Дементьев Ю.Н., Чернышев А.Ю., Чернышев И.А. Автоматизированный электропривод (учебное пособие)

Подождите немного. Документ загружается.

15,12

1,18

220

дв.гор

дв.н

кз



I А.

Рассчитанные статическая естественная электромеханическая и

механическая характеристики двигателя приведены на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Статические характеристики двигателя постоянного тока не-

зависимого возбуждения: а – электромеханические; б - механические

 Допустимый ток двигателя

А264,8066,244

дв.ндоп











II .

Вывод. Естественная электромеханическая характеристика двига-

теля не обеспечивает ограничение пускового тока на допустимом уров-

не. Как следствие пуска двигателя прямым включением в сеть – неудов-

летворительная коммутация на коллекторе и выход коллектора из строя.

Пример 3.2. Для двигателя постоянного тока типа П-11У4 рас-

считать и построить динамическую механическую характеристику. Ос-

новные параметры двигателя приведены в примере 3.1.

Динамическую механическую характеристику построить при мо-

менте сопротивления на валу двигателя мН 2





M .

Решение.

В динамике двигатель постоянного тока независимого возбужде-

ния описывается системой уравнения (3.12):

LRiEU

двдв.гор

 ;







;

JMM

двс

 ;

icM





дв

рад



мН 



рад

200

0 5 10 15

200

100

50 10 15

100

При подстановке в систему уравнений численных значений пара-

метров, получим:

iE 248,01,18220  ;







162

;

0031,02 





162,1

дв

(3.22)

Динамическая механическая характеристика пуска двигателя по-

стоянного тока независимого возбуждения прямым включением в сеть,

рассчитанная в программной среде MathCAD, приведена на рис. 3.6.

Анализ графика динамической механической характеристики по-

казывает, что максимальное значение пускового момента составляет

5,10

пуск.max



M Н·м.

Учитывая, что ток якоря двигателя независимого возбуждения

пропорционален его моменту, найдем максимальный пусковой динами-

ческий ток якоря

036,9

162,1

5,10

пуск.max



I А.

Рис. 3.6. Графики статической 1 и динамической 2 характеристик пуска

двигателя постоянного тока независимого возбуждения прямым включением

в сеть

Максимальный пусковой динамический ток превышает предельно

допустимый ток якоря двигателя по условиям коммутации

А264,8

доп



I , однако он существенно меньше тока короткого замыка-

ния 15,12

КЗ



I А. Отмеченная особенность уменьшения пускового ди-

намического тока двигателя независимого возбуждения позволяет элек-

трические машины мощностью до 200 Вт пускать прямым включением

в сеть без принятия мер токоограничения.

100

150

Нм



рад

3.4. Регулирование скорости двигателя постоянного тока

независимого возбуждения. Общие положения

Регулированием скорости электродвигателя называется принуди-

тельное изменение скорости в зависимости от требований технологиче-

ского процесса. Основными показателями, характеризующими различ-

ные способы регулирования скорости электродвигателя, являются:

 диапазон регулирования скорости;

 плавность регулирования скорости;

 погрешность регулирования скорости;

 направление регулирования скорости;

 допустимая нагрузка двигателя.

Под диапазоном регулирования скорости электропривода будем

понимать отношение средних: максимальной

ср.max

ω и минимальной

ср min.

ω скорости электропривода при заданном диапазоне изменения

нагрузки на валу двигателя.

ср.min

ср.max



D . (3.23)

Плавностью регулирования скорости электропривода называется

отношение разности двух соседних значений скорости

ω и ω

ii

элек-

тропривода к ее номинальному значению

пл

ωω





. (3.24)

Погрешностью поддержания скорости электропривода называет-

ся отношение приращения скорости электропривода при изменении на-

грузки от нуля до номинальной, к скорости при номинальной нагрузке

ωω



 , (3.25)

где

ω – скорость идеального холостого хода,

рад

;

– скорость

при номинальной нагрузке.

Направление регулирования скорости, то есть уменьшение или

увеличение ее по отношению к номинальной скорости, зависит от спо-

соба регулирования скорости.

Допустимой нагрузкой двигателя называется наибольшее значе-

ние момента, который двигатель способен развивать длительно при ра-

боте на регулировочной характеристике. Определяется нагревом двига-

теля и зависит от способа регулирования скорости.

3.5. Регулирование скорости двигателя постоянного тока

независимого возбуждения с помощью резисторов в цепи

обмотки якоря

Схема силовых цепей двигателя постоянного тока независимого

возбуждения при регулировании скорости изменением сопротивления в

цепи обмотки якоря приведена на рис. 3.7. Схема содержит обмотку

якоря двигателя

, два последовательно включенных добавочных со-

противления

д1

R и

д2

R , которые шунтированы замыкающими контак-

тами

. Обмотка возбуждения двигателя

питается от

отдельного источника напряжения

ов

U .

Регулирование скорости двигателя осуществляется при номи-

нальном потоке возбуждения

Ф и номинальном напряжении обмотки

якоря

U . Следовательно, электромагнитный момент двигателя про-

порционален току якоря и механические и электромеханические харак-

теристики будут совпадать в относительных единицах, поэтому анализ

искусственных характеристик будем производить на примере электро-

механических характеристик.

