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

Подождите немного. Документ загружается.

Если индуктивность якорной цепи велика (постоянная вре-

мени Т, > - Tig), то

нарастание тока будет

отставать от темпа

снижения скорости и к

моменту, когда ско-

рость снизится до но-

вого установившегося

значения

(я

^ |

/ X

и/

С.6.25. Псрсходтл характеристики тики н

скорости при пршшжснни нагруаьи

ток якоря еще не

достигает величины J

при которой момент

двигателя был бы

Евсн моменту сопротивления М

. Поэтому скорость будсг про-

сать падать до тех пор, пока ток якоря не станет равным ста-

тскому. затем скорость начнет возрастать и после ряда коле-

Ьний достигнет установившегося значения. Обратим внимание,

Кр кривые со = /(0 и

= /(/) взаимоевячаны - точкам мак-

dco

Шмума и минимума скорости, когда — = 0. соответствует мо-

ре*гг пересечения кривой тока линии статического тока.

Если индуктивность якорной цепи невелика Г

<'~ . то

•роцесс снижения скорости при приложении нагрузки будет

(иметь монотонный характер

Передаточные функции двигателя постоянного тока при

1мущенин по нагрузке будут

*1р>=Тт /С

Г <«»

W(p) = - * . (6.31)

кФ Т

Т р*+Т

р +1

При изменении потока возбуждения электромеханические

,'ходные процессы в двигателе постоянного тока будут опи-

ттьея системой нелинейных дифференциальных уравнений,

т к. в уравнениях (6.23) присутствуют произведения переменных.

Аналитическое решение системы в этом случае сопряжено с ма-

тематическими трудностями. Для анализа процессов прн одно-

временном управлении и напряжением якоря, и током возбужде-

ния удобно использовать математическое моделирование элск-

громе.чаническнх процессов на компьютере на основе структур-

ной схемы, представленной на рис.6.26.

Рис 6.26. Структурная схема двигателя постоянного тока по цепи якоря и

цепи возбуждения

Быстродействие управления по цепи якоря определяется,

главным образом, электромагнитной постоянной времени якор-

ной цепи, которая невелика и составляет обычно 0,02-0.Юс. По-

стоянная времени обмотки возбуждения гораздо больше и со-

ставляет 0,5-3.0с., что определяет существенно меньшее быстро*

действие при регулировании скорости воздействием на поток

возбуждения. Кроме того, скорость изменения магнитного потока

снижается из-за наличия контура вихревых токов в магиитопро-

воде двигателя. Приближенно влияние контура вихревых токов в

схеме рис.6.26 учтено постоянной времени Т

€ЯИ

которая может

составлять 0,15-0,30с.

На схеме рис.6.26 показаны в виде динамических звеньев ис-

точники регулируемого напряжения в цепях питания цепей якоря

и обмотки возбуждения - гирнсторные преобразователи ГПЯ и

ТПВ. Особенности тнрнсторных и транзисторных преобразовате-

лей, как динамических звеньев, рассмотрены в §14.9.

5,7.1. Схема включения

«теля ппстояндого тока

атспьного возбуждения

Глава 7. Электропривод с двиг ателями постоянного тока

с последовательным возбуждением

7.1. Электромеханические характеристики двигателя по-

стоянного тока с последовательным возбуждением

В рассматриваемых двигателях постоянного тока обмотка

>'«буждеиия включается (рис.7.1) последовательно с обметкой

>я, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и соз-

гмый им поток будет

а-1

(7.1)

Здесь а - нелинейный коэффи-

циент а = /(/„); нелинейность

этого коэффициента связана с

формой кривой намагничивания и

размагничивающим действием реак-

ции якоря; оба этих фактора

проявляются при больших токах

0,7-0,8/,/, при малых токах якоря коэффициент а можно

гь величиной постоянной; при токах якоря > 21

машина

>ется, и величина потока мало зависит от тока якоря. С'о-

иошеиие 7.1 определяет свое-

ше электромеханических ха- КМ

)истик двигателя постоян- о ^—» .

