Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
2.1. Принцип действия, устройство и параметры двигателей постоянного тока Принцип действия двигателей постоянного тока основан на свойствах проводников стоком в магнитном поле. Если в поле постоянного магнита поместить рамку, по проводникам которой пропустить электрический ток (рис. 2.1), то взаимодействие тока и магнитного потока вызовет появление вращающего момента. Направление вращения определяется правилом левой руки. Рис. 2.1. Рамка стоком в магнитном поле Двигатель постоянного тока построен на использовании этого явления. Большое число рамок, уложенных в пазах якоря (рис. 2.2), набранного из штампованных стальных дисков, образует якорную обмотку. Роль постоянного магнита выполняет статор, на полюсах которого намотана обмотка возбуждения. Возбуждением называется процесс создания магнитного поля. Рис. 2.2. Конструкция двигателя постоянного тока Рис. 2.3. Общий вид двигателя постоянного тока По схеме включения обмоток возбуждения различают двигатели независимого (шунтовой двигатель, последовательного (сериесный двигатель) и смешанного (компаундный двигатель) возбуждения. Схемы включения обмоток приведены на рис. 2.4. В общем случаев цепях обмоток могут быть включены добавочные сопротивления. Рис. 2.4. Схемы включения двигателей постоянного тока ас независимым возбуждением б – с последовательным возбуждением На металлической табличке, прикрепленной к каждому двигателю, указаны завод-изготовитель, тип машины и способ возбуждения (П, ПН, ДП, МП и др, номинальные данные P N , U N , I N , n N , иногда η N , G, J, год изготовления, заводской номер. В каталогах и справочниках можно найти максимальный момент или перегрузочную способность, габариты машины, все установочные размеры, ток возбуждения, обмоточные данные. Наиболее часто бывают нужны ток возбуждения, перегрузочная способность, сопротивление обмотки якоря. Эти величины можно определить и без каталога с достаточной точностью. У шунто- 13 вых двигателей в = 2−3 I N . У сериесных эти токи равны, но при работе ток возбуждения меняется. Сопротивление якорной обмотки а можно найти из условия, что в номинальном режиме половина потерь в двигателе приходится на якорь, откуда а = 0,5 Δ𝑃 𝐼 𝑁 2 = 0,5 𝑈 𝑁 𝐼 𝑁 − Перегрузочная способность у шунтовых двигателей потоку и моменту одинакова и составляет λ M = М макс / М = λ I = макс / I N = 2–2,5, ау сериесных м =2,5–3, а = 2−2,5. 2.2. Механическая и электромеханическая характеристики двигателей постоянного тока Уравнение электромеханической и механической характеристик двигателей постоянного тока наиболее удобно получить для шунтового двигателя. Уравнения характеристик выводятся из баланса напряжений цепи якоря U = E + а а, где U – напряжение питания якорной обмотки Е – электродвижущая сила ЭДС) якоря, I а –ток якоря, а – сопротивление якорной цепи, равное сумме сопротивления якоря и добавочного сопротивления а = а +а доб. ЭДС Е индуктируется в обмотке якоря при его вращении и может быть определена по формуле Е = 𝑝 𝑁 2 π 𝑎 Φ ω = 𝑝 𝑁 60 𝑎 Φ n = k e Φ n, где p − число пар полюсов N − число активных проводников в обмотке якоря a − число пар параллельных ветвей в обмотке якоря Φ − магнитный поток возбуждения – угловая скорость вращения якоря (рад/с); n – частота вращения якоря (об./мин.); k e – конструктивная постоянная машины по ЭДС. Подставив выражение для ЭДС в уравнение баланса напряжений, получим U = Фа а , откуда 14 n = 𝑈 − 𝐼 𝑎 𝑅 𝑎 𝑘 𝑒 Это уравнение электромеханической характеристики n = f(I). Рис. 2.5. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением Для получения уравнения механической характеристики n = f(М)вос- пользуемся выражением момента через токи магнитный поток Мм, где м = 𝑝 𝑁 2 π 𝑎 − конструктивная постоянная машины по моменту. Подставив это выражение в уравнение для электромеханической характеристики, получим n = 𝑈 𝑘 𝑒 Φ − 𝑀 𝑅 𝑎 𝑘 𝑒 𝑘 м Φ 2 . Из уравнения видно, что характеристики шунтового двигателя представляют собой линейную зависимость. Обычно s N = 3–10 , М кз /М N = I кз /I N = 10–15 (рис. 2.5) Для двигателя с последовательным возбуждением эти уравнения также справедливы, однако в отличие от шунтового магнитный поток непостоянен, а зависит оттока якоря, а значит от нагрузки. По этой зависимости при малых нагрузках магнитный поток сначала пропорционален току якоря, а затем при больших нагрузках происходит насыщение, и поток практически постоянен риса Рис. 2.6. Основные зависимости параметров двигателя с последовательным возбуждением а – кривая намагничивания б – зависимость момента оттока в – зависимость скорости оттока Поэтому зависимость момента оттока сначала квадратичная, а затем линейная (рис. 2.7, б. Вид механической и электромеханической характеристик близок к гиперболе (рис. 2.6, в, но пропорциональности масштабов при этом нет. Основными особенностями сериесного двигателя являются отсутствие режима холостого хода, несколько большая крутизна характеристики в зоне малых нагрузок, больший, чему шунтового двигателя, момент при тех же токах в зоне больших нагрузок. Сериесный двигатель не может работать без нагрузки, т. к. при этом его скорость возрастает и двигатель идет вразнос. 