WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«С. Е. МИРОНОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Учебное пособие Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уральский федеральный ...»

Н. И. ТОМАШЕВСКИЙ

Д. Н. ТОМАШЕВСКИЙ

С. Е. МИРОНОВ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Н. И. Томашевский, Д. Н. Томашевский, С. Е. Миронов

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Учебное пособие Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника Екатеринбург Издательство Уральского университета УДК 62-83(075.8) ББК 31.291я73 Т56

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. завкафедрой «Энергетика» ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет» Шанчуров С. М.;

директор науч.-техн. центра ООО НПП «РЭЛТЕК», канд. техн. наук, доц. Фаткуллин С. М .

Научный редактор — д-р техн. наук, доц. Фризен В. Э .

Томашевский, Н. И .

Т56 Электромеханические свойства и энергетические характеристики электроприводов : учеб. пособие / Н. И. Томашевский, Д. Н. Томашевский, С. Е. Миронов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 199, [1] с .

ISBN 978-5-7996-2498-9 В пособии излагаются основные теоретические положения дисциплины «Электрический привод». Рассматриваются разомкнутые системы электроприводов постоянного и переменного тока в двигательном и тормозных режимах работы. Даются математические описания электродвигателей при работе на статических и динамических характеристиках .

Пособие предназначено для бакалавров всех форм обучения по образовательной программе «Электротехнологические процессы и установки с системами питания и управления» .

Библиогр: 14 назв. Рис. 137. Табл. 2 .

УДК 62-83(075.8) ББК 31.291я73 ISBN 978-5-7996-2498-9 © Уральский федеральный университет, 2018 Список сокращений АД — асинхронный двигатель АД КЗР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АД ФР — асинхронный двигатель с фазным ротором АИН — автономный инвертор напряжения АИТ — автономный инвертор тока АМ — асинхронная машина ВВВ — внешнее возмущающее воздействие ВК — выходная координата ВУВ — внешнее управляющее воздействие Г-Д — генератор-двигатель ДП — дополнительные полюса ДПТ — двигатель постоянного тока ДР — двигательный режим ДТ — динамическое торможение ИО — исполнительный орган ИОРМ — исполнительный орган рабочей машины КЗ — короткое замыкание КО — компенсационная обмотка КПД — коэффициент полезного действия МПТ — машина постоянного тока МПТ НВ — машина постоянного тока независимого возбуждения МПТ ПВ — машина постоянного тока последовательного возбуждения МПТ СВ — машина постоянного тока смешанного возбуждения НВ — независимое возбуждение НС — намагничивающая сила ОВ — обмотка возбуждения Список сокращений

–  –  –

Предисловие У чебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения. Целью пособия является оказание помощи студентам при самостоятельной работе с рекомендуемой литературой .

В задачу пособия не входит изложение всего материала дисциплины, весьма разнообразного и достаточно полно представленного в рекомендуемой литературе разных лет издания .





Вместе с тем вся рекомендуемая литература заслуживает внимания, поскольку она утверждена в качестве учебников в интереснейшей области знания и практики, избранной самим студентом для профессионального становления. В каждом издании, безусловно, содержится полезная информация, которую следует изучать, внимательно вникать в сущность прочитанного и составлять собственное мнение. С учетом сказанного в рекомендуемую литературу включены и лучшие прежние издания, которые стали библиографической редкостью, но не утратили актуальности .

В предлагаемом пособии представлен материал по физическим основам электромеханики приводов постоянного и переменного тока;

рассматриваются электромеханические свойства и энергетика разомкнутых систем силовой части, то есть не охваченных автоматическими обратными связями. Показана логическая преемственность с дисциплиной «Электрические машины», в которой изучены принципы устройства, направленные на оптимальное конструирование и обеспечение требуемых электромагнитных и механических рабочих параметров машин. Дисциплина же «Электрический привод» фактически вводит электрические машины в «активную жизнедеятельность»

в двигательном и различных тормозных режимах работы в установивПредисловие шихся и переходных движениях при совершении полезной механической работы .

Современный электропривод мыслится не иначе как автоматизированный. Эти задачи решаются в следующих специальных дисциплинах: «Теория автоматического управления», «Системы автоматического управления» .

Названные дисциплины специальной подготовки представляют ядро профессионального формирования специалистов в широкой области теории и практики автоматизированного электропривода, на основе которого в настоящее время и осуществляется построение промышленных установок и технологических комплексов .

–  –  –

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Основные положения и понятия ЭП

1.1. Электропривод и электрифицированная рабочая машина (механизм) Э лектрическим приводом (ЭП) называют часть машинного устройства, включающую в свой состав электрический двигатель (ЭД), возможные преобразователи электрической энергии (ПЭЭ) и механической энергии (ПМЭ), а также систему автоматического управления (САУ). Его назначением является приведение в заданное движение исполнительных органов рабочей машины (ИОРМ) в соответствии с технологическими требованиями конкретного механизированного производства .

Рабочая машина (производственный механизм), оснащенная электрическим приводом, называется электрифицированной. Мнемоническая структура электрифицированной рабочей машины представлена на рис. 1.1 .

Электрический привод представляет собой электромеханический комплекс преобразовательных устройств, который (благодаря САУ) обеспечивает управляемый процесс энергопреобразования в силовой цепи электропривода, включающей в себя электрический канал «ЭС — ПЭЭ — ЭД» и механический канал «ЭД — ПМЭ — ИОРМ» передачи преобразуемой энергии. Направление больших стрелок между функциональными звеньями электропривода на рис. 1.1 связывает различные формы энергии, указывая на работу электропривода в двигательном режиме .

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП Охарактеризуем функциональные звенья электрического привода .

1. Основополагающим звеном электропривода является электрический двигатель (ЭД), без которого не появилось бы понятие «электропривод». ЭД осуществляет процесс качественного электромагнитно-механического преобразования потребляемой электрической энергии W 'эл через промежуточную электромагнитную энергию Wэм в механическую форму энергии W’мех, которая развивается на его валу и передается исполнительному органу рабочей машины (ИОРМ) для приведения его в движение и совершения полезной механической работы. Поскольку ЭД подразделяют по роду тока, то и электроприводы называют ЭП постоянного или переменного тока и далее указывают тип ЭД (независимого, параллельного, последовательного или смешанного возбуждения; асинхронный или синхронный трехфазный);

возможно указание формы движения якоря или ротора (вращательное, шаговое, линейное) .

–  –  –

Рис. 1.1. Мнемоническая структура электрифицированной рабочей машины

1.1. Электропривод и электрифицированная рабочая машина (механизм)

2. Преобразователь электрической энергии (ПЭЭ) преобразует электрическую энергию одних параметров Wэл в электрическую же других параметров Wэл, при этом возможны режимы инвертирования и выпрямления. По принципу работы ПЭЭ могут быть электромашинными (применявшимися ранее) и полупроводниковыми (современная тенденция). ПЭЭ может отсутствовать в составе электропривода, в таком случае последний называют сетевым, то есть потребляющим электроэнергию непосредственно из сети. А при наличии ПЭЭ в названии электропривода фигурирует тип преобразователя, например:

система «Г — Д», система «ТП — Д» и др .

3. Преобразователь механической энергии (ПМЭ) одних параметров W’мех в механическую же других параметров Wмех представляет собой так называемые передаточные механизмы, которые не только редуцируют момент, скорость, путь (редукторы), но и могут преобразовывать форму механического движения, например, вращательного в поступательное (колесно- и червячно-реечные передачи) или в качательное (кривошипно-шатунные и другие передачи). При отсутствии ПМЭ в составе электропривода последний называют безредукторным .

4. Система автоматического управления (САУ) в современном понимании представляет собой командно-информационный преобразователь, формирующий внешнее управляющее воздействие (ВУВ) на функциональные звенья силовой части электропривода в соответствии с заданием со стороны технологического процесса рабочей машины и степенью его отработки электроприводом, информация о которой поступает по цепям обратных связей (ОС). На САУ может возлагаться выполнение определенных функций и интеллектуального плана (логических, расчетных и др.), САУ отдельных электроприводов могут объединяться в системы технологической автоматизации конкретных механизированных производств .

В практике различных механизированных производств еще используются простейшие электроприводы, обычно асинхронные, с так называемым ручным или полуавтоматическим управлением от какого-либо коммутационного аппарата в распоряжении оператора, который использует визуальную обратную связь (ОС) с объектом управления и осуществляет определенное элементарное внешнее управляющее воздействие (ВУВ) в целях его включения в работу или отключения .

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП

1.2. Режимы работы электропривода

С понятием «режимы работы электропривода» связано свойство обратимости электрических машин, позволяющее изменять направление преобразования энергии, то есть работать не только в двигательном режиме, но и в различных тормозных: рекуперативном, противовключением и динамическом (с независимым или самовозбуждением) .

Все названные режимы работы ЭП могут относиться как к установившимся, так и к переходным режимам движения ЭП — см. п. 1.3 .

Режим работы ЭП обусловлен определенным балансом энергии (или балансом напряжения и ЭДС в главной цепи машины), что далее подробно рассматривается.

Конкретный режим работы определяется условиями своего существования, к которым следует отнести:

• источник подводимой к электрической машине энергии для последующего ее преобразования электромагнитным путем (со стороны электрической цепи или со стороны вала — электрический или механический соответственно);

• направление и баланс энергопреобразования;

• схемное решение включения электрических цепей машины .

1.3. Режимы движения электропривода

Понятие «режимы движения ЭП» обусловлено балансом механической энергии на валу системы «ЭП — РМ» (или балансом моментов движущих, противодействующих движению и инерционных, приложенных к валу, что не следует путать с предыдущим понятием (п. 1.2), поскольку различные режимы движения могут быть как в двигательном, так и в тормозных режимах работы. Режимы движения подразделяют на установившиеся и неустановившиеся (переходные) .

Электродвигатель обеспечивает движение исполнительного органа рабочей машины через определенные элементы кинематики (муфты, валы, шкивы, зубчатые передачи и т. п.). Как известно, механическое движение передается при условии минимально допустимой деформации элементов кинематической связи, которую в практическом плане допустимо назвать достаточно жесткой. Если же потребуется учитыРежимы движения электропривода вать упругие элементы, возможность проскальзывания и люфты в передаче движения, то их учитывают особо [12, с. 120] .

Здесь будем полагать кинематическую связь элементов передачи движения абсолютно жесткой и воспользуемся принципом Даламбера, который гласит, что в несвободной системе с жесткими связями в любой момент времени силы движущие, силы реакции на движение (противодействующие движению) и силы инерционные уравновешены, что можно записать для линейного движения еF (t ) = е Fреакц (t ) + е Fинерц (t ) движ и для вращательного движения, если использовать понятия моментов, еM (t ) = е M сопр .

движ (t ) + е M инерц (t ). (1.1) движ А теперь распространим это на несвободную механическую систему «ЭД — ИОРМ», в которой первую составляющую Mдвиж обозначим Mв.д и назовем развиваемым механическим моментом на валу двигателя М в.д = М эм.д - DМ с.хх.д, (1.2) где М эм.д — развиваемый внутри двигателя электромагнитный момент;

DМ с.хх.д — механический момент постоянных (const) потерь холостого хода, покрываемый в двигательном режиме работы электромагнитным моментом двигателя .

Р d w w dJ S Перейдем к составляющей М дин = дин = J S, Н Ч м, В реw dt 2 dt альных рабочих машинах моменты со стороны рабочего органа, которые называют статической нагрузкой на двигатель электропривода, не всегда являются противодействующими движению .

Моменты статической нагрузки Mс, которые на рис. 1.1, а также на рис. 1.6 означают внешнее возмущающее воздействие (ВВВ) на двигатель и отражают реакцию со стороны ИОРМ на движение. Их различают не только по величине, но и по отношению к направлению движения, подразделяя на реактивные Mс.р и активные Mс. а .

Реактивные статические моменты при любом направлении движения противодействуют движению, поэтому при изменении направления движения изменяют знак, что отражается в записи: М с.р = М с sign w .

Их физическая сущность связана с разрушением обрабатываемых маГлава первая. Основные положения и понятия ЭП териалов (строгание, фрезерование, точение, резание, шлифование) и трением в элементах кинематики, то есть с нарушением внутримолекулярных связей вещества .

Активные статические моменты возникают, например, в подъемных механизмах: при подъеме груза происходит увеличение запаса потенциальной энергии в системе. Mс.а противодействует движению в этом направлении, то есть носит реактивный характер. При опускании груза, когда запас потенциальной энергии снижается за счет преобразования в кинетическую энергию движения, активные моменты становятся движущими; они не меняют знака, но изменяют отношение к направлению движения .

Изложенное можно упрощенно изобразить в системе координат n = f (Мс) или = f (Мс), рис. 1.2, при Мс = const .

Направление движения «вперед», «вверх»

–  –  –

M эм - М сS, другими словами, наличием избытка в алгебраической разности движущих и противодействующих движению моментов .

Отметим, что каждое из уравнений (1.7)–(1.9) носит название уравнения движения электропривода в системе «ЭД — ИОРМ». Рассмотрим его частные представления .

dw

1. Mэм.д = Mс, то есть Mдин = 0 и = 0, соответствует установившеdt муся режиму движения электропривода с неизменной скоростью ( w = сonst ) либо состоянию покоя, когда w = 0 .

dw

2. Mэм.д — Mc 0, Mдин 0 и 0, соответствует ускорению движеdt ния электропривода в области w 0 .

dw

3. Mэм.д — Mc 0, Mдин 0 и 0, соответствует замедлению двиdt жения электропривода в области w 0 .

Последние состояния движения (п. 2 и п. 3) характеризуют переходный (или неустановившийся) режим движения электропривода .

Итак, режимы движения электропривода подразделяют на установившиеся и переходные (или неустановившиеся) .

Следует понимать, что записанные выше условия состояний движения соответствуют двигательному режиму работы ЭД в положительном направлении его движения. Безусловно, переход ЭД на работу в тормозных режимах и учет изменения направления движения потребуют внесения корректировок в представленные выше условия, что далее будет показано .

1.4. Статические характеристики электродвигателей и рабочих машин

В теории и инженерной практике электропривода широко используются понятия статических характеристик ЭД и РМ .

1.4.1. Статические характеристики ЭД Статической характеристикой электродвигателя называют геометрическое место точек в конкретной системе координат, выражающее

Статические характеристики ЭД подразделяют на следующие разновидности:

• естественные, когда электрическая машина непосредственно связана с электрической сетью, и основные, когда она получает электроэнергию через преобразователь; на естественной и основной характеристиках располагаются координаты номинального режима;

• искусственные, соответствующие тем или иным параметрам источника электроэнергии и параметрам электрических цепей машины;

• граничные, характеризующие идеализированную машину постоянного тока, отражающие ее электромагнитное состояние .

Отметим, что электромагнитное состояние асинхронных машин характеризует вид статической механической характеристики, а в синхронных машинах на электромагнитное состояние позволяет влиять обмотка возбуждения постоянного тока, расположенная на полюсах ротора .

Вид статических характеристик ЭД определяется типом электропривода, параметрами его электрических цепей и источника электрической энергии. По виду статических характеристик можно оценить электромеханические свойства и энергетику электропривода как в двигательном, так и в различных тормозных режимах. Статические характеристики ЭД изображаются в четырех квадрантах системы координат, что создает удобство их восприятия как относительно направления движения, так и режима работы электропривода, что рассматривается в последующих главах. Здесь же покажем естественные статические характеристики ЭД постоянного и переменного тока (рис. 1.3). Различия в характере изменения скорости вращения с изменением развиваемого момента Mэм оценивают в соответствии с коэффициентом жесткости dM эм = ctg g, (1.10) b= dw где угол определяется по наклону касательной к интересующей точке характеристики, который отсчитывается от положительной оси абсцисс против часовой стрелки .

Статические характеристики ЭД подразделяют на следующие три группы (рис.

1.3):

1 — абсолютно жесткая характеристика, = –, которой обладают синхронные двигатели переменного тока (СД);

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП 2 — жесткие характеристики, = const 0, такими обладают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ) и асинхронные двигатели переменного тока (АД) на линейном участке характеристики;

3 — мягкие характеристики, = var 0, которыми обладают двигатели постоянного тока последовательного (ДПТ ПВ) и смешанного возбуждения (ДПТ СВ) .

–  –  –

Рис. 1.3. Механические характеристики электрических машин 1.4.2. Статические характеристики РМ Статической характеристикой рабочей машины (РМ) называют геометрическое место точек, выражающее зависимость статического момента Мc как функцию установившейся скорости движения исполнительного (рабочего) органа. В некоторых случаях Мс может не только быть функцией скорости, но и зависеть от пути, времени и особенностей технологического процесса, в котором участвуют исполнительные органы рабочей машины. Возможные законы изменения статических моментов рабочих машин были классифицированы В. К. Поповым [14], [3, с. 231].

Классификация рабочих машин включает в себя пять классов:

• 1-й класс РМ, в которых Мс практически остается независимым от скорости — см. рис. 1.2 и 1.4. К таковым относятся: пассаСтатические характеристики электродвигателей и рабочих машин жирские и грузовые лифты, скиповые и шахтные подъемники с уравновешивающим канатом, ленточные транспортеры, толкатели, строгальные станки, когда масса может считаться неизменной (m = const), а также некоторые прокатные станы при Fобжат = const, поршневые насосы;

• 2-й класс охватывает РМ, Мс которых представляют собой различные функции скорости, что можно проиллюстрировать выражением x жnц ч, (1.11) M с = M тр + (M N - M тр ) з и nN ш где Mтр — постоянный момент трения;

MN — момент РМ при номинальной нагрузке;

x — показатель степени, отражающий специфику РМ, то есть изменение Мс (n). Возможны следующие значения х:

x = 0 … 2 и до 3 … 4 в центрифугах;

x = 0, тогда Мс = const и от n не зависит, что относится к РМ первого класса;

x = 1 — Мс линейно связан с n, что имеет место в электромашинных преобразователях энергии по системе «Г – Д» при работе на постоянное внешнее сопротивление;

x = 2, 3 — в таких случаях статические характеристики РМ имеют параболический характер, которыми обладают центробежные насосы, вентиляторы и центрифуги, а также гребные винты;

x = –1 — это особый случай, когда гиперболическим характером статической характеристики РМ не обладают, но она требуется по технологическим условиям, поэтому такую характеристику РМ принудительно формируют электроприводом путем управления его скоростью при сохранении постоянства мощности в системе «ЭП — РМ»

(P = M const). Статические характеристики такого типа обеспечивают качество обработки торцевых поверхностей большого диаметра на токарных и расточных станках, качество укладки полосы на моталках непрерывных прокатных станов и др .

Примерный вид рассмотренных статических характеристик РМ представлен на рис. 1.4. Поскольку Мс обычно противодействует движению (в положительном направлении), характеристики изображаются во II квадранте системы координат, что соответствует их положительному коэффициенту жесткости ;

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП • 3-й класс охватывает РМ, Мс которых зависит от угла поворота исполнительного органа M c = f (a), когда в кинематическую цепь входят кривошипно-шатунные или эксцентриковые передачи — это ножницы для резки металла, прессы, кантователи, опрокидыватели в металлургической промышленности; сюда следует отнести механизмы рулевых устройств, некоторые типы разводных мостов. Часто зависимость M c (a) не может быть выражена аналитически и представляется графически. К этому классу относится и шахтный подъемник без уравновешивающего каната, для которого характерно изменение длины и массы каната M c = f (l, m) ;

–  –  –

• 4-й класс включает РМ, в которых Мс одновременно зависит от скорости и конфигурации пути с поворотами, движением под уклон и с подъемом — это весь электрифицированный колесный транспорт M c = f (V, a), — что вызывает изменение Мс;

• 5-й класс охватывает РМ, в которых M c = f (t ) и Мс является функцией времени, обычно в силу свойств обрабатываемых материалов и различных случайных факторов, — это дробилки, шаровые мельницы, мешалки и разного назначения перемешиватели, дефибреры в бумажной промышленности, мездрильные машины в кожевенном производстве и др. Здесь Мс не может быть выражен ни аналитически, ни графически, его определеСтатические характеристики электродвигателей и рабочих машин ние выполняют из некоторых усредненных кривых в результате экспериментальных исследований .

