Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
29. Электрический привод. Структура и преимущества электропривода. Электродвигатели постоянного тока, их преимущества и недостатки. Устройство и принцип работы. Электрический привод (ЭП) – это электромеханическая система, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, управление потоком этой энергии и содержащая: - преобразователь ЭЭ (ПЭЭ) - служит для изменения параметров ЭЭ (трансформаторы, выпрямители, частотные преобразователи); - электромеханический преобразователь (ЭМП) - преобразует электрическую энергию в механическую (электромагнитные и электромашинные преобразователи - различные типы двигателей); - преобразователь механической энергии (ПМЭ) - служит для изменения параметров механической энергии (редукторы, кулачковые механизмы, кулисные механизмы и др.); - система управления ЭП (СУЭП) - управляет режимом работы ЭП (включение, выключение, реверсирование, торможение, изменение частоты вращения ЭП); - рабочая машина (РМ) или исполнительный механизм (ИМ) - преобразует механическую энергию в требуемую работу. Структурная схема электропривода  В настоящее время на получение механической энергии в электроприводе расходуется около 80 % электрической энергии, потребляемой в промышленности, или около 60 % всей вырабатываемой электрической энергии. Широкое распространение электропривода связано с такими его преимуществами, как 1. Простота подвода и распределения электрической энергии; 2. Высокая надежность, безопасность и экономичность электрических двигателей; 3. Простота и удобство обслуживания и эксплуатации электрических двигателей, управления, контроля и автоматизации работы электропривода; 4. Широкий выбор типов, конструктивных исполнений и мощностей электрических двигателей; 5. Широкий диапазон регулирования частоты вращения и хорошие регулировочные свойства электрических двигателей; 6. Высокая экологическая чистота производства при использовании электропривода. Машины постоянного тока, как и другие электрические машины, обладают свойством обратимости и могут работать в качестве электродвигателей и генераторов. Двигатели постоянного тока используются для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию и широко применяются для привода металлорежущих станков, прокатных станов, роликовых транспортеров, подъемно-транспортных машин, экскаваторов, в электрифицированном транспорте и т.д. Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти двигатели широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Двигатели постоянного тока имеют хорошие пусковые и регулировочные свойства, высокую перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики, поэтому применяются в регулируемом электроприводе, когда требуется высокое качество управления технологическим процессом. Преимущества двигателей постоянного тока: - хорошие пусковые свойства – большой пусковой момент; - хорошие регулировочные свойства – простота, большой диапазон; - высокая перегрузочная способность; - широкий выбор механических характеристик. Недостатки двигателей постоянного тока: - двигатели постоянного тока сложнее по конструкции и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей; - наличие щеточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надёжность работы машины; - использование двигателей постоянного тока связано с повышенными эксплуатационными расходами; - двигатели постоянного тока обладают повышенной взрыво-пожароопасностью вследствие искрообразования на коллекторе; - для питания двигателя постоянного тока требуется специальный источник постоянного тока (выпрямитель), поскольку основной системой электроснабжения промышленных предприятий является трёхфазная система переменного тока. Устройство двигателя постоянного тока Конструктивно двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей, разделённых тонким воздушным зазором 0,3 - 0,5 мм: 1. Неподвижная часть - статор или индуктор; 2.Вращающаяся часть - ротор или якорь. Особенностью конструкции машин постоянного тока является щеточно-коллекторный узел, служащий для поддержания скользящего электрического контакта неподвижной внешней сети постоянного тока с вращающейся обмоткой якоря. Устройство двигателя постоянного тока: 1- корпус (станина); 2 - главный полюс; 3 - катушки обмотки возбуждения; 4 - сердечник якоря; 5 - обмотка якоря; 6 - коллектор; 7 - щётки; 8 - вентилятор; 9 - подшипниковый щит.  