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: 8 из 12

Регулирование скорости двигателя постоянного тока незави­симого возбуждения может производиться тремя способами:

1. 
   Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.
   
2. 
   Изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двигателя, при посто­янном потоке возбуждения.
   
3. 
   Изменением тока возбуждения, т.е. измене­нием магнитного потока двигателя.
   

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорость холостого хода суо остается неизменной, а из­меняется наклон механиче­ских характеристик, т.е. уменьшается их жесткость (см. рис.5.3). Данный способ регулирования скорости в настоящее время не ис­пользуется, поскольку введение добавочного сопротивления сопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении.






+

R_доб



-




Рис.5.3. Реостатные механические характеристики двигателя посто­янного
тока независимого возбуж­дения

Основным способом регулирования скорости двигателей по­стоянного тока независимого возбуждения (ДПТ-НВ) является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение скорости при этом производится вниз от основ­ной (номинальной) скорости, определяемой естественной харак­теристикой (рис.5.4). При уменьшении напряжения якоря умень­шается скорость холостого хода ω₀, а жесткость механических характеристик остается постоянной. Повышение напряжения пи­тания выше номинального не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллекторе.

Плавность регулирования, отсутствие дополнительных по­терь энергии при регулировании и высокая жесткость механиче­ских характеристик составляют основные достоинства этого спо­соба регулирования скорости.



Рис.5.4. Механические характеристики двигателя постоянного тока неза­висимого возбуждения при регулировании напряжения якоря

Это регулирование скорости осуществляется с помощью систем ЭП; «генератор-двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель»



Рис 4.11. Схема включения двигателя ДПТ НВ (а) и его характеристики при регулировании напряжения (б)

Система Г — Д. В этой системе якорь 4 двигателя непосредственно присоединяется к якорю 3 генера­тора, который вместе с приводным двигателем 1 образует электромашинный выпрямитель 2 тре­хфазного переменного тока в постоянный (рис. 4.12).



Рис 4.12. Схема системы Г – Д

Регулирование напряжения на якоре ДПТ происхо­дит за счет изменения тока возбуждения генератора I_вг, при регулировании которого с помощью потенцио­метра 8 изменяется ЭДС генератора Е_г и соответствен­но напряжение на якоре двигателя U. Регулирование напряжения в этой системе может сочетаться с воздей­ствием на магнитный поток двигателя, что обеспечива­ет двухзонное регулирование скорости.

Регулирование магнитного потока двигателя осуществляется за счет включения в цепь обмотки 5 возбуждения двигате­ля резистора 6. В замкну­тых ЭП питание обмотки 7 возбуждения генератора происходит от регулируе­мого источника постоян­ного тока, например, полупроводникового УВ. Характеристики системы Г—Д соответствуют рис. 4.11, б.

Основными достоин­ствами системы Г — Д являются большой диапазон и плавность регули­рования скорости двигателя, высокая жесткость и линейность характеристики, возможность получения всех энергетических режимов работы ДПТ, в том числе и рекуперативного торможения. В то же время для этой системы характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность электрических машин, низкий КПД, инерционность процесса регулирования, шум при работе.

Система тиристорный преобразователь — двига­тель. Основным типом преобразователей, применя­емых в настоящее время в регулируемом ЭП постоянного тока, являются полупроводниковые статические преобразователи, ив первую очередь тиристорные. Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, со­бранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схеме. Определенные перспективы свя­заны с использованием в них транзисторов, кото­рые в настоящее время применяются в основном для импульсного регулирования напряжения в ЭП небольшой мощности.

Принцип действия, свойства и характеристики системы ТП—Д рассмотрим на примере схемы (рис: 4.13, а), в которой использован однофазный двухполупериодный нереверсивный тиристорный вы­прямитель, собранный по нулевой схеме.



Рис 4.13. Схема системы ТП – Д (а) и характеристики двигателя (б)

Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмотки, два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий реактор L и систему импульсно-фазового управления тири­сторами СИФУ. Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет измене­ния среднего значения ЭДС преобразователя Е_n. Это достигается регулированием с помощью системы импульсно-фазового управления СИФУ по сигналу U_у угла а управления тиристорами, представляющего собой угол задержки открытия тиристоров VS1 и VS2 относительно момента, когда напряжение на их анодах становится положительным.

Когда а = 0, т. е. тиристоры VS1 и VS2 получают импульсы управления от СИФУ в указанный момент, преобразователь осуществляет двухполупериодное вы­прямление и к якорю двигателя прикладывается полное напряжение. Если теперь с помощью СИФУ осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры VS1 и VS2 не в этот момент, а со сдвигом (задержкой) на угол a≠0, то ЭДС преобразователя снизится и этому случаю будет соответствовать уже меньшее среднее напряжение, подводимое к двигателю

Регулирование скорости выше основной производится уменьшением тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока Ф согласно (5.5) происходит увеличение скорости холостого хода ω₀ и одновременно снижается жесткость ме­ханических характеристик двигателя (см.рис.5.5,а).