тока последовательного

' '

дения. ^Х

[Для изменения направления

Кения двигателя последова- J

1 м

>го возбуждения нсдостаточ- \ \

|мснить полярность наиряже-

L подводимого к двигателю, т.к. —у

(и этом изменится одновременно

травление тока в обмотке _ ^ ><

>я и полярность потока воз-

ведения. Поэтому для реверси-

1ния двигателя нужно изменить

ление тока в одной из

Ргсй машины, например в

Готке возбуждении. Оставив направление гока в обмотке якоря

йпменным, как это показано на схеме рис.7 2.

Рис.7.2. Схема реверсирования

двигателе постоянного тока

последовательного возбуждения

Подставив (7.1) в (6.2) и (6.3), получим основные соотноше-

ния для рассматриваемых двигателей.

М -к-а-1] (7.2)

=ка-1

а> (7.3)

Соответственно, выражение для электромеханической и ме-

ханической характеристик двигателя последовательного возбуж-

дения будут:

Rxj. А

[

м =

—; или (0

В; (7.4)

к-а-1

к а I,

L' R

А ,_

со

= . ——; или о) - —г= - В. (7.5)

у} к а -М к а у}М

В первом приближении

механическую характерис-

тику двигателя постоянно-

го тока последовательного

возбуждения, если не учи-

тывать насыщение магнит-

ной цепи, можно предста-

вить в виде гиперболы, не

пересекающей ось орди-

нат. а асимптотически при-

ближающуюся к ней. Если

положить (/?я+У?„)=0, то ха-

рактеристика (см. рис. 7.3)

не будет пересекать и ись

абсцисс. Такая характерис-

тика называется «идеаль-

ной»; выше нее характеристики быть не могут Реальная естест-

венная характеристика пересекает ось абсцисс в точке, соответст-

вующей току короткого замыкания (момент М

). Если учитывать

насыщение двигателя, то при моментах меньших 0,8М

характе-

ристика криволинейна и носиг гиперболический характер; при

больших значениях тока и момента поток вследствие насыщения

становится постоянным и характеристика выпрямляется

Характерной особенностью характеристик двигателя после-

довательного возбуждения является отсутствие точки идеальуfro

холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость двигателя

существенно возрастает, вследствие чего оставлять двигатель без

нагрузки I«допустимо;

Рис 7.3. Есгесгвепная и «идеальна*»

механическая характеристика двшигсля

последовательного возбуждении

Важным достоинством двигателей последовательного воз-

ения является большая перегрузочная способность на низ-

; скоростях. При перегрузке по току в 2,25-2,5 раза двигатель

вивает момент 3,0-3,5 поминального. Это обстоятельство оп-

илило широкое использование двигателей последовательного

'уждения для электрических транспортных средств, где наи-

ыние моме»гты необходимы при троганни с места. Вторым

иым достоинством двигателей последовательного возбужде-

являегся отсутствие источника питания .сипя цепи возбужде-

я двигателя.

Искусственные механические характеристики могут быть

^•чены тремя способами: включением добавочного сопротнв-

пия в цепь якоря, изменением величины питающего напряже-

я и шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлеии-

При введении добавочного сопротивления в цепь якоря же-

хость механических характеристик уменьшается и уменьшается

чение М, (см.рис.7.4). Этот способ регулирования использует-

при пуске двигателя, когда ступени сопротивления перемыка-

тся пусковыми контакторами. На рис.7.4. показаны пусковые

_ктеристики, соответствующие двухступенчатой схеме пуска,

ктельная работа на реостатных характеристиках сопряжена со

тчителытыми потерями энергии в сопротивлениях

Наиболее экономичным способом регулирования скорости

игателя последовательного возбуждения является изменение

ичины подводимого к двигателю напряжения. Механические

*~актерисгнки, соответствующие этому способу регулирования,

показаны на рис.7.5. По мере уменьшения напряжения они сме-

IS?c

7 4

p£Oc:«niwr мпанинсскис

тсрктски джш лека посдсдпмгелинл

•нлбуяиеюи

Рнс.7.5. Мехалнчссхис характеристик»

диигителя пос-сдоэагспиюгс вотбужлвиия

лрн тыеиенич питающею «априжеян*

щаются вниз от естественной характеристики. Внешне искусст-

венные характеристики при регулировании изменением напряже-

ния схожи с реостатными характеристиками, однако, есть суще-

ственная разница в тгих способах регулирования. Реостатное ре-

гулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопро-

тивлениях, а при регулировании изменением напряжения допол-

нительные потери отсутствуют

Двигатели последо-

вательного возбуждения

часто получают питание от

сети постоянного тока или

источника постоянного то-

ка с нерегулируемой вели-

чиной напряжения Регули-

рование напряжения на за-

жимах двигателя в этом

Случае целесообразно про-

изводить способом широг-

но-импульсного регулирования, который был рассмотрен в §6.3.

