Способы описания функционирования электропривода

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ИХ ВРАЩЕНИЯ

О

сновные способыописания функционирования ЭП в статических режимахимеют следующие характеристики [2,5]:

1) механическая характеристика – это зависимость, связы-вающая скорость и момент или силу элемента приведения ЭП (вала электродвигателя) или зависимость частоты вращения двигателя от развиваемого им на валу момента

. (5.1)

Механические характеристики имеют также рабочие механизмы:

3) электромеханическая характеристика – это зависимость, связывающая скорость электродвигателя ЭП и ток якоря:

. (5.2)

Механические характеристики в ЭП рассматриваются так, что их независимой координатой является электромагнитный момент М, раз-виваемый электродвигателем:

(5.3)

В выражениях (5.1) и (5.3) момент вращениия на валу М_В и электро-магнитный момент М электродвигателя связаны соотношением

, (5.4)

где ∆M – потери момента вращения, обусловленные наличием трения в подшипниках, вентиляционными потерями и потерями в стали, причем знак минус соответствует двигательному, а знак плюс – генераторному режимам работы электродвигателя.

Различают естественные и искусственные характеристики элект-родвигателя [1 4]. Естественная характеристика соответствует номи-нальным параметрам питающего электродвигатель напряжения, ос-новной схеме его включения и отсутствию добавочных электротехни-ческих элементов в цепях электродвигателя. Общий вид естественных механических характеристик электродвигателей различных типов приве-ден на рис.5.1.

Искусственные ха-рактеристики служат для регулирования параме-тров ЭП:скорости момен-та, тока якоря и т.д., и формирования различных режимов его работы; их получают путем измене-ния параметров питаю-щего электродвигатель напряжения (по модулю, полярности, частоте и т.п.) и (или) схемы его включения.

Рис. 5.1. Естественные механические характеристики электродвигателя

Сравнение характеристик различных электродвигателей или од-ного и того же электродвигателя при различных способах регулирования скорости выполняется с помощью критериев "жесткость" или "кру-тизна" характеристики. Под жесткостью механической характерис-тики понимают отношение из-менения момента, развиваемого двига-телем, к изменению его угловой скорости (∆М/∆ω).

Крутизна характеристики является величиной, обратной жесткос-ти:

Различают абсолютно жесткие характеристики с =0, жесткие характеристики с | | 0,1 и мягкие характеристики, с | | >0,1. Абсо-лютно жесткую характеристику имеет синхронный двигатель (рис.5.1, характеристика I).

Жесткими являются естественная характеристика электродвигателя постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением (харак-теристика 2) и рабочий участок механической характеристики асин-хронного двигателя (характеристика 3). Мягкую характеристику имеет, например, ДПТ последовательного возбуждения при работе с момен-тами, меньшими номинального (характеристика4). Жесткость механи-ческой характеристики может быть постоянной во всем диапазоне изменения момента (двигатель имеет линейную характеристику) или же переменной (двигатель имеет нелинейную харак-теристику). На рис. 5.1 для характеристик 1 и 2 β = const, для характерис-тик 3 и 4 β = var.

Рис.5.2. Искусственные механические характеристики электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением

Электрические маши-ны постоянного и пере-менного тока могут рабо-тать как в двигательном, так и в тормозных ре-жимах.

Рис. 5.3. Искусственные механические характеристики асинхронных электродвигателей

В двигательном ре-жиме, машина преоб-разует электрическую энергию, подводимую из сети, в механическую на валу, за исключением потерь в двигателе. Ме-ханические характерис-тики машин в этом ре-жиме для различных направлений вращения приведены на рис.5.1 и располагаются в I и III квадрантах координат-ной плоскости М.

Работа в тормозных режимах сопровождается преобразованием подводимой к валу двигателя механической энергии (или запасенной кинетической энергии) в электрическую на зажимах двигателя. Различают три основных тормозных режима: противовключение, рекуперативное и динамичес-кое торможение.

Противовключением называется режим работы машины, когда она, будучи включенной для одного направления вращения, под действием момента инерции или момента нагрузки вращается в обратном направлении.

Такое торможение связано с протеканием по цепи якоря (у двигателей постоянного тока) или ротора (у асинхронных двигателей) токов, значительно (в 10 и более раз) превосхо-дящих номинальное значение.

Рис.5.4. Механические характеристики двигателей в режиме динамического торможения

С целью ограничения тока в цепь якоря или ротора вклю-чают ограничивающие сопро-тивления. В этом режиме ма-шина потребляет элект-ри-ческую энергию из сети и механическую энергию, подводимую к её валу, расходуя их на нагрев обмоток и дополнительно включенных со-противлений.

Механические характеристики этого режима работы для различ-ных направлений вращения располагаются во II и IV квадрантах, являясь продолжением характеристик двигательного режима при изменении знака скорости (рис.5.2).

