,Схема динамического

6 9

М«л.чвчс:ы!с хдракгериспнги ДЛТ-НП

глрмпження

ДПТ-1

га

ргжпмс днидинчсскоги торможения

Механические характеристики при динамическом торможе-

нии представлены на рис.6.9. Если R

=0, якорнзя цепь двигателя

будет замкнута накоротко и механическая характеристика (при

Ф=Ф„) будет иметь жесткость естественной характеристики

(См.6.10). При увеличении Я,„

жесткость характеристик буду

уменьшаться в соотношении /? = : , и механические ха-

Д. • Щ.

рактерисгики будут линейными и расходиться веером из начала

координат.

Как следует из (6.5), при U»=0 уравнение механических ха-

ристик динамического торможения будет:

(кФ)

Недостатками режима динамического торможения являются:

ри энергии торможения, расходуемой на нагрев элементов

ода, и невозможность торможения привода до полной его

новкн.

Достоинством режима динамического торможения является

высокая надежность, определяемая тем. что этот режим мо-

осуществляться при исчезновении питающего напряжения и

лучае выхода из строя источника питания цепи якоря, когда

им рекуперативного торможения становится невозможен. Ис-

я из этого, динамическое торможение в приводах постоянного

ка часто используется в качестве средства аварийного тормо-

зя.

"Горможенне противовключенисм не характерно для двигате-

й постоянного тока независимого возбуждения Этот режим

;::;ст использоваться в приводах малой мощности с широтно-

"пульсными регуляторами тока, позволяющими офапичить ток

моження допустимой величиной

6.2. Электроприводы по системе тнрнсторный иреобразо-

ватель-двкгатель постоянного тока

Для питания двигателей постоянного тока независимою воз-

дения используются ре!улируемые источники питания:

- электромашипные агрегаты - генератор постоянног о тока

игатель переменного тока (система Г-Д);

- гиристорные преобразователи (выпрямители) с фазовым

влением (система ТП-Д);

- полупроводниковые выпрямители с регулированием ве-

чины выпрямленною напряжения методом широтно-

пульсного регулирования (ШИР-Д)-

Система генератор-двигатель, в которой двигатель постоян-

го тока получает питание от электромаши и ною агрегата, в на-

ящее время морально устарела и в стационарных установках

с применяется. Система Г-Д продолжает использоваться для

ильных установок, например экскаваторов.

Основной системой регулируемого электропривода с двига-

ями постоянного тока является система ТП-Д (тнрнсторный

преобразователь - двигатель постоянного тока), наиболее

распространенные схемы которой приведены на рис.6.10

Рис.6.10. Силовые схемы электроприводов ТП-Д

а) однофазная мостовая исрспсрсивная

б) трехфазная мостовая нереверсивная схема

в) трехфазная мостовая встрсчно-параллслыгая

рсвсрсипная схема с раздельным управлением

•4J

У/л}

)

•j

-Ь,

иди)

-ЁЧ-

-Ы

—^

Основу схем тиристорных преобразователей составляют по-

лууправляемые силовые полупроводниковые приборы - гири-

сюры Неполная управляемость тиристоров определяется тем,

что включение тиристора контролируется системой управления

(СИФУ) при подаче отпирающего импульса на управляющий

электрод тиристора последний открывается и остается открытым

после снятия отпирающего импульса. Закрывается тиристор по-

сле изменения полярности напряжения анод-катод и спадания

тока до нуля

Гирисгорный преобразователь в схемах электропривода по-

стоянного тока выполняет две функции: выпрямление перемен-

ного напряжения питающей сети и регулирование средней вели-

чин!.] выпрямленного напряжения.

Принцип регулирования величины среднего значения вы-

прямленного напряжения тиристорного преобразователя с им-

пульс но-фазовым управлением рассмотрим на примере однофаз-

ной мостовой схемы (рис.6 10а).

Если отпирающие импульсы на тиристоры VS1 и VS4 (и со-

ответственно тиристоры VS3 и VS2 при другой полуволне

синусоиды питающего напряжения) подаются в момеЛ

естественного открывания, когда напряжение катод-анод

становится положительным, то среднее выпрямленное

напряжение, определяемое заштрихованной площадью на