Упрощенная схема регулируемого электропривода с двигателем

постоянного тока последовательного возбуждения и широтно-

нмпульсным регулятором напряжения показана на рис.7.6.

Изменение потока возбуждения в рассматриваемых двигате-

лях возможно, если зашунгировать обмотку якоря сопротивлени-

ем (см рис.7.7а). В этом случае ток возбуждения будем равен

т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от на-

грузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства дви-

гателя смешанного возбуждения: независимого и последователь-

ного. Благодаря независимому возбуждению механические ха-

рактеристики приобретают большую жесткость и пересекают ось

ординат. Примерные механические характеристики для этого

способа регулирования показаны на рис.7.76. Шунтирование яко-

ря позволяет получить устойчивую пониженную скорость при

отсутствии нагрузки на валу двигателя. В данной схеме возможен

переход двигателя в режим рекуперативного торможения пм

скорости (о >09Q, или ш>о)

. Существенным недостатком рас-

сматриваемого способа регулирования является его неэкономич-

ность, обусловленная большими потерями энергии в шунгирую-

шем сопротивлении.

Рис.7.6. Схема регулируемого электро-

привода с двигателем постоянного тока

поелсломтельного возбуждения и шнротно-

имаульеммм регулятором напряженна

LM V

Run hi,

а)

\ Ч>01>

. \естеств

xJJwixBiir*

<«>02

J4.

б)

|,7,7 Схема

механические характеристики двигателя послсломтешюго возбуждения

при шукгироыши обмотки «кори

Для двигателей последовательного возбуждения характерны

режима торможения: противовключением и динамический. В

1ме нротивовключения необходимо включение добавочного

угивления в цепь яко-

двигагсля. На рис.7.8

паны механические

стеристикн лдя двух

шнтов режима проти-

Йслючения Характерис-

1 получается, если

работе двигателя в на-

1снии «вперед» (точ-

«в») изменить на-

1ение тока в обмотке

Суждения и одновре-

1но ввести в цепь дви-

•ля добавочное сопро-

:ние. При этом двн-

!ль переходит в режим

шовключения в гочке «а» с тормозным моментом М

т/>ри

, под

гвием которого будет происходить торможение двигателя.

Второй случай режима нротивовключения возникает в ре-

жиме «протягивающего груза», когда в грузоподъемных меха-

»мах производится спуск груза, а для подтормаживания

/Скаемого груза двигатель включается в направлении ею

ьема. Прн этом благодаря тому, что в цепь двигателя

>чено большое добавочное сопротивление (которому

ггетвует характеристика 2), двигатель под действием мо-

га, создаваемого грузом, врашается в обратном направлении и

?т работать в точке «б», в которой активный статический

>меит М.

ТУН

, уравновешивается тормозным моментом двигателя.

-ш

Рие.7.8 Механические характеристики

явигатетя последовательного 1кибу.адения я

режиме протнвомепоченкя

работающего в режиме противовключения. Режим протн-

вовключепия сопряжен со значительными потерями энергии в

цепи двигателя и добавочного сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей

последовательного возбуждения возможен в двух вариантах. В

первом якорь двигателя замыкается на сопротивление, а

обмотка возбуждения питается от сети через добавочное

сопротивление. Характеристики двигателя в этом режиме

подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения

в режиме динамического торможения.

