Лекции Электропривод ГМиММ. 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях

• Название: 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях
• Анкор: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Дата: 18.09.2017
• Размер: 3.83 Mb.
• Имя файла: Лекции Электропривод ГМиММ.doc
• Тип: Документы; #8591
• страница: 7 из 12

Торможение противовключением может быть в двух случа­ях:

• 
  в первом, когда при работе двигателя необходимо его экстренно остановить, и с этой целью меняют порядок чередова­ния фаз питания обмоток статора двигателя;
  
• 
  во втором, когда электромеханическая система движется в отрицательном направлении под действием спускаемого груза, а двигатель включается в направлении подъема, чтобы ограни­чить скорость спуска (режим протягивающего груза).
  

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигате­ля вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме противовключения всегда больше 1

> 1

В первом случае (см.рис.3.20) двигатель, работавший в т.1, после изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в тормозной режим в т. 1, и скорость привода быстро снижается под действием тормозного момента М_т и статического момента М_с. При замедлении до скорости, близкой к ну­лю, двигатель необходи­мо отключить, иначе он будет разгоняться в противоположном направ­лении вращения.

Во втором случае после снятия механиче­ского тормоза двигатель, включенный в направле­нии вверх, под действи­ем силы тяжести спус­каемого груза будет вращаться в противопо­ложном направлении со скоростью, соответст­вующей точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего груза возможна при использо­вании двигателей с фаз­ным ротором. При этом в цепь ротора вводится значительное добавоч­ное сопротивление, ко­торому соответствует характеристика 2 на рис.3.20.



Рис.3.20. Режим противовключения асинхронного двигателя 1, Г - естественные механические ха­рактеристики при включении «вперед» и «назад» 2 - механическая характеристика дви­гателя с фазным ротором со включен­ным добавочным
сопротивлением в цепь ротора.

Энергетически режим противовключения крайне неблаго­приятен. Ток в этом режиме для асинхронных короткозамкнутых двигателей превосходит пусковой, достигая 10-кратного значе­ния. Потери в роторной цепи двигателя складываются из потерькороткого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении

ΔР_snв = М_тω₀ + М_т ω₀

Для короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен только в течение нескольких секунд. При использова­нии двигателей с фазным ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора добавочного сопротивле­ния. В этом случае потери энергии остаются такими же значи­тельными, но они выносятся из объема двигателя в роторные сопротивления.

Лекция №5

Электромеханические характеристики синхронных

электродвигателей

5.1 Принцип работы синхронного двигателя

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 160кВт) широко применяются синхронные электро­двигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3.23.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекаю­щие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора Ф,. Скорость вра­щения поля статора равна согласно (3.3)



и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независи­мого регулируемого источника напряжения - возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле Ф0, неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью а>0. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним элек­тромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.





Рис.3.23. Схе- Рис.3.24. Пространственные векторы электро-

ма включения магнитных полей синхронного двигателя

синхронного а) идеальный холостой ход;

двигателя б) при нагрузке на валу

При отсут­ствии нагрузки векторы поля статора Ф₁ и по­ля ротора Ф₀ совпадают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вра­щаются со ско­ростью ω₀. При появлении на валу двигателя мо­мента сопротив­ления векторы Ф₁, и Ф₀ расхо­дятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол θ, называемый углом нагрузки, при­чем, если вектор Ф₀ отстает от вектора Ф₁ (см. рис. 3.24,6), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электро­магнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первич­ным двигателем, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (–θ ) и электромагнитный момент на валу маши­ны отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответ­ствует изменение угла θ. Образно это соответствует растяже­нию-сжатию пружины. Максимальный момент М_макс будет иметь место при θ – π/2 . Если нагрузка на валу машины будет боль­ше М_махс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.

Механическая характеристика синхронной машины пред­ставляют собой прямую, параллельную оси абсцисс и ограничен­ную значениями момента ± М_макс (рис.3.25). Жесткость меха­нической характеристики равна бесконечности.



Рис.3.25. Механические характеристики син­хронного двигателя

1 - характеристика синхронного режима

2 - пусковая характеристика (асинхронный ре­жим)

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоро­стью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнит­ного поля статора Р_эмпреобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в ста­торе, то Р_эм = 3U₁I₁ соsφ = Мω₀, откуда

(3.39)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис. 3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебре­гая активным сопротив­лением статора, получим Ů₁ – Ė₁ = jI₁x_1.

Здесь Е, – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем Ф₀.



Рис.3.26. Векторная диаграмма син­хронного двигателя

Из векторной диаграммы следует:

U₁ sin θ = I₁x₁ cos (φ – θ)



U₁cos φ = E₁ cos(φ – θ)

Подставляя эти значения в (3.39), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины

(3.40)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой харак­теристики (рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхрон­ной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при θ = π/2. Для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.



