Какие режимы работы электроприводов вам знакомы

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Как отмечалось в главе 4, в процессе электромеханического преобразования электрической энергии происходят тепловые потери, вызывающие нагрев электродвигателя. При этом температура электродвигателя зависит от исполнения, условий охлаждения и характера изменения нагрузки на валу, то есть режима работы электропривода. Различают восемь режимов работы электроприводов, обозначаемых буквой S с цифрой, указывающей номер режима. Все режимы работы связаны с тепловыми процессами, протекающими в электродвигателях. Выпускают электродвигатели общего применения на три режима от S1 до S3.

Длительный режим работы (S1). В этом режиме время работы ^_а6 достаточно велико и двигатель достигает установившегося значения температуры превышения Ху над окружающей средой. Иными словами, время работы /_раб больше или равно трем-четырем постоянным времени нагрева 7_нагр электродвигателя. В качестве примера можно назвать двигатели вентиляторов, насосов и т. п., где период работы измеряется часами, сутками. График изменения превышения температуры для постоянной нагрузки приведен на рисунке 5.1.

При этом важно, чтобы установившаяся температура двигателя не превышала допустимую для каждого класса изоляции температуру. Различают семь температурных классов.

Класс изоляции Y А Б В F Н С

Допустимая температура, ‘С 90 105 120 130 150 180 > 180

Если в процессе эксплуатации температура обмоток двигателя не превышает допустимой для данного класса, то срок ее службы достигает 15. 20 лет.

Ориентировочно срок службы изоляции Т в зависимости от длительно действующей температуры 0, год

где D — эмпирический коэффициент, например, для класса изоляции А ?)= 7,15-10 4 ; а — коэффициент, характеризующий влияние температуры на старение изоляции, например, для класса изоляции А„ = 0,088.

Из приведенной формулы следует, что для класса изоляции А превышение на 8 °С сверх допустимой снижает срок службы в 2 раза. За температуру окружающей среды принимают стандартные значения 0_О1ф._ст = 40 °С. При этом работа двигателя с номинальной мощностью не вызывает нагрева обмоток до температуры,

Рис. 5.1. Номинальный режим S1:

Ту — установившаяся температура превышения двигателя; Р— мощность на валу; АР— тепловые потери

Рис. 5.2. Номинальный режим S2

Рис. 5.3. Номинальный режим S3

превышающей предельно допустимую для данного класса изоляции 0д_оп.

Кратковременный режим работы (S2). Этот режим характерен тем, что рабочий период недостаточен по длительности, чтобы двигатель достиг установившегося значения температуры превышения, а пауза так велика, что двигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды. Такой режим работы присущ двигателям в приводах разводных мостов, шлюзов, зажимов колонн металлорежущих станков. Диаграмма изменения х для кратковременного режима работы приведена на рисунке 5.2.

По ГОСТу стандартные длительности кратковременной работы электродвигателей составляют: 15, 30, 60 и 90 мин. При несовпадении реальной продолжительности работы со стандартной пересчитывают потери в двигателе, приводя к стандартной длительности.

Повторно-кратковременный режим работы (S3). Данный режим занимает промежуточное положение между режимами S1 и S2 и характерен тем, что в рабочий период /_раб двигатель не успевает достичь установившегося значения температуры превышения т_у, а во время паузы /_пауз он не может охладиться до температуры окружающей среды (рис. 5.3). Время цикла t_u = /_раб + /_пауз не должно превышать 10 мин. Продолжительность включения (ПВ%) двигателя

Стандартная продолжительность включения составляет 15; 25; 40; 60 %.

В повторно-кратковременном режиме работают двигатели электроприводов механизмов кранов, лифтов, некоторых металлорежущих станков.

Режимы S1. S3— основные. Номинальные данные на них включают в паспорт машины. Режимы S4 и S5 — разновидности повторно-кратковременного режима, для них характерны частые пуски и отключения, причем в режиме S4 торможение реализуют двигателем, а в S5 с помощью механического тормоза или только трения (при выбеге); в режиме S6 чередуется работа двигателя под нагрузкой и на холостом ходу; в режиме S7 цикл работы состоит из рабочего участка с постоянной нагрузкой и реверса (с допустимой частотой реверсов в час); перемежающийся режим S8 имеет в каждом цикле работы две и более скоростей с переходом от одной скорости к другой в режиме разгона или торможения двигателя.

Условия нагрева машин для рассмотренных случаев, как видно из приведенных диаграмм, неодинаковы, что обусловило различие в методах выбора мощности электродвигателя в зависимости от его режима работы.