Рис. 3.7. Схема силовых цепей двигателя при регулировании

скорости изменением сопротивления в цепи обмотки якоря

Анализ искусственных электромеханических характеристик бу-

дем производить относительно базовой естественной характеристики

рис. 3.8. Так как уравнение электромеханической характеристики –

уравнение прямой, то для ее анализа достаточно знать поведение двух

точек. Эти точки могут быть любыми, принадлежащим уравнению (3.3)

ддв

ФФ











однако наиболее просто анализ проводится, если эти две точки лежат на

осях координат.

При токе обмотки якоря равном нулю



, двигатель вращается

со скоростью идеального холостого хода









д2



д1

1KM 2KM





ов

Рис. 3.8. Реостатные характеристики двигателя

постоянного тока независимого возбуждения

Скорость идеального холостого хода не зависит от добавочного

сопротивления якорной цепи и для данного способа регулирования ско-

рости остается постоянной. Следовательно, все искусственные электро-

механические характеристики двигателя независимого возбуждения вы-

ходят на оси ординат из одной точки с координатами



;

ω .

При скорости равной нулю





по обмотке якоря двигателя про-

текает ток короткого замыкания

ддв

кз



 . Ток короткого замыка-

ния обратно пропорционален сопротивлению цепи обмотки якоря и

уменьшается с увеличением этого сопротивления. Этим свойством

пользуются для ограничения бросков тока якоря при пусках двигателя

независимого возбуждения в релейно-контакторных схемах управления.

Семейство реостатных электромеханических характеристик при-

ведено на рис. 3.8.

Реостатное регулирование скорости, как правило, ступенчатое и

только с двигателями малой мощности возможно плавное регулирова-

ние скорости при включении в цепь якоря двигателя переменного рео-

стата.

Регулирование скорости производится под нагрузкой. Направле-

ние регулирования скорости – вниз от естественной характеристики.

Установившиеся значения скорости

iу

ω под нагрузкой

I уменьшаются

с увеличением добавочного сопротивления в цепи обмотки якоря.

Диапазон регулирования скорости при номинальной нагруз-

ке





Погрешность регулирования скорости возрастает с увеличением

добавочного сопротивления в цепи обмотки якоря.

Регулирование скорости сопровождается потерями мощности в

добавочных сопротивлениях цепи обмотки якоря.

кз

у1

у2

уе

д2д1

RR 

д1

R

аяЕстественн

3.6. Регулирование скорости двигателя постоянного тока

независимого возбуждения изменением напряжения

обмотки якоря

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимо-

го возбуждения изменением напряжения обмотки якоря возможно в том

случае, когда обмотка якоря питается от отдельного преобразователя П

рис. 3.9. Преобразователь может иметь любую физическую природу, то

есть может быть электромашинным, электромагнитным, полупроводни-

ковым.

Рис. 3.9. Схема силовых цепей двигателя при регулировании

скорости изменением напряжения в цепи обмотки якоря

Обмотка возбуждения

двигателя питается от отдельного ис-

точника постоянного напряжения

ов

U и создает номинальный поток

Ф .

Напряжение на выходе преобразователя определяется уравнени-

ем:

RIEU







, (3.26)

где

E – ЭДС преобразователя, В;

R – внутреннее сопротивление пре-

образователя, Ом.

Так как обмотка якоря двигателя включена непосредственно на

выход преобразователя, то напряжение на обмотке якоря равно напря-

жению на выходе преобразователя:



. (3.27)

На основании (3.27) приравняем правые части уравнений (3.26) и

(3.1), с учетом (3.2) и того, что добавочное сопротивление в цепи об-

мотки якоря двигателя отсутствует 0



R , получим:

двнпп

ωФ RIkRIE













. (3.28)

Решив (3.28) относительно

получим уравнение электромехани-

ческой характеристики двигателя постоянного тока независимого воз-

буждения управляемого по цепи обмотки якоря изменением напряже-

ния, работающего в системе преобразователь – двигатель:



Сеть





ов

пдв

ФФ











. (3.29)

Решив (3.4) относительно тока якоря двигателя

и подставив его

в (3.29), получим уравнение механической характеристики двигателя

постоянного тока независимого возбуждения управляемого по цепи об-

мотки якоря изменением напряжения, работающего в системе преобра-

зователь – двигатель:

 

пдв











(3.30)

Анализ (3.29) и (3.30) показывает, что скорость идеального холо-

стого хода





изменяется пропорционально ЭДС преобразова-

теля

E , а жесткость характеристик уменьшается по отношению к есте-

ственной характеристике, так как коэффициент

пдв

Ф



при аргументе

увеличивается из-за добавочного сопротивления преобразователя

R .

Электромеханические и механические характеристики в относи-

тельных единицах совпадают. Электромеханические характеристики

для данного способа регулирования приведены на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Электромеханические характеристики двигателя постоянного

тока независимого возбуждения управляемого по цепи обмотки якоря

изменением напряжения

Электромеханические характеристики параллельны друг другу,

большему ЭДС преобразователя соответствует большая скорость иде-

ального холостого хода

ω .