Рис.3.27. Угловая характеристика синхронного двигателя:

а) неявнополюсной машины; б) явнополюсной машины

1 - при номинальном потоке возбуждения;

2 - при форсировке возбуждения

Для синхронного двигателя явнополюсной конструкции, ко­торый имеет несимметричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, опре­деляемый стремлением ротора занять такое положение, при кото­ром магнитная проницаемость для пути потока статора была бы максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,б) для тако­го двигателя описывается уравнением:

+

где х_d и х_q – индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям.

5. 2. Режимы работы синхронного двигателя

Поскольку синхронный двигатель имеет в синхронном ре­жиме одну рабочую скорость, то пуск этих двигателей осуществ­ляется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая обмотка, конструкция которой аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнутого дви­гателя. В синхронных двигателях со скоростью вращения 3000 об/мин ротор имеет массивную конструкцию, и роль пусковой клетки играет само тело ротора. При разгоне до подсинхронной скорости двигатель работает как асинхронный короткозамкнутый с механической характеристикой 2 (см. рис.3.25). По достижении подсинхронной скорости (точка а), которая должна быть не ме­нее чем 0,95 ω₀, в обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель втягивается в синхронизм, переходя на работу в точке б, соответствующей синхронному режиму.

При работе в установившемся режиме с синхронной скоро­стью ток в пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора рассчитывается на кратковременный режим работы, и длительная (свыше 20–З0с) работа в асинхронном режиме недопустима.

Кроме обеспечения режима пуска, пусковая клетка играет роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные процессы при работе двигателя в синхронном режиме.

Синхронные двигатели промышленного назначения имеют электромагнитное возбуждение от независимого источника по­стоянного тока, в качестве которого используются: генераторы постоянного тока (возбудители), которые могут располагаться на одном валу с синхронным двигателем (рис.3.28,б) или приво­диться во вращение отдельным двигателем (рис.3.28,а), тиристорные управляемые выпрямители, которые могут получать питание от промышленной сети (рис.3.28,в), либо от специально­го генератора переменного тока, располагаемого на одном валу с синхронным двигателем. В последнем случае (рис.3.28,г) полу­проводниковые выпрямители располагаются на роторе синхрон­ной машины (система с вращающимися выпрямителями), вслед­ствие чего не требуются щетки и кольца для подвода тока к об­мотке возбуждения, т.е. синхронная машина становится бескон­тактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключенным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуж­дения контактором КМ (см., например, схемы рис.3.23 и 3.28). В последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротив­ление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки возбуждения во время разгона разомкнутыми нельзя, т.к. в обмотке при больших скольжениях наводится значительная э.д.с. скольжения.

При использовании в качестве возбудителя тиристорного преобразователя или вращающихся выпрямителей во время пуска обмотка возбуждения закорачивается через шунтирующие тири­сторы.

Рассмотрим схему рис.3.28,в. При пуске двигателя в асин­хронном режиме напряжение тиристорного преобразователя UD равно нулю. В обмотке возбуждения индуктируется переменная э.д.с. скольжения, под действием которой через стабилитроны VS открываются вспомогательные тиристоры У8, и обмотка воз­буждения закорачивается на разрядное сопротивление R. Когда двигатель достигает подсинхронной скорости, э.д.с. скольжения становится малой, стабилитроны запираются, и тиристоры VS отключают разрядное сопротивление, после чего в обмотку воз­буждения подается постоянный ток от преобразователя UD.

В последние годы получили распространение возбудители, встроенные в конструкцию синхронной машины (рис.3.28,г). Возбудитель состоит из синхронного генератора G, ротор которо­го расположен на валу синхронного двигателя М, неуправляемо­го выпрямителя, вспомогательных тиристоров VS и разрядных сопротивлений R₂ и R₃, также размещенных на валу синхронного двигателя. Регулирование тока возбуждения производится изме­нением тока возбуждения возбудителя G. По достижении подсинхронной скорости цепи, шунтирующие обмотку возбуждения, размыкаются и в обмотку подается постоянный ток, после чего двигатель втягивается в синхронизм, его скорость достигает син­хронной, и в дальнейшем он работает в синхронном режиме.





Рис.3.28. Схемы возбуждения синхронного двигателя

5.3. Регулирование тока возбуждения синхронного двигателя

Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном режиме осуществляется, как правило, САР возбуж­дения. САР возбуждения выполняет две основные функции. Пер­вая - обеспечение устойчивой работы в синхронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении величины питающего на­пряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбу­ждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном режиме (см. рис.3.27). Вторая - осуще­ствление автоматического регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.

Важным достоинством синхронных двигателей является возможность регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в цепи статора, в том числе возможность, рабо­тая двигателем, т.е. потребляя активную мощность, одновремен­но генерировать реактивную мощность, т.е. работать компенса­тором реактивной мощности, потребляемой другими параллельно работающими приемниками электрической энергии, прежде все­го асинхронными двигателями.



Рис.3.29. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных то­ках
возбуждения и одинаковой нагрузке на валу

Применение на предприятиях наряду с асинхронными син­хронных двигателей позволяет уменьшить реактивную мощ­ность, потребляемую предприятием в целом, и поддерживать нормативное значение cosφ в энергосистеме данного предпри­ятия.