Рациональный выбор мощности электродвигателя имеет важное хозяйственное значение, поскольку двигатель заниженной мощности не сможет обеспечить номинальную производительность рабочего механизма и вследствие перегрева обмоток преждевременно выйдет из строя. Напротив, двигатель завышенной мощности будет недоиспользован и это приведет к повышенным капитальным затратам и возрастанию потерь энергии из-за снижения КПД и коэффициента мощности двигателя. Важность этого вопроса наиболее отчетливо видна, если учесть, что электродвигатели практически вытеснили во всех областях хозяйства другие виды двигателей. В основу правильного выбора мощности электродвигателя положены следующие требования: обеспечение заданной производительности механизма, соблюдение нормального теплового режима и допустимой механической перегрузки двигателя.

ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Теперь можно перейти к различным режимам работы привода. К ним можно отнести двигательный режим и режим торможения. Например, при подъеме груза привод работает в двигательном ре­жиме, при спуске — в режиме торможения. В теории электропри­вода анализируются работа двигателя при разных знаках момента нагрузки и направления вращения. Для этого используются коор­динаты механических характеристик (см. рис. 20,6), выражающих зависимость частоты вращения от момента, развиваемого двигате­лем.

На рис. 27 показаны возможные режимы работы двигателя в зависимости от типа преобразователя и фазы нагрузки. На рис. 27, а в первом квадранте показан тиристорный преобразо­ватель, питающий двигатель постоянного тока. Двигатель имеет, например, вращение по часовой стрелке, энергия идет от преобра­зователя к двигателю, преобразователь работает в выпрямитель­ном режиме, двигатель М работает в двигательном режиме, энер­гия берется из сети и через преобразователь поступает в двига­тель. Ясно, что аналогично привод будет работать в 111 квадран­те, но вращаться двигатель будет против часовой стрелки.

На рис. 27, б показан двухквадрантный привод, где преобра­зователь нереверсивный. В этом случае в / квадранте привод бу­дет работать точно так же, как и в первом случае, а во II (тор­мозном) квадранте (после контактного реверса преобразователя в режиме спуска груза) источником энергии является груз, вра­щающий двигатель, и поэтому энергия может возвращаться в сеть.

На рис. 27, в показан нереверсивный четырехквадрантный при­вод. В / и II квадрантах происходят те же явления, что и в двух­квадрантном приводе. Если же сделать переключение в цепи яко­ря так, как показано в левой части рисунка, мы попадем в III и IV квадранты. При этом тормозной режим соответствует IV квад­ранту, двигательный — IIL Рекуперация энергии происходит в IV квадранте, где двигатель имеет правое вращение, а потребле­ние энергии из сети происходит в III квадранте, где двигатель име­ет левое вращение. Таких же результатов можно достичь путем реверса тока возбуждения (см.111 и IV квадранты, рис.27,г).

До сих пор мы рассматривали нереверсивный тиристорный пре­образователь, характерной особенностью которого является нали­чие одной группы тиристоров. Четырехквадрантный привод для станков с ЧПУ имеет две группы тиристоров. При работе одной группы двигатель имеет левое вращение, при работе другой — пра­вое. На рис. 27, д показана работа привода в четных квадрантах

Рис. 27. Работа электропривода в четырех квадрантах механических харак­теристик:

д — однокваярантный привод; б — двушвадрантяый привод; в — четырехквадрантный привод; г — четырехвадраншый привод с реверсом в цепи возбуждения с одной группой тиристоров; д — четырехквадр&нтный реверсивный привод с двумя группами тиристоров С раздельным управлением; е — четырехквадранфный реверсивный привод с двумя группа­ми тиристоров с согласованным управлением

механических характеристик. Двигательный режим имеет место в / и III квадрантах, тормозной і— во II и IV. Одна группа тири­сторов работает в / и II квадрантах, другая — в III и IV. Направ­ление вращения двигателя, знак момента, направление энергии показано стрелками. В данном случае применяется схема раздель­ного управления группами тиристоров, т. е. одновременно обе группы работать не могут. Однако до сих пор встречаются схемы

Рис. 28. Схема электропривода для

работы в режиме позиционирования

согласованного управления (рис. 27, е). Из рисунка видно, что для данной системы привода характерен инверторный режим работы во всех четырех квадрантах механических характеристик. Это зна­чит, что если одна группа работает в выпрямительном режиме, другая отдает (инвертирует) энергию обратно в сеть.

Остановимся на других режимах работы электропривода. Сре­ди них в первую очередь следует остановиться на режимах пози­ционирования и слежения. Например, для автоматизации процес­са сверления печатных плат создан электропривод, отличитель­ной особенностью которого является датчик положения на валу двигателя. Благодаря этому датчику обычный электропривод по­лучает новое качество — он может точно отрабатывать заданный угол поворота вала двигателя. В зависимости от вида датчика точ­ность угла поворота изменяется от 1° до 1′. Как же работает та­кой привод? Как дается сигнал на остановку двигателя при до­стижении его валом заданного угла поворота?

