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: 9 из 12

Достоинством режима динамического торможения является его высокая надежность, определяемая тем, что этот режим мо­жет осуществляться при исчезновении питающего напряжения и в случае выхода из строя источника питания цепи якоря, когда режим рекуперативного торможения становится невозможен. Ис­ходя из этого, динамическое торможение в приводах постоянного тока часто используется в качестве средства аварийного тормо­жения.

Торможение противовключением не характерно для двига­телей постоянного тока независимого возбуждения. Этот режим может использоваться в приводах малой мощности с широтно-импульсным регулятором тока, позволяющим ограничить ток торможения допустимой величиной.

5.2 Электропривод с двигателями постоянного тока с

по­следовательным возбуждением

В рассматриваемых двигателях постоянного тока обмотка возбуждения включается (рис.5.16) возбуждения включается (рис. 5.16) последовательно с обмоткой якоря, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый им поток Ф будет пропорционален току якоря

Ф = аI_я (5.25)



Рис.5.16. Схема включения двига­теля постоянного тока

последова­тельного возбуждения

Здесь а – нелинейный коэффициент а = f(I_я); нели­нейность этого коэффициента связана с формой кривой намагничивания и размагничивающим действием реакции якоря; оба этих фактора проявляются при больших токах
I_я > 0,7 - 0,8I_я ; при малых токах якоря коэффи­циент а можно считать величиной постоянной. При токах якоря I_я > 2I_ян машина насыщается, и вели­чина потока мало зависит от тока якоря, Зависимость потока возбуждения от нагрузки (см. 5.25) определяет своеоб­разие электромеханических характери­стик двигателя постоянного тока после­довательного возбуждения.

Для изменения направления вра­щения двигателя последовательного возбуждения недостаточно изменить полярность напряжения, подводимого к двигателю, т.к. при этом изменится одновременно и направление тока в обмотке якоря и полярность потока возбуждения. Поэтому для реверси­рования двигателя нужно изменить направление тока в одной из частей машины, например в обмотке возбуждения, оставив направление тока в обмотке якоря неиз­менным, как это показано на схеме рис.5.17.



Рис.5.17. Схема реверсиро­вания двигателя постоян­ного тока последовательно

Подставив (5.25) в (5.2) и (5.3), получим основные со­отношения для рассматриваемых двигателей.

М = каI_я² (5.26)

Е_я = каI_яω (5.27)

Соответственно, выражение для электромеханической и ме­ханической характеристик двигателя последовательного возбуж­дения будут:

или (5.28)

или (5.29)

В первом прибли­жении механическую характеристику дви­гателя постоянного то­ка последовательного возбуждения, если не учитывать насыщение магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересе­кающей ось ординат, а асимптотически приб­лижающуюся к ней.



Рис.5.18. Естественная и «идеальная» меха­ническая характеристика двигателя после­довательного возбуждения

Если положить (Rя + Rв)=0, то характе­ристика (см. рис.5.18) не будет пересекать и ось абсцисс. Такая характеристика назы­вается «идеальной»; выше нее характеристики быть не могут. Реальная естественная характеристика пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей току короткого замыкания (момент М_к). Если учитывать насыщение двигателя, то при моментах меньших 0,8А4 характеристика криволи­нейна и носит гипербо­лический характер; при больших значениях тока и момента поток вследст­вие насыщения становит­ся постоянным и харак­теристика выпрямляется. Характерной осо­бенностью характеристик двигателя последова­тельного возбуждения является отсутствие точ­ки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость двигателя существенно возрастает, вследствие чего оставлять двигатель без нагрузки недо­пустимо.



Рис.5.19. Реостатные механические харак­теристики двигателя
последовательного возбуждения

Важным достоинством двигателей последовательного воз­буждения является большая перегрузочная способность на низ­ких скоростях. При перегрузке по току в 2,25-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0-3,5 номинального. Это обстоятельство оп­ределило широкое использование двигателей последовательного возбуждения для электрических транспортных средств, где наи­большие моменты необходимы при трогании с места. Вторым важным достоинством двигателей последовательного возбужде­ния является отсутствие источника питания для цепи возбужде­ния двигателя.

Искусственные механические характеристики могут быть получены тремя способами: включением добавочного сопротив­ления в цепь якоря, изменением величины питающего напряже­ния и шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлени­ем.

При введении добавочного сопротивления в цепь якоря же­сткость механических характеристик уменьшается и уменьшается значение М_к (см. рис.5.19). Этот способ регулирования использу­ется при пуске двигателя, когда ступени сопротивления перемы­каются пусковыми контакторами К1, К2, КЗ. На рис.5.19 показа­ны пусковые характеристики, соответствующие трехступенчатой схеме пуска. Длительная работа на реостатных характеристиках сопряжена со значительными потерями энергии в сопротивлениях.

Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя после­довательного возбуждения является изменение величины подводимого к двига­телю напряжения. Механи­ческие характеристики, со­ответствующие этому спо­собу регулирования, показа­ны на рис.5.20.