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора двигателя путем изменения тока его возбуждения иллю­стрируется векторными диаграммами на рис.3.29.

Векторная диаграмма (а) соответствует току возбуждения меньше номинального; при этом вектор тока статора İ₁, отстает от вектора напряжения сети U₁, на угол φ, т.е. двигатель работает с отстающими cosφ (реактивная мощность «потребляется»). При увеличении тока возбуждения э.д.с. Е₁, наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора İ₁, будет совпадать по фазе с напряжением U₁, т.е. cosφ = 1 (см. рис.3.29,б). Момент на валу двигателя при этом будет такой же, как и в предыдущем случае, но реактивная мощность будет равна нулю. Очевидно (это следует из формулы (3.39)) ток статора İ₁ при данном моменте нагрузки будет мини­мальным. Этот режим является энергетически наиболее выгод­ным для синхронного двигателя, т.к. потери в статоре будут ми­нимальным.



Рис.3.30.11-образные характеристики син­хронного двигателя

Если еще больше увеличить ток возбуждения, то ток статора будет опережать по фазе напряжение U1, cosφ станет опережающим, и синхронный двигатель будет генерировать реактивную мощность (см. рис. 3.29,в). Зависимость тока статора от тока возбуждения синхронного двигателя отражается U – образными характеристиками синхронного двигателя, представленными на рис.3.30.

Лекция №6

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИ­ГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.1. Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой регулируемого электропривода и широко применяются во всех областях техники. Только в последние годы началось интенсив­ное использование регулируемых электроприводов на базе двига­телей переменного тока.

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, по­следовательное или смешанное возбуждение. В зависимости от схемы возбуждения существенно разнятся и электромеханиче­ские характеристики двигателей.

Двигатели независимого возбуждения могут иметь электро­магнитное возбуждение, (рис.5.1,а) и возбуждение от постоянных магнитов (рис.5.1,6). Последнее применяется для высокодинамичных двигателей мощностью до 20 кВт.



Рис.5.1. Схема включения двигателей посто­янного тока независимого возбуждения

а) с электромагнитным возбуждением; б) с возбуждением от постоянных магнитов

Реверсирование (изменение направ­ления вращения) двигателей независимого возбуждения производится изме­нением полярности напряжения, подво­димого к якорю дви­гателя или к обмотке его возбуждения.

Напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя, в уста­новившемся режиме уравновешивается падением напряжения на сопротивлениях цепи якоря и противоэ.д.с. якоря, которая наво­дится в обмотке якоря при его вращении в электромагнитном по­ле, создаваемом обмоткой возбуждения (см. рис.5.1,а)

U_я = Е_я + R_яI_я (5.1)

R_я – сопротивление якорной цепи, складывающееся из со­противления обмотки якоря R_оя, обмотки дополнительных полю­сов R_дп, компенсационной обмотки R_ко (если она имеется) и внут­реннего сопротивления источника питания двигателя R_п (если оно учитывается)

R_я = R_оя + R_дп + R_ко + R_п

Э.д.с. якоря Е_я равна

Е_я = кФω (5.2)

где Ф - поток возбуждения (Вб);

к = р_пN/2πа – конструктивная постоянная двигателя; где р_п – число пар полюсов машины; N – число активных проводни­ков обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки яко­ря.

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току яко­ря и потоку возбуждения

М = кФI_я(5.3)

Из уравнений (5.1), (5.2) и (5.3) легко получить зависимость скорости от тока якоря ω = f(I_я), которая называется электро­механической характеристикой двигателя, и зависимость скоро­сти от момента двигателя ω = f(М) – механическую характери­стику привода.

(5.4)

(5.5)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным по­током возбуждения, то величину кФ считают постоянной

кФ = С (5.6)

Тогда приведенные выше уравнения будут иметь вид:

М = СI_я(5.7)

Е_я = Сω (5.8)

(5.9)

(5.10)

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изме­няется ток якоря, поток двигателя вследствие размагничивающе­го влияния реакции якоря не остается постоянным. Для устране­ния влияния тока в цепи якоря на поток возбуждения на крупных машинах используют компенсационную обмотку, которая вклю­чается последовательно с обмоткой якоря и располагается на полюсах машины, усиливая поток возбуждения. Однако и для некомпенсированных машин в инженерных расчетах обычно пре­небрегают размагничивающим действием реакции якоря, возла­гая обеспечение линейности механической характеристики дви­гателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с воз­буждением от постоянных магнитов реакция якоря практически не проявляется.

Естественная механическая характеристика двигателя посто­янного тока независимого возбуждения показана на рис.5.2.



Рис.5.2. Естественная механическая ха­рактеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Жесткость естествен­ной механической харак­теристики β для рассматриваемых двигателей обычно высока и равна

(5.11)

Механические харак­теристики двигателя по­стоянного тока независи­мого возбуждения пред­ставляют собой прямые, пересекающие ось ординат в точке идеального холостого хода ω₀, величина которой равна

(5.12)

С учетом (5.11) получим удобное выражение для механиче­ской характеристики при постоянном потоке возбуждения

(5.13)