1.4.3. Установившийся режим движения системы «ЭП — РМ»

Рассмотрим случай ЭП с АД КЗР, приводящим в движение центробежный насос. Условием установившегося режима движения, о чем говорилось ранее, является равенство на едином валу системы «ЭД — РМ» моментов: Мв.д движущего, развиваемого ЭД, и Мв.рм, противодействующего движению со стороны РМ, Мв.д = Мэм – Мс.хх.д = Мв.рм, (1.12) где Мэм — электромагнитный момент, развиваемый внутри АД, Мэм = = Мв.д + Мс.хх.д;

Мс.хх.д — момент постоянных потерь (холостого хода), который покрывается внутри АД за счет развиваемого электромагнитного момента .

–  –  –

Выражение (1.12) можно интерпретировать графически, используя статические характеристики АД и насоса в соответствующей системе координат (рис. 1.5), где nуст = const при |Мв.д | = |Мв.рм |. Строим зеркальную проекцию n(M в.рм ), прибавляем Mс.хх и получаем точку установившейся скорости по характеристике n (Mэм), которая широко используется в различных задачах ЭП .

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП В задачах ЭП обычно исходят из построения механической характеристики n = f (Mэм), в которой учитывается Mс.хх, часто принимаемый неизменным, и относительно его размещают Mв.рм (см. характеристику «А» на рис. 1.5), т. е. Mс.хх сразу относят к статической нагрузке .

В таком случае в двигательном режиме условие установившегося режима движения (n = const) системы «ЭД — РМ» запишется Мэм = Мс.хх + Мв.рм = Мс .

В рассмотренном примере установившегося движения простейшей системы «ЭД — РМ» все статические нагрузки сосредоточены на одном валу. В большинстве реальных электрических систем, связанных с различными формами движения, статические нагрузки могут быть рассредоточены в кинематике РМ и связаны с различными скоростями движения. В таких случаях выполняют приведение статических нагрузок к валу ЭД .

Заметим, что, наряду с понятиями статических характеристик ЭД и РМ, при изучении переходных процессов в ЭП используют понятия динамических характеристик системы «ЭП — РМ», которые являются функциями параметров электрических, электромагнитных и механических цепей, а также при изучении законов внешних управляющих и возмущающих (ВУВ и ВВВ) воздействий на систему .

1.5. Номинальные режимы нагрузки электродвигателей

Слово «режимы» в ЭД и ЭП используется не только в определениях режимов работы (п. 1.2) и режимов движения (п. 1.3), но и при классификации так называемых режимов нагрузки .

Под понятием режимов нагрузки понимают все реальное многообразие сочетаний режимов работы и режимов движения ЭД и ЭП во времени, которое в соответствии с ГОСТ 183–74 (СТ СЭВ 1346–78) сведено к типовым нагрузочным диаграммам восьми так называемых номинальных режимов нагрузки ЭД и ЭП, обозначенных S1, S2, …, S8, [12, с. 26]. С номинальными режимами нагрузки соотносится характер перегрева двигателя t = f (t ), а значит, и полнота использоваВыходные координаты электропривода ния заложенных в его конструкцию активных материалов, гарантия надежной и экономичной работы электропривода, а также номинальная механическая мощность двигателя ( P2 N ) и другие номинальные величины, которые указываются в каталогах и паспорте двигателя .

Для подъемно-транспортных машин и других РМ в режимах нагрузки S3, S4, S5, S7 и S8 существует понятие «режимы интенсивности» работы и движения, которые касаются не только статических, но и динамических нагрузок в переходных режимах движения системы «ЭП — РМ». Режимы интенсивности подразделяются на следующие: легкие, средние, тяжелые, особо тяжелые и весьма тяжелые, которые связаны не только с понятиями «продолжительность включения», «продолжительность нагрузки», но и с «числом циклов (или включений) в час» и с «коэффициентом инерционности» системы «ЭП — РМ». Все это порой становится решающим при выборе типа электропривода .

Для полноты понимания общих задач разработки ЭП и практики его эксплуатации рекомендуется познакомиться со следующими понятиями:

• нагрузочные диаграммы РМ и ЭП [12, с. 20–26];

• номинальная мощность [12, с. 33–38];

• перегрузочная способность ЭД [12, с. 38–40] .

1.6. Выходные координаты электропривода

Выходными координатами электропривода (ВК ЭП) называют физические величины, выражающие параметры механической энергии Wмех на валу двигателя как результат электромагнитно-механического процесса энергопреобразования.

В любом типе ЭП к таковым относятся:

• момент на валу Mв = Mэм – Mс.хх;

• угловая скорость вращения вала w ;

• проходимый валом угловой путь a .

В общем случае ВК ЭП отражают требования к электроприводу со стороны технологического процесса рабочей машины (РМ) конкретного механизированного производства [12, с. 20–26]. Эти требоват M cd a + т J w Ч d w + DW с.хх = S w2 = Aпол ± J S 2 + DW с.хх .

Таким образом, потребляемая электрическая энергия W1 (эл) в процессе преобразования покрывает переменные потери в цепи якоря, а в остальном расходуется на совершение полезной механической работы Апол на валу, участвует в изменении запаса кинетической энергии Wкин в системе «ЭП – РМ» и покрытии потерь холостого хода Wс.хх W1 (эл) = Апол ± Wкин + War + Wс.хх. (1.15) Энергия покрытия потерь в статоре не входит в баланс якорной цепи ДПТ НВ, а в ДПТ параллельного возбуждения DW sv = т I в2 Ч Rв Ч dt несоизмеримо мала и не превышает 3–5 %, так как Iв IaN .

Графическая интерпретация энергопреобразования на примере установившегося движения ДПТ НВ с номинальной нагрузкой показана на рис. 1.6, где представлено полное соответствие координат потребляемой мощности (энергии) на входе ЭП с основными его выходными координатами w и М .

Для графической интерпретации используются две трехмерные системы координат:

• правая — «вход» — ось x — электрическая нагрузка (ток в цепи якоря I a ); ось у — подводимое к цепи якоря напряжение U a ; ось z — время работы; произведение U a I a определяет потребляемую электрическую мощность P1( эл ), которая соответствует площади S в координатах у (х);

• левая — «выход» — ось х — механическая нагрузка на валу, представленная в функции скорости вала Mс.хх = f () с повышенным моментом трогания (точка 1) из-за трущихся поверхностей в подшипниках и редукторе, а также вентиляционных потерь Mс.хх = 2 в самовентилируемых машинах и Mс = Mв=const, коМатематическое описание энергопреобразования в ЭП с АД ФР Баланс потребляемой активной энергии запишется как W1( эл ) = т P1(эл) Ч dt = т 3U s I s cos j Ч dt = т Pэм Ч dt + т DPsv Ч dt .

Специфика энергопреобразования в АД отличается от ДПТ принципом создания электромагнитной среды, поскольку в АД электромагГлава первая. Основные положения и понятия ЭП нитные цепи статора и ротора одновременно выполняют как функцию возбуждения, так функцию рабочих обмоток в процессе энергопреобразования.

При этом соотношение энергий будет следующим:

W1 (эл)WэмWмехW2 (в). Поэтому переменные потери в цепи ротора АД покрываются за счет Wэм с дальнейшим ее преобразованием в Wмех и W2 (в), где W эм = т Pэм Ч dt = т M эм Ч w0 Ч dt = т Pмех Ч dt + т DPrv Ч dt =

–  –  –

Рис. 1.7. Переходный процесс во времени разгона при пуске ДПТ НВ и АД С установлением M дин = const закон изменения W эм (t ) становится идентичным закону изменения проходимого валом углового пути a(t ) .

Аналогичное соответствие между ними сохранится и после вхождения ЭП в установившийся режим движения (на рис. 1.7 не показано), когда скорость станет w = const и динамические составляющие затухнут dw (Mдин = 0; = 0 и Mэм = MC) .

dt

1.7. Управление выходными координатами ЭД

В механизированных производствах имеются РМ, которые не требуют особого управления (вентиляторы, компрессоры, насосы, транспортеры и др.), когда все ограничивается прямым пуском для включения в работу и отключением для остановки. В таких случаях выходные Глава первая. Основные положения и понятия ЭП координаты ЭП определяются по номинальным данным выбираемого ЭД и редуктора при разработке ЭП [12, с. 96–100]. Здесь возможное изменение ВК обычно связано с изменением нагрузки M c на валу, отчего такую причину в ЭП называют внешним возмущающим воздействием (ВВВ) со стороны РМ, а процесс их изменения — самоуправлением — следствием, заложенным в принципе работы ЭД .

Современный электропривод мыслится как управляемый по выходным координатам. Под управлением ВК ЭП понимают определенную организацию процесса электромеханического энергопреобразования, которая обеспечивает достижение конкретной цели: качества, производительности, надежности электрифицируемой (ЭФ) РМ и даже экономии электроэнергии .

Все многообразие задач механизированного производства, которое должен обеспечить управляемый ЭП, сводится в итоге к организации механического движения исполнительного органа РМ, которая задана требованиями технологического процесса. К задачам механизированного производства относятся: разгон или замедление, поддержание постоянства (регулирование) или изменение скорости движения в рабочем процессе (управление), обеспечение требуемого положения или пути движения исполнительного органа РМ при подведении к нему достаточной механической энергии для совершения полезной работы и своевременного накопления или расходования запаса кинетической энергии в соответствии с уравнениями (1.15) и (1.18), с учетом и неизбежным покрытием потерь энергии .

Законы изменения выходных координат в различных типах ЭД могут реализоваться тем или иным способом внешнего управляющего воздействия ВУВ САУ ЭП на процесс преобразования подводимой к ЭД электрической энергии .

Наиболее рационально осуществлять ВУВ на переменные подводимой к ЭД электроэнергии. Для этого требуется иметь в составе ЭП управляемый преобразователь электрической энергии (УПЭЭ), дорогостоящий по сравнению с ЭД и не во всех типах ЭП практически приемлемый, хотя и обеспечивающий высокие электромеханические и энергетические показатели .

В ЭП с ЭД постоянного и переменного тока, при наличии УПЭЭ, формирование законов воздействия на переменные потребляемой электрической энергии осуществляется автоматически в соответствии с требованиями технологического процесса в форме задания, постуУправление выходными координатами ЭД пающего в САУ ЭП. Такие системы ЭП называются замкнутыми системами управления ЭП, в которых ВУВ, в соответствии с заданием и получаемой информацией по цепям обратных связей об отработке заданных выходных координат и ВВВ, САУ ЭП обеспечивает через автоматические регуляторы необходимую непрерывную корректировку выходных координат .

Несоизмеримо простыми, но ограниченными в электромеханических и энергетических возможностях являются способы организации ВУВ на изменение параметров электрических цепей ЭП, например активного сопротивления в рабочей цепи ЭД, когда избыток потребляемой энергии гасится в форме тепловых потерь на нагревание R. Это обычные сетевые электроприводы, не имеющие в своем составе УПЭЭ. Обратная связь в таких ЭП обеспечивается через оператора с помощью аппаратуры ручного или полуавтоматического воздействия на параметры электромагнитных цепей ЭД, создающие условия работы на искусственных статических характеристиках ЭД. Такие ЭП представляют собой разомкнутые системы управления ЭП .

С точки зрения управления процессом энергопреобразования и обеспечения выходных координат как в замкнутых, так и в разомкнутых системах управления, электропривод является объектом управления .

А для обеспечения требуемой технологическим процессом механической энергии (мощности), а также выходных координат механического движения у исполнительного органа РМ, электропривод выполняет функции управляемого силового источника механической энергии (мощности) и регулятора в системе электрифицированной РМ .

Влияние конкретных переменных и параметров электрических цепей и источника электроэнергии на выходные координаты различных типов ЭД представлены условными мнемоническими схемами рис. 1.8–1.12 .

–  –  –

Рис. 1.11. Мнемоническая схема электропривода с АД ФР

1.8. Требования к выходным координатам и их производным, оценка управления скоростью ЭП

–  –  –

Рис. 1.12. Мнемоническая схема электропривода с СД

1.8. Требования к выходным координатам и их производным, оценка управления скоростью ЭП В зависимости от функционального назначения РМ и специфики технологического процесса одни координаты могут быть наиболее значимыми, а другие — зависимыми и подчиненными .

Выявление наиболее значимых координат механического движения, влияющих на качество, производительность и особенности движения, привело к необходимости относить ЭФ РМ и ее электропривод к соответствующей функциональной группе:

• программные электроприводы, когда внешнее управляющее воздействие (ВУВ) на электропривод формируется по заранее заданной программе; это может быть моментный, скоростной и позиционный ЭП;

• следящие электроприводы, когда ВУВ на ЭП не является заранее известной функцией и закон управления может оказаться произвольным; это обычно скоростные и позиционные ЭП;

• стабилизации, когда обеспечивается поддержание постоянства какой-либо выходной координаты, а ВУВ представляет собой постоянную уставку, что используется в моментных и скоростных ЭП .

В табл. 1 показано, что значимость конкретных выходных координат в названных группах электроприводов неодинакова .

Во всех функциональных группах оказывается необходимым обеспечение координаты скорости.

По наиболее значимой координате для технологического процесса ЭФ РМ принято называть и электропривод:

• моментный, когда главным технологическим требованием является обеспечение действия заданного закона M = f (t ), а поведение остальных координат оказывается соподчиненным, например, электропривод механизма моталки обеспечивает постоянство натяжения материала, хотя радиус намотки изменяется;

• скоростной, когда реализуется заданный закон w = f (t ) (программный или следящий) либо реализуется закон поддержания постоянства скорости при изменении внешнего возмущающего воздействия (ВВВ), то есть поддержание постоянства скорости, несмотря на изменение нагрузки на валу, который называют режимом стабилизации движения;

• позиционный, в котором определяющим является прохождение заданного пути или требуемого положения исполнительного органа РМ (нажимное устройство, манипулятор, лифт, летучие ножницы) .

При формировании выходных координат ЭП учитывают, что конкретные рабочие машины нуждаются в конечных значениях механической мощности, а энергетические и прочностные возможности электродвигателей и других функциональных звеньев ЭП ограничены определенными типоразмерами и габаритами. Все это отражается на параметрах электрических и механических цепей электроприводов .

Поэтому при реализации заданных законов изменения выходных координат электроприводов должны удовлетворяться ограничения, не только диктуемые механизмом и технологией, но и возможные ограТребования к выходным координатам и их производным, оценка управления скоростью ЭП ничения со стороны допустимых значений переменных процесса энерd w dI гопреобразования в цепях ЭП (, и др.) .

dt dt Разнообразие требований к обеспечению выходных координат оказывается непосредственно связанным с задачами формирования необходимых статических и динамических свойств электропривода в процессе осуществляемого энергопреобразования. Часто задачи формирования статических и динамических свойств могут противоречить друг другу, поэтому структурные и технические решения по их реализации могут оказываться различными. Кроме того, разные типы электроприводов постоянного и переменного тока в этом отношении имеют неодинаковые возможности. Знания электромеханических возможностей и энергетических показателей различных типов ЭП постоянного и переменного тока позволяют оптимально удовлетворять требования технологического процесса к законам движения ИО ЭФ РМ .

Отметим, что превалирующее значение той или иной координаты не всегда оказывается явным. Кроме того, на разных интервалах технологического цикла значимость выходных координат может меняться. Например, предусматривается формирование так называемой экскаваторной характеристики в электроприводах механизмов, в которых не исключается работа на упор. В таких случаях (главные приводы прокатных станов, строгальных станков и др.), при тенденции к перегрузке, САУ автоматически обеспечивает ограничение развиваемого момента, а в области допустимых нагрузок обеспечивает режим стабилизации скорости. Другой пример: в лифтах многоэтажных зданий развивается повышенная скорость установившегося движения, а при разгоне и подходе к остановке скорость снижается автоматически через ограничение до допустимых значений ускорения и динамического момента .

Особая значимость координаты скорости связана с технико-экономическими показателями управления движением ИО РМ, к которым относятся:

• диапазон (пределы) изменения скорости, определяется отношением в процессе управления ее максимального к минимальному значениям wmax D= wmin • стабильность работы при номинальной нагрузке и заданной скорости зависит от жесткости механической характеристики и сохранения устойчивого движения при возможных колебаниях нагрузки Мс на валу со стороны РМ. Это успешно решается в замкнутых системах ЭП с автоматическим регулированием скорости, которые исключают процесс «самоуправления». В разомкнутых системах ЭП все зависит от используемых ВУВ (рис. 1.13). Например, при управлении подводимым к якорю напряжением U a = var жесткость характеристик сохраняется неизменной, что определяет стабильность работы при ± Dw = const и снижение потребления энергии при Ї w. При резисторном управлении в цепи якоря Ra. доб = var, по мере снижения скорости, Dw увеличивается, характеристики смягчаются, стабильность, устойчивость и КПД падают, а неоправданное потребление энергии из сети возрастает и идет на покрытие тепловых потерь;

• допустимая нагрузка и полнота использования ЭД по тепловому состоянию в процессе управления скоростью непосредственно предопределяется типом ЭП и используемым законом ВУВ в замкнутой или разомкнутой системе ЭП .

В общем случае, в зависимости от конструктивных особенностей РМ и специфики технологического процесса, статическая нагрузка может быть или неизменной M c = const, или изменяющейся по линейному закону (см. § 1.4.2, уравнение (1.11), рис. 1.4, при x = 0 или x = 1), либо по гиперболическому закону (см. там же при x = –1), либо по параболическому закону (при x = 2), либо иметь произвольный характер (в функции линейного l, либо углового a пути, либо в функции времени). Поэтому для полноты использования ЭД с точки зрения допустимого перегрева рациональной будет такая система ЭП, которая обеспечивает управление скоростью при любом характере нагрузки работы ЭД с номинальным током в главной цепи энергопреобразования (в ДПТ I a = I aN ; в АД I s = I s N, I r = I r N ) .

Различают следующие способы управления скоростью ЭП: при постоянстве электромагнитного момента M эм = const (первая зона, «вниз» от естественной или основной статической характеристики) либо при постоянстве мощности P = const (вторая зона, «вверх»

от естественной или основной статической характеристики). Это удобно показать на примере ДПТ НВ .

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП Первая зона: M эм = cФmN Ч I aN = const, где I aN = const при номинальном магнитном потоке ФmN = const, а далее характеристики электрической машины определяются используемым ВУВ .

При наличии УПЭЭ, когда управление скоростью w производится ВУВ путем изменения подводимого напряжения U a = var, а значит, Ua = var, никаких коммутаций в цепи ОНВ не производится .

w0 = cФmN Потребляемая цепью якоря электрическая мощность P1 (эл) = UaIaN = 0Mэм = var .

Развиваемая электромагнитная мощность Pэм = EaIaN=Mэм = var .

Развиваемая на валу механическая мощность P2 (в) = Mв = (Mэм – Mc) = var, где Mc может быть const или var .

Мощность покрываемых потерь в цепи ОНВ Pонв.v = I 2 вN Rв = const .

Мощность покрываемых потерь в цепи якоря Pa.v = I 2aRa = const .

Использование УПЭЭ в цепи якоря обеспечивает изменение потребляемой P1 (эл) пропорционально изменению ; потери энергии остаются неизменными на уровне номинальных; работа отличается высокой устойчивостью и экономичностью .

В сетевом (питаемом от сети постоянного напряжения) ЭП, когда управление скоростью w производится ВУВ на величину добавочного сопротивления в цепи якоря Ra. доб = var, потребляемая цепью якоря электрическая мощность P1 (эл) = UaN IaN = 0 Mэм = const, развиваемая электромагнитная мощность Pэм = EaIaN = Mэм = var, развиваемая на валу механическая мощность P2 (в) = Mв = (Mэм – Mс) = var, где Mc может быть const или var .