Рис.5.20. Механические характери­стики двигателя последовательного возбуждения при изменении питаю­щего напряжения

По мере уменьшения напряжения они смещаются вниз парал­лельно естественной харак­теристике. Внешне искусст­венные характеристики при регулировании изменением напряжения схожи с реостатными характеристиками, однако, есть существенная разница в этих способах регулирования. Реостатное регулирование сопряжено с потерей энергии в добавочных сопротивлениях, а при регулировании изменением напряжения дополнительные потери отсутствуют.



Рис.5.21. Схема регулируемого электропривода с двигателем посто­янного тока последовательного воз­буждения и широтно-импульсным регулятором напряжения

Двигатели последова­тельного возбуждения час­то получают питание от сети постоянного тока или источника постоянного тока с нерегулируемой ве­личиной напряжения. Регу­лирование напряжения на зажимах двигателя в этом случае целесообразно про­изводить способом широтно-импульсного регулирования, который рассмотрен ниже. Уп­рощенная схема регулируемого электропривода с двигателем по­стоянного тока последовательного возбуждения и широтно-импульсным регулятором напряжения показана на рис.5.21



Рис.5.22. Схема и механические характеристики двигателя последовательно­го возбуждения при шунтировании обмотки якоря

Изменение потока возбуждения в рассматриваемых двигате­лях возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлени­ем (см. рис.5.22,а). В этом случае ток возбуждения будет равен



т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от на­грузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последователь­ного. Благодаря независимому возбуждению механические ха­рактеристики т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от на­грузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения: независимого и последователь­ного. Благодаря независимому возбуждению механические ха­рактеристики приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат. Примерные механические характеристики для этого способа регулирования показаны на рис.5.22,6. Шунтирование якоря позволяет получить устойчивую пониженную скорость при отсутствии нагрузки на валу двигателя. В данной схеме возможен переход двигателя в режим рекуперативного торможения при скорости ω > ω₀₁ или ω > ω₀₂. Существенным недостатком рас­сматриваемого способа регулирования является его неэкономич­ность, обусловленная большими потерями энергии в шунтирую­щем сопротивлении.

Для двигателей последовательного возбуждения характерны два режима торможения: противовключением и динамический. В режиме противовключения необходимо включение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя. На рис.5.23 показаны ме­ханические характеристики для двух вариантов режима проти­вовключения. Характеристика 1 получается, если при работе дви­гателя в направлении «вперед» (точка в) изменить направление тока в обмотке возбуждения и одновременно ввести в цепь двига­теля добавочное сопротивление. При этом двигатель переходит в режим противовключения в точке а с тормоз­ным моментом М_торм, под действием которо­го будет происходить торможение двигателя.



Рис.5.23. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

в режиме противовключения

При этом благода­ря тому, что в цепь двигателя включено большое добавочное сопротивление (кото­рому соответствует характеристика 2), двигатель под действием момента, создаваемого грузом, вращается в обратном направлении и будет работать в точке б, в которой активный статический момент М_груза уравновеши­вается тормозным моментом двигателя, работающего в режиме противовключения. Режим противовключения сопряжен со значительными потерями энергии в цепи двигателя и добавочной сопротивления.

Режим динамического торможения для двигателей последовательного возбуж­дения возможен в двух вари­антах. В первом - якорь двигателя замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети через добавочное сопротивле­ние. Характеристики двигате­ля в этом режиме подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения.

Во втором варианте, двигатель работает как генератор с самовозбуждением. Особенность дан­ной схемы состоит в том, что при пе­реходе из двигательного режима в режим динамического торможения необходимо сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избе­жание размагничивания машины. При размыкании контактора КМ ток в об­мотке возбуждения становится рав­ным нулю, но, так как магнитопровод машины был намагничен, то сохраня­ется остаточный поток возбуждения, благодаря которому в обмотке якоря вращающегося двигателя наводится э.д.с., под действием которой при замыкании контактов КВ в цепи обмотка якоря-обмотка возбуждения-сопротивление К протекает ток, и машина самовозбуждается. Этот процесс происходит, если скорость двигателя будет больше граничной скорости ω_гр Механические характеристики в режиме динамического торможения с самовозбуждением показаны на рис.5.25.



Рис.5.25. Механические характеристики двигателя последовательного возбу­ждения в режиме динами­ческого торможения с са­мовозбуждением

Режим рекуперативного торможения в обычной схеме вклю­чения двигателя последовательного возбуждения невозможен. Для его осуществления необходимо шунтирование якоря двига­теля, либо применение отдельной дополнительной обмотки неза­висимого возбуждения.

6. Переходные процессы в электроприводе

6.1. Общие сведения

При пуске и останове электродвигателя, при его реверсе, из­менении задания на скорость в регулируемом электроприводе, при приложении (или снятии) к валу двигателя механической на­грузки изменяются параметры электропривода: ток, момент, ско­рость и другие. При этом привод переходит из одного устано­вившегося режима работы с одними параметрами движения в другой установившийся режим с другими параметрами. Однако этот переход не может быть мгновенным, т.к. ток в двигателе из-за электромагнитной инерционности его цепей не может изме­няться мгновенно, также не может изменяться мгновенно скорость двигателя из-за механической инерционности движущихся масс электропривода.