Статор 1 (индуктор – неподвижная часть машины). Станина (статор или корпус двигателя) литой или сварной, из чугуна или стали выполняется в виде полого цилиндра. На станине устанавливаются полюсы и подшипниковые щиты, в которых закрепляются подшипники вала якоря. Станина является частью магнитопровода (ярмом) машины и обеспечивает его замкнутость. На внутренней поверхности статора крепятся болтами главные полюсы 2 с полюсными наконечниками, которые служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами и якорем. Наконечники главных полюсов выполняются шихтованными - из тонких изолированных стальных штампованных пластин толщиной 0,35 - 0,5 мм, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсаций магнитного потока в полюсных наконечниках возникают вихревые токи и соответственно потери мощности. Однако по технологическим условиям обычно выполняют шихтованным весь полюс. На главных полюсах расположены катушки обмотки возбуждения 3, выполненные из медного обмоточного провода. При включении обмотки возбуждения в сеть постоянного тока в статоре двигателя создаётся постоянный магнитный поток возбуждения Ф В . Внутри статора между главными полюсами расположены узкие дополнительные (добавочные) полюсы с обмоткой, которые служат для улучшения коммутации и уменьшения искрения на коллекторе двигателя, а так же для коррекции его механической характеристики. Якорь 4 (ротор - вращающаяся часть машины). Современные машины постоянного тока имеют зубчатый якорь барабанного типа. Сердечник якоря представляет собой цилиндр (барабан) 4, набранный из тонких изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На наружной поверхности якоря имеются пазы, в которые уложена обмотка якоря 5 – так называемая барабанная обмотка. Обмотка якоря изготовляется из медного обмоточного провода круглого или прямоугольного сечения и состоит из отдельных, заранее намотанных катушек - секций, которые обматываются изоляционными лентами и укладываются в пазы сердечника якоря. Катушки (секции обмотки) могут соединяться между собой последовательно или параллельно, образуя обмотку якоря в основном двух типов: петлевую или волновую. Петлевую обмотку можно получить, если соединить соседние секции так, чтобы их боковые стороны находились под одним и тем же магнитным полюсом индуктора. Если же соседние секции соединить так, чтобы их боковые стороны были расположены под разными магнитными полюсами, то получается волновая обмотка. Обмотка якоря является замкнутой и выводы секций обмотки припаиваются к пластинам коллектора 6, расположенного на валу двигателя. Коллектор 6 представляет собой цилиндр, набранный из пластин твёрдотянутой меди, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых на стальной втулке на валу двигателя. В качестве изоляции между коллекторными пластинами используется прокладки из слюды – миканита или специальных пластмасс толщиной 0,5 - 2 мм в зависимости от размера коллектора и рабочего напряжения машины. Как показала практика напряжение между соседними коллекторными пластинами не должно превышать 40 В и это является одной из причин, почему машины постоянного тока обычно изготовляются на низкое напряжение до 500 В. Коллектор является самой ненадёжной частью электрической машины и требует постоянного осмотра и ухода. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 7 для поддержания скользящего электрического контакта вращающейся обмотки якоря с неподвижной внешней сетью постоянного тока. Крепление машины к фундаменту, специальным салазкам или металлоконструкции осуществляется с помощью лап, а иногда корпус некоторых машин снабжается для крепления специальными фланцами. В зависимости от способа включения обмотки возбуждения (ОВ) относительно сети и якоря (Я), различают двигатели постоянного тока c независимым возбуждением (ОВ к якорю не подключена, а) и двигатели постоянного тока с параллельным (б), последовательным (в) и смешанным (г) возбуждением. Принцип работы двигателя постоянного тока Принцип работы двигателя постоянного тока основан на использовании явления электромагнитного взаимодействия (правило левой руки). Для запуска двигателя постоянного тока обе его обмотки – обмотка возбуждения (ОВ) и обмотка якоря (ОЯ) с помощью рубильника, пускателя или другой пусковой аппаратуры включается в питающую сеть постоянного тока на номинальное напряжение U = U ном . Протекающий по обмотке возбуждения ток возбуждения I В создаёт в статоре магнитный поток возбуждения Ф В , пронизывающий обмотку якоря. Протекающий по обмотке якоря ток якоря I Я взаимодействует с магнитным потоком возбуждения статора Ф В , в результате чего возникают электромагнитные силы F, действующие на проводники якоря и создающие вращающий электромагнитный момент М = cM Ф В I Я . NB. cM - константа момента, определяемая конструкцией электродвигателя. Под действием вращающего электромагнитного момента М якорь двигателя приходит во вращение и по окончании разгона ротор вращается с частотой n = ( U – R Я I Я ) / сЕ Ф В . NB. сЕ - константа ЭДС, определяемая конструкцией электродвигателя; RЯ IЯ - падение напряжения в обмотке якоря.  