1.8. Требования к выходным координатам и их производным, оценка управления скоростью ЭП Мощность покрываемых потерь в цепи якоря Pa.v=I 2a Raдоб = var .

Использование воздействия на Raдоб не обеспечивает изменений в потреблении P1 (эл) при управлении ; увеличение Raдоб при управлении «вниз» приводит к повышению потерь мощности в цепи якоря, снижению устойчивости работы и неэкономичной эксплуатации ЭП из-за снижения КПД .

Вторая зона: P = wM эм = wсФтN I aN = const на всех интервалах процесса энергопреобразования при w w0 = var .

Управление скоростью производится при направлении «вверх»

от естественной или основной статической характеристики ВУВ на магнитный поток Фт = const, создаваемый обмоткой независимого возбуждения в двух вариантах. Поскольку Фт = f (I в ), Uв а Iв = f ( ), при наличии УПЭЭ в цепи обмотки возбуждения исRв.доб пользуется воздействие на U в = var, а в обычных сетевых ЭП производят воздействие на Rв.доб = var. В том и другом варианте потребляемая от независимого или параллельного источника электрическая мощность запишется Pнв.эл = Uнв.эл Iв = var .

Потребляемая цепью якоря электрическая мощность P1 (эл) = UaN IaN = const .

Развиваемая электромагнитная мощность Pэм = EaN IaN = Mэм = const, где Ea=cm = const; Mэм = cmIaN = var .

Развиваемая на валу механическая мощность P2 (мех)=Mв = (Mэм – Mс) = const, где Mc может быть const или var .

Мощность покрываемых потерь в цепи возбуждения Pнвv = I 2 вRв.доб = var, Глава первая. Основные положения и понятия ЭП в ЭП с УПЭЭ PнвvPнвN; в сетевом ЭП PнвvPнвN, но эти отличия практически несущественны, IвN составляет 3…5 % от IaN .

Мощность покрываемых потерь в цепи якоря DPa.v = I a2 N Ч Rя(собств) = const .

Проведенный анализ позволяет изложенное представить как рациональные способы управления скоростью ЭП (в графическом виде — рис. 1.14);

–  –  –

• экономичность управления скоростью прежде всего характеризуется величиной потерь потребляемой электрической мощности, по которым определяются эксплуатационные расходы, все ранее названные показатели, а также капитальные затраты на ЭП .

В общем случае, когда, при различных, Pav и Pc.хх по тем или иным причинам отличаются на разных ступенях управления i, определяется средневзвешенный КПД m

–  –  –

Капитальные затраты на УПЭЭ могут значительно превышать стоимость самого ЭД. Также требуется учитывать фактор привлечения обслуживающего персонала высокой квалификации с соответствующей оплатой труда. Однако затраты быстро окупаются .

1.9. Многодвигательные электроприводы Электроприводы называют многодвигательными, когда для приведения в движение исполнительного органа РМ используется два и более двигателей. Такие электромеханические системы используются в зависимости от цели их практического назначения .

1. Системы ЭП с жестким механическим соединением валов ЭД с валом ИО РМ обеспечивают определенные удобства:

• снижение суммарного момента инерции J е примерно на 20 % в двухдвигательном ЭП по сравнению с однодвигательным;

• возможность создания ЭФ РМ повышенной мощности при использовании серийных ЭД относительно небольшой мощности;

• взаимное резервирование ЭД при развиваемой мощности;

• упрощение механического оборудования и конструктивные удобства по размещению ЭД .

Особое внимание здесь уделяется обеспечению равного распределения нагрузки между ЭД. Например, в двухдвигательном ЭП с ДПТ НВ такая задача может решаться как в обычном сетевом ЭП, так и в системе «УПЭЭ — Д», рис. 1.15, при наличии удвоенного напряжения источника энергии, подводимой к цепи последовательно соединенных якорей ЭД. При равенстве параметров ( 1Ra = 2Ra ) и номинальном магнитном потоке, в ЭД обеспечивается суммарная механическая характеристика w = f (M эм е ) — «1» на рис. 1.16, где M c между ЭД распределен одинаково M эм е = I acФmN = M c. Обмотки возбуждения включаются параллельно одна другой на напряжение независимого источника энергии .

С учетом возможного разброса параметров ЭД в цепях якорей ( 1Ra № 2Ra ), в цепях ОНВ предусматриваются подстроечные резисторы 1Rв n = 2Rв n, воздействующие на ток возбуждения I в, а значит, и на Фm. Результат показан на рис. 1.16, характеристики «2» и «3» отражают неодинаковое распределение нагрузки M c между якорями при Глава первая. Основные положения и понятия ЭП wc = wN. Путем заблаговременной подстройки 1Rв n и 2Rв n и воздействия на Фm, распределение нагрузки выравнивается при заданной скорости (характеристики «4» и «5» показаны штриховыми линиями) .

–  –  –

Возможно и параллельное включение цепей якоря. В таком случае УПЭЭ выбирается на двойной ток цепи якоря .

В замкнутых системах ЭП с УПЭЭ не требуется удвоенное напряжение, подводимое к якорной цепи двухдвигательного ЭП. Используют УПЭЭ на номинальное напряжение, а якоря ЭД включают параллельно друг другу. Контроль и выравнивание нагрузки производится автоматически через непрерывное слежение за рабочими токами при помощи специального блока в цепи САУ ЭП. Аналогично такая схема применяется и в асинхронном частотно-управляемом ЭП по системе «УПЧ — АД» при соответствующих законах управления .

2. Системы ЭП с «электрическим валом» используются в многодвигательных электромеханических системах для обеспечения одинаковых или пропорциональных законов движения исполнительным органом, не имеющим механических связей в силу конструктивных особенностей РМ. Такие системы используются в ЭП затворов шлюзов, разводных мостов, некоторых портальных кранов и др., в которых мехаМногодвигательные электроприводы нические связи невозможны или вызывают неоправданное усложнение кинематики при значительных расстояниях, длинах, диаметрах и низком КПД указанных типов передач .

Такие ЭП в своей основе содержат асинхронные АД с фазным ротором, которые одновременно выполняют функции рабочих машин и уравнительных машин, обеспечивающих синхронность вращения роторов и равное распределение нагрузки на механически несвязанных валах. Они используются в электромеханических системах относительно небольшой мощности с небольшим изменением нагрузки. Электрическая и эквивалентная схемы замещения ротора представлены на рис. 1.17 .

–  –  –

Рис. 1.17. Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы замещения ротора Статорные цепи АД включаются согласно, а роторные — встречно (с использованием общего пускового резистора Rr.пуск ). При нормальной работе w1 = w2, ЭДС роторов одинаковы и уравновешены, развиваемые моменты равны M эм1 = M эм 2. Если по каким-либо причинам скорость одного из АД изменится, то соответствующая ЭДС E r изменяется по модулю и аргументу. В цепи роторов появляется уравнительная ЭДС, уравнительный ток и M эм, в результате чего в системе уравновешиваются значения основных ЭДС и восстанавливается синхронное вращение роторов .

Когда нагрузка может значительно изменяться, тогда многодвигательные системы «электрического вала» строят на основе АД КЗР, передав функцию уравнивания установленным на том же валу ЭД синхронному (СД) или АД ФР [6, с. 138–148] и [3, с. 645–683] .

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов ГЛАВА ВТОРАЯ. Двигательный режим работы электроприводов

2.1. Определение двигательного режима работы В любом типе ЭП с двигателями постоянного или переменного тока двигательный режим работы является основным. Его отличительной особенностью является положительное направление энергопреобразования, как принято в электроприводе, независимо от направления его вращения .

Потребляемая электрическая энергия (+Wэл) преобразуется электромагнитным путем (+Wэм) в механическую форму энергии (+Wмех), которая отдается исполнительным органом рабочей машины (РМ) для приведения ее в движение и совершения полезной работы (+Aмех) .

При этом покрываются переменные потери энергии в электрических цепях (Wv) и постоянные потери (Wc.хх) в электромагнитных и механических цепях. Таким образом, ЭД является потребителем электрической энергии, с одной стороны, а с другой — источником механической энергии для разнообразных механизированных производств .

В двигательном режиме работы ЭП может находиться как в установившемся режиме движения ( = const), так и в переходном (неустановившемся, = var) .

–  –  –

Наиболее наглядно можно проиллюстрировать сказанное на мнемоническом изображении баланса названных форм энергии P = = dW/dt = M и в системе координат = f (M), рис. 2.1 .

–  –  –

Необходимо отметить, что все современные промышленные ЭД постоянного и переменного тока работают на едином электромагнитном принципе, в основе которого лежит создание в магнитопроводе ЭД магнитного потока возбуждения m. В результате этого обеспечиваются физические условия силового взаимодействия между электромагнитными цепями статора и якоря (ротора) ЭД .

В качестве основных энергетических показателей оценки энергопреобразования в главном канале ЭД, ЭП и в целом ЭФ РМ (рис.

2.2) обычно используют:

• значения соответствующей формы энергии (или мощности) на входе и выходе конкретного канала;

• коэффициент мощности (для АД);

• значения потерь мощности внутри конкретного канала;

• значения КПД как внутри отдельного канала энергопреобразования, так и в целом — ЭД, ЭП и ЭФ РМ .

–  –  –

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока 2.2.1. Конструктивные особенности машин постоянного тока Все двигатели постоянного тока объединяет общность конструктивного построения. Неподвижная часть машины называется статором, на внутренней поверхности его магнитопровода симметрично и поочередно располагаются разноименные (N и S) полюсы с обмотками возбуждения, представляющими пары полюсов (р); вращающаяся часть, называемая якорем, является наиболее ответственным и сложным в конструктивном отношении элементом машины постоянного тока .

Назначением полюсов возбуждения статора является создание единого магнитного поля в машине, силовые линии которого исходят, например, из северного (N) полюса, проходят через воздушный зазор, пронизывают магнитную систему якоря, затем в другом месте опять проходят через воздушный зазор, по ярму статора выходят к южному (S) полюсу и замыкаются на северный (N) полюс. В общем случае электромагниты возбуждения выполнены в форме соленоидов, могут иметь одну и более пар полюсов (р). В принципе электромагниты возбуждения могли бы быть заменены на постоянные магниты, тогда бы двигатель постоянного тока лишился возможности управления магнитным потоком возбуждения, что широко используется в современных системах электроприводов (ЭП) с двухзонным управлением скоростью .

В современных машинах постоянного тока используется так называемый барабанный тип якоря, который выполняется в конструктивах петлевого (рис. 2.3) или волнового (рис. 2.4) исполнения обмоток, либо в более сложных их модификациях. Все предопределяется назначением двигателя и его номинальными данными: напряжением, скоростью и мощностью .

Обмотка якоря выполняется следующим образом: проводники в пазу, находящиеся в конкретном положении относительно магнитной оси, например северного полюса (N), через лобовую часть обмотки входят в продолжение проводников в пазу, который в это же мгновение находится в аналогичном положении относительно магнитной Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов оси взаимодействующего южного (S) полюса. При этом угловое рассогласование между названными пазами равно полюсному делению двигателя (), которое определяется числом главных полюсов возбуждения и составляет: в двухполюсной машине 180 эл, в четырехполюсной 90 эл, в шестиполюсной 60 эл и т. д. Конструктивно это предусмотрено по каждой паре пазов с проводниками, находящимися под взаимодействующими N и S полюсами одной пары, а далее — между S и N следующей пары полюсов .

Рис. 2.3. Конструкция якоря Рис. 2.4. Конструкция якоря с петлевой обмоткой с волновой обмоткой Для обеспечения электромагнитного взаимодействия в конкретной системе создаются необходимые условия: что-то должно быть изменяющимся, например, физическая величина электрической (m) или механической переменной () .

Электромагнитное взаимодействие рабочей обмотки якоря с обмоткой возбуждения возможно, когда по цепи возбуждения протекает постоянный ток возбуждения, создающий в магнитной системе статора и якоря магнитный поток (m), постоянный по величине и неподвижный в пространстве. При этом цепь обмотки якоря включена на источник постоянного напряжения якорной цепи, которое подается к обмотке якоря через щеточно-коллекторное устройство, выполняющее в двигательном режиме машины функцию механического инвертора (преобразователя подводимого постоянного напряжения в переменное), поскольку по проводникам обмотки якоря должен протекать пеЭлектроприводы с двигателями постоянного тока ременный ток (In), а во внешней цепи якоря — рабочий постоянный ток якоря (Ia) .

При названных условиях проводники работающих секций обмотки якоря пронизываются силовыми линиями магнитного поля возбуждения, исходящими от полюсов, под которыми эти проводники находятся. Описанное обстоятельство позволяет при барабанном типе якоря использовать как петлевое, так и волновое исполнение обмоток так, что все заложенные в пазы проводники, находящиеся под соответствующими полюсами, являются активно работающими, по ним протекает переменный ток In .

Рассмотрим конструкцию обмоток. Начало проводников полусекции, например под северным полюсом, присоединяется к ламели (изолированной контактной пластине) коллектора, а концы проводников другой половины секции, под южным полюсом, присоединяются к другой ламели, отстоящей от первой на величину коллекторного деления (yк) .

На рис. 2.5 в развернутом виде показаны фрагменты исполнения петлевой и волновой обмоток и их присоединения к ламелям коллектора .

–  –  –

Рис. 2.5. Фрагменты исполнения петлевой (а) и волновой (б) обмоток и их присоединения к ламелям коллектора Проводники в пазу, находящиеся под одним, например северным полюсом (на рис. 2.5 показаны сплошной линией), через лобовую часть обмотки поочередно последовательно соединяются с проводниками в пазу под южным полюсом (показаны пунктиром), образуют единую электрическую цепь, начало и конец которой подключаются к различГлава вторая. Двигательный режим работы электроприводов ным коллекторным пластинам. Такая электрическая цепь называется секцией обмотки якоря и состоит из двух секционных сторон: на интервале полюсного деления N — S секционная сторона под северным полюсом (проводники обозначены сплошными линиями) от коллектора восходит к лобовой части, а секционная сторона под южным полюсом (проводники обозначены пунктиром) нисходит от лобовой части обмотки якоря к другой пластине коллектора. А на интервале полюсного деления S — N картина будет обратной .

Конструктивные особенности исполнения петлевой и волновой обмоток связаны с понятиями, называемыми шагами обмоток, которые необходимо знать для выполнения обмотки:

• y1 называется первым шагом, который равен величине полюсного деления (), измеряемого линейно по дуге или в градусах между магнитными осями (серединами) соседних полюсов; при том и другом типе обмотки представляет ширину витка обмотки;

• y2 — второй шаг, равен расстоянию между разноименными секционными сторонами соседних секций;

• y — результирующий шаг, определяется расстоянием между одноименными секционными сторонами соседних секций;

• yк — шаг по коллектору, равен расстоянию между центрами соседних коллекторных пластин, принадлежащих одной секции .

Из рис.

2.6 можно видеть, что между шагами обмоток существует определенная зависимость:

• для петлевой обмотки y = y1 – y2 = yк = 1, так как начало и конец обмотки присоединяются к соседним коллекторным пластинам;

• для волновой обмотки y = y1 + y2 .

Вместе с тем конструктивные особенности обмоток определяются по номинальным величинам напряжения и тока в цепи якоря. Прежде всего это номинальное напряжение (Ua), на которое рассчитывается обмотка якоря .

При значительной величине напряжения обмотка якоря должна иметь значительное число активных проводников (Na) и соответствующее число витков (wa), что может вызвать трудности с их размещением на якоре. Такая проблема разрешается исключительно конструкционными приемами. Во-первых, заданное число активных проводников связывают с количеством витков в секции (ws), что позволяет уменьшить число пазов (Za). На рис. 2.6 показана часть волновой обмотки, у которой между двумя коллекторными пластинами находятся

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока три последовательно соединенных витка, представляющих одну секцию, занимающую два паза под соответствующими полюсами N и S .

Во-вторых, еще можно уменьшить число реальных пазов, закладывая двухслойную обмотку, в которой вверху и внизу каждого паза рядом укладывается несколько секционных сторон (обычно не более пяти), относящихся к разным секциям .

–  –  –

Обратим внимание на то, что с каждой коллекторной пластиной соединяются два проводника (см. рис. 2.5, рис. 2.6): левый относится к концу предыдущей секционной стороны, расположенной внизу паза, а правый относится к началу следующей секционной стороны, лежащей вверху паза .

Обычно для упрощения считают, что секция состоит из одного витка, но если секция состоит из нескольких витков (рис. 2.6), то секционная сторона содержит столько проводников, сколько витков в секции .

Названные приемы позволяют создавать обмотку якоря на заданное номинальное напряжение с необходимым числом проводников при минимальном числе пазов и коллекторных пластин, обеспечивающих приемлемые габариты якоря и коллектора двигателя .

В свете изложенного интересно выяснить существующую зависимость между числом активных проводников (Na) обмотки якоря, числом ее витков (wa), числом секций (sa) и числом коллекторных пластин (Ka) .

Поскольку каждый виток состоит из двух полусекций проводников, общее число витков обмотки определяется половиной активных проводников Двигатели постоянного тока различаются системой организации магнитного потока возбуждения:

• с независимым возбуждением, когда цепь обмотки возбуждения (ОВ) включена на напряжение независимого источника (либо с параллельным подключением ОВ на источник напряжения цепи якоря); будем обозначать такие машины «ДПТ НВ с напряженческими обмотками возбуждения», в которых главный магнитный поток m = f (iв), при этом iвN составляет (3…5) % IaN от номинального тока якоря;

• с последовательным возбуждением «ДПТ ПВ», когда обмотка возбуждения является токовой и, включаясь последовательно с рабочей обмоткой якоря, обтекается током нагрузки якоря, здесь m = f (Ia);

• со смешанным возбуждением «ДПТ СВ»; имеет две обмотки возбуждения — напряженческую и токовую: первая включается независимо или параллельно относительно якоря, а вторая — последовательно с ним; результирующий суммарный магнитный поток будет m = онв (iв) + опв (Ia) = f (iв; Ia) .

Отсюда вытекает, что двигатели параллельного и независимого возбуждения создают m, фактически независимый от Ia (если не учитывать реакцию якоря), и обладают электромеханическими свойствами, существенно отличающимися от тех, которыми обладают двигатели последовательного и смешанного возбуждения. Это определяет и области их практического использования в электроприводах различного назначения .

Для улучшения условий коммутации на коллекторе между главными полюсами статора устанавливаются дополнительные полюсы с соответствующими обмотками (ДП). В крупных машинах на основных полюсах возбуждения располагают так называемые компенсационные обмотки (КО) для снижения размагничивающего влияния реакции якоря; эти обмотки, находясь на полюсах магнитопровода статора, включаются последовательно в якорную цепь и создают компенсирующий магнитный поток в функции рабочего тока якоря. Обмотки ДП и КО также являются токовыми обмотками .

Необходимо отметить, что в реальных двигателях не весь магнитный поток, созданный электромагнитами возбуждения, замыкается Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов через магнитную систему якоря. Часть потока замыкается через воздух, его называют потоком рассеяния и полагают пропорциональным току возбуждения I в .

Главный магнитный поток m своими силовыми линиями замыкается через воздушный зазор и проходит по всей магнитной системе «статор — якорь», определяется не только током возбуждения iв, но и магнитными свойствами материала магнитопровода. В целом зависимость m=f (iв), а значит, и (iв) (рис. 2.7, а) оказывается не только нелинейной функцией из-за насыщения, но и неоднозначной изза гистерезиса .

Понятие магнитного потока лежит в основе определения индуктивностей. Как известно, индуктивность катушки со стальным сердечником зависит от насыщения, что имеет место в электрических машинах, и описывается кривой намагничивания = f (i). При работе на линейной части кривой намагничивания I, при этом индуктивность цепи может быть значительной L = d/dt и считается величиной неизменной. Обычно в конце линейной части кривой намагничивания находится точка номинального режима работы .