2.3. Построение характеристик двигателей постоянного тока Для шунтового двигателя рассчитываются две точки номинальный режим и идеальный холостой ход. Для номинального режима М = Р k e Φ N n N = а а k e Φ N = а а. Зная k e Φ N , можно определить частоту вращения идеального холостого хода = U N /k e Φ N = n N U N а r а ). Для любой искусственной характеристики расчет ведут аналогично, задавая соответствующие новые параметры или кратность магнитного потока. Для сериесного двигателя характеристики строят, как правило, по универсальным кривым (рис. 2.7), построенным в относительных единицах и предоставляемых заводом-изготовителем для серии двигателей υ = n/n N : I = I/I N ; m = M/M N Рис. 2.7. Универсальные характеристики По этим зависимостям можно построить характеристики любого двигателя изданной серии. Номинальные данные определяются из паспорта. Задаваясь кратностью тока, по кривым определяются кратности скорости и момента. Искусственные характеристики строятся с использованием естественных характеристик для конкретных значений момента и тока и измененных параметров напряжение или сопротивление якоря. 2.4. Пуск двигателя постоянного тока и расчет пускового реостата Всякий режим пуска начинается с режима короткого замыкания, тес такого, при котором обмотка якоря включена в сеть, а якорь неподвижен. В этом случае ток цепи якоря определяется в соответствии с законом Ома I кз = U/r a . Поскольку на естественной характеристике сопротивление якоря очень мало, I кз = (10–15) I N . Отсюда можно сделать вывод, что припуске двигателя необходимо либо снижать напряжение на обмотке якоря, либо увеличивать сопротивление цепи якоря. При питании от сети используют включение пускового сопротивления. Изменением напряжения пользуются только при наличии регулируемого источника питания. Припуске двигателя надо обеспечить два условия 1. Пусковой момент двигателя должен быть больше момента статической нагрузки. При их равенстве разгон прекратится. 2. Максимальные значения тока и момента припуске не должны превышать допустимых пределов. По условиям коммутации, те. по условиям работы щеточного контакта допустимый ток составляет 2,5 I N . Однако по условиям питающей сети или допустимых ускорений механизма допустимые токи момент могут быть ограничены в большей степени. Для обеспечения плавного пуска с минимальным временем обычно делают пуск многоступенчатым (рис. 2.8). Число ступеней можно выбрать произвольно, но, как правило, не более пяти. Для обеспечения пуска задаются одним из значений пускового момента − максимальным или минимальным М п мин = (1,2–1,5) Мс М п макс ≤ М доп Рис. 2.8. Схемы пуска двигателей постоянного тока ас независимым возбуждением б – с последовательным возбуждением Каждой ступени сопротивления соответствует своя характеристика. Для трехступенчатого пуска получаются показанные на рис. 2.9 диаграммы. Процесс пуска происходит так при включении двигателя − бросок момента до М = М макс . (рис. Двигатель начинает разгон по первой характеристике е – n 0 ). При достижении момента М = М мин (рис. 2.9) происходит переключение двигателя, при котором часть сопротивления шунтируется (то есть выводится из цепи якоря. Рис. 2.9. Пусковые диаграммы двигателей постоянного тока ас независимым возбуждением б – с последовательным возбуждением Момент снова скачком увеличивается до максимального, итак до тех пор, пока двигатель не разгонится до рабочей скорости с. Для того чтобы припуске момент не превышал допустимых пределов, необходимо правильно рассчитать сопротивление. Для шунтового двигателя по паспортным данным рассчитывают пусковую диаграмму так. Строят естественную механическую характеристику. Задаются значениями М макс и М мин и числом ступеней. Строят всю пусковую диаграмму (риса. Если подбор сделан правильно, тона всех характеристиках максимальный и минимальный моменты получатся одинаковыми. По правильной пусковой диаграмме отрезки ab, bc, cd и de пропорциональны сопротивлениям якорной цепи. Масштаб сопротивлений определяют по отрезку ae, который пропорционален полному сопротивлению цепи якоря. Для расчета сопротивлений для сериесного двигателя существует несколько методов. Наиболее простой – метод лучевой диаграммы (рис. 2.9, б. При этом линеаризуется участок естественной характеристики между моментами М макс и М мин . Линия продолжается до пересечения с осью скорости.