Искусственные механические характеристики электродвигателей постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением (5.1), с последовательным возбуждением (5.2) и электродвигателя (5.3) в режиме противовключения (выделены жирно) приведены на рис.5.2.

Режим рекуперации – это такой режим работы, в котором машина преобразует механическую энергию, под-водимую к ее валу, в элек-трическую на зажимах и от-дает её в сеть.

Условием возвращения энергии является вращение якоря ДПТ с НВ или ротора АД со скоростью, превыша-ющей, соответственно, ско-рость идеального холостого хода или синхронную скорость _С. Механические характеристики этого режима представ-ляют собой продолжение характеристик двигательного режима и располагаются во II и IV квадрантах. Угловая скорость ₀ ( _с) может быть различной и зависит:

- для машин постоянного тока с независимым возбуждением от напряжения на якоре электродвигателя U_Я и потока возбуждения Ф;

- для асинхронных машин от частоты f питающего напряжения и числа пар полюсов р. Режим рекуперации может возникать при резком сниже-нии напряжения на якоре двигателя или усилении потока его возбуж-дения для машин постоянного тока параллельного (независимого) воз-буждения. Для асинхронного двигателя – при уменьшении частоты пита-ющего напряжения или переключении числа пар полюсов с меньшего на большее (рис. 5.3).

Механические характеристики двигателя постоянного тока неза-висимого возбуждения (1) и асинхронного двигателя (2) в режиме реку-перации приведены на рис. 5.3.

Для двигателей постоянного тока с последовательным возбужде-нием (сериесных электродвигателей) режим рекуперации невозможен.

Режим динамического торможения электродвигателя получают следующим образом: для асинхронных электродвигателей, отключив обмотку статора от сети и подав в неё постоянный ток; для машин пос-тоянного тока с независимым возбуждением, отключив якорь элек-тродвигателя от питающей сети и замкнув его на разрядное сопро-тивление (или накоротко) при сохранении магнитного потока; для электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, отключив всю силовую цепь машины (якорь и обмотку возбуждения) от питающего напряжения и замкнув её на разрядное сопротивление (или накоротко) при сохранении первоначального направления тока в сериесной обмотке (так называемое динамическое торможение с самовозбуждением); для этих электродвигателей возможен режим динамического торможения и с независимым возбуждением. Так как скорости _О и _С в режиме динамического торможения равны нулю, то механические характеристики проходят через начало координат, располагаясь во II и IV квадрантах. Все описанные режимы получают изменением нагрузки испытуемого электродвигателя с помощью вспо-могательной машины (постоянного тока), механически соединенной с ним.

Как правило, используются электрические методы измерения физи-ческих величин, в том числе момента и скорости электродвигателей. Ме-ханические характеристики сериесного электродвигателя (1), двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (2), асинхронного дви-гателя (3) в режиме динамического торможения приведены на рис. 5.4.

Угловая скорость электродвигателя измеряется, как правило, с помощью тахогенератора, установленного на валу

,

где U_BR напряжение на зажимах якоря тахогенератора, В;

постоянная тахогенератора, (рад/с) / В. Электромагнитный момент двига-теля, как правило, рассчитывают по полученным опытным путем значе-ниям тока якоря (I_Я вспомогательной (нагрузочной) машины постоян-ного тока, используя формулу

,

где Е/ω = const – предварительно измеренное отношение ее электродви-жущей силы Е к угловой скорости ω при сохранении постоянства потока возбуждения Ф этого двигателя в процессе работы; С – конструктивная постоянная нагрузочной машины.

Чтобы найти требуемое значение момента М испытуемого двига-теля, необходимо учесть потери в обоих связанных по валу электро-двигателях:

,

где М_ИМ и М_НМ – моменты испытуемой и нагрузочной машин соот-ветственно.

Потери М_ИМ и М_НМ могут быть приближенно найдены либо экспериментально (по разности пусковых моментов нагрузочной маши-ны при включении в прямом и обратном направлениях вращения), либо расчетным путем (как разность значений моментов М _НОМ и М_ВНОМ каждого двигателя спарки по их паспортным данным).

Ток цепей возбуждения составляет 3 5 % от номинального тока якоря

.

Резисторы, включенные в цепи якоря, ротора, статора и возбужде-ния, должны иметь номинальный ток не ниже номинального тока соот-ветствующей цепи. Резисторы для цепей возбуждения должны выби-раться с сопротивлением, в 3 5 раз большим сопротивления обмотки возбуждения. Ориентировочно сопротивление цепей возбуждения опре-деляется:

.

Таким образом, электромеханические свойства электродвигателей определяются, главным образом, их механическими характеристиками. Согласование механических характеристик рабочего механизма и двига-теля – одна из важных задач при выборе двигателя.

Дата добавления: 2014-11-29