Как показано на рис. 2.7, а, на восходящем участке кривой намагничивания m (iв) на интервале до 0,8mN зависимость близка к линейной, а после 0,8mN на характеристике сказывается насыщение стали магнитопровода .

–  –  –

В области значительного превышения тока (рис. 2.7, б), в сравнении с номинальным, по мере проявления насыщения стали сердечЭлектроприводы с двигателями постоянного тока ника, индуктивность цепи уменьшается. В таких случаях используют понятия усредненной дифференциальной индуктивности от точки к точке по кривой намагничивания (точки обозначены Ld1, Ld2), определенные через касательные к (i). Что касается индуктивности рассеяния L, то она соответствует магнитному потоку рассеяния, который считается замыкающимся через воздух, поэтому от насыщения не зависит и остается небольшим, изменяющимся линейно (iв) .

Полный магнитный поток, Вебер = В Ч с, создаваемый катушкой со стальным сердечником, математически выражается комплексным числом или векторной величиной Ф =Ф +Ф, е s m где m — главный рабочий магнитный поток;

— магнитный поток рассеяния .

2.2.2. Принцип работы ДПТ Одним из основополагающих факторов в принципе работы ДПТ является среда энергопреобразования, которая характеризуется величиной магнитного потока m, создаваемого обмоткой возбуждения ОВ. Магнитный поток от полюсов исходит силовыми линиями через полюсные наконечники, проходит через воздушный зазор и замыкается через якорь, то есть пересекает своими силовыми линиями проводники рабочей части обмотки якоря, находящиеся под полюсными наконечниками ОВ. Магнитная система является концентратором электромагнитного поля. Степень концентрации магнитного поля в магнитопроводе машины характеризуется магнитной индукцией B, Вебер В Ч с = 2 = Тл, которая определяется производной главного магм2 м нитного потока m по площади его распределения S под полюсами возбуждения dФm .

B= dS В задачах электропривода, всегда связанных с использованием внешних проявлений физических процессов, протекающих в электрических машинах, принимается и используется усредненное мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл, Принцип работы двигателей постоянного тока основан на электромагнитном воздействии через воздушный зазор постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля статора на электромагнитные поля вокруг каждого проводника, образованные переменным током In, протекающим по проводникам в активной части обмотки якоря. Ток In является инвертированным из постоянного тока Ia, протекающего во внешней цепи якоря. Наложение и взаимодействие названных магнитных полей вызывает изменение концентрации силовых линий около каждого проводника с током In (рис. 2.8, а, б). С одной стороны. результирующее поле становится разреженным, а с другой — уплотненным (рис. 2.8, б) .

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока

Естественное стремление силовых линий замыкаться по кратчайшему пути оказывает силовое воздействие на проводник с током In .

Таково чисто физическое объяснение электродинамического эффекта, которое связано с понятием напряженности электромагнитного А поля H, = Эрстед, то есть с силой электромагнитного воздействия м поля на находящийся в нем проводник с током .

Следует отметить, что обмотка якоря конструктивно представляет собой набор рамок с током, сдвинутых одна относительно другой на определенный угол. Величину переменного тока In можно выразить через постоянный ток Ia, а также через число активных проводников N или число витков w и параллельных ветвей обмотки якоря a N w = Ia. (2.2) In = Ia 2a a На каждый виток активного проводника, находящегося под полюсом ОВ, действует пара сил, максимальные значения которых соответствуют взаимно перпендикулярному положению вектора напряженности магнитного поля возбуждения Hв и вектора напряженности магнитного поля рамки с током Hр, направления которых определяются правилом буравчика, рис. 2.9 .

–  –  –

где с — безразмерный конструктивный коэффициент двигателя, pN .

c= 2pa Рис. 2.10. Определение направлений векторов по правилу левой руки

–  –  –

Рис. 2.11. Определение направлений векторов по правилу правой руки Полученное уравнение закона электромагнитной индукции, реализуется в принципе действия и конструктивном воплощении ЭД постоянного тока. В силу физической природы возникновения и направленности навстречу току, Ea можно назвать противоЭДС вращения, которая выполняет естественную функцию внутреннего физического регулятора тока Ia, характеризующего нагрузку на валу двигателя .

2.2.3. Электрические схемы включения, энергетический баланс цепи якоря и статические характеристики ДПТ Двигатели постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения (ДПТ НВ) включаются по следующей схеме (рис. 2.12) .

Магнитный поток ДПТ НВ определяется током обмотки возбуждения (m = f (iв)), при этом номинальный ток обмотки возбуждения iвN составляет 3…5 % от номинального значения тока якоря IaN. Его изменение возможно либо путем включения добавочного сопротивления rв.доб, либо изменения независимо подводимого напряжения Uв .

В цепи якоря также имеется внешнее добавочное пускорегулировочное сопротивление. Собственное (внутреннее) сопротивление якоря rа включает в себя сопротивление проводников обмотки якоря rя и сопротивление щеточно-коллекторного контакта rщ. Во внешнюю цепь якоря могут быть включены обмотка дополнительных полюсов ОДП и компенсационная обмотка, которые располагаются на статоре .

Несмотря на относительную сложность конструкции ДПТ, особенно это относится к конструкции обмоток якоря и щеточно-коллекторного узла, электромагнитно-механический процесс энергопреобразования достаточно прост для восприятия. Он наглядно представляется при рассмотрении баланса потребляемой якорной цепью электрической мощности P1 (эл) установившегося двигательного режима работы P1( эл ) = U a I a = E a I a + I a2Ra = Pэм + DPav = wM эм + DPav = (2.4) = wM в + wDM хх + DPav = P2( мех ) + DPс.хх + DPav, где Ia — ток в цепи якоря, характеризующий статическую нагрузку на валу, Ia=Mэм/cm;

Ea — противоЭДС вращения якоря, Ea = cm;

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока

–  –  –

то есть при компенсации реакции якоря статические характеристики линейны .

Оценку электромеханических свойств и энергетики в установившемся режиме движения ДПТ НВ удобно производить из сопоставления статических характеристик (Ia) и (Mэм). Для этого их изображают в совмещенной системе координат таким образом, чтобы масштаб по оси, а главное по осям абсцисс Ia и Mэм обеспечивал полное совпадение естественных (основных) характеристик (рис. 2.13). В дальнейшем это обеспечит удобство их сопоставления, особенно при изменении потока m = var .

Рассмотрим влияние параметров электрических цепей на вид искусственных характеристик ДПТ НВ. К таковым относятся Ra, Ua и m .

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов

1. Ra = ra + Raдоб – var; UaN; mN. Введение добавочного сопротивления обычно используется в разомкнутых системах сетевого ЭП для ограничения тока Ia при пуске и управлении скоростью путем ступенчатого изменения величины Raдоб. Увеличение Raдоб при неизменной нагрузке на валу (Mc = const) снижает жесткость характеристик (i = var), а значит, и устойчивость работы. При этом увеличиваются переменные потери Pav =Ia 2 Raдоб, рассеивание тепла в окружающую среду, экономичность работы и КПД установки падают. Этот способ регулирования используют при управлении скоростью «вниз» от естественной характеристики, рис. 2.13 .

–  –  –

Рис. 2.13. Статические характеристики ДПТ НВ при Ra = var

2. Ua = var; Ra = ra, mN. В таких случаях используется переключение якорной цепи на напряжение другой сети, если имеется такая возможность, либо применяют в составе ЭП ПЭЭ (систему «Г — Д» или «ТП — Д»). В последнем случае соответственно увеличиваются капитальные затраты, но обеспечивается экономичная эксплуатация, плавное управление скоростью и устойчивая работа на жестких характеристиках, что показано на рис. 2.14. Все статические характеристики облада

<

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока

ют одинаковой жесткостью (i = const). Этот способ ре- гран гулирования используют с осн при управлении скоростью «вниз» от естественной (ос- иск новной) характеристики .

3. m = var; Ra = ra, UaN. 02 иск Заметим, что изменение m = f (iв) оказывает неоди- 03 иск Iа ; Мэм наковое влияние на элек- 0

- Мc Iа КЗ тромеханическую и меха- Мэм КЗ ническую характеристики, которые совпадают при со- Рис. 2.14. Статические характеристики ДПТ НВ при Ua = var ответствующем подборе масштабов Ia и Мэм только при естественных (основных) характеристиках, когда mN, I = M = const .

Влияние m используют для управления скоростью «вверх» от естественной (основной) характеристики как в разомкнутых, так и в замкнутых системах ЭП. Такой способ управления скоростью ЭП применяют в РМ второго класса (см. § 1.4.2), когда с помощью ЭП системе «ЭП — РМ» приходится формировать необычную характеристику — см. уравнение (1.11) при x=-1. В таком случае управление скоростью системы производится по закону сохранения постоянства мощности P = M = const, который обеспечивает Мc = f () в области N изменяющимся по гиперболическомузакону .

Для управления магнитным потоком = f(iв) изменяют ток возбуждения i в = U в/r в.доб (при помощи подводимого напряжения Uв или величины rв.доб). При снижении m увеличивается 0 = Uа/(сm) и уменьшается Мэмкз = сmIакз, а ток короткого замыкания Iакз не зависит от m и остается неизменным. Снижение m оставляет неизменными противоЭДС Eа = cm = const и переменные потери в цепи якоря PaV = I 2aN ra = (Ua – Ea)IaN = const при условии выполнения гиперболического закона изменения Mc (). В результате этого при m mN жесткость I характеристики (Iа) снижается меньше по сравнению с жесткостью M характеристики (Mэм) — рис. 2.15 .

Изложенным не исчерпываются возможности влияния на вид статических характеристик и на электромеханические свойства ДПТ НВ [13, с. 43] .

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТ ПВ) и смешанного возбуждения (ДПТ СВ) Обмотки последовательного возбуждения ДПТ ПВ (рис. 2.16) и ДПТ СВ (рис. 2.17) рассчитаны на протекание рабочего тока якоря Ia, который и является в ДПТ ПВ током возбуждения, Ia = Iв; m = f (Ia) .

–  –  –

Электромагнитное состояние ДПТ СВ характеризуется суммарной кривой намагничивания (рис. 2.18). Внешне баланс потребляемой якорем ДПТ ПВ и СВ электрической мощности P1 (эл) принципиально не отличается от баланса (2.4). Не имеет внешнего отличия и запись уравнений статических характеристик (2.5) и (2.6). Однако в ДПТ ПВ материальная среда энергопреобразования характеризуется зависимостью магнитного потока сm = f(Ia) от рабочего тока в цепи якоря, что приводит к нелинейному виду его статических характеристик. В меньшей степени это наблюдается в машинах смешанного возбуждения, где сm = f(iв и Ia). Важно отметить, что в двигателе последовательного возбуждения Ea = сm = f(Ia) и Mэм = = сm(Ia)Ia, а в двигателе смешанного возбуждения Ea=сm(iв, Ia);

Mэм = сm(iв, Ia)Ia. Сказанное отражается на количественных величинах в балансах P1 (эл) и электромеханических свойствах рассматриваемых двигателей, когда их статические характеристики приобретают нелинейную форму .

–  –  –

Рассмотрим влияние параметров электрических цепей на вид искусственных характеристик ДПТ ПВ и ДПТ СВ. Для изменения вида статических характеристик ДПТ ПВ и ДПТ СВ здесь используют влияние параметров электрических цепей Raдоб, Ua и m .

1. Raдоб = var, UaN, mопв = f (Ia), рис. 2.19. Используются в сетевых ЭП для управления скоростью «вниз» от естественной характеристики .

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов ДПТ ПВ ДПТ СВ

–  –  –

2. Ua = var, Ra = rя, mопв = f (Ia), рис. 2.20 .

При Ua = var одноименные характеристики сдвигаются параллельно; такой способ включения используют при наличии сетей с различными значениями Ua .

ДПТ ПВ ДПТ СВ

–  –  –

3. mопв = var, UaN, Ra = rя, рис. 2.21 .

Влияние m ДПТ ПВ используют для увеличения в области перегрузки; для этого используют схему шунтирования ОПВ, а в тяговых ЭП электрифицированного транспорта применяют специальные ЭД с переключением числа витков ОПВ .

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока

–  –  –

Рис. 2.21. Схема и статические характеристики при Ф = var

4. Использование искусственных схем включения ДПТ ПВ [6, с. 43], когда электромагнитное состояние ЭП формируется путем включения ОПВ в то или другое плечо делителя напряжения, питающего силовую цепь якоря .

Сопоставление электромеханических свойств ДПТ Если сопоставить различные типы ДПТ с одинаковыми номинальными данными, то естественные статические характеристики позволят определить области их рационального практического использования — рис. 2.22 и рис. 2.23 .

Благодаря различным зависимостям момента от тока якоря Mэм = f (Ia) (это обусловлено неодинаковым электромагнитным состоянием ЭД

m = f (Iвозб)), в области недогрузки экономичнее работает ДПТ НВ, а в области перегрузки — ДПТ ПВ, так как их работа в названных областях связана с меньшими значениями тока в цепи якоря. Области их применения:

• ДПТ ПВ обладает значительной перегрузочной способностью и применяется в механизмах электрифицированного транспорта (электровозы, метро, трамвай и др.), где исключена работа без нагрузки;

• ДПТ СВ также обладает повышенной перегрузочной способностью, используется в подъемно-транспортных механизмах, где не исключена работа на холостом ходу;

• ДПТ НВ обычно используют в механизмах, требующих достаточно жесткую характеристику, в том числе и при отсутствии нагрузки на валу .

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы 2.3.1. Конструктивные особенности и принцип работы АД Асинхронные машины называют индукционными, поскольку принцип электромагнитной индукции заложен в основу силового взаимодействия между статором и ротором .

В пазах статора располагаются три однофазные обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на угол 120 о (или 2/3 рад); обмотки могут соединяться в схему, называемую звездой или треугольником, в зависимости от величины линейного напряжения источника. Обмотка статора уложена в пазах таким образом, чтобы обеспечить распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора по закону, близкому к синусоидальному. Обычно используют петлевое исполнение обмоток .

Обмотка статора подключается к источнику трехфазного напряжения, в котором мгновенные значения фазных напряжений сдвинуты во времени относительно друг друга на 1/3 периода, то есть на 120 электрических градусов (2/3 электрических радиан):

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы

uSA = U Sм cos(w1t + g) = 2 ЧU s cos(2pf1t + g);

(2.16) uSВ = U Sм cos(w1t + g - p) = 2 ЧU s cos(2pf1t + g - p);

uSС = U Sм cos(w1t + g + p) = 2 ЧU s cos(2pf1t + g + p), где Usм и Us — амплитудное и действующее фазное напряжение;

1 — круговая частота фазного напряжения, эл. рад/с, 1 = 2f1;

— начальная фаза напряжения, эл. рад;

f1 — циклическая частота фазного напряжения, Гц = период/с .

Под действием приложенной системы трехфазного напряжения возникает ток, мгновенные значения которого в фазах статора также изменяются во времени по периодическому закону. Амплитуда тока ISm, а значит, и создаваемый им магнитный поток mS, и намагничивающая сила FmS = ISmw (w — число витков) перемещаются по фазам, чем создается физический эффект вращения магнитного поля статора. Магнитный поток вращающегося магнитного поля статора через воздушный зазор пересекает и проводники обмотки ротора, в которых благодаря явлению электромагнитной индукции индуцируется ЭДС Er .

В целях снижения сопротивления прохождению рабочего магнитного потока m между статором и ротором через воздушный зазор в соответствии с индукционным принципом работы АД последний выполняется минимально возможным (0,4–0,5 мм в машинах небольшой мощности и до нескольких миллиметров в крупных) .

При замкнутой цепи обмотки ротора под действием Er протекает индукционный ток ротора Ir, создающий свое вращающееся в том же направлении магнитное поле обмотки ротора. Таким образом, в АД создается суммарное (результирующее) вращающееся магнитное поле .

Обратим внимание на то, что обмотки статора и ротора АД одновременно выполняют функции обмоток возбуждения, создающих единое вращающееся магнитное поле, и рабочих обмоток, обеспечивающих преобразование потребляемой из сети электрической энергии электромагнитным путем в механическую энергию, отдаваемую с вала .

Сказанное, безусловно, отражается на электромагнитном состоянии в функции нагрузки на валу и на электромеханических свойствах АД .

Электромагнитное состояние АД характеризуется величиной суммарного магнитного потока m от всех фаз и пар полюсов, проходящего по магнитопроводу от статора к ротору через воздушный зазор Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов, и величиной напряженности магнитного потока Н в воздушном зазоре, которая обусловливает силовое взаимодействие между статором и ротором .

При рассмотрении ДПТ было отмечено, что их электромагнитное состояние обеспечивается специальными электромагнитами возбуждения на статоре (какой-либо другой функции они не выполняют), а взаимодействуют с электромагнитными полями рабочих проводников обмотки якоря, получающими электроэнергию от отдельного источника. В отличие от ДПТ, в АД электромагнитный принцип взаимодействия между статором и ротором совсем другой — индукционный. Тем не менее и в АД и в ДПТ эффект электромагнитного взаимодействия между статором и ротором характеризуется магнитной инВб В Ч с дукцией В, = 2 = Тл, в каждой точке пространства воздушного м2 м зазора, которая определяется производной магнитного потока m, Вб = Вс, по площади его распределения S под каждой парой полюсов dФ m, B= dS откуда Фm = т B Ч dS .

Поскольку АД выпускаются в широком диапазоне мощностей (от единиц до сотен киловатт) при заданном числе пар полюсов p = 1;

2; 3; 4 и далее, постольку с точки зрения обеспечения нормального теплового состояния ЭД возникает необходимость в таких случаях использовать различные схемы формирования фаз и числа пар полюсов p в них при том или ином числе параллельных ветвей. Такая проблема возникает в связи с тем, что основной конструктивной особенностью выполнения трехфазной обмотки АД является процедура укладки ее в пазы статора таким образом, чтобы формировать заданное число пар электромагнитных полюсов возбуждения по каждой фазе .

В машинах небольшой мощности оказывается рациональным использование последовательного соединения проводников катушечных групп всех пар полюсов по фазам АД. При этом образуется общее число витков в фазе wф и все последовательно соединенные проводники участвуют в формировании каждой пары магнитных полюсов по каждой фазе

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы

–  –  –

Усиление электромагнитного взаимодействия между статором и ротором достигается путем увеличения числа пар полюсов на каждую

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы фазу обмотки статора. Поэтому АД могут иметь одну и более пар полюсов p, а их обмотки — конкретное число витков w. При этом скорость движения вращающегося магнитного поля снижается от увеличения p. Результирующее вращающееся магнитное поле АД, выраженное обобщенным комплексом Ym, формирует электромеханические свойства и энергетические показатели асинхронной машины. Например, в четырехполюсной машине (p = 2) при частоте тока 1 вращающееся магнитное поле за один период изменения тока повернется своей осью (N–S) также на два полюсных деления (2), но, поскольку их по воздушному зазору не два, а четыре, угловой путь составит только половину окружности воздушного зазора (180 эл. град.), то есть в p раз меньше .

АД изготавливается с различным числом пар полюсов. Поэтому в электрических машинах переменного тока возникла необходимость сочетать геометрические радианы не только с временными радианами, определяемыми круговой или циклической частотой тока, но и с электрическими радианами, которые определяются и частотой, и числом пар полюсов машины. Отношение электрических радиан аm, эл. рад, к геометрическим а, геом. рад, равно числу пар полюсов wф am wm = p, = = a w0 wm где w0 называют синхронной угловой скоростью вращения магнитноwm w1 2pf1 го поля АД, геом. рад/с = рад/с, w0 = .

= = p p p Итак, под воздействием главного вращающегося магнитного поля увлекается ротор, который приходит во вращение в том же направлении. Однако, в силу индукционного принципа, лежащего в основе работы АД, угловая скорость вращения ротора r не может достигнуть значения угловой скорости поля из-за прекращения пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора. При r = 0 в обмотке ротора не индуктируется ЭДС, исчезает индукционный ток и поле ротора. Под действием сил трения ротор вынужден уменьшить свою скорость и восстановить условия индукционного взаимодействия. Отсюда и название двигателя — асинхронный, то есть вращение ротора несинхронное по отношению к вращающемуся магнитному полю .