При вращении ротора двигателя проводники обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии потока возбуждения статора Ф В в результате чего в обмотке якоря наводится ЭДС (правило правой руки)Е = сЕ Ф В n . Наведённая в обмотке якоря ЭДС E направлена против приложенного к якорю напряжения (противо-ЭДС) и работа двигателя описывается уравнением электрического равновесия U = E + RЯ IЯ . При этом ток, потребляемый якорем двигателя из сети, или рабочий ток двигателя определяется уравнением IЯ = (U - E)/ RЯ Электрическая схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (РМ - рабочая машина) 30. Основные характеристики электродвигателей постоянного тока. Способы пуска и регулирования частоты вращения. Реверсирование и способы электрического торможения электродвигателей постоянного тока. Основные характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением Свойства двигателей постоянного тока в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. В настоящее время в промышленности наиболее широкое применение получили двигатели с параллельным возбуждением. В двигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена к питающей сети параллельно с обмоткой якоря. В цепь обмотки возбуждения последовательно включается регулировочный реостат RРР, а в цепь якоря - пусковой RПР или регулировочный R* реостат. Характерной особенностью двигателя является то, что ток возбуждения IB не зависит от тока якоря IЯ (тока нагрузки), т. е. при неизменном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения, ток возбуждения постоянен IB = const. Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки Ф = ФВ = const. Моментная характеристика Моментная характеристика двигателя М (IЯ) представляет собой зависимость вращающего момента двигателя от тока нагрузки, потребляемого якорем от сети: М = cM Ф IЯ . При условии, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки Ф = const, моментная характеристика двигателя М (IЯ) является прямолинейной и проходит через начало координат. Механическая характеристика Механическая характеристика двигателя n (М) представляет собой зависимость частоты вращения якоря от тормозного момента нагрузки на валу двигателя. Из формул вращающего момента двигателя М = cM Ф IЯ и частоты вращения якоря n = ( U – RЯ IЯ ) / сЕ ФВ можно получить уравнение механической характеристики: n = (U / сЕ ФВ ) – RЯ М / сЕ cM ФВ 2 = nо - Δ n , - здесь nо = U / сЕ ФВ - частота вращения идеального холостого хода при работе двигателя без потерь М = 0, IЯ = 0, Δ n = RЯ М / сЕ cM ФВ 2 = RЯ IЯ / сЕ ФВ - изменение частоты вращения, обусловленное возрастанием тока нагрузки при увеличении тормозного момента нагрузки, RЯ IЯ = Δ UЯ - падение напряжения в обмотке якоря. С целью тепловых потерь в якоре и повышения экономичности двигателя обмотку якоря выполняют с очень малым сопротивлением, поэтому падение напряжения в обмотке якоря в номинальном режиме обычно невелико и составляет 5 - 10 % от напряжения питающей сети. При условии, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки Ф = const, механическая характеристика двигателя n (М) также является линейной и имеет слабо падающий вид при возрастании тормозного момента нагрузки на валу двигателя. Уменьшение частоты вращения двигателя при увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной невелико и составляет около Δ n = 5 - 10 % от частоты вращения идеального холостого хода nо, что объясняется малым падением напряжения в обмотке якоря двигателя. Энергетическая (экономическая) характеристика К энергетической характеристике двигателя постоянного тока относится зависимость КПД от коэффициента загрузки η (β ) или от механической мощности нагрузки на валу двигателя η (P2) . На этой зависимости можно выделить три характерных участка: 1. Оптимальный режим работы ДПТ близкий к номинальному (коэффициент загрузки β = 0,7 - 1,0), в котором двигатель имеет высокий КПД порядка 0,8 - 0,9 и выше. 2. Режим сильной недогрузки β < 0,3 - 0,4 , в котором КПД значительно снижается по сравнению с номинальным режимом. 