Вспомним, что остановке двигателя соответствует нулевое зна­чение задающего напряжения. Эта задача решается путем уста­новки на конце вала (рис.28) потенциометра обратной связи (ПОС). Если задающий потенциометр (3/7) повернуть на какой — то угол, на входе привода появится сигнал, например 5 В, и дви­гатель начнет вращаться. Одновременно начнет вращаться ПОС. Как только он выдаст те же 5 В, напряжение на входе преобра­зователя (сигнал рассогласования ДU) станет равным нулю и при­вод автоматически остановится. Ясно, что если задать при помощи ЗП напряжение 7 В — угол поворота увеличится, если задать 2 В — уменьшится. Для достижения высокой точности отработки заданного угла вместо потенциометров применяют фотоимпульс — ные и другие конструкции датчиков. Но принцип действия оста­ется тем же. Если такому приводу задать программу, состоящую из серии координатных отрезков, соответствующих расстоянию между отверстиями печатной платы, станет ясной работа электро­привода в режиме позиционирования. Он устанавливает плату от­носительно сверла так, чтобы просверлить отверстие в нужном месте. После окончания сверления плата вновь перемещается, вновь происходит сверление и т. д. Так как отверстия могут рас­полагаться в любом месте печатной платы, то одновременно рабо­тают два привода. Один смещает плату, например, по оси X, дру­гой — по оси У.

например, в соответствии с программой устройства ЧПУ. В ре­зультате вал двигателя «повторяет» или «следит» за поворотом ЗП. Таким образом, в следящем режиме имеет место отставание движения двигателя от командного перемещения задающего ор­гана. Это отставание называется скоростной ошибкой. Скорост­ной она называется потому, что с ростом задаваемой частоты вра­щения она увеличивается и наоборот. Так как наличие скорост­ной ошибки приводит к ухудшению качества и точности обработ­ки, разработаны способы компенсации скоростной ошибки. Один из них рассмотрен ниже при Ьписании электропривода нового по­коления серии ЭТА.

Качество системы автоматического регулирования определяет­ся ее динамическими характеристиками. К ним следует отнести время пуска, торможения и реверса и характер переходного про­цесса. На рис. 29 показаны возможные формы переходных процес­сов при пуске, реверсе и торможении. Кривая изменения скорости может быть колебательной (верхний ряд) и апериодической. Ко­лебательность оценивается числом колебаний до перехода скоро­сти в установившееся состояние. Влияние на форму переходного процесса оказывают параметры коррекции, степень обратной свя­зи по скорости и настройка узла токоограничения. Изменяя пара­метры цепи коррекции, резистора в цепи обратной связи по скоро­сти и кратность пусковых токов относительно номинального, мож­но получить различные формы кривых переходных процессов.

Рассмотрим процессы пуска, реверса и торможения в замкну­той по скорости четырехквадрантной системе автоматического ре­гулирования приводом. В первый момент пуска двигатель стоит, а на вход усилителя подается задающее напряжение. Так как на­пряжение тахогенератора при этом равно нулю, усилитель пол­ностью открывается и к якорю двигателя прикладывается макси­мальное н-апряжение. Он разгоняется, частота вращения тут же на­чинает падать — вступил в работу тахогенератор. После достиже­ния примерного равенства напряжений устанавливается частота вращения, соответствующая ее заданному уровню.

Допустим, нам надо поменять направление вращения на обрат­ное. Для этого необходимо поменять знак задающего напряжения. Это вызывает включение той группы тиристоров, которая враща­ет двигатель в обратном направлении. Так как тахогенератор не­которое время еще вращается в прежнем направлении, напряже­ния задания и тахогенератора в первый момент не вычитаются, а складываются. Благодаря этому, происходит быстрое изменение знака выходного напряжения усилителя. После перехода скорости через нуль начинается пусковой процесс, описанный выше. Для быстрого торможения вращающегося двигателя достаточно от­ключить задающее напряжение, при этом включение тормозящей группы тиристоров осуществляется напряжением тахогенератора. Оно включает ту группу тиристоров, которая вращает двигатель в противоположную сторону. В результате происходит эффектив­ное торможение до момента остановки двигателя, при котором .напряжение тахогенератора принимает нулевое значение.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение).

Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если М_С есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками.

Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).

Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.

УравнениЕ движения электропривода

Электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, создают вращательное движение; значительная часть машин-орудий также имеет вращающиеся рабочие органы; поэтому представляется целесообразным вывод уравнения движения сделать сначала для случая вращательного движения.

В соответствии с основным законом динамики для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения:

В системах электропривода основным режимом работы электрической машины является двигательный. При этом момент сопротивления имеет тормозящий характер по отношению к движению ротора и действует навстречу моменту двигателя. Поэтому положительное направление момента сопротивления принимают противоположным положительному направлению момента двигателя, в результате чего уравнение (4.1) записывается в виде:

Уравнение движения привода (4.2) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент уравновешивается моментом сопротивления на его валу и инерционным или динамическим моментом . В этом уравнении принято, что момент инерции привода является постоянным, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Здесь моменты являются алгебраическими, а не векторными величинами, поскольку оба момента и действуют относительно одной и той же оси вращения.