Далее построение идет так, как было показано для шунтового двигателя. 2.5. Тормозные режимы двигателей постоянного тока Электродвигатели отличаются той особенностью, что для их остановки не требуется применение специальных тормозных устройств. Торможение используется при необходимости ограничения скорости движения привода, находящегося под действием потенциальных (активных) сил и моментов, а также при необходимости снижения скорости привода вплоть до полной остановки. При этом могут применяться три тормозных режима. 1. Рекуперативное торможение возникает в тех случаях, когда скорость двигателя становится выше скорости идеального холостого хода (рис. 2.10). Очевидно, что такой режим возможен только у шунтовых двигателей. Поскольку в этом режиме скорость двигателя становится выше скорости идеального холостого хода, ЭДС двигателя превышает напряжение питания Е = k e Φ n> U = k e Φ n 0 , т. к. n > n 0 . Следовательно, ток якоря должен изменить направление U = Е + (− I a R a ), I a < 0 . Двигатель стал генератором, работающим параллельно с сетью. Причем торможение возникает только за счет переключения двигателя на другую характеристику. Режим может проявляться как установившийся и как переходный. При переключении двигателя с одного напряжения на другое или с одного тока возбуждения на другой (характеристики 1 ирис) меняется скорость холостого хода. От с до 𝑛 0 , – режим генераторного торможения. При силовом спуске легкого груза или при движении транспорта под уклон под действием момента двигателя и нагрузки привод разгоняется до скорости сточка В на характеристике 3, при которой будет установившийся режим торможения. Рис. 2.10. Механические характеристики при генераторном торможении Рекуперативное торможение применяется для снижения или ограничения скорости. Механическая энергия, поступающая с вала, идет на покрытие потерь и отдается в сеть, поэтому торможение весьма экономично. 2. Торможение противовключением возникает во всех случаях, когда двигатель включен для работы водном направлении, а его якорь вращается в обратном под действием внешних сил или моментов. Этот режим также может возникать в двух случаях. У вращающегося двигателя изменили полярность напряжения питания якорной обмотки (рис. 2.11). Рис. 2.11. Схемы включения обмоток (аи механические характеристики (б) двигателя с независимым возбуждением при торможении противовключением В этом случае направление поля двигателя не изменилось. В первый момент направление скорости тоже остается прежним, т. к. двигатель и механизм обладают инерцией. Поэтому при изменении полярности напряжения ток якоря должен изменить направление, следовательно, изменится и направление момента (точка А, рис. 2.9, б). Очевидно, что в первый момент времени ток будет очень велик нач = (U+E)/r a ≈ 2 I кз . Поэтому при противовключении необходимо вводить большое добавочное сопротивление в цепь якоря. Достоинством этого режима является возможность полной остановки двигателя и достаточно большой средний тормозной момент. Торможение эффективное и может служить для остановки. Недостатком является сильное увеличение потерь из-за больших добавочных сопротивлений, наличие момента при нулевой скорости, что затрудняет автоматизацию режима, поскольку возможен реверс двигателя. Этот способ обычно применяется в реверсивных механизмах. Рис. 2.12. Механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением при торможении противовключением При тормозном спуске груза в цепь якоря включают большое добавочное сопротивление. При этом момент короткого замыкания двигателя в пределах первого квадранта меньше момента нагрузки, поэтому привод раскручивается в обратную сторону и двигатель работает в тормозном режиме (точка С, рис. 2.11, б. В отличие от предыдущего случая здесь получается устойчивый режим работы. В потери обращается энергия, поступающая из сети и с вала двигателя. Торможение противовключением у двигателя с последовательным возбуждением проходит аналогично, характеристики представлены на рис. 2.12. 