Рис.5.5. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики дви­гателя постоянного тока независимого возбуждения при уменьшении по­тока возбуждения и номинальном напряжении якоря

Увеличение тока возбуждения выше номинального нецеле­сообразно, так как вследствие насыщения магнитной цепи маши­ны существенного возрастания магнитного потока не произойдет, а тепловой режим двигателя нарушится. Электромеханические характеристики двигателя при ослаблении поля ω = f(I_я) будут иметь вид, показанный на рис.5.5,6. Эти характеристики, как сле­дует из (5.4), на оси абсцисс сходятся в одной точке, соответст­вующей току короткого замыкания I_кз = U_я/R_я. Заметим, что масштаб по оси абсцисс на рис.5.5,а и 5.5,6 различен.

При анализе механических характеристик при ослаблении поля следует иметь в виду, что при работе с постоянным статиче­ским моментом ток якоря по мере ослабления потока увеличива­ется. Так, если статический момент на валу двигателя будет равен номинальному, то при номинальном напряжении якоря U_ян дви­гатель будет работать в т.1 (см. рис.5.5,а). Если, например, осла­бить поток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода дви­гателя аз02 увеличивается в 2 раза. Если момент двигателя сохра­нится постоянным и равным номинальному, то двигатель будет работать к т 4

Однако, как это следует из (5.3) ток якоря при этом уве­личится в 2 раза. Поэтому длительная работа двига­теля в т.4 не­допустима. Из этого примера следует, что одновременно с повышением скорости не­обходимо снижать дли­тельно допус­тимый по ус­ловия нагрева (номинальный) момент.



Рис.5.6. Двухзонное регулирование скорости двига­теля постоянного тока

Линия номинального момента при ослаблении поля отображается кривой 1-2-3. Анало­гично при ослаблении поля уменьшается допустимый максимальный момент, определяемый по условиям коммутации на коллекторе. Поскольку при ослаблении поля скорость увеличива­ется примерно пропорционально степени ослабления поля Ф_н /Ф_осл, а длительно допустимый момент М_доп уменьшается пропорционально отношению Ф_осл/Ф_н , то длительно допустимая мощность двигателя Р = М_допω остается примерно постоянной. Поэтому регулирование ослаблением поля называют регулирова­нием с постоянной мощностью в отличие от регулирования изме­нением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения, которое называют регулированием с постоянным моментом.

Для электроприводов многих механизмов используют ком­бинированное управление, так называемое двухзонное регулиро­вание скорости. Механические характеристики для этого способа управления показаны на рис.5.6. В первой зоне скорость двигате­ля в диапазоне от нуля до основной скорости ω_0н регулируется изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбужде­ния Ф_н. Во второй зоне регулирование производится изменением тока (потока) возбуждения при постоянном номинальном напря­жении якоря. Соответственно номинальный момент в первой зо­не регулирования остается постоянным, а во второй зоне снижа­ется пропорционально уменьшению потока. Максимально допус­тимая скорость двигателя при ослаблении поля определяется механической прочностью якоря и условиями коммутации на кол­лекторе. Эта скорость указывается в каталоге на двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулиро­вании скорости для установления основной (максимальной) ско­рости. В отличие от синхронных и асинхронных двигатели по­стоянного тока не имеют жестко определенной номинальной ско­рости. В каталогах указывается номинальная и максимальная скорости. Например, если указано, что двигатель мощностью 100кВт имеет номинальную скорость 1000об/мин и максималь­ную – 2000об/мин, то основная скорость может быть установлена в этих пределах выбором соответствующего значения тока воз­буждения, например, – 1600об/мин. При этом мощность двигате­ля останется равной 100кВт. Это удобно при конструировании кинематической схемы рабочей машины.

Для высокодинамичных электроприводов небольшой мощ­ности (до 20кВт) эффективно использование высокомоментных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Благодаря применению высокоэнергетических посто­янных магнитов на основе редкоземельных элементов (например, сплава самарий-кобальт), эти двигатели особенно при малых скоростях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе более легкие) способны развивать большой крутящий момент. Отношение пускового момента такого двигателя к номинальному составляет 8-10, в то время как у двигателей с электромагнитным возбуждением это отношение не превышает 2-4. Двигатели нахо­дят применение в металлорежущих станках с числовым про­граммным управлением, в приводах роботов и следящих элек­троприводах различного назначения.