При стандартной частоте напряжения (тока) f1 = 50 Гц в зависимости от числа пар полюсов p получается шкала возможных частот вращения главного магнитного поля, об/мин:

n0.......... 3000........ 1500.........1000.......750....... 600.......500........375......250 p........... 1.............. 2..............3.............4........... 5...........6...........8..........12 2.3.2. Электрические и эквивалентные схемы замещения АД

Отметим возможные варианты исполнения обмоток ротора АД:

• обмотка ротора выполняется аналогично трехфазной обмотке статора, концы фаз обычно соединяются внутри в звезду, а начала выводятся через систему трех колец и металлографитовых щеток на клеммную доску и служат для включения в цепь ротора внешних добавочных сопротивлений; такие машины называют АД ФР — с фазным ротором (или с кольцами);

• обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки из меди или алюминия; считается, что число пар полюсов и число фаз на таком роторе обусловливается числом пар полюсов и числом фаз на статоре; такие машины называют АД КЗР — с короткозамкнутым ротором .

Представление о схемах включения АД ФР и АД КЗР в трехфазную сеть дают рис. 2.27 и рис. 2.28, на которых внешняя окружность обозначает обмотку статора с указанием ее схемы включения (звезда или треугольник) и напряжения питающей сети, а внутренняя окружность рис. 2.27 указывает на фазный ротор с возможностью включения в его цепь внешнего сопротивления, рис. 2.28 — на короткозамкнутый ротор с обмоткой, называемой беличьей клеткой .

~ Us

–  –  –

Рассмотрим эквивалентные схемы замещения АД. Как известно, эквивалентные схемы своей электрической интерпретацией отражают электромагнитные связи между статором и ротором. Наиболее полное отражение дает Т-образная схема замещения для фазы статора, потребляющая электроэнергию от источника напряжения бесконечно большой мощности. Это справедливо для любой круговой частоты питающего напряжения 1 = 2f1, рис. 2.29 .

–  –  –

Рис. 2.29. Эквивалентная схема замещения АД:

Ls, Lr — индуктивность рассеяния магнитного потока обмотки статора и ротора соответственно; Lm — индуктивность главного (рабочего) магнитного потока АД;

Rr — приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора, характеризует переменные потери на нагревание цепи ротора;

1- s характеризует передаваемую на ротор механическую мощность Rr s

–  –  –

В задачах электропривода обычно не учитывают активное сопротивление намагничивающего контура, полагая R = 0, что упрощает уравнение (2.8) расходуется на покрытие постоянных потерь холостого хода DPc xx = DM xx w = DPFe.r + DPтр, на перемагничивание и вихревые токи в магнитопроводе ротора, а также на трение в подшипниках и о воздух. Эти потери не зависят от нагрузки на валу, но могут быть функцией скорости .

Записанные уравнения соответствуют балансу активной мощности, изображенному на рис. 2.31 .

–  –  –

В диапазоне мощностей 1…200 кВт различных типов АД номинальное скольжение sN может быть в пределах 0,06…0,02 (см. рис. 2.26), что объясняется увеличением площади сечения проводников электрических цепей и, следовательно, уменьшением величин активных сопротивлений .

В диапазоне изменения скорости ротора от = 0 до 0 выделяют две зоны с различным соотношением поведения (Mэм) и токов (Ir и Is) .

Первая зона в АД КЗР (от = 0 до к, или 1 s sк) называется нелинейной, она используется в переходных режимах пуска при Глава вторая.

Двигательный режим работы электроприводов Mдин = Mэм — Mc, характеризуется увеличением электромагнитного момента в пределах Mэмп… Mэмк и снижением модулей токов в пределах Irn… Isn до значений, соответствующих к:

• кратность пускового момента kM = Mэмп/MэмN 0,7…1,8 и более у машин с глубоким пазом и двойной беличьей клеткой;

• кратность пускового тока ротора kI = Irn/IrN 5,5…7,0 .

s n I s0 I m

–  –  –

Рис. 2.33. Естественные статические характеристики АД Вторая зона в АД КЗР (к … 0 или sк s 0) соответствует устойчивой и допустимой по тепловому состоянию работе при N и MэмN на жестких характеристиках, на которых моменты и токи считаются пропорциональными, что характеризует нормальное электромагнитное состояние АД. Для этой зоны введено понятие перегрузочной способности M = Mэмк/MэмN = 1,7... 3,0;

при sк = 0,06…0,15, где более высокие значения sк у двигателей с малым значением числа пар полюсов p .

Вторая зона в АД ФР в общем идентична сказанному относительно АД КЗР. Однако при включении в цепь ротора добавочных сопротивлений Rr+Rrдоб обеспечиваются смягченные искусственные характеристики (рис. 2.34) с возможностью увеличения Mэмп вплоть до значения Mэмк на линейных участках, то есть свойства второй зоны распространяются и на первую, что используется в АД ФР для пуска и управления скоростью .

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы

–  –  –

Следует подчеркнуть, что в E s выполнение функции возбуждения (Em) уменьшается из-за исчезновения необходимости покрывать рассеяние в роторе ( E r s = jX r Ч Ir = 0, где Ir = 0 ) и снижения величины Is до значения Is 0 = Im. При этом АД переходит в граничный режим идеального холостого хода, который характеризуется не только = 0, но и j1 = 90 o (в сравнении с обычным двигательным режимом, который представлен на векторной диаграмме рис. 2.32). Сокращается потребление реактивной мощности которая в рассматриваемом случае равна нулю, так как y 2 равного 90° — чисто формально, а по существу из-за E r = 0 и Ir = 0 .

Другим граничным режимом является режим короткого замыкания

КЗ, с которого начинается пуск АД в работу. Для этого режима характерным являются:

• 0 1 90 и y 2 № 0, что соответствует потреблению из сети реактивной мощности Q1 (эл) 0 на обеспечение электромагнитного состояния АД и активной мощности P1 (эл)к P1 (эл)КЗ P1 (эл)N, которая фактически всецело расходуется на покрытие тепловых потерь в статоре и роторе из-за значительных токов Isn и Irn и отчасти на развитие электромагнитной мощности на статоре Pэм = Mэм 0 с моментом взаимодействия Mэмп между статором и ротором;

• в предпусковое мгновение времени режим КЗ характеризуется параметрами = 0, s = 1, что указывает на одинаковую частоту пересечения неподвижных проводников обмоток статора и ротора вращающимся магнитным полем (fперs = fперr, об/с = Гц)

–  –  –

теристики. На такую возможность указывают уравнения (2.17) и (2.18), где sк Rr + Rrдоб, а Mэм к от Rr + Rrдоб не зависит. При этом в соответствии с уравнением (2.21) n, об/мин, 60 f1 (1 - s ) .

n = n0 (1 - s ) = p При увеличении Rrдоб характеристики смягчаются, sк увеличивается, а Mк остается неизменным, поскольку не зависит от Rr. С изменением скорости при той же нагрузке увеличиваются потери мощности на нагрев, что просто реализуется на практике ЭП, но этот способ неэкономичен [6, с. 73] .

3. Для АД ФР большой мощности в настоящее время используют системы различных машинно-вентильных каскадов, полезно управляющих мощностью скольжения ротора Pr=Pэл1s, которая либо отдается в питающую сеть, либо на вал АД [1, с. 628–644], [9, с. 241–248], [10, с. 328–358] .

4. В целях формирования искусственных статических характеристик АД КЗР и АД ФР в 1950–1960-е гг. использовались так называемые искусственные схемы несимметричного включения статора на напряжение сети и несимметричного включения добавочных сопротивлений в цепи ротора. Эти схемы интересны с точки зрения электромеханических и энергетических процессов и относительной простоты их математических описаний, но со временем они утратили свою практическую актуальность, и к ним возвращаются лишь при анализе каких-либо аварийных ситуаций [1, с. 148] .

5. Уравнения (2.16) и (2.18) прямо указывают, что на частоту вращения ротора можно непосредственно влиять путем изменения числа пар полюсов p. Этот способ используется в специальных многоскоростных двигателях с переключением p. Также рассматриваемый способ регулирования может быть реализован путем изменения частоты питающего напряжения f1, что в настоящее время благодаря появлению статических преобразователей электроэнергии переменного напряжения (тока) открыло возможности реализовывать различные законы управления электроприводами, особенно с АД КЗ .

Электромеханические свойства АД КЗР с переключением числа пар полюсов Процедура переключения числа пар полюсов наиболее просто производится в так называемых двухскоростных асинхронных коротко

<

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов

замкнутых двигателях. Для этого проводники каждой фазы статора укладываются в пазы таким образом, чтобы формировать ее по полуфазам с выводом средней точки. Такое конструктивное исполнение фаз позволяет в одной фазе реализовать следующие два варианта включения каждой полуфазы обмотки статора по отношению к действующему фазному напряжению Usф, приложенному к АД .

Первый вариант представлен на рис. 2.36, где исходное число пар полюсов принято, например, p = 2. При последовательном включении на каждую полуфазу приходится половина фазного напряжения Unф = Uф/2 .

Второй вариант, соответствующий рис. 2.37, получается переключением полуфаз на встречно-параллельное включение. В результате число пар полюсов уменьшается в два раза p = 1, а на каждую полуфазу подводится полное фазное напряжение Unф = Uф .

–  –  –

Переключением в два раза снижается число пар полюсов p, что приводит к увеличению в два раза частоты вращения n0. Напряжение на полуфазу также возрастает в два раза, а магнитный поток m не изменяется. Моменты критические остаются неизменными Переключение / называют схемой сохранения постоянства моментов, где Mэм m Irакт = const. Механические n(Mэм) и электромеханические n(Ir) характеристики показаны на рис. 2.39 .

Рис. 2.39. Статические характеристики АД при переключении обмоток, при включении обмоток статора по схеме звезды При включении обмоток статора по схеме преобразование подключения полуфаз производится в соответствии с рис. 2.40, где показано преобразование схемы треугольник в схему, называемую двойной звездой .

–  –  –

Рис. 2.40. Преобразование схемы треугольника в двойную звезду:

а — до переключения; б — после переключения Переключение / также в два раза снижает число пар полюсов p, что в два раза увеличивает частоту вращения n0. Однако, в связи с переключением статора со схемы треугольник на двойную звезду, по сравнению со схемой переключения / увеличивается напряТрехфазные асинхронные электроприводы жение на полуфазу всего лишь на 15 %. Это объясняет выражение U пф = 2 U пф D. Магнитный поток при таком переключении не сохраняется неизменным, что вызывает снижение развиваемых моментов, а электромагнитная мощность Pэм = Mэм 0 = Mэм n0 2/60 остается примерно постоянной. Поэтому схему переключения / называют схемой постоянства мощности. Механические n(Mэм) и электромеханические n(Ir) характеристики для этого способа показаны на рис. 2.41 .

–  –  –

Рис. 2.41. Статические характеристики АД при переключении обмоток, при включении обмоток статора по схеме треугольника В рассмотренных схемах (см. рис. 2.38, рис. 2.40) переход на пониженные скорости производится обратным переключением / и /, что будет сопровождаться работой АД в режиме рекуперативного торможения. Создание АД КЗР с переключением p было направлено на их использование в металлообрабатывающих станках для исключения коробки скоростей, но это оказалось неэффективным .

Однако многоскоростные АД КЗР получили использование в электроприводах лифтов с двух-, трехскоростными двигателями. В трехскоростных АД одна обмотка статора выполняется с переключением, например на n = 1500 и 3000 об/мин, а другая — без переключения, на 1000 об/мин или 750 об/мин. Для четырехскоростных АД потребуется две обмотки с переключением p .

r), в котором задается не только модуль, но и аргумент. Принципиальное отличие между прямым и косвенным векторными законами частотного управления заключается в различных способах ориентации систем координат, привязанной к конкретному потокосцеплению, что используется в замкнутых системах ЭП, позволяющих оптимизировать энергетические показатели асинхронного электропривода (потребляемую мощность, потери, коэффициент мощности) в динамике и при изменении нагрузки на валу .

Законы прямого векторного управления с прямой ориентацией по полю строятся на основе прямого измерения потокосцепления, например, с помощью датчика Холла .

При использовании законов косвенного векторного управления с косвенной ориентацией по полю вычисляют r через измерение д и Isф. При этом берется за основу наиболее точная математическая модель двигателя переменного тока, предложенная доктором технических наук, профессором Р. Т. Шрейнером .

Рассмотрим законы скалярного частотного управления АД КЗР .

1. Самым простым законом управления частотой является закон поддержания постоянства отношения модуля напряжения к частоте Usф/f1 = const, что обеспечивает удобства, когда нагрузка на валу неизменная Mc = const. На рис. 2.43 условно показана схема раздельного управления и, а на рис. 2.44 — статические характеристики при данном способе управления .

–  –  –

даются в соответствии с устраивающим решение задачи управления законом (рис. 2.45) замедленного снижения напряжения .

Запишем координаты точек в относительных единицах, используя в качестве базовых номинальные значения UsфN и f1N:

• точка 1 (1; 1) — точка номинального режима работы;

• точка 2 (0,7; 0,5) — промежуточная точка;

• точка 3 (0,5; 0) — конечная точка параболической траектории .

Для указанных координат записываем соответствующие уравнения параболы, совместное решение которых позволяет определить коэффициенты a = 0,2; b = 0,3; c = 0,5. В результате получаем искомое уравнение параболической траектории Usф = f (f1) в относительных единицах Usф = 0,2 f12 + 0,3 f1 + 0,5 .

Механические характеристики в зоне f1 f1N становятся более жесткими и сохраняют перегрузочную способность АД, l = const (рис. 2.46) .

–  –  –

5. Закон поддержания Erф/f1 = const эквивалентен r = const и обеспечивает компенсацию влияния Rs и индуктивных сопротивлений рассеяния Xs и Xr, что заставляет еще больше увеличивать модуль Usф

- ( Rs + jX s ) Ч Isф - jX r Ч Isф U sф = const .

f1 Ї Рассматриваемый закон позволяет увеличить Mc на валу по сравнению с работой на естественной статической характеристике АД с учетом его допустимого теплового состояния (поэтому частотно-управляемые АД изготавливаются с изоляцией обмоток класса F). Условная электрическая схема реализации рассматриваемого закона приведена на рис. 2.51 .

На рис. 2.52 иллюстрируется не только значительное увеличение перегрузочной способности за счет усиления электромагнитного состояния АД, но и фактически указывается на придание АД КЗР при данном законе частотного управления электромеханических свойств ДПТ с независимым возбуждением. В частотно-управляемом АД КЗР

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы имеются различные возможности формирования электромагнитного состояния, адекватного другим типам ЭД постоянного и переменного тока .

<

–  –  –

Условная электрическая схема организации рассматриваемого закона приведена на рис. 2.53. На рис. 2.54 приведены искусственные статические характеристик частотно-управляемого АД КЗР при реализации рассматриваемого закона. С изменением задания на скорость в виде задания У при У = const изменяется жесткость регулировочной характеристики АД и крутизна формируемой механической характеристики, соответствующей ДПТ ПВ .

С увеличением статической нагрузки Mc жесткость регулировочных характеристик АД увеличивается, каждая из которых соответствует определенному значению = var. Так, в частотно-управляемом АД КЗР формируется электромагнитное состояние, адекватное ДПТ ПВ, и соответствующие ДПТ ПВ электромеханические свойства .

–  –  –

7. Закон частотного управления, обеспечивающий АД КЗР электромеханические свойства трехфазного синхронного двигателя. В отличие от предыдущего закона (6), должна быть сформирована абсолютно жесткая статическая механическая характеристика. Такой закон частотного управления требует обеспечения следующих условий:

–  –  –

U sф

8. Закон поддержания = const обеспечивает постоянство мощf1 ности на валу АД при заданных скоростях вращения P2 (в)=Мс .

Такой закон обычно используется в электроприводах механизмов, требующих обеспечения постоянства линейной скорости намотки (или сматывания) материала при сохранении его натяжения. К таким механизмам относятся различные моталки и сматыватели в полосопрокатном производстве металлургических предприятий, а также в бумажной и текстильной промышленности, когда скорость электропривода должна плавно и непрерывно изменяться в функции изменения радиуса наматывания или сматывания материала. Заданная технология и промежуточные механические характеристики АД показаны на рис. 2.57 .

Здесь же может быть использован закон = var, когда = f (Mc) = var, или задается = const, как показано в рассмотренных законах 6 и 7 .

U sф

9. Закон поддержания 2 = const используется в электроприводах f1 механизмов с так называемой «вентиляторной нагрузкой», в частности мощных асинхронных электроприводов, обеспечивающих управление напором и производительностью насосов в водопроводных и тепловых сетях. Заданная технологическим процессом регулировочная характеристика и промежуточные характеристики частотно-управляемого АД показаны на рис. 2.58. Как и в предыдущем законе (8), реализация может быть выполнена как при = var, так и при = const .

–  –  –

2.4. Трехфазные синхронные электроприводы 2.4.1. Принцип работы и электромеханические свойства СД Принцип работы трехфазного СД основан на электромагнитном взаимодействии между вращающимся магнитным полем статора, создаваемого системой переменных трехфазных токов (аналогично АД), и постоянным магнитным полем, либо создаваемым обмоткой возбуждения, которая является одноосной, располагается на роторе и через систему двух контактных колец и графитометаллических щеток подключена к источнику электроэнергии постоянного напряжения, либо создаваемым постоянными магнитами на роторе .

В отличие от АД, в синхронном двигателе не возникает проблемы из-за рассогласования угловых скоростей вращения электромагнитного поля статора 0 и вращения ротора r. Взаимное ориентирование разноименных полюсов электромагнитных полей статора и ротора обеспечивает синхронное вращение ротора с вращающимся электромагнитным полем обмотки статора, то есть 0 = r; именно в этом заключается основание называть такую машину синхронной .

Синхронная машина отличается от асинхронной конструкцией ротора (с явно выраженными полюсами или полнополюсными), который также называют якорем, поскольку его обмотка получает электроэнергию от источника постоянного напряжения и создает постоянное магнитное поле ротора. Благодаря этому дополнительному магнитному полю СД обладает более благоприятным (по сравнению с АД) электромагнитным состоянием в функции нагрузки на валу, а также не столь жесткими оказываются требования к величине воздушного зазора .

Из-за с наличия двух источников электрической энергии, переменного и постоянного тока, СД называют машиной двойного питания .

Электрическая схема СД показана на рис. 2.59, где внешняя окружность обозначает трехфазную обмотку статора, внутренняя окружность — пусковую короткозамкнутую обмотку ротора, внутри нее показана обмотка постоянного тока ротора, которая через щеточно-кольцевые контакты подключается к источнику постоянного напряжения и по которой протекает постоянный ток возбуждения, для изменения его величины используется Rfдоб. Асинхронная пусковая Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов и абсолютно жесткая статическая механическая характеристики СД представлены на рис. 2.60 .

–  –  –

Для пуска СД необходимо его ротор разогнать до подсинхронной скорости, затем подать постоянное напряжение на обмотку ротора: разноименные полюсы вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора взаимно притягиваются, и ротор втянется в синхронное вращение со скоростью 0 = r = 2f1/p. Обычно разгон ротора до подсинхронной скорости производится так называемым асинхронным пуском. С этой целью в полюсах ротора закладывается легкая, не рассчитанная на длительный ток, короткозамкнутая пусковая обмотка, которая перед пуском отключена от источника напряжения и замкнута на 3–4-кратное по сравнению с Rf добавочное сопротивление Rfдоб. Пуск производится включением обмотки статора на трехфазное напряжение. При достижении ротором подсинхронной скорости пс 0,950 по специальной схеме (на рис. 2.59 не показана) Rfдоб отключается от источника напряжения Uf и на обмотку ротора подается постоянное напряжение возбуждения. После вхождения СД в синхронизм пусковая короткозамкнутая обмотка перестает пересекаться вращающимся полем статора, в ней прекращает индуктироваться ЭДС и протекать индукционный ток, то есть она физически исключается из работы .