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимо-

го возбуждения изменением напряжения обмотки якоря плавное, коэф-

фициент плавности 1

пл





0е

аяЕстественн

нп

UE 

п3

п2

п1

Диапазон регулирования скорости в замкнутых системах регули-

рования



1:10000 и более.

Направление регулирования скорости – вниз от естественной ха-

рактеристики. Установившиеся значения скорости

iу

ω снижаются с

уменьшением напряжения обмотки якоря.

Погрешность регулирования скорости возрастает с уменьшением

напряжения обмотки якоря и на нижних регулировочных характеристи-

ках может достигать



относительных единиц.

Регулирование скорости производится с высоким КПД, дости-

гающим значений



в электроприводах с транзисторными и ти-

ристорными силовыми преобразователями.

3.7. Регулирование скорости двигателя постоянного тока

независимого возбуждения изменением потока возбуждения

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимо-

го возбуждения изменением потока возбуждения производится в мало-

мощной цепи обмотки возбуждения, что облегчает и удешевляет аппа-

ратуру управления. Схема силовых цепей электропривода приведена на

рис 3.11. Обмотка якоря двигателя

питается от отдельного источни-

ка напряжения

. Обмотка возбуждения

двигателя подключена к

полууправляемому выпрямителю, состоящему из диодов

...

Рис. 3.11. Схема силовых цепей

электропривода при регулирова-

нии скорости двигателя постоян-

ного тока независимого возбужде-

ния изменением потока возбужде-

ния

тиристора

. Такая схема регулирования напряжения обмотки возбу-

ждения применяется для двигателей мощностью до 100 кВт.

Регулирование скорости при использовании этого способа осуще-

ствляется уменьшением потока возбуждения. Это связано с тем, что

увеличение потока возбуждения требует роста напряжения на обмотке

возбуждения выше номинального, а это в свою очередь может привести

к пробою изоляции обмотки. Кроме того, номинальный поток

Ф об-

мотки возбуждения близок к потоку насыщения магнитной цепи элек-



Сеть







3...1 VDVD

1VS

тродвигателя (см. рис. 3.12, кривая 1) и увеличение тока намагничива-

ния не приводит к существенному росту потока возбуждения.

Рис. 3.12. Универсальная кривая намагничивания

двигателя постоянного тока

Так как при данном способе регулирования поток возбуждения не

равен номинальному, то электромеханические и механические характе-

ристики двигателя независимого возбуждения не будут совпадать, даже

построенные в безразмерных единицах.

Анализ искусственных электромеханических характеристик про-

ведем относительно базисной естественной электромеханической ха-

рактеристики по двум характерным точкам. Скорость идеального холо-

стого хода, определяемая по (3.6), обратно пропорциональна потоку

возбуждения:







Таким образом, с уменьшением потока возбуждения скорость

идеального холостого хода будет увеличиваться.

При скорости равной нулю остается постоянным ток короткого

замыкания:

дв

кз

I  .

Следовательно, все электромеханические характеристики на оси абс-

цисс сходятся в одной точке

кз

I . Искусственные электромеханические

характеристики при регулировании скорости двигателя постоянного то-

ка независимого возбуждения изменением потока возбуждения приве-

дены на рис. 3. 13, а.

вн

I 



Ф 



.о.е

5,0

0,1

.о.е





ост

Механические характеристики имеют те же скорости идеального

холостого хода, что и электромеханические. Пусковой момент двигате-

ля, определяемый по выражению

кз

Ф IkM





будет уменьшаться с уменьшением потока возбуждения.

Искусственные механические характеристики приведены на рис.

3. 13, б. Там же отмечены точки установившейся работы при номиналь-

ном токе якоря.

Рис. 3.13. Характеристики двигателя постоянного тока независимого

возбуждения при регулировании скорости изменением потока возбуждения: а

– электромеханические; б – механические

Способ регулирования применяется для механизмов, работающих

с постоянной мощность.

Регулирование скорости плавное, коэффициент плавности

пл





Диапазон регулирования скорости обычно небольшой



Это связано, прежде всего, с качеством балансировки электрических

машин. Для двигателей специального назначения с качественной балан-

сировкой якоря и прецизионными подшипниками диапазон регулирова-

ния может быть расширен до значений

, однако, увеличение диапа-

зона регулирования сопровождается ухудшением коммутации на кол-

лекторе двигателя.

Направление регулирования скорости – вверх от естественной ха-

рактеристики. Установившиеся значения скорости

iу

ω увеличиваются с

уменьшением напряжения на обмотке возбуждения.

Погрешность регулирования скорости определяемая по (3.25)

уменьшается с уменьшением потока возбуждения.

Регулирование скорости производится с высоким КПД, так как

потребление энергии при регулировании скорости уменьшается за счет

снижения напряжения на обмотке возбуждения.

0е

кз

нс

II 

аяЕстественн

н12

ФФФ 

0е

пе

н12

ФФФ 

п2

п1

а б