Правую часть уравнения (4-2) называют инерционным (динамическим) моментом (), т.е.

Этот момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. Из (4.3) следует, что направление динамического момента всегда совпадает с направлением ускорения электропривода.

В зависимости от знака динамического момента различают следующие режимы работы электропривода:

1) , т.е. , имеет место ускорение привода при , и торможение привода при .

2) , т.е. , имеет место замедление привода при , и ускорение при .

3) , т.е. , в данном случае привод работает в установившемся режиме, т.е. .

В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

Выбор знаков перед значениями моментов зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

Наряду с системами, имеющими только элементы, находящиеся во вращательном движении, иногда приходится встречаться с системами, движущимися поступательно. В этом случае вместо уравнения моментов необходимо рассматривать уравнение сил, действующих на систему.

При поступательном движении движущая сила всегда уравновешивается силой сопротивления машины и инерционной силой , возникающей при изменениях скорости. Если масса тела выражена в килограммах, а скорость — в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах ().

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

В (4.4) принято, что масса тела является постоянной, что справедливо для значительного числа производственных механизмов.

Сказанное выше о классификации и знаках моментов полностью справедливо и для сил, действующих на систему.

5 Влияние параметров , , на вид скоростных (механических) характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование скорости вращения двигателя

Регулированием скорости называется целенаправленное принудительное изменение скорости двигателя посредством специального устройства или приспособления, независимо от величины и характера нагрузки, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа механизма. Установленная при регулировании скорость при отсутствии воздействия на регулирующее приспособление в дальнейшем изменяется по механической характеристике электропривода в соответствии с нагрузкой. Регулирование скорости позволяет наиболее рационально использовать производственные механизмы, обеспечить оптимальные режимы их работы и, как правило, уменьшить расход энергии.

Двигатели параллельного возбуждения, питаемые от источника постоянного напряжения, применяются обычно для длительного режима работы, когда требуется широкое регулирование частоты вращения, например для металлообрабатывающих станков, для листоправильных машин в прокатных станах, для главных приводов трубопрокатных станов и т. п.

Выражение скорости вращения двигателя постоянного тока:

показывает, что возможны три принципиально различных способа регулирования угловой скорости двигателя:

1) изменением тока возбуждения (магнитного потока) двигателя;

2) изменением сопротивления цепи якоря посредством резисторов (реостатное);

3) изменением подводимого к якорю двигателя напряжения.

Реостатное регулирование скорости двигателя

Реостатное регулирование скорости электроприводов осуществляется путем изменения активных сопротивлений резисторов, включенных в главные цепи двигателей. При этом для двигателей постоянного тока имеются в виду резисторы, включаемые в цепи обмоток якоря. При регулировании скорости сопротивлением в цепи якоря во всем диапазоне имеем .

видно, что включение добавочного сопротивления в цепь якоря позволяет изменять скорость вниз от скорости идеального холостого хода, при этом жесткость механических характеристик резко уменьшается, особенно при больших значениях добавочного сопротивления (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 — Схема включения и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при реостатном регулировании скорости

Диапазон реостатного параметрического регулирования тока и момента ограничен сверху перегрузочной способностью двигателя по условиям коммутации, а пределы изменения скорости, в которых можно получить заданную точность регулирования, уменьшаются с ростом статической жесткости. Таким образом при условии М_С = const диапазон регулирования обычно не превосходит 13.

Потери мощности при реостатном регулировании пропорциональны потребляемой мощности и перепаду угловой скорости, выраженному в относительных единицах. Так, если момент нагрузки постоянен (следовательно, постоянна потребляемая мощность) и угловая скорость двигателя уменьшается вдвое, то примерно половина мощности, потребляемой из сети, будет рассеиваться в виде теплоты, выделяемой в реостате, т. е. данный способ регулирования (реостатный) является не экономичным.

Реостатное регулирование скорости осуществляется простыми и дешевыми техническими средствами и обычно находит применение в тех случаях, когда требования к плавности регулирования невелики, продолжительность работы с пониженной скоростью незначительна и применение более совершенных методов регулирования экономически нецелесообразно (вентиляторы, дымососы).

Регулирование скорости двигателя изменением питающего напряжения

Для реализации рассматриваемого способа регулирования необходимо иметь источник питания, напряжение, на зажимах которого может изменяться в широких пределах. Для электродвигателей постоянного тока в качестве таких источников используются различного рода управляемые преобразователи электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашинные и вентильные преобразователи. Регулирование напряжением, так же как и реостатное, осуществляется при постоянном потоке двигателя Ф=Ф_н=const. Из уравнения

следует, что с изменением осуществляется регулирование только скорости идеального холостого хода

тогда как жесткость механических характеристик при неизменных параметрах цепи якоря сохраняется. При этом механические характеристики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых, т. е. имеют одинаковую жесткость (как показано на рис. 5.2), что определяет относительно высокую стабильность угловой скорости.