3. Режим перегрузки β > 1,0 , в котором КПД снижается незначительно по сравнению с номинальным режимом, но длительная работа с перегрузкой приводит к перегреву и резкому сокращению срока службы двигателя. Пуск двигателей постоянного тока В момент пуска двигателя постоянного тока, когда якорь неподвижен, а обмотка якоря включена в сеть, двигатель находится в самом тяжелом режиме и в его обмотках протекает большой пусковой ток во много раз превышающий номинальное значение. Поскольку большой пусковой ток протекает по обмоткам электродвигателя кратковременно только в процессе пуска - всего несколько секунд, то он не вызывает сильного нагрева двигателя, если пуски двигателя не являются слишком частыми. Поэтому рекомендуется избегать частых пусков электрического двигателя, а сам процесс пуска и разгона двигателя до номинального режима не должен быть длительным. Кроме того, при пуске электродвигателей большой мощности в питающей сети могут возникать недопустимые падения напряжения, что приводит к неустойчивой работе пусковой аппаратуры, подгоранию контактов и затруднению пуска самого двигателя, а также к нарушению работы уже включённых в сеть двигателей, осветительных устройств и другого электрооборудования. В этих случаях возникает необходимость ограничивать пусковой ток электродвигателей при включении их в питающую сеть. Прямой пуск Прямой пуск ДПТ обычно используется для пуска двигателей малой мощности - обмотка якоря и обмотка возбуждения при выведенном регулировочном реостате RРР = 0 с помощью простейшей пусковой аппаратуры (контактора, пускателя, рубильника) включаются в питающую сеть на номинальное напряжение U = Uном . Для повышения пусковых качеств двигателя и увеличения пускового момента МП = cM Ф IЯП пуск двигателя следует производить при максимальном магнитном потоке, для чего перед пуском необходимо полностью вывести регулировочный реостат в цепи возбуждения RРР = 0 . Преимущества прямого способа пуска: - способ очень прост, экономичен, не требует специальной аппаратуры. Недостатки прямого способа пуска: Большой пусковой ток - кратность пускового тока IЯ П / IЯ ном ≈ 10 - 20 , что вызывает: - большие электрические и тепловые перегрузки питающей сети, пусковой аппаратуры и самого двигателя особенно при частых пусках; - дестабилизацию напряжения питающей сети - в момент пуска напряжение кратковременно снижается, что нарушает работу включённых в сеть потребителей; - резкое ухудшение коммутации, что вызывает сильное искрение и даже появление «кругового огня» на коллекторе (короткое замыкание), что в свою очередь вызывает быстрый износ и разрушение коллектора; - появление большого пускового момента и сильных динамических (ударных) нагрузок на вал двигателя и передаточные устройства. Кроме того, очень большой пусковой ток может вызвать перегорание плавких предохранителей и сбои при запуске двигателя. Появление большого тока при прямом пуске объясняется тем, что рабочий ток якоря зависит только от величины противо-ЭДС IЯ = (U - E)/ RЯ . Величина противо-ЭДС, наводимой в обмотке якоря, в свою очередь зависит от частоты вращения якоря E = сЕ ФВ n и в номинальном режиме составляет Е = (0,9 - 0,95)U. Падение напряжения в обмотке якоря двигателя (U - E) = RЯ IЯ = Δ UЯ в номинальном режиме обычно невелико и составляет порядка 5 - 10 % от номинального напряжения сети. При пуске двигателя в начальный момент якорь неподвижен n = 0 и наводимая в нём противо-ЭДС равна нулю E = сЕ ФВ n = 0, поэтому при прямом пуске всё приложенное к якорю напряжение уравновешивается падением напряжения в обмотке якоря и пусковой ток достигает очень большой величины: IЯП = (U - E)/ RЯ = (U - сЕ ФВ n)/ RЯ = U / RЯ = (20 – 10) IЯ ном. Большая кратность пускового тока определяется отношением величины приложенного к якорю напряжения и падения напряжения в обмотке якоря в номинальном режиме: IЯ П / IЯ ном = U / Δ UЯ ном = 20 - 10 . Большой пусковой ток недопустим особенно при пуске двигателей средней и большой мощности, поэтому при пуске таких двигателей используют способы, которые ограничивают пусковой ток до кратности порядка 2 – 2,5 от номинального тока, что позволяет двигателю развивать достаточный пусковой момент и в значительной степени устраняет недостатки прямого пуска. Снижение пускового тока и улучшение условий пуска двигателя может быть достигнуто следующими способами: 1. Изменением напряжения при независимом питании якоря двигателя от источника с регулируемым напряжением, например, тиристорного выпрямителя. 2. Изменением сопротивления цепи якоря с помощью пускового реостата, включённого последовательно с обмоткой якоря (реостатный способ пуска). |