Переходным процессом (переходным режимом) электропри­вода называется протекающий во времени процесс перехода от одного установившегося режима работы (или отключенного со­стояния) к другому установившемуся состоянию.

Причиной возникновения переходных процессов могут быть:

• 
  управляющие воздействия (включение – отключение электропривода, изменение задания на скорость привода и др.);
  
• 
  возмущающие воздействия, главным из которых является изменение нагрузки на валу двигателя (изменение М_с).
  

Необходимость изучения, а затем и формирования переход­ных процессов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных динамических режимах, в которых про­исходит резкое приложение нагрузки, необходимо быстрое изме­нение скорости и т.д. Таковы электроприводы металлорежущих станков, горных экскаваторов, прокатных станов и других ма­шин. Для этих машин возникает задача сокращения длительности переходных процессов, т.е. повышение быстродействия электро­привода.

Есть рабочие машины, для которых важнейшим требовани­ем является стабильность скорости вращения (например, машины для производства бумаги, пленки и т.п.). Здесь при приложении возмущающих воздействий важна минимизация величины откло­нения от заданных параметров движения.



Рис.8.1. Динамическая (переходная) характеристика системы регулирования

Большое значе­ние имеет анализ пе­реходных процессов для следящих электроприводов, которые работают, как прави­ло, в переходных ре­жимах, отрабатывая изменяющееся зада­ние скорости и поло­жения.

Переходные про­цессы могут быть ко­лебательными или апериодическими, как показано на рис.8.1, и характеризуются следующими показателями.

Время переходного процесса (t_nn - время, начиная с которого регулируемый параметр Y входит и остается в зоне допустимых отклонений от заданного значения Y_зад. Обычно в системах элек­тропривода эта зона принимается равной ±2% или ±5% от задан­ной величины регулируемого параметра.

Время нарастания до заданного значения t_н - время, когда регулируемый параметр Y первый раз достигает заданного значе­ния.

Перерегулирование – это выраженное в процентах относительное превышение максимального значения регулируемого параметра над заданным значением.

Эти показатели качества переходных процессов приводятся для случая, когда на систему регулирования действует ступенча­тое (единичное) управляющее или возмущающее воздействие.

Для расчета и анализа переходных процессов необходимо найти переходную функцию – зависимость параметров электро­привода (скорости, тока, момента и др.) от времени.

Переходные функции описываются дифференциальными уравнениями. Порядок дифференциального уравнения будет оп­ределяться числом инерционностей, которые учитываются при рассмотрении данного переходного процесса. Ниже перечислены основные инерционности, характерные для электроприводов.

Механическая инерционность, связанная с накоплением и отдачей кинетической энергии; величина механической инерци­онности определяется для вращательного движения моментом инерции J_∑, приведенным к валу электродвигателя; при анализе переходных процессов механическая инерционность оценивается электромеханической постоянной времени

(8.1)

где β – абсолютная величина (без учета знака) жесткости ме­ханической характеристики электропривода.

Электромагнитная инерционность, связанная с накоплением (отдачей) энергии электромагнитного поля; эта инерционность оценивается электромагнитной постоянной времени

(8.2)

где L и R - индуктивность и активное сопротивление элек­тромагнитного устройства (например, обмотки двигателя).

Электростатическая инерционность, связанная с накоплени­ем (отдачей) энергии электростатического поля; эта инерцион­ность оценивается постоянной времени

Т_с = RС (8.3)

где С – емкость конденсатора, R– сопротивление цепи его заряда-разряда.

Существуют инерционности и другой физической природы, которые иногда следует учитывать при анализе переходных про­цессов.

Если предположить, что инерционности отсутствуют или они пренебрежимо малы, то переходные процессы будут проте­кать мгновенно. Наличие в реальных системах инерционностей различной физической природы обуславливает затягивание пере­ходных процессов, связанное с тем, что в процессе перехода сис­темы из одного состояния в другое происходит накопление (за­пасание) или отдача энергии, которые не могут происходить мгновенно.

Если потоки энергии однонаправлены, то переходный про­цесс при приложении постоянного по величине воздействия но­сит монотонный характер. Таков, например, процесс нарастания тока в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока при по­даче напряжения на эту обмотку (рис.8.2,а).

Процесс изменения тока во времени при подаче напряжения на обмотку описывается дифференциальным уравнением



приводя который к нормализованному виду с учетом (8.2), получим:

(8.4)

где I_уст – установившееся значение тока возбуждения, или в операторной форме, заменяя символ дифференцирования d/dt на оператор р

i(Т_эр+1) = I_уст (8.5)

Решение этого уравнения будет

(8.6)

при = 0.

(8.7)



Рис.8.2. Переходные характеристики при включении обмотки возбуж­дения