Рисунок 5.2 — Механические характеристики двигателя при изменении питающего напряжения ()

Диапазон регулирования в системах привода без обратных связей ограничивается значением (810):1, а в замкнутых системах может достигать значений 1000:1 и более.

Модуль жесткости механических искусственных характеристик меньше, чем модуль жесткости естественной характеристики. Однако по сравнению с реостатным регулированием при регулировании в зоне низких скоростей модуль жесткости характеристик оказывается значительно большим, что дает возможность существенно расширить диапазон регулирования скорости.

Регулирование угловой скорости осуществляется вниз от основной, так как напряжение, прикладываемое к якорю, в большинстве случаев может изменяться только вниз от номинального (иногда, например, при регулировании угловой скорости двигателя с постоянными магнитами возможно регулирование как вниз, так и вверх от основной скорости — двухзонное).

Оценив технические и экономические показатели параметрического регулирования скорости изменением напряжения, можно прийти к выводу, что высокие технические показатели регулирования скорости покупаются ценой значительного увеличения габаритов и стоимости электропривода. Дополнительные затраты, связанные с введением управляемого преобразователя, полностью окупаются высокой управляемостью системы, обеспечивающей возможность эффективного автоматического управления всеми режимами работы электропривода и точного автоматического регулирования его координат.

Регулирование скорости двигателя изменением потока возбуждения

Этот принцип регулирования следует непосредственно из анализа выражений для скоростной и механической характеристики:

Ток возбуждения, а значит, и поток могут изменяться лишь в сторону уменьшения по сравнению с номинальными, так как по условиям нормальной работы обмотки возбуждения ток в ней не может длительно превосходить номинальную величину. Кроме того, даже кратковременное увеличение оказывается неэффективным, так как в большинстве случаев магнитные цепи электрических машин уже при номинальном потоке близки и насыщению. Следовательно, речь идет лишь о регулировании скорости путем снижения потока или, как принято говорить, путем ослабления потока возбуждения. Основным достоинством рассматриваемого метода регулирования является то, что мощность обмотки возбуждения невелика и составляет, как правило, 25% мощности двигателя. Для машин малой, а иногда и средней мощности обычно используются резисторы в цепи возбуждения (рис. 5.3,а), а для крупных машин — специальные преобразователи, например генераторы, электромашинные усилители, магнитные усилители, регуляторы напряжения, вентильные преобразователи (рис. 5.3,б).

Рисунок 5.3 — Схемы включения двигателя при регулировании скорости изменением магнитного потока

следует, что для того, чтобы при разных потоках эдс была равна одному и тому же номинальному напряжению сети , частота вращения должна увеличиваться обратно пропорционально ослаблению потока. Например, если поток ослаблен вдвое, то частота вращения должна увеличиться также вдвое и т. д.

Электромеханическим характеристикам при изменении тока возбуждения соответствуют различные значения угловой скорости идеального холостого хода, определяемые по:

На рис. 5.4 по оси ординат отложено значение угловой скорости идеального холостого хода для естественной характеристики, когда поток .

Значения угловых скоростей идеального холостого хода при ослабленном потоке и лежат, очевидно, выше .

Рисунок 5.4 — Электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения при регулировании угловой скорости током возбуждения

Все электромеханические характеристики пересекаются с осью абсцисс в одной точке. Последнее следует из того, что при уравнение для любой электромеханической характеристики имеет вид:

откуда определяется ток в якоре двигателя

Следовательно, при различных токах возбуждения и при угловой скорости двигателя, равной нулю, ток в якорной цепи равен току короткого замыкания двигателя. Этим значением тока и определяется общая точка пересечения электромеханических характеристик.

Механические характеристики, показанные на рис. 5.4, имеют те же значения угловых скоростей идеального холостого хода, что и для электромеханических характеристик. Это следует из . Однако эти характеристики не пересекаются в одной точке на оси абсцисс, так как по мере уменьшения потока уменьшается и момент короткого замыкания, определяемый по формуле:

Диапазон регулирования ограничивается различными факторами. Главным из них является ухудшение условий коммутации с возрастанием угловой скорости, поскольку реактивная ЭДС, вызывающая искрение на коллекторе пропорциональна току и угловой скорости, т. е. . Кроме того, при больших угловых скоростях требуется повышать механическую прочность якоря. Нижний предел угловой скорости ограничивается степенью насыщения машины и нагревом обмотки возбуждения, т. е. номинальной угловой скоростью. Большинство двигателей независимого возбуждения, не предназначенных для регулирования скорости, и допускают повышение ее только на 1020%. Двигатели, специально сконструированные для работы с регулированием скорости, дают возможность работать со скоростью, в 35 раз превышающей скорость идеального холостого хода при номинальном значении магнитного потока.