2.4. Трехфазные синхронные электроприводы

–  –  –

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов Угловая характеристика на рис. 2.62 соответствует СД с явно выраженными полюсами. Синхронные двигатели обычно выпускаются полнополюсными на большие скорости вращения, для расчета которых в уравнении (2.24) реактивная составляющая момента исключается и Мэм выражается только синхронной составляющей (Mэмmax будет отражать = 90 эл.град). Номинальный MэмN обычно соответствует = 20…30 эл. град, что позволяет определить перегрузочную способность СД M эм max sin 90 » 3...2 .

l= = sin(2030) M эм N Синхронные двигатели выпускались (10–15 лет назад) средней и большой мощности обычно в высоковольтном исполнении, поскольку использовались в режиме нагрузки S1 в неуправляемых по скорости электроприводах насосов, воздуходувок, компрессоров с редким отключением .

С появлением управляемых преобразователей частоты трехфазного переменного тока, расширяются возможности построения экономичных синхронных электроприводов по системе «УПЧ — СД», управляемых по скорости в широком диапазоне с различными законами управления. Естественно возникает необходимость выпуска СД на небольшие мощности (единицы и десятки киловатт), для которых может существенно упроститься конструкция ротора путем замены электромагнитного возбуждения на возбуждение от постоянных магнитов с исключением асинхронной пусковой обмотки .

Наконец, возможно выполнение неподвижного статора с трехфазной обмоткой на внутреннем элементе СД, вращающийся ротор — на наружном с преобразованием его к конструктивному построению двигателя-колеса (например для электромобиля со всеми ведущими колесам) .

2.4.2. Работа СД как генератора реактивной мощности при недогрузке на валу Электроприводами с синхронными двигателями всегда оснащались механизмы средней и большой мощности с редкими пусковыми включениями. Если в работе таких электрифицированных механизмов по условиям технологического процесса имеются периоды со значительной недогрузкой на валу, то оказывается экономически целесоТрехфазные синхронные электроприводы образным на этих интервалах недогрузки перевозбуждать синхронный двигатель и использовать его как генератор реактивной энергии .

Рассмотрим процесс перевозбуждения недогруженного на валу синхронного двигателя с помощью упрощенной векторной диаграммы — рис. 2.63. Допустим, на валу двигателя нагрузка значительно меньше номинальной McMN, а возбуждение номинальное. Это соответствует низким значениям КПД и cos1 .

–  –  –

Для перевода недогруженного на валу синхронного двигателя в режим одновременной работы генератором реактивной энергии необходимо так перевозбуждать его, чтобы активный ток статора оставался неизменным. При этом P1 (эл), P2 (в) и Mc также будут неизменными и меньше номинальных значений .

Перевозбуждение синхронного двигателя осуществляется путем установления тока в цепи возбуждения If IfN. В результате будет повышаться ЭДС, индуцируемая в цепи статора E s = cФе Ч w0 .

ставляющей, что указывает на потребление от сети переменного тока активной мощности и на отдачу в сеть реактивной мощности. Однако на двойственность рассматриваемого режима указывает и тот факт, что ток опережает напряжение, а ЭДС по-прежнему отстает от напряжения, хотя по модулю его превышает .

Отдача реактивной энергии в сеть переменного тока осуществляется за счет источника постоянного тока, питающего цепь обмотки возбуждения синхронного двигателя. Рассмотрим рациональность использования СД в перевозбужденном режиме .

Запишем отношение полной мощности синхронного двигателя к его активной мощности P12эл ) + Qs2 Qs2 Ss ( = 1+ 2 .

= P1( эл ) P1( эл ) P1( эл ) Если задаваться отношением реактивной мощности к активной, полагая активную мощность P1 (эл) постоянной, но меньшей по сравнению с P1 (эл)N, то это отношение будет характеризовать процент использования синхронного двигателя как генератора реактивной энергии .

Qs / P1 Ч100%............. 0......... 10......... 20..........30......... 40......... 50 D(S s / P1 ) Ч100%......... 0......... 0,5........ 2...........4,5....... 8........... 12 Если СД на 30 % использовать как генератор реактивной энергии, то его полная мощность S1 возрастет лишь на 4,5 %; а если его использовать на 50 %, то S1 возрастет на 12 % .

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Тормозные режимы работы электроприводов

3.1. Общая характеристика тормозных режимов ЭП В тормозных режимах процесс электромеханического преобразования энергии происходит в обратном направлении относительно былого двигательного режима работы. За счет подводимой к валу механической (или запасенной в инерционных массах системы кинетической) энергии происходит покрытие потерь холостого хода, а основная ее часть преобразуется электромагнитным путем в электрическую. Дальнейший баланс энергии в соответствии с принципом обратимости электрических машин предопределяется способом осуществления конкретного тормозного режима и условиями его существования. В такой связи различают следующие тормозные режимы:

• рекуперативное торможение (РТ);

• торможение противовключением (ТПВ);

• динамическое торможение с независимым возбуждением (ДТ НВ) или самовозбуждением (ДТ СВ) .

Во всех тормозных режимах электрическая машина работает генератором электрической энергии:

• в рекуперативном — на электрическую сеть параллельно с другими источниками электрической энергии;

• при противовключении последовательно с другими источниками электрической энергии в общей питающей сети;

3.2. Рекуперативное торможение в ЭП постоянного и переменного тока

• при динамическом торможении на индивидуальную нагрузку собственной рабочей электрической цепи .

Тормозные режимы широко используются в промышленных электроприводах как в установившихся режимах для ограничения скорости движения системы «ЭП — РМ», так и в переходных режимах движения, когда возникает необходимость быстро или постепенно изменить скорость движения системы, либо произвести остановку, либо осуществить реверс, то есть изменить направление движения исполнительному органу РМ .

3.2. Рекуперативное торможение в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

На рис. 3.4 приведен пример переходного режима РТ при ступенчатом изменении подводимого к якорю напряжения, предположим, при наличии отдельных сетей или УПЭЭ, с последующей точной остановкой электромагнитным тормозом или в режиме динамического торможения. Перед включением в РТ ЭП обладает при с.нач запасом w2 w2 энергии W кин = J е с.нач, а по окончании РТ запас энергии W кин = J е 0 и 4 значительно снижен за счет покрытия переменных потерь и рекуперации. В рассматриваемом примере на рис. 3.4 выделены средние значения динамического Мдин.ср и электромагнитного Мэм.ср моментов .

В ЭП по системе управляемый тиристорный преобразователь (УТП) — ДПТ НВ. Используя задатчик интенсивности, обеспечивают d/dt = const при непрерывном изменении Uа, что приводит к постоянству динамического Мдин = const и электромагнитного Мэм.РТ моментов при РТ .

Уравнения статических характеристик в режиме РТ получают из уравнения баланса электромагнитной мощности

3.2. Рекуперативное торможение в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

Для машин с последовательным возбуждением режим РТ исключен, так как 0 =. Хотя использование МПТ ПВ в искусственных схемах включения (схема IV — шунтирование якоря с внесением обмотки возбуждения в шунтирующую цепь [13, рис. 1.27 при n n0e]) позволяет участвовать в режиме РТ, хотя, строго говоря, теряется смысл называть ее машиной последовательного возбуждения относительно цепи якоря .

где С — конструктивный коэффициент, c = p Ч 2 Ч kоб w = 4, 44kоб w .

Здесь kоб — обмоточный коэффициент; w — число витков обмотки .

Наглядное представление о сравнении режима РТ и двигательного режима дает сопоставление векторных диаграмм. На рис. 3.6 показаны упрощенные векторные диаграммы, которые построены при одинаковых значениях критических скольжений в режимах РТ и ДР асинхронной машины (АМ) металлургического исполнения типа МТКF-012-6 с паспортными данными P2N = 3 кВт, n = 840 об/мин, UsфN = 220 В, IsN = 7,3 А по уравнениям I = I + I ;

m s r

–  –  –

1РТ

–  –  –

в РТ определяют увеличение модуля | ErРТ |, сравнивая | ErД |, что и указывает на работу асинхронной машины в режиме генератора, параллельно включенным на напряжение сети .

Углубить понимание физических явлений в режиме РТ при сопоставлении с двигательным режимом как при номинальной нагрузке (МэмN, s= ± sN), так и при максимально допустимой нагрузке (Мэмк, s= ± sN) позволяет построение круговой диаграммы той же АМ металлургического исполнения. На рис. 3.7 представлена упрощенная круговая диаграмма, которая в пределах изменения скольжения ± соответствует рис. 3.6 и позволяет оценить не только качественное, но и количественное соотношение электромеханических и энергетических переменных в режимах ДР и РТ, а также охарактеризовать состояние АМ в области значений s, устремленных к ± .

Если двигательный режим (рис. 3.7) находится в области углов 1 = 90° и положительного скольжения в пределах s = 0…1 — между реальным холостым ходом (sxx) и режимом короткого замыкания («КЗ», s = 1), то рекуперативное торможение располагается в области углов 1 90° и отрицательных скольжений (точки «01», s = 0; «Г1», s = -sРТN;

«Г2», s = -sРТк; «03», | s | | sРТк |). Область режима РТ между точками «01» — «Г2» — «Г3» соответствует устойчивой работе АМ, а дальнейшее увеличение скорости вращения ротора — область | s | | sРТк | вызывает ослабление электромагнитного состояния АМ (Фт) (аналогично двигательному режиму при s sДк, область точек «Д2» — «КЗ»), которые соответствуют участкам неустойчивой работы. Ослабление Фт приводит к снижению активных составляющих токов Ir и Is, уменьшению тормозного электромагнитного момента Мэм .

На рис. 3.7 построены также вспомогательные линии, позволяющие количественно оценить ДР и РТ. Прежде всего с такой целью строится «шкала скольжений», для чего через точку «Т» (s = ±) и «КЗ» (s = 1) проводится линия за пределы круговой диаграммы ДР; через точку «Т»

(s = ±) и «02» строится линия радиуса круговой диаграммы; перпендикулярно этому радиусу проводят линию «шкалы скольжения» до пересечения с линией «Т» — «КЗ». Точка их пресечения соответствует скольжению s = 1. Участок «шкалы скольжения» от названных точек их пересечения до линии Pэм = 0 (точка s = 0) делится, например, на 10 равных частей и получают цену деления шкалы s = 0,10. В области отрицательных скольжений используют полученный масштаб .

–  –  –

Определенный интерес представляет пусть несколько упрощенное объяснение физических явлений в точке «03» (sгр), соответствующей скольжению порядка (– 1,45), находящейся на линии P1 (эл) = 0.

В этой точке прекращается режим РТ; токи Ir и Is достигают своего максимума и приобретают исключительно индуктивный характер, угол 1 = 90°:

• P1( эл ) = 3 ЧU sф Ч Is Ч cos f1 = 0, следовательно, активная мощность не отдается в сеть и из сети не потребляется;

• Q = 3 ЧU sф Ч Isф Ч sin f1 0 указывает на потребление реактивной мощности из сети на создание вращающегося магнитного поля и увеличение запаса электромагнитной энергии Wэм в полях рассеивания обмоток статора и ротора, что вызывает дальнейшее ослабление Фт из-за роста индуктивного характера тока Ir, ослабляющего величину Im (на рис. 3.7 результирующий процесс размагничивания АМ не показан);

• P2 в — активная механическая мощность от РМ, раскручивающая ротор (на рис. 3.7 — отрезок перпендикуляра, восстановленного из точки «03» до точки «04» пересечения с осью Pв = 0), преобразуется внутри АМ в электромагнитную и расходуется на покрытие потерь Pс.хх, Prv и статоре Psv, а также на поддержание скорости ротора r (рис. 3.7)

-P2.в = ( -M 2.в ) wr = -Pэм, при этом покрываются постоянные потери Pс.хх в системе «АМ — РМ»

и происходит преобразование механической мощности в электромагнитную, численно равную сумме переменных потерь в роторе Prv и статоре Psv .

Рассмотрим интервал круговой диаграммы по дуге между точками «03», «а» и «Т» (s = ±), то есть между линиями P1 (эл) = 0 и Pэм = 0 в зоне «тормозного режима без названия», не имеющего отношения к РТ. Для этого интервала быстро увеличивающихся отрицательных скольжений, Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов вплоть до величины (-), характерно увеличение скорости вращения ротора до r =. Понятно, что такая область не используется в практике ЭП, хотя в нее возможно попадание многоскоростных АМ с переключением p при переходе на пониженную скорость вращения ротора .

На рис. 3.8 показаны естественные механические (Mэм) и электромеханические (Ir), (Is) статические характеристики АМ, на которых видна определенная тенденция поведения переменных при s ® ±Ґ : Mэм стремится к нулю в режимах РТ и ТПВ (из-за размагничивания контура намагничивания, Iт 0, Фт 0), а токи Ir и Is, достигнув максимума (точка «03», рис. 3.7), устремлены к своим асимптотам (благодаря подводимой к ротору активной механической мощности P2 (м) .

–  –  –

Переходные режимы РТ могут иметь место в АМ КЗ и ФР при изменении скорости вращения ЭП. При этом анализируется: накопленный запас кинетической энергии в системе «ЭП — РМ», изменение величины активного механического момента Mса со стороны РМ, а также влияние параметров электрических цепей АМ, то есть ВВВ и ВУВ — внешних возмущающих и управляющих воздействий на ЭП. В настоящее время наиболее целесообразным для управления скоростью АМ является использование различных систем «УПЧ — АМ» с автономными инверторами напряжения (АИН) или тока (АИТ) [12, с. 212] с реализацией законов частотного управления «вверх» и «вниз .

На рис. 3.9 показаны фрагменты механических характеристик в режиме РТ частотно-управляемого АД КЗ, а также АМ ФР, когда значительные скорости в РТ получают на искусственных статических характеристиках путем включения добавочных сопротивлений Rr доб в цепь ротора .

–  –  –

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов На рис. 3.10 представлены механические характеристики четырехскоростной АМ с переключением числа пар полюсов p. Для обеспечения эффективного торможения в режиме РТ снижение скорости вращения выполняется в следующей последовательности переключения числа пар полюсов: p = 1, 2, 3 и 4 .

2. В синхронных машинах (СМ) режим РТ, как ранее говорилось, — это обычный режим синхронного генератора, в котором СМ работает на абсолютно жесткой механической характеристике (Mэм), то есть на продолжении ее из I квадранта двигательного режима во II квадрант РТ при той же скорости вращения = 0 = 2 f1/p .

В задачах электропривода обычно СМ эксплуатируются как нереверсивные в продолжительных режимах нагрузки S1 при средней и большой (сотни и тысячи киловатт) мощности на валу, не требуют управления скоростью и в РТ не участвуют .

С появлением управляемых преобразователей частоты и их использованием в асинхронных электроприводах, возникла возможность построения управляемых по скорости электроприводов с СМ и их разработки на небольшие мощности (единицы и десятки киловатт) .

Это позволяет значительно упростить конструкцию самой СМ: заменить электромагнитное возбуждение обмотки ротора от источника постоянного напряжения на возбуждение от постоянных магнитов и исключить асинхронную пусковую обмотку, контактно-щеточное устройство; пуск и управление скоростью СМ осуществлять по системе «УПЧ — СМ»; при снижении скорости использовать режим РТ (рис. 3.11, а, б) .

–  –  –

На рис. 3.11, а показана упрощенная схема СМ, включенной в сеть трехфазного переменного напряжения Us через УПЧ. САУ ЭП, в соответствии с заданием по амплитуде и частоте, формирует ВУВ .

На рис. 3.11, б представлены статические механические характеристики частотно-управляемой СМ, которые при конкретном законе управления связаны с плавным изменением Us и f1 .

В системе «УПЧ — СМ» получают динамические механические характеристики, соответствующие постоянному динамическому Мдин и электромагнитному Мэм моментам как при пуске или регулировании скорости, так и в переходном режиме РТ. Плавное изменение амплитуды и частоты напряжения, подводимого к статорной обмотке СМ, обеспечивает фактически r = 0 = 0 взаимную ориентацию разноименных полюсов постоянных магнитов ротора относительно вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и ротор сразу начинает вращаться синхронно .

3.3. Торможение противовключением в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

крывает переменные потери Prv. В отличие от других тормозных режимов, в ТПВ потребляемая из сети электрическая мощность полностью идет на покрытие переменных потерь Psv в машине. Такая специфика и указывает на работу машины в ТПВ как генератора, последовательно работающего с источниками электрической энергии сети .

В энергетическом отношении режим ТПВ, когда подводимая мощность к валу ЭМ и потребляемая из электрической сети расходуются на нагревание сопротивлений главной цепи I 2R = Pv, является самым невыгодным, но простым и удобным в эксплуатации, особенно в подъемно-транспортных установках .

Область существования ТПВ находится в области механических характеристиках прямого и обратного направлений движения ЭП, в области начала режима «КЗ», в сторону увеличения скорости = ± .

3.3.1. Режим ТПВ в ЭП постоянного тока В машинах постоянного тока НВ, СВ или ПВ, в зависимости от их использования в установившемся или переходном режиме движения, режим работы в ТПВ обеспечивается двумя вариантами схемных решений. Продемонстрировать это удобно на схеме МПТ СВ, на которой мысленно можно исключить ту или иную обмотку возбуждения, и оперировать схемой конкретного типа машины .

Схему рис. 3.13 обычно применяют для обеспечения установившегося движения при тормозном опускании тяжелых грузов. Здесь в цепи якоря (с добавочным сопротивлением Rа доб), включенной на направление вращения «вверх», приложенным к валу активным статическим GV рм моментом M вс = является причиной вращения в обратном наwд правлении. Установление необходимой скорости ДПТ производится путем выбора величины добавочного сопротивления пускорегулировочного резистора со ступенями ТПВ «П» в цепи якоря, которое определяется из условий допустимого тока Iа и развиваемого электромагнитного момента Мэм = Мвс .

На рис. 3.14 можно увидеть механические характеристики и переходный процесс, вызванный изменением величины сопротивления Rа. доб для управления скоростью опускания груза. Режим ТПВ расположен ниже точки режима «КЗ» в отрицательном направлении скорости вращения, обусловленной движущим активным моментом Мвс и противодействующим движению электромагнитным моментом Мэм .

3.3. Торможение противовключением в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов Схема рис. 3.15 используется для осуществления ТПВ в переходных режимах движения, когда требуется быстро снизить скорость или произвести реверс системы «ЭП — РМ». В таком случае используется запасенная в системе кинетическая энергия (см. уравнения (3.2) и (3.3)) и пояснения к ним .

–  –  –

Рис. 3.15. Схема для осуществления ТПВ в переходных режимах движения (когда требуется быстро снизить скорость или произвести реверс системы «ЭП — РМ»)

–  –  –

-0

-0

-

–  –  –

С точки зрения энергетики режим ТПВ является крайне неэкономичным, но простота его получения, особенно в реверсивных электроприводах, привела к широкому его использованию в сетевых ЭП производственных установок. Следует отметить, что вся подводимая к валу механическая и потребленная из сети электрическая мощность идет на покрытие тепловых потерь нагревания сопротивлений в цепи якоря. Поскольку в ТПВ для ограничения токов и моментов в якорную цепь включаются добавочные сопротивления резисторов, которые значительно превышают собственное сопротивление обмотки якоря Rа. доб rя, постольку тепловые потери Pav выделяются вне маw2 шины. Например, при реверсе машины энергия потерь DWav » 3J е определяется как тройной запас кинетической энергии. Таким образом, в интенсивно работающих реверсивных электроприводах оказывается целесообразным использовать вместо ТПВ режим динамического торможения (ДТ) .