В некоторых случаях двигатели независимого возбуждения снабжают «легкой» обмоткой последовательного возбуждения, создающей м.д.с. при номинальном токе якоря около 20% от м.д.с. обмотки независимого возбуждения. Высокодинамичные двигатели смешанного возбуждения применяются в случаях мно­годвигательного привода, когда два или несколько двигателей работают на один вал или их валы связаны механически (напри­мер, лентой конвейера), В этом случае скорость всех двигателей будет одинаковой, но из-за неидентичности характеристик двига­теля возникает задача равномерного распределения нагрузки между ними. Бла­годаря нали­чию последо­вательной об­мотки возбуж­дения в более нагруженном двигателе уве­личивается по­ток и возраста­ет противоэ.д.с. якоря, что ведет к снижению тока яко­ря. Напротив, менее нагру­женный двига­тель будет иметь несколь­ко меньший поток, его э.д.с. будет ниже и ток якоря соответственно возраста­ет. Таким образом, благодаря наличию слабой последовательной обмотки происходит выравнивание тока якоря между двигателя­ми, питающимися от общего источника напряжения.



Рис.5.7. Механические характеристики двигателя постоянного тока в двигательном режиме и ре­жиме рекуперативного торможения

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуж­дения могут работать в трех тормозных режимах: режиме реку­перативного торможения, динамического торможения и тормо­жения противовключением.

Режим рекуперативного генераторного торможения имеет место, когда скорость двигателя превышает скорость холостого хода ω>ω₀ (рис. 5.7). При этом э.д.с. якоря Е_я превышает величи­ну напряжения питания якорной цепи
Е_я >U_я и ток в якорной цепи пойдет под действием э.д.с. якоря Е_я; знак тока будет противопо­ложен знаку напряжения питания, что означает, что энергия тор­можения отдается в сеть питания постоянного тока. Отсюда сле­дуют три условия существования режима рекуперативного тор­можения.

1. 
   Цепь питания должна обеспечивать возможность протека­ния тока встречно напряжению источника питания; это условие особенно важно в случае питания двигателя постоянного тока от полупроводниковых преобразователей, элементы которых обла­дают односторонней проводимостью тока.
   
2. 
   Источник питания должен обладать возможностью вос­принимать отдаваемую двигателем энергию и передавать ее в питающую сеть; так режим рекуперативного торможения невоз­можен, если привод получает питание от автономной дизель-генераторной установки.
   
3. 
   Для того чтобы рекуперативное торможение было воз­можно в пределах заданного диапазона регулирования скорости, регулирование должно производиться путем изменения напряже­ния, подводимого к якорной цепи двигателя.
   

В режиме рекуперативного торможения уравнения (5.1) и (5.5), учитывая, что ток I_я и момент М будут отрицательны, при­нимают вид:

Е_я = U_я + R_яI_я



Основными достоинствами рекуперативного торможения яв­ляются: энергетическая эффективность, связанная с полезным использованием энергии торможения; высокая жесткость меха­нических характеристик; плавный переход из двигательного в тормозной режим на одной и той же характеристике. Благодаря такому характеру механических характеристик улучшается каче­ство управления приводом. Вернемся к рассмотрению рис.5.7.

Пусть двигатель работал в т. 1 в двигательном режиме со статиче­ским моментом М_с.

Если оператор хочет уменьшить скорость, он уменьшает напряжение источника питания с U_я1 до U_я2. Скорость двигате­ля из-за механической инерции мгновенно не может измениться, и двигатель переходит на работу в т.2. При этом на валу двигателя возникает тормозной момент, рав­ный сумме тормозного момента двигателя и статического момента. Скорость двигателя быс­тро снижается до скорос­ти ш02 и далее под действием статического момента до скорости, определяемой т.3, где М=М₀



Рис.5.8. Схема динамического тор­можения ДПТ-НВ

Вторым воз­можным тормоз­ным режимом явля­ется режим дина­мического тормо­жения. В этом режиме якорь дви­гателя отключается от источника К_дт постоянного тока (см. рис.5.8) и за­мыкается на сопро­тивление динами­ческого торможе­ния. Питание об­мотки возбуждения при этом должно быть обязательно сохранено. В указанном режиме двигатель М работает как гене­ратор постоянного тока, нагруженный на сопротивление К_дт



Рис.5.9. Механические характеристики ДПТ-НВ в режиме динамического торможения

Энергия торможения расходуется на нагрев сопротивления R_дти обмоток цепи якоря двигателя.

Механические характеристики при динамическом торможе­нии представлены на рис.5.9. Если R_дт=0, якорная цепь двигателя будет замкнута накоротко и механическая характеристика (при Ф = Ф_н) будет иметь жесткость естественной характеристики. При увеличении R_дт жесткость характеристик будет уменьшаться в соотношении и механические характеристики будут линейными и расходиться веером из начала координат.

Как следует из (5.5), при U_я=0 уравнение механических ха­рактеристик динамического торможения будет:



Недостатками режима динамического торможения являются: потери энергии торможения, расходуемой на нагрев элементов привода, и невозможность торможения привода до полной его остановки.