3. Динамическое торможение может быть с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Первый случай используется как аварийное торможение, и мы его рассматривать не будем. При торможении с независимым возбуждением якорная обмотка двигателя отключается от питающей сети и замыкается на тормозное сопротивление. Обмотка возбуждения подключена к сети, и по ней протекает номинальный ток, для чего у сериесного двигателя включается добавочное сопротивление (рис. 2.13). Рис. 2.13. Схемы включения обмоток двигателей (а, б) и характеристики (в) двигателей постоянного тока при динамическом торможении Процесс торможения и характеристики у обоих двигателей одинаковы. Двигатель стал генератором, работающим на постоянное сопротивление. Поскольку в якорной обмотке действует только ЭДС, ток меняет направление. Величина тока, а следовательно, и момента зависят от величины тормозного сопротивления чем оно меньше, тем момент и ток больше (характеристики 2 ирис, в. Торможение приводит к полной остановке. Различие режима для разных двигателей состоит в разной энергетике для шунтового двигателя потребление из сети равно Р в = в в = (2–3 ) I N в = (2–3 ) Р, для сериесного Р в = I N в = Р. Энергия, поступившая с вала, обращается в потери. По сравнению с противовключением эффективность торможения меньше, поэтому целесообразно применять ступенчатое выключение сопротивлений в якорной цепи по мере снижения скорости. ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 3.1. Принцип действия, устройство и параметры асинхронного двигателя Асинхронный двигатель имеет две обмотки статора и ротора, уложенные в пазах статорного и роторного пакетов электротехнической стали. Обмотка статора трехфазная, равномерно распределенная в пазах статорного пакета. Рис. 3.1. Схемы включения обмоток статора Выполняется медным проводом. От каждой секции обмотки, относящейся к одной фазе, имеется по два вывода. В зависимости от требований обмотку статора собирают по схемам звезда или треугольник. По выполнению обмотки ротора различают двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами) и двигатели с короткозамкнутым ротором. У первых обмотка выполнена проводом, уложенным в пазах ротора. Три вывода от обмотки, соединенной в звезду внутри машины, подведены к кольцами через щетки подключаются к внешней схеме. Иногда имеется устройство для замыкания колец накоротко. У короткозамкнутых двигателей обмотка ротора выполнена из стержней, замкнутых по торцам кольцами, от нее выводов нет. Обмотка статора, включенная в сеть трехфазного тока, создает вращающееся магнитное поле. Рассмотрим, как это происходит. Секции обмотки статора, соответствующие трем фазам, уложены на статоре так, что их оси располагаются под углом 120° друг к другу. По секциям проходит трехфазный ток рис. 3.2). Рассмотрим состояние системы для моментов времени 1–6 (рис. 3.2). По схеме видно, что за период магнитный поток делает полный оборот. Очевидно, если взять частоту больше, то и частота вращение поля будет больше. Зависит частота вращения поля (она называется синхронной частотой вращения) и от числа пар полюсов n 0 = 60∙f 1 /p где f 1 − частота тока статора p − число пар полюсов. Рис. 3.2. Принцип получения вращающегося магнитного поля I a = I m sin ωt, I b = I m sin (ωt–2π/3), I c = I m sin (Для того чтобы изменить направление вращения поля, надо изменить порядок чередования фаз напряжения питания статора. При своем вращении поле пересекает неподвижные пока проводники обмотки ротора (рис. 3.3). В ней наводится ЭДС, ат. к. обмотка замкнута, то и ток. Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает момент. Направление момента таково, что он стремится повернуть ротор в сторону вращения поля статора. Если ротор будет вращаться со скоростью, равной скорости поля статора, то пересечения обмотки ротора магнитным потоком не будет, следовательно, не будет и тока в роторе, не будет момента, вращающего ротор. Ротор всегда отстает от поля, сохраняя разность скоростей, обеспечивающую наличие тока и момента. В зависимости от величины нагрузки, которую приходится преодолевать ротору, разница вскорости поля и ротора будет меняться чем больше нагрузки, тем меньше скорость ротора. Поэтому двигатель называется асинхронным, он не может самостоятельно вращаться со скоростью, равной скорости поля. Асинхронные двигатели, особенно короткозамкнутые, проще по конструкции, чем двигатели постоянного тока, а значит и надежнее. Они удобны в обслуживании, тку короткозамкнутых нет контактных соединений, нет щеток и коллектора. У двигателей с фазным ротором есть контактные кольца и щетки, но коммутация у них надежная. Промышленность выпускает несколько серий двигателей имеющих самые различные характеристики и пусковые свойства. Рис. 3.3. Принцип создания вращающего момента В паспорте двигателя указаны завод-изготовитель, исполнение, способ соединения обмоток статора, номинальные напряжение, ток статора, мощность, скорость, частота, КПД, коэффициент мощности, год выпуска. Остальные данные (сопротивления обмоток, момент инерции, перегрузочная способность потоку и моменту и пр) приводится в каталогах. |