Стабильность угловой скорости при регулировании определяется относительным перепадом угловой скорости при изменении нагрузки. В данном случае при номинальном токе якоря как , поэтому независимо от тока возбуждения относительный перепад сохраняется одним и тем же для естественной и искусственной характеристик, т. е. угловая скорость сравнительно стабильна.

Следует отметить, что ослабление потока однозначно приводит к росту скорости только в том случае, когда момент нагрузки на валу двигателя обратно пропорционален скорости. Если же = const, то увеличение скорости будет иметь место лишь до определенного значении . При дальнейшем снижении потока начнется и снижение угловой скорости, так как в случае = const ослабление потока приводит к увеличению тока якоря , а значит, и к увеличению падения напряжения на сопротивлениях цепи якоря. Начиная с некоторого значения потока в процессе его снижения рост скорости идеального холостого хода идет медленнее, чем уменьшается скорость, обусловленная падением напряжения на .

Оценивая энергетические показатели данного способа регулирования скорости двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, необходимо отметить, что потери в силовой цепи двигателя и его кпд такие же, как и при работе на естественной характеристике. Следует также учитывать, что в связи с относительно малой мощностью цепи обмотки возбуждения по сравнению с номинальной мощностью двигателя затраты на регулировочные устройства (реостаты или преобразователи в цепи обмотки возбуждения) невелики.

Двигатели независимого возбуждения, регулируемые путем ослабления потока, широко применяются для привода механизмов, мощность которых с изменением скорости остается постоянной.

6 Влияние параметров (сопротивление роторной цепи), , f на вид механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым и фазным ротором. Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей

в последние годы с развитием полупроводниковой техники все большее внимание уделяется применению различных систем регулируемых электроприводов переменного тока с асинхронными двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором.

Применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, повышенной надежностью, существенно (в 23 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме того, некоторые способы регулирования угловой скорости не требуют специальных преобразовательных устройств.

Отмечая достоинства двигателей переменного тока, нельзя не обратить внимания на то, что относительно простые способы регулирования угловой скорости электроприводов переменного тока обладают и рядом недостатков, к которым можно отнести в одном случае небольшую плавность, в другом — невысокие энергетические показатели и т. д. Более эффективные способы регулирования осуществляются при помощи сравнительно сложных преобразовательных устройств и средств управления.

Наибольшее распространение получили следующие способы регулирования угловой скорости асинхронного двигателя: 1) реостатное регулирование; 2) переключением числа пар полюсов; 3) частотное регулирование; 4) изменением напряжения на статоре; 5) каскадным включением асинхронного двигателя с другими машинами или преобразователями. Для регулирования угловой скорости, кроме упомянутых, могут быть использованы некоторые другие способы включения электрических двигателей: импульсное регулирование, регулирование изменением подводимого к статору напряжения, регулирование с помощью электромагнитной муфты скольжения и др.

Реостатное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей

Введение резисторов в цепь ротора (реостатное регулирование) позволяет, как и для двигателей постоянного тока, регулировать угловую скорость двигателя. Регулирование осуществляется вниз от основной угловой скорости. Плавность регулирования зависит от числа ступеней включаемых резисторов.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором применяется регулирование скорости путем изменения сопротивлений в цепи ротора, а для двигателей с короткозамкнутым ротором используются сопротивления в цепи статора, как это показано на рис. 6.1

Рисунок 6.1-Схемы включения резисторов в цепь ротора а) и статора б)

Согласно выражениям (6-1) при увеличении активного сопротивления вторичной цепи увеличивается критическое скольжение, и механическая характеристика становится более мягкой (см. рис. 6.2).

Рисунок 6.2 — Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением сопротивления в цепи ротора а) и статора б)

При увеличении скольжения в 2 раза по сравнению с номинальным, т. е. при снижении скорости всего лишь на 815%, допустимый момент уменьшается в 2 раза. По этой причине диапазон регулирования обычно не превышает (1,52):1.

При неизменном моменте нагрузки и реостатном управлении потери мощности в роторной цепи изменяются пропорционально скольжению, а потери в статоре не зависят от скольжения и остаются неизменными при данном моменте нагрузки. Если, например, скорость двигателя снижена вдвое по сравнению с номинальной, то примерно половина всей потребляемой из сети мощности теряется в регулировочных резисторах. Следовательно, с ростом регулировочного сопротивления при одном и том же скольжении снижается к. п. д.

Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии в добавочном сопротивлении и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены.

К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно.

Реостатное регулирование скорости асинхронного двигателя с фазным ротором продолжает находить практическое применение при невысоких требованиях к точности регулирования.

Реостатное регулирование благодаря своей простоте находит практическое применение, например, в приводе подъемно-транспортных устройств, вентиляторов и насосов малой и средней мощности (до 100 кВт).

Регулирование угловой скорости асинхронного электропривода изменением напряжения

Если регулировать напряжение, подводимое к трем фазам статора асинхронного двигателя, то можно, пренебрегая влиянием регулирующего устройства на характеристики двигателя, изменять максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Для изменения напряжения на зажимах статора могут использоваться различные устройства: автотрансформаторы, дроссели насыщения, тиристорные регуляторы напряжения.