3.3.2. Режим ТПВ в ЭП переменного тока

1. В асинхронных машинах режим ТПВ используют в установившихся (для опускания тяжелых грузов обычно в ЭП с АМ ФР) и переходных режимах движения (для реверса или быстрой остановки

3.3. Торможение противовключением в ЭП постоянного и переменного тока

АМ ФР и КЗР в разомкнутых системах сетевых ЭП). С этой целью используют один из вариантов получения ТПВ:

• в первом варианте обеспечивают работу АМ ФР на устойчивом участке искусственной статической характеристики с внешним Rr. доб за счет приложения к валу активного механического момента Мвc со стороны РМ, разворачивающего ротор в обратном направлении движения (- r) относительно вращения магнитного поля 0, то есть против положительного направления вращения, соответствующего схеме включения в двигательный режим;

так получают установившийся режим ТПВ (-r = const); здесь же возможен переходный режим ТПВ при управлении скоростью ротора (-r = var), при изменении величины Rr. доб (рис. 3.18, IV квадрант механической характеристики);

• во втором варианте реверсируют вращение магнитного поля АМ (-0) путем переключения чередования фаз питающего статор АМ напряжения (две фазы меняют местами), при этом АМ КЗР работает в переходном режиме на продолжении естественной характеристики, а для АМ ФР используют работу на продолжении искусственных характеристик после переключения Rr. доб; здесь режим ТПВ противопоставлен движению по инерции за счет ранее накопленного (в двигательном режиме) запаса кинетической энергии, который в переходном процессе снижения скорости движения системы в режиме ТПВ быстро преобразуется в покрываемую энергию потерь Wr и Ws .

Область существования режима ТПВ в АМ теоретически располагается от точки «КЗ» (s=1) до точки «Т» (s=), что представлено на круговой диаграмме (см. рис. 3.7) и отчасти на статических характеристиках (см. рис. 3.8), то есть в области больших скоростей вращения ротора r. Как правило, режим ТПВ обычно используется в диапазоне скольжений 1 sТПВ 2, когда в АМ КЗР еще сохраняется определенная величина Мэм Мэмп (рис. 3.19), хотя токи статора Is и ротора Ir значительно превышают пусковые; в АД ФР эта область переходного режима снижения скорости реализуется с сопротивлением Rr. доб, позволяющим использовать участки характеристик, близкие к линейным, а также подбирать Rr.доб опт, позволяющее добиваться минимального времени снижения скорости до остановки при среднем Мэм max (рис. 3.18) .

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов + +

–  –  –

Как видим, при любом варианте получения режима ТПВ, направление вращения ротора противоположно вращению магнитного поля Фт. В режиме ТПВ частота пересечения fпер главным магнитным полем проводников обмотки ротора остается пропорциональной разности скоростей (0 – r), определяется по знаку и величине скольжения fпер = sf1 при частоте питающего напряжения f1 .

Режим ТПВ отделен от ДР граничным режимом КЗ и располагается в области больших положительных скольжений s1, вплоть до s=+ — см. круговую диаграмму рис. 3.7.

С увеличением скольжения s в этой области 1ТПВ 1NД из сети продолжают потребляться активная Р1(эл) и реактивная Q1(эл) мощности, но их направленность отличается от двигательного режима работы:

• Р1(эл) все больше расходуется на покрытие переменных (тепловых) потерь Prv в сопротивлениях цепи ротора, а развиваемый тормозной Мэм уменьшается;

• Q1(эл) все меньше расходуется на энергию вращающегося рабочего магнитного поля Фт и в большей степени расходуется на увеличение запаса электромагнитной энергии в полях рассеивания электрических цепей статора и ротора .

С увеличением |–r| значительно возрастает частота пересечения проводников обмотки ротора вращающимся в противоположном направлении магнитным полем Фт, а также растут частоты индуктированных ЭДС Eт, Er и тока Ir. При этом, по сравнению с двигательным

3.3. Торможение противовключением в ЭП постоянного и переменного тока режимом, модуль Eт уменьшается, а модуль Ir увеличивается, что объясняется насыщением магнитной системы АМ, которое приходится учитывать как в цепи намагничивания (возбуждения), так и в цепях рассеивания обмоток статора и ротора, а также увеличение модулей токов Ir и Is, которые в значительной степени приобретают индуктивный характер, модуль Eт снижается .

Векторная диаграмма режима ТПВ рис. 3.20 построена для точки г, sТПВ + 2,3, которая выделена на круговой диаграмме рис. 3.7. Сопоставление рис. 3.20 (ТПВ) с рис. 3.7 (при критических скольжениях sк (ДР, точка «Д2», sДк + 0,28 и РТ точка «Г2», sРТк –0,28)) указывает на ухудшение электромагнитного состояния АМ. Полагая АМ включенной на трехфазное напряжение сети бесконечно большой мощности, необходимо отметить, что модуль UТПВ остается неизменным и отстает от действительной оси в ТПВ, несмотря на превышение скольжения (почти на порядок | sТПВ || sРТк | по сравнению с критическим в РТ), угол отставания Us по фазе меньше ТПВ РТ, хотя в том и другом режимах Us отстает от вектора Es, что указывает на работу АМ в ТПВ, последовательно включенной с другими источниками энергии (в отличие от РТ при (–sРТк)) .

–  –  –

Рис. 3.20. Векторная диаграмма режима ТПВ Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов Уравнения статических характеристик в режиме ТПВ аналогичны уравнениям в двигательном режиме с учетом величины скольжения s и знака скорости при реверсе .

2. В синхронных машинах с электромагнитным возбуждением ротора и с асинхронным пуском режим ТПВ исключен для практического использования из-за неизбежности работы на короткозамкнутой асинхронной характеристике, которая не рассчитана на работу при больших токах. Обычно СМ и не используют в реверсивных ЭП, а если возникает необходимость пуска в обратном направлении, то на статоре неподвижной машины изменяют чередование фаз и производят пуск в обратном направлении .

3.4. Динамическое торможение в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

Режим ДТ может использоваться и как установившийся режим движения, и как переходный для быстрой остановки системы, в том числе в заданном положении исполнительного органа РМ, а также в возможных аварийных ситуациях .

3.4.1. ЭП постоянного тока с независимым возбуждением Чтобы получить ДТ МПТ с НВ, якорную цепь МПТ отключают от источника электроэнергии (Uа= 0) и включают на добавочное (в общем случае изменяемое) сопротивление; при этом обеспечивается электрическая цепь независимого возбуждения — рис. 3.22 и 3.23. Схема рис. 3.22 используется для МПТ НВ и СВ, в которой ОПВ из работы исключается .

–  –  –

Схему рис. 3.23 применяют в МПТ ПВ. Здесь ОПВ, для обеспечения Iв = IаN, включается независимо через добавочное сопротивление Rв доб. Ток в цепи якоря IаT в ДТ, протекающий под действием Eа = с Фт, ограничивают подбором Rа доб, которые в двигательном режиме используются как пускорегулировочные .

В соответствии с балансом мощности ДТ с НВ U a = 0 = E a + I a Ra, Ua причем = w0 = 0 и статические характеристики всех ДПТ линейcФmN ны, проходят через начало координат — рис. 3.24;

Область существования режима ДТ с НВ располагается от = 0 = = 0 в направлениях = ± .

При ослаблении магнитного потока Фт крутизна характеристик увеличивается аналогично введению в цепь якоря Rа доб .

3.4.2. ЭП постоянного тока с самовозбуждением Для получения режима ДТ с СВ необходима гарантированная намагниченность магнитопровода МПТ, например, от предшествующей работы в двигательном режиме. От напряжения питавшей сети ДПТ отключается, а его обмотка возбуждения переключается на последоваДинамическое торможение в ЭП постоянного и переменного тока тельное соединение с якорем так, чтобы ток возбуждения не изменял своего направления относительно двигательного режима. В ДТ с СВ ток в цепи якоря, вращающегося в прежнем направлении, протекает под действием ЭДС Eа, то есть относительно былого двигательного режима меняет знак и создает тормозной Мэм. Наиболее просто рассматриваемый режим получают в МПТ с НВ, рис. 3.25, где ток Iа в цепи якоря разделяется на параллельные цепи возбуждения Iв и торможения IТ в обратной пропорциональности их сопротивлениям .

На рис. 3.26 показана схема включения МПТ ПВ в ДТ с СВ, в которой для сохранения прежнего направления тока Iв= IаТ по ОПВ меняют местами начало и конец обмотки .

–  –  –

Обычно ДТ с СВ применяют для экстренного снижения скорости работающего ЭП в аварийных ситуациях, например, при исчезновении напряжения в питающей цепи, что организуется автоматически .

Физические процессы в режиме ДТ с СВ объясняются при помощи вольт-амперных характеристик, которые представляют зависимость Eа = f (Iв) при различных скоростях вращения МПТ с учетом остаточного намагничивания. С вольт-амперной характеристикой совмещают характеристику электрической нагрузки IаRа = f (Iв) .

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов Процесс самовозбуждения с последующим затуханием ДТ с СВ по мере снижения скорости представлен на рис. 3.27 .

Допустим, что включению в ДТ с СВ (после двигательного режима) реально предшествует разрыв цепи обмотки возбуждения. В течение этого мгновения времени, пока Iв = 0, магнитный поток Фт спадает до значения Фт ост, Eа ост = с Фтост нач, а скорость привода по инерции еще сохраняется на уровне нач .

При включении МПТ по схемам рис. 3.25 или 3.26 начинается развитие от точки Eа ост (рис. 3.27) электромагнитного переходного процесса самовозбуждения ДТ с СВ (он условно показан пунктирными ступенями) .

В точке А процесс самовозбуждения устанавливается, машина развивает электромагнитный тормозной момент Мэм = с Фт Iа; под его действием начинается электромеханический переходный процесс снижения скорости (нач 1 2 …), который приводит к новому электромагнитному переходному процессу в цепи последовательного возбуждения и к снижению Eа, Фт и Мэм в соответствии с характеристикой нагрузки Iа 1Rа = f (Iв), определяемой величиной 1Rа. Интенсивность торможения падает. Увеличение интенсивности торможения на определенном интервале снижения обеспечивается уменьшением значения величины сопротивления нагрузки 2Rа 1Rа, то есть переходом из точки Б в точку В с последующим затуханием электромагнитного и электромеханического переходных процессов .

–  –  –

Статические характеристики ДТ с СВ при различных сопротивлениях цепи якоря Rа представлены на рис. 3.28. При больших сопротивлениях цепи якоря характеристики более мягкие, механические, особенно в насыщенной зоне, преобладают по жесткости электромеханические .

Это можно объяснить, используя рис. 3.27, на котором с уменьшением Iв при той или иной скорости вращения снижение Eа(Iв) происходит в меньшем темпе по сравнению с темпом снижения нагрузки Iа Rа(Iв) .

Уравнения статических характеристик ДТ с СВ в сущности идентичны уравнениям (3.6) и (3.7), но отличаются своей нелинейностью, особенно в области начала и конца самовозбуждения, хотя при всех значениях сопротивлений цепи якоря характеристики проходят через начало координат 0 = 0 .

3.4.3. ЭП переменного тока с независимым возбуждением Электрическая схема и физические процессы асинхронной машины в режиме ДТ с НВ Получение режима ДТ с НВ АМ полностью соответствует балансу мощности, представленному мнемонической схемой рис. 3.21. Но на круговой диаграмме асинхронной машины в пределах скольжений s = ± Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов (см. рис. 3.7), когда АМ включена на переменное трехфазное напряжение сети бесконечно большой мощности, режим ДТ не обнаруживается .

Обусловлено это тем, что для получения режима ДТ с НВ обмотка статора АМ отключается от источника переменного напряжения, а к двум ее фазам подается пониженное постоянное напряжение, поскольку цепь статора представляет чисто активное сопротивление Rs xs двигательного режима. Протекающий по цепи статора постоянный ток Iп создает магнитное поле обмотки статора Фт, постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитопровода АМ, 0 = 0 — рис. 3.29 .

Если ротор неподвижен, то в его цепи ЭДС не наводится и ток Ir = 0. При приложении к валу внешнего активного момента в проводниках обмотки ротора, пересекаемых неподвижным полем статора Фтs, индуцируется ЭДС скольжения Er. При замкнутой цепи ротора начнет протекать индукционный трехфазный переменный ток Ir, создающий круговое переменное магнитное поле Фтr, вращающееся в противоположном направлении относительно вращения ротора, что представлено на рис. 3.30, где АМ имеет одну пару полюсов, p = 1 .

–  –  –

Результирующее рабочее магнитное поле Фт АМ относительно магнитных осей статора остается неподвижным и распределенным вдоль воздушного зазора по синусоидальному закону .

По физической сущности АМ в режиме ДТ с НВ представляет собой полнополюсный синхронный генератор, нагрузкой которого является сопротивление цепи ротора, где частота тока ротора пропорциональна угловой скорости вращения ротора .

В результате электромагнитного взаимодействия между неподвижным магнитным полем статора Фтs и индуктированными токами в проводниках ротора, создающих вращающееся магнитное поле ротора Фтr, возникает тормозной электромагнитный момент Мэм, направленный против вращения ротора .

Подключение трехфазной обмотки статора к источнику постоянного тока производится по одной из схем, приведенных на рис. 3.31 .

Могут быть предложены и другие схемы, но критерием выбора является обеспечение достаточно сильного магнитного потока Фтs и относительно простое переключение фаз статора .

–  –  –

Для выяснения количественных соотношений, характеризующих электромеханические свойства АМ в ДТ с НВ, статорную цепь, ретой f1 и сдвинутых во времени на 2/3 эл. рад, не должно отразиться на картине магнитного состояния Фт, то есть на реальной неподвижности поля относительно осей обмотки статора. Последнее интерпретируют следующим образом: поскольку поле, образуемое системой переменных токов Isэ, является вращающимся с угловой частотой 0 = 2f1N/p, постольку статор полагают вращающимся с той же скоростью в обратном направлении. Это и создает эффект неподвижности поля относительно магнитных осей статора, а индуктированное поле проводников обмотки ротора (как в реальных условиях, так и в эквивалентном представлении статорной цепи) вращается относительно ротора с угловой скоростью -0r. В результате реального вращения ротора относительно статора со скоростью r индуцированное поле ротора остается неподвижным относительно статора, что и имеет место при реальных значениях протекающего в цепях обмотки статора постоянного тока Iп .

Однако реальный постоянный ток Iп всецело определяется напряжением источника постоянного тока и величиной активного сопротивления цепи статора. Роторная цепь при любой угловой скорости вращения r не оказывает влияния на ток Iп. Поэтому, при эквивалентном выражении реального постоянного тока через фиктивный переменный ток Isэ = Iп/kсх, АМ представляют адекватной трансформатору тока, включенному в цепь источника тока бесконечно большой мощности — рис. 3.33, а .

Указанная адекватность асинхронного двигателя в режиме динамического торможения с независимым возбуждением не лишена реального смысла. Например, в частотно-управляемом асинхронном электроприводе при снижении частоты питающего напряжения до нуля получают в цепи статора постоянный ток, который следует понимать как частный случай переменного тока с частотой f1 = 0. При этом преобразователь частоты приобретает свойства источника тока .

Эквивалентная схема замещения АМ в режиме ДТ с НВ представлена на рис. 3.33, б. Она представляет собой Т-образную схема замещения, параметры статора в которой отнесены к источнику тока бесконечно большой мощности, а управляющее воздействие на систему асинхронного электропривода в рассматриваемом режиме выражается эквивалентным переменным током Isэ, частота которого задается источником тока и не зависит от скорости вращения ротора. Фактически же под Isэ подразумевается реальный постоянный ток Iп и схеГлава третья. Тормозные режимы работы электроприводов ма включения фаз обмотки статора, которые представляют собой реальное внешнее управляющее воздействие ВУВ наряду с ВВВ, которое следует характеризовать величиной r = f (Мc акт) .

–  –  –

В любом режиме работы АМ, магнитный поток Фт обеспечивается результирующей намагничивающей силой (НС), которая обусловлена суммой комплексов намагничивающих сил токов статора Is и ротора Ir I Ч w + Ir Ч w Im = s = Is + Ir .

w В таком представлении ранее анализировались режимы двигательный, РТ и ТПВ, в которых АМ была адекватна трансформатору напряжения и изменение угловой скорости вращения ротора не оказывало существенного влияния в рабочей области на намагничивающий ток Im » const и рабочий магнитный поток Фт. При представлении же АМ, адекватной трансформатору тока (что соответствует динамическому торможению с независимым возбуждением), намагничивающий ток Iт и магнитный поток Фт изменяются при изменении скорости вращения ротора, так как результирующая НС здесь складывается из неизменной НС статора, обусловленной постоянным током Iп (который выражается комплексным числом с мнимой частью равной нулю) и меняющейся НС индуктированного тока ротора Ir = f (r) I Ч w + Ir Ч w Im = п = I п + Ir .

w Если же использовать фиктивный эквивалентный переменный ток Isэ и приведенный к виткам обмотки статора ток ротора, получают выражение I Ч w + Ir Ч w Im = sэ = I sэ + Ir, w где Iт — результирующий ток намагничивания, определяемый суммарным Фт = Фтr + Фтs;

Isэ — комплексное выражение эквивалентного переменного тока статора, модуль которого не меняет своего значения, а аргумент изменяется в функции относительной угловой скорости вращения ротора ;

Ir — индуцированный ток ротора — непосредственно по модулю и аргументу определяется скоростью ротора .

Векторная диаграмма токов АМ в ДТ с НВ показана на рис. 3.34 .

При неподвижном роторе ( = 0) ЭДС Er = 0, Ir = 0, а Iт уравновешен Isэ .

Если приложить к валу активный момент Мc акт и придать ротору определенную относительную скорость 0, то, в результате пересечения движущимися проводниками ротора силовых линий неподвижного Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов магнитного поля статора, индуктируется ЭДС Er 0 и с увеличением увеличивается индукционный ток Ir .

–  –  –

Появление тока в цепи ротора начинает сказываться на электромагнитном состоянии машины: в результате уменьшения величины результирующего тока намагничивания Iт снижается рабочий магнитный поток Фт. При этом, как ранее отмечалось, появление тока в цепи ротора не отражается на величине постоянного тока в цепи обмотки статора. В рассматриваемом режиме работы размагничивающее действие тока ротора АМ оказывается подобным реакции якоря машин постоянного тока с независимым возбуждением. Дальнейшее увеличение кр будет сопровождаться все большим отклонением тока ротора от оси ЭДС Er — рис. 3.34. Увеличение угла r вызывает снижение cos и активной составляющей тока ротора. Модуль тока | Ir | продолжает расти, что усиливает его размагничивающее действие, направленное на дальнейшее снижение намагничивающего тока Iт и рабочего магнитного потока Фт. Все это вместе взятое резко снижает электромагнитный тормозной момент АМ. В пределе, когда, Ir полностью размагнитит машину (Iт ) и его индуктивный характер уравновесит собой ток Isэ. Годографом тока Isэ является дуга окружности неизменного радиуса, равного Isэ .

Для вывода уравнений механической и электромеханической статических характеристик ДТ с НВ удобно воспользоваться схемой замещения (см. рис. 3.33, б) и фрагментом векторной диаграммы (рис. 3.35) .

3.4. Динамическое торможение в ЭП постоянного и переменного тока

–  –  –

Необходимо отметить, что к sк почти на порядок, что объясняется значительным отличием соответствующих величин Eт при Мэм к .

С увеличением путем воздействия внешнего активного механического момента Мв на ротор АМ, ее электромагнитное состояние ухудГлава третья. Тормозные режимы работы электроприводов шается Rr xr; быстро снижается Iт и Ir акт, а полный ток Ir приобретает все больше индуктивный характер; cos r 0, Iт 0, Мэм ДТ 0 при, а Ir устремлен к уравновешиванию Isэ .

На вид статической механической характеристики АМ в режиме ДТ с НВ может повлиять не только вид выбранной схемы включения фаз статора, но и величина тока In є Isэ є M эм к. Вместе с тем не следует пытаться увеличить Мэм к в ДТ путем увеличения Iп, поскольку это может вызвать насыщение магнитопровода, снижение xт = Eт/Iт и обратный эффект, изображенный пунктиром на рис. 3.37. Чтобы избежать эффекта насыщения, определяют Isэ = Iп / kсх Ј (2...3)Is 0 через ток идеального холостого хода двигательного режима АД .