Рис.7.9. СхсМв динамического торможения

дпнтателя послеяопательпого возбуждения

Рис.7.10. Механические харак-

теристики двигателя последо-

вательною возбуждения в ре-

жиме динамического торможе-

ния с самовозбуждением

Во втором варианте, схема ко-

торого показана на рис.7.9, дви-

гатель работает как генератор с

самовозбуждением Особенность

данной ехе.мы состоит в том, что

необходимо при переходе из дви-

гательного режима в режим дина-

мического торможения сохранить

направление тока в обмотке возбуждения во избежание

размагничивания машины. При размыкании контактора КМ ток в

обмотке возбуждения становится равным нулю, но, так как

магпитопровод машины был намагничен, то сохраняется

остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке

якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под действием

которой при замыкании контактов KB в цепи: обмотка якоря -

обмотка возбуждения сопротивление R протекает ток, и

машина самовозбуждается. Этот процесс происходит, если

скорость двигателя будет больше граничной скорости

Механические характеристики в режиме динамического

торможения с самовозбуждением показаны на рис.7.10

Режим рекуперативного торможения в обычной схеме вклю-

|шя двигателя последовательного возбуждения невозможен.

его осуществления необходимо шунтирование якоря двнга-

;я, либо применение отдельной дополнительной обмотки пеза-

Ьимого возбуждения.

7.2. Двигатель постоянного тока последовательного

возбуждения как динамическое звено

j При анализе динамических свойств двигателя постоянного

л последовательного возбуждения следует учитывать, что по-

двигателя изменяется во всех переходных режимах. При из-

Нении потока в магнитопроводе наводятся вихревые токи, ока-

щие демпфирующее действие на изменение магнитного

ка. Контур вихревых токов описывается уравнением

Лф

= 7

Я -fH'^ — (7.6)

ап\ rm рт ^

где; w

- условное число витков контура.

Уравнение цепи двигателя:

£ + (7.7)

сit dt

Поток двигателя создается током в обмотке возбуждения

Г= /

и вихревым током 1

ят

[ На базе уравнений (7.6, 7.7, 7.8) после их преобразования [I-

рожно составить упрошенную (без учета насыщения магнито-

вода) структурную схему двигателя последовательного воз-

;ения - рис.7.11. В этой схеме

... _KJV.

= кФсо+

1,Я

+1,

+ 7>Щ,.

' м 1

ЛР

Чх

J—<s> •*•

ЛР

Рис

7 11

Упрошенная струит>рная схема дшшттеля постоянного го «л

последовательного «побуждения

Более точная структурная схема приведена в [1-2]. Посколь-

ку данная схема является нелинейной, т.к. содержит произведе-

ния переменных, то аналитическое определение передаточных

функций двитйтеля последовательного возбуждения затруднено.

Дня анализа переходных процессов в двигателе следует пользо-

ваться методами компьютерного моделирования.

Глава

Я.

Вентильный двигатель

8.1. Принцип работы вепз ильного двигателя

Под вс1ггильным двигателем понимают систему регулируе-

мого электропривода, состоящую из электродвигателя перемен-

ного тока, конструктивно подобного синхронной маните, вен-

тильного преобразователя и устройств управления, обеспечи-

вающих ком.мупшню цепей обмоток электродвигателя в зависи-

мости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентиль-

ный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором

посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток

обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Двигателям постоянного тока присущи серьезные недостат-

ки, обусловленные, главным образом, наличием щеточно-

коллекторного аппарата,

1. Недостаточная надежность коллекторного аппарата, не-

обходимость его периодического обслу живания.

2. Ограниченные величины напряжения на якоре и, следова-

тельно, мощности двигателей постоянного тока, что ограничива-

ет их применение для высокоскоростных приводов большой

мощности

3. Ограниченная перегрузочная способность двигателей по-

стоянного тока, ограничение темна изменения тока якоря, что

существенно для высокодинамичных электроприводов.

В вентильном двигателе указанные недостатки не проявля-

ются, поскольку здесь щеточно-коллекторный коммутатор заме-

нен бесконтактным коммутатором, выполненным на тиристорах

(для приводов большой мощности) или на транзисторах (для при-

водов мощностью до 200кВт). Исходя из этого, вентильный двц»

гатель, который конструктивно выполняется на базе синхронной

машины, часто называют бескотдктным двигателем постоянного

тока. По управляемости вентильный двигатель также подобен

двигателю постоянного тока —его скорость регулируется измене-