В случае ненасыщенной магнитной цепи машины максимальный момент при пониженном напряжении снижается пропорционально квадрату напряжения:

где , — соответственно максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном напряжениях; , — соответственно пониженное и номинальное напряжения.

Критическое скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя.

Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного регулятора напряжения угловая скорость регулируется бесступенчато.

Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре приведены на рис. 6. Из этих характеристик следует, что пределы регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки, но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропривода. В действительности вследствие уменьшения критического скольжения из-за влияния параметров регулирующего устройства пределы регулирования в разомкнутых системах еще уменьшаются.

Так как большие потери мощности скольжения в двигателе с короткозамкнутым ротором выделяются в самом роторе, то допустимый момент резко уменьшается по мере роста скольжения, поэтому такой неэкономичный способ регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно использовать только при малой мощности двигателя и в кратковременном режиме работы.

Рисунок 6.3 — Механические характеристики двигателя с короткозамкнутым ротором при регулировании напряжения на статоре

Лучшее использование двигателя и более благоприятные характеристики могут быть получены, если применить двигатель с фазным ротором, в роторную цепь его включить дополнительный нерегулируемый резистор и регулировать напряжение на статоре (рис. 6.4, а). Механические характеристики для рассматриваемого способа приведены на рис. 6.4, б. Преимущество этого способа по сравнению с реостатным заключается в том, что управление двигателем осуществляется плавно и исключается контактная аппаратура в роторной цепи.

Потери энергии в приводе получаются примерно такими же или несколько больше, как и при реостатном регулировании; потери мощности скольжения в основном выносятся из двигателя и выделяются в дополнительном резисторе, что увеличивает допустимый момент. Этот способ может быть использован при вентиляторной нагрузке для продолжительного режима, а при М_с = const для кратковременного режима работы. Очевидно, что регулирование изменением напряжения может быть осуществлено только вниз от основной угловой скорости.

Механические характеристики (рис. 6.4, б) по мере снижения напряжения становятся мягкими и не обеспечивают стабильности угловой скорости при возможном отклонении нагрузки. Кроме того, наличие постоянно включенного резистора приводит к недоиспользованию двигателя по скорости (угловая скорость всегда меньше номинальной) и по мощности. Повышение стабильности угловой скорости и расширение диапазона регулирования до (510):1 достигается в замкнутых системах.

Рисунок 6.4 — Схема включения двигателя с фазным ротором с нерегулируемым резистором в роторной цепи и регулированием напряжения на статоре (а) и механические характеристики (б)

Для регулирования напряжения используются как тиристорные регуляторы напряжения с фазовым управлением, так и реакторы насыщения, автотрансформаторы и импульсные, например тиристорные или контактные регулирующие устройства.

Если регулирование скорости осуществляется с помощью тиристорного регулятора напряжения с фазовым управлением, то возникают дополнительные потери в двигателе, обусловленные высшими гармониками в кривой напряжения. Потери в меди статора и ротора за счет высших гармоник возрастают в среднем на 10%. Общие электромагнитные потери в меди и стали двигателя, рассчитанные с учетом высших гармоник, возрастают не более чем на 10—12% по сравнению с общими потерями, определенными при синусоидальном напряжении.

При снижении напряжения, подводимого к статору, уменьшается магнитный поток двигателя, что при постоянстве момента нагрузки приводит к возрастанию токов ротора и статора, поэтому возрастают потери и превышение температуры обмоток двигателя. Возрастание потерь и, кроме того, ухудшение условий вентиляции двигателя с уменьшением угловой скорости приводит к необходимости снижения допустимого момента.

Регулирование скорости изменением напряжения, подводимого к статору, находит применение преимущественно при использовании двигателей небольшой мощности (до 2030 кВт) с контактными кольцами при включении дополнительного сопротивления в роторной цепи для механизмов повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы.

Частотное регулирование скорости асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения следует непосредственно из выражения:

Питание асинхронных двигателей осуществляется при этом не от общей сети, а от преобразователя частоты ПЧ, показанного на рис. 6.5, энергия к которому подводится от сети постоянной частоты f_1С и напряжения U_1С. На выходе преобразователя, как правило, меняется не только частота f₁, но и напряжение U₁. Для преобразования частоты могут быть использованы электромашинные или полупроводниковые устройства, различающиеся по принципу действия и конструкции.

Рисунок 6.5 — Схема включения асинхронных двигателей, получающих питание от преобразователя частоты

При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряжения источника питания. Действительно, э. д. с. обмотки статора асинхронного двигателя пропорциональна частоте и потоку:

С другой стороны, пренебрегая в первом приближении падением напряжения на сопротивлениях обмотки статора, т. е. полагая , можно записать:

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания и регулировании его частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. В частности, уменьшение частоты приводит к возрастанию потока и как следствие к насыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и с его недопустимым нагревом. Увеличение частоты приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствии, с выражением приводит к возрастанию тока ротора, т. е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя. Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки.

Регулирование напряжения лишь в функции одной частоты с учетом характеристики механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления.

Регулирование напряжения в функции нагрузки можно осуществить, как правило, лишь в замкнутых системах, в которых при использовании обратных связей напряжение при данной частоте может изменяться в зависимости от нагрузки.

По мере снижения частоты при падает доля э. д. с. по отношению к приложенному напряжению вследствие относительного возрастания падения напряжения в сопротивлении статора с ростом нагрузки, что приводит к уменьшению магнитного потока, а, следовательно, к снижению электромагнитного момента. Как следствие убывания магнитного потока и абсолютного критического скольжения по мере снижения частоты падает максимальный момент и снижается жесткость механических характеристик (см. рис. 6.6).

Рисунок 6.6 — Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении по закону .

Изменение частоты источника питания позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя как выше, так и ниже основной. Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,52 раза. Указанное ограничение обусловлено, прежде всего, прочностью крепления обмотки ротора. Кроме того, с ростом частоты питания заметно увеличиваются величины мощности потерь, связанные с потерями в стали статора. Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осуществляется в диапазоне до 1015. Нижний предел частоты ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости асинхронного двигателя может осуществляться в диапазоне до 20-30. Использование двигателей специальной конструкции дает возможность расширить диапазон регулирования за счет увеличения верхнего предела скорости. Нижний предел скорости может быть уменьшен путем введения в схему управления различных обратных связей.

Если при регулировании частоты напряжение изменяется таким образом, что Ф=const, то допустимый момент на валу асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости также будет неизменным ().

Этот способ регулирования позволяет получить жесткие механические характеристики. Потери мощности при частотном управлении невелики. Это следует из выражения

с учетом того, что двигатель при изменении частоты работает на линейных участках механических характеристик, т. е. при малых скольжениях s. При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования. Важно отметить, что указанные положительные свойства можно реализовать с бесконтактным асинхронным короткозамкнутым двигателем, который является наиболее простым, надежным и дешевым электрическим двигателем.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (например, для центрифуг, шлифовальных станков, для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Основным недостатком электроприводов с частотным управлением является необходимость использования преобразователей частоты, которые в настоящее время характеризуются относительной сложностью по схемному исполнению и высокой стоимостью. Этот недостаток ограничивает применение частотноуправляемых электроприводов. Тем не менее, преимущества этих приводов столь значительны, что на протяжении многих лет и в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию преобразователей частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.

В случае создания приемлемых по сложности и стоимости преобразователей частоты частотноуправляемый привод с асинхронным короткозамкнутым двигателем получит широкое распространение в технике.

Режимы работы электроприводов

Возможные режимы работы электроприводов отличаются огромным многообразием по характеру и длительности циклов, значениям нагрузок, условиям охлаждения, соотношения потерь в период пуска и установившегося движения и т.п., поэтому изготовление электродвигателей для каждого из возможных режимов работы электропривода не имеет практического смысла.

На основании анализа реальных режимов выделен специальный класс режимов —номинальные режимы, для которых проектируются и изготавливаются серийные двигатели.

Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному номинальному режиму и называются номинальными данными электрической машины. Заводы-изготовители гарантируют при работе электродвигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.

Действующим ГОСТ предусматриваются 8 номинальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 — S8.

Продолжительный режим работы S1

— работа машины при неизменной нагрузке достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.

Продолжительный режим работы электродвигателя S1

Кратковременный режим работы S2

— работа машины при неизменной нагрузке в течение времени, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.

Для кратковременного режима работы нормируется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.

Кратковременный режим работы электродвигателя S2

Повторно-кратковременный режим работы S3

— последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:

ПВ = (tр / (tр + tп)) х 100%

Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя S3

Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.

Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду.

Режимы S1 — S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины.

Номинальные режимы S4 — S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних.

Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов S4 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов

S4: tп и tн -время пуска и торможения

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5

Перемежающийся режим работы S6 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу, причем длительность этих периодов такова, что температура машины не достигает установившегося значения.

Перемежающийся режим работы S6: to — время холостого хода

Перемежающийся режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7

Перемежающийся режим с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8

Учет режима работы имеет большое значение при подборе двигателя. Мощности двигателей, указанные в каталогах, приведены для режима S1 и нормальных условий работы, кроме двигателей с повышенным скольжением.

Если двигатель работает в режиме S2 или S3, он нагревается меньше, чем в режиме S1, и поэтому он допускает большую мощность на валу.

При работе в режиме S2 допустимая мощность может быть повышена на 50 % при длительности нагружения 10 мин, на 25 % — при длительности нагружения 30 мин, на 10% — при длительности нагружения 90 мин.