В АМ с ФР на вид характеристики влияют путем включения в цепь ротора внешнего добавочного сопротивления, что изменяет жесткость механической характеристики и увеличивает к, как показано на рис. 3.38 .

Характеристика с собственным сопротивлением Rr жесткая, а при добавочных сопротивлениях она смягчается и не влияет на величину Rs доб. Характеристика, соответствующая Rr доб1, обеспечивает наибольший средний тормозной момент в диапазоне скоростей 0…0 и наименьшее время остановки ЭП, поэтому Rr доб1 называют оптимальным сопротивлением, которое используют для экстренной остановки ЭП .

–  –  –

бавочные внешние резисторы Rs доб, как предI пf ставлено на рис. 3.39. Rf Ротор (якорь) СМ при ДТ с НВ приводится в движение активным моментом Мв, приложенным к валу, или вращается по инерции .

U f Трехфазная цепь статора неподвижна .

Благодаря пересечению ее проводников по- Рис. 3.39. Схема режима стоянным магнитным полем Фтr, образован- ДТ с НВ СМ ным током возбуждения Iпf, в фазах статора индуктируется ЭДС Es, под действием которой создается трехфазная система индукционных переменных токов Is, которые образуют вращающееся в противоположном ротору направлении магнитное поле статора Фтs. Получается обратная физическая картина по сравнению с ДТ НВ АД. Электромагнитным взаимодействием потоков Фтs и Фтr создается тормозной электромагнитный момент (-МэмДТ) .

Механические характеристики будут аналогичны рассмотренным АМ в ДТ НВ. Путем изменения Iпf влияют на величину |Мэм| при неизменном к, что представлено на рис. 3.37. Путем воздействия на величину Rs доб влияют на жесткость механической характеристики при |Мэм к| = const и к = = var — см. рис. 3.38. Для быстрой остановки ЭП и здесь используется понятие оптимального сопротивления (добавочного Rs доб в цепи статора) .

3.4.4. Динамическое торможение с самовозбуждением в ЭП переменного тока Режим ДТ с СВ возможен и в ЭП переменного тока: чаще в АМ КЗР для экстренного снижения скорости с последующей остановкой, а в СМ, хотя он возможен, обычно не используется в связи со спецификой эксплуатации СМ .

Как и в ЭП постоянного тока, прежде всего требуется создание условий самовозбуждения .

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов В асинхронных ЭП организация ДТ с СВ производится следующим образом: обмотка статора отключается от сети переменного тока и подключается по каждой фазе к батарее электростатических конденсаторов СЭ в схему или, как показано на рис. 3.40, а. Поскольку цепь фаз вращающегося по инерции ротора остается замкнутой, в ней протекает электромагнитный процесс затухания фазных токов Ir. Полученная таким образом эквивалентная схема замещения АМ представлена на рис. 3.40, б .

–  –  –

Рис. 3.40. Схемы принципиальная (а) и замещения (б) динамического торможения с самовозбуждением в ЭП переменного тока В отличие от ранее рассматриваемых эквивалентных схем замещения АМ, здесь отсутствует приложенное напряжение источника электроэнергии, а цепь статора замкнута через реактивное емкостное сопротивление xc. Электромагнитная цепь АМ в ДТ с СВ представлена контуром«СЭ — L — R», который по физической основе не исключает возникновения резонансных явлений. Толчком к развитию самовозбуждения является остаточное намагничивание магнитной системы АМ, которое отражает кривая намагничивания Em = f(Im) и опережающий характер емкостного тока в цепи статора при вращающемся роторе со скоростью, соответствующей Em = f(Im) .

Электрическую нагрузку цепи статора выражает характеристика паIc дения напряжения на емкости DU c = = f (I m ), что представaw1NC э лено на рис. 3.41 .

<

–  –  –

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов стрелке относительно оси Eт. Дальнейшее повышение скорости ротора (точки 1, 2, 3 рис. 3.43) увеличивает, повышая значения Ir, Is и Im, характеризует увеличение электромагнитного тормозного момента и преобразование подводимой к валу механической энергии в электрическую. Последняя в форме тепловых потерь на сопротивлениях статора и ротора рассеивается в окружающую среду .

Расположение комплексов токов на векторной диаграмме ДТ с СВ (как и при ДТ с НВ, если сравнить с рис. 3.34) в общих чертах напоминает векторную диаграмму рекуперативного торможения асинхронной машины, относящейся к области отрицательных скольжений. Но здесь имеются и определенные отличия .

–  –  –

Во-первых, здесь годографом тока статора является кривая изменяющегося радиуса, показана пунктиром, что объясняет комплексная сумма | Iт | =| Is | + | Ir |, в которой с изменением частоты и скорости ротора r ни один из токов не сохраняет своего модуля. Во-вторых, по тем же причинам происходит перераспределение падений напряжения на сопротивлениях контура возбуждения: на емкостном сопроx тивлении c с увеличением a, падение напряжения уменьшается, a

–  –  –

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов

4.1. Составляющие энергетического баланса В предшествующих главах, при рассмотрении электрической машины как электромеханического преобразователя энергии (при двигательном и различных тормозных режимах), было показано, что любое направление энергопреобразования неизбежно сопровождается потерей части энергии, нагревающей ЭМ, которая от ее корпуса рассеивается в окружающую среду. Потери энергии в установившихся и переходных режимах движения являются важным показателем экономической оценки работы ЭП, позволяющим определять, количественно и качественно разрешать проблемы энергосбережения на производственных объектах. От величины потерь энергии зависит КПД. По значениям КПД (и cos в установках переменного тока) оценивают степень загрузки ЭД, рациональность используемого типа ЭП, его электрической схемы, режима работы, способа управления скоростью и другими выходными координатами .

Определение потерь электроэнергии в ЭП, особенно в переходных режимах движения, представляет во многих случаях довольно сложную инженерную задачу.

Потери электроэнергии в ЭП подразделяют на следующие:

• DW c — постоянные потери в магнитопроводе на перемагничивание, вихревые токи, на трение в кинематике, подшипниках, а также о воздух (вентиляционные), которые считаются незаобусловлена деятельностью со стороны системы «ЭП — РМ» по накоплению или использованию изменяющегося запаса кинетической энергии ±Wкин в системе, которая проявляет себя только в переходных режимах движения, когда = var .

Таким образом, Амех = Ас + Адин представляет в сумме полезную статическую и необходимо возникающую динамическую нагрузки при совершении механической работы как в установившихся ( = уст = = const), так и в переходных ( = var) режимах движения. Амех — это необходимо совершаемая механическая работа в переходных режимах движения в целях изменения скорости движения (t), то есть для обеспечения движения системе «ЭП — РМ» с ускорением. В переходных режимах движения ( = var) может происходить и выполнение полезной статической механической работы Ас, если Мс 0, а главное — всегда совершается необходимая динамическая работа DAдин по осуществлению пуска, разгона, замедления и прочего в целях изменения скорости движения (± = var), а значит, и изменения запаса кинетической энергии (±Wкин) в системе «ЭП — РМ» .

При условии положительного направления движения ЭП общий баланс потребляемой активной энергии ДПТ НВ или АД ФР при соЭнергетика ДПТ в установившемся режиме движения вершении механической работы Амех = ± Ас ± Адин по преодолению статической и динамической нагрузки будет ±W1( эл ) = DW c. xx + DW sv + DW 2v ± Ac ± DAдин, где ±W1 (эл) — электроэнергия, ±W1 (эл) UI: « + » — потребляемая из сети при ДР и ТПВ; « – » — рекуперируемая в сеть при РТ; W1 (эл) = = 0 при ДТ;

Wс. хх — энергия постоянных потерь, Wс. хх = Wс. Fe + Wс. тр;

Wsv — переменные потери в трехфазной цепи обмотки статора АД (и СД), которая является силовой, рабочей, Wsv = 3Is 2 Rs;

W2v — переменные потери для АД в трехфазной цепи обмотки ротора АД, которая индукционно связана с обмоткой статора (как в трансформаторе), W2v = 3Ir 2 Rr; для ДПТ в цепи якоря ДПТ, W2v = 3Ia 2 Ra;

± Ас — работа по преодолению развиваемым со стороны ЭП движущим моментом Мв реактивной статической нагрузки на валу (+); (–) — работа приложенного к валу активного движущего МВ со стороны РМ, обычно в тормозных режимах работы ЭП, ± Ас = = Мс = –Мв;

± Адин — динамическая работа по преодолению механической инерционности J, обусловленная накоплением запаса или расходованием ранее запасенной кинетической энергии Wкин в системе «ЭП — РМ» при непрерывном изменении скорости ее движения, ± Адин = ± Wкин .

4.2. Энергетика ДПТ в установившемся режиме движения

В двигательном режиме установившегося движения потребляемая из сети электроэнергия W1 (эл)a всецело обусловлена преодолеваемой статической нагрузкой на валу и необходимостью покрытия постоянных и переменных потерь. Это удобно проиллюстрировать на примере статической характеристики сетевого ЭП с ДПТ НВ, рис. 4.1, где представлены естественная и искусственная (с Ra доб) характеристики [6, с. 12–18], на которых отмечены точки номинальной нагрузки на валу .

Рис. 4.1. Статические характеристики сетевого ЭП с ДПТ НВ Потребляемая из сети якорной цепью электрическая мощность P1 (эл)aN = UaN IaN = 0 MэмN при работе ЭП на естественной характеристике (точка 2, = N) соответствует площади прямоугольника 0 — 0 — 1 — 4 — 0, которая свидетельствует о потреблении из сети номинальной электрической мощности, предельно допустимой по тепловому состоянию ЭД. На рис. 4.1 показано, что эта площадь включает в себя площади двух прямоугольников: 0 — N — 2 — 4 — 0, отражающего совершаемую полезную механическую работу Ac = т M c wN Ч dt, и N — 0–1 — 2 — wN, покрываемые потери Р = Рс. хх+ Рav .

При работе ЭП на пониженной скорости (точка 3, = c) искусственной характеристики, которая получена путем включения в цепь якоря внешнего добавочного сопротивления Ra = rя + Ra доб при том же

Mc = MэмN, потребление электрической мощности остается прежним:

ордината совершаемой механической работы 3 — 4 уменьшается, а ордината покрываемых потерь 3 — 1 увеличивается. Поскольку rя Ra доб, в обмотке якоря потери Рav = Iav 2 rя по-прежнему будут оставаться номинальными (ордината 2 — 1), а увеличившиеся потери в якорной цепи (ордината 1 — 2 — 3) будут выделяться вне ЭД на внешнем Ra доб (ордината 2 — 3) .

Если имеет место недогрузка на валу (Mc MэмN), вплоть до холостого хода (Mc = Mс. хх), или принимается Mс. хх = 0, то рабочие точки 2 или

4.3. Энергетика пуска ДПТ при постоянном статическом моменте

–  –  –

4.3. Энергетика пуска ДПТ при постоянном статическом моменте Рассмотрим энергетику пуска ДПТ с НВ, не учитывая потребление электроэнергии цепью независимого возбуждения ввиду ее малости .

Рассмотрим только силовую цепь — цепь якоря. Также примем, что источник питания достаточно большой мощности и пусковые токи Ia не вызовут посадки напряжения, то есть не окажут влияния на величину пуска в цепи Iв обмотки параллельного возбуждения, а значит, на ФmN ОВ .

Пуск ДПТ НВ в сетевом ЭП производится по реостатной характеристике с большим Ra доб rя. Пусковой момент определяется из условий нормальной коммутации на коллекторе и выбирается двухтрехкратным от MэмN. Величина Mc ограничивает Mдин относительно Mэм.кз.доп, что снижает темп переходного процесса разгона .

Потребляемая цепью якоря электроэнергия в соответствии с уравнениями (1.13)–(1.15) запишется W1( эл ) = тU a I a Ч dt = т w0 M эм Ч dt = Амех + DW е v,c, t t

–  –  –

Как показано на рис. 4.2, пуск начинается с режима КЗ. В начальный момент времени, когда якорь подключается на напряжение Ua, потребляется W1(эл) = Wэм, которая всецело расходуется на покрытие прекращается, Aдин = 0, а W1 (эл) расходуется только на совершение полезной работы по преодолению Mс и покрытие потерь Wav. с.хх. Мощности, соответствующие названным затратам энергии, отмечены на рис. 4.2. Отметим, что Рдин при разгоне, а также связанные с ней потери Рav в несколько раз превышают развиваемую Рс в установившемся движении ЭП .

–  –  –

4.3.1. Сопоставление разгона ДПТ НВ и ПВ Механическая характеристика ДПТ ПВ отличается нелинейностью из-за непостоянства электромагнитного состояния в функции нагрузЭнергетика пуска ДПТ при постоянном статическом моменте ки на валу, которую отражает рабочий ток якоря, одновременно выполняющий функцию тока возбуждения Фm = f (Ia = Iв). Сравнивая характеристики одинаковых по номинальным данным машин, можно сказать, что ФmN в ДПТ НВ и ПВ соответствует точке номинальной нагрузки. С увеличением нагрузки на валу (статической или динамической) Фm в ДПТ ПВ усиливается, что отражает граничная характеристика, проходящая достаточно жестко при низких значениях и больших Mс .

Усиление Фm ФmN в ЭП с ДПТ ПВ изменяет баланс напряжения Ua = Ea + IaRa и потребляемой мощности P1 (эл) = Pэм + Ia 2Ra, в котором снижаются ее затраты на покрытие потерь Рav и усиливается электромагнитная мощность на преодоление статической и динамической нагрузки на валу за счет усиления электромагнитного состояния. Принципиальные отличия в энергетике ДПТ НВ и ПВ представлены на рис. 4.3 при одинаковых значениях Mпус = Mэм КЗ .

–  –  –

Соотношение выделенных площадей, соответствующих различным потерям мощности, свидетельствует о более экономичной работе ДПТ ПВ (W1 (эл)ПВ W1 (эл)НВ) в процессе преодоления перегрузки при пуске и разгоне Рav ДПТ ПВ = (P1 (эл) – Pмех) Рav ДПТ НВ, Глава четвертая. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов что объясняется более сильными электромагнитными возможностями и состоянием ДПТ с ПВ на интервале перегрузки (см. с. 64–65) .

Однако развиваемые ДПТ НВ и ПВ динамические моменты Mдин() в процессе разгона (см. рис. 4.3) не будут одинаковыми, что отразится на времени разгона сравниваемых ЭД .

Энергетическая оценка разгона ДПТ СВ является промежуточной по сравнению с рассмотренными .

4.3.2. Сопоставление разгона ДПТ НВ и АД ФР Математическое описание энергопреобразования ДПТ НВ и АД ФР указывает на различия в балансах потребляемой электроэнергии .

Для большей наглядности рассмотрим энергетику преодоления только динамической нагрузки. Для этого абстрагируемся от совершения электроприводами полезной механической работы, приняв допущение, что Mс = Mс. хх = 0, полагая на интервале времени «пуск — разгон» работу ДПТ НВ и АД ФР при совпадающих искусственных механических характеристиках (рис. 4.4), связанную только с преодолением механической инерционности J = const. Такие условия можно обеспечить с помощью выбора соответствующих паспортных данных машин и внешнего сопротивления Ra, r доб .

Динамическая нагрузка характеризуется выполняемой работой Aдин в процессе движения по преодолению механической инерционности (которую представляет момент инерции J = m 2, отражающий все инерционные массы m, приведенные к валу ЭД, [12, с. 112] и приращению запаса Wкин в системе «ЭП — РМ» .

Учтем, что баланс потребляемой электроэнергии W1 (эл) в рассматриваемых ЭД отличается физическими принципами их работы, конструктивно заложенными в организацию электромагнитного взаимодействия между статором и якорем (ротором) ЭД. Это позволит выявить общность и различие электромеханических и энергетических факторов в названных ЭП .

Сначала представим движение ДПТ НВ или АД ФР в установившемся режиме идеального холостого хода в точке 0, Mэм = 0, что теоретически возможно по двум причинам:

• при пуске без нагрузки с последующим разгоном от нач до кон = 0;

• при торможении без нагрузки от кон 0 до кон = 0 .

–  –  –

Рассмотрим отличия в физических процессах возникновения электромагнитного взаимодействия между статором и якорем ДПТ НВ и статором и ротором АД ФР .

1. В ЭП с ДПТ НВ ведущую роль в электромагнитном взаимодействии между статором и якорем выполняет специальная обмотка независимого возбуждения (ОНВ, см. рис. 2.12). Эта обмотка располагается на полюсах статора и создает в магнитопроводе ЭД электромагнитную среду энергопреобразования, которая характеризуется постоянным во времени и неподвижным в пространстве магнитным потоком Фт. Обычно ОНВ получает электроэнергию от независимого источника постоянного напряжения Uв .

Электрическая цепь якоря ДПТ НВ является рабочей, выполняющей силовую функцию в электромеханическом процессе энергопреобразования; для этой цели потребляется электроэнергия от более мощного источника при напряжении Ua. В проводниках обмотки якоря, включенной через коллекторно-щеточное устройство (механический инвертор) на постоянное напряжение Ua, протекает переменный ток, концентрические поля которого вступают в электромагнитное взаимодействие с полем потока возбуждения, — см. рис. 2.8. В результате такого взаимодействия магнитных полей создается электромагнитный момент Mэм и противоЭДС Ea .

Между статором и якорем возникает не только электромагнитное взаимодействие, но и электромеханическое, и энергетическое, которые обусловлены приведением в движение якоря ЭД.

Это взаимодействие описывается следующими параметрами:

E • рабочая угловая скорость w = a ;

cФ m Ua • угловая скорость идеального холостого хода w0 = ;

cФ m • электромагнитный момент Mэм = Ia cФт .

В балансе потребляемой якорем электроэнергии, при принятом выше допущении (Mс = Mс. хх = 0), в сравнении с уравнением (1.17) исчезают соответствующие слагаемые; в целом его запись сосредотачивает внимание на развиваемой Wдин и покрытии Wav W1эл = тU a Ч I a Ч dt = W эм = т Pэм Ч dt = т Pмех Ч dt + т DPav Ч dt, t t t t

–  –  –

Глава четвертая. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов когда противоЭДС Ea уравновешивает Ua (Ea = Ua), ток в цепи якоря Ia = 0 и электромагнитный момент Mэм равен нулю. Механический переходный процесс завершен, выполненная механическая работа оценивается КПД = 0,5. При принятом допущении ЭД имеет = 0 за счет запаса Wкин .

2. В ЭП с АД ФР иной принцип построения электромагнитной связи статора с ротором. Здесь электромагнитное взаимодействие обеспечивается индукционным способом на основе эффекта вращения магнитного потока Фтs, создаваемого трехфазной обмоткой статора .

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора, в которых индуцируется ЭДС Er, обеспечивающая протекание в проводниках ротора индукционного тока Ir, создающего магнитное поле ротора Фтr, которое вращается в том же направлении. Так создается в АД результирующий магнитный поток Фтs, вращающийся с угловой частотой приложенного напряжения 0 = 2f1/p. Обмотки статора и ротора одновременно выполняют функции возбуждения и рабочих обмоток, обеспечивающих электромеханический процесс энергопреобразования. Баланс потребляемой цепью статора электроэнергии при принятых допущениях (Pc = Pс.хх = 0) отличается от уравнений (1.16) и (1.17) W sv = т Pэм Ч dt + т DPsv Ч dt = W1эл = W эм +D t t

–  –  –

Пуск АД ФР начинается с режима КЗ, в котором Wэм полностью идет на покрытие потерь в сопротивлении цепи ротора Wrv. На интервале разгона Wэм расходуется на совершение динамической работы и покрытие сокращающихся потерь Wrv. По достижении ротором w2 угловой скорости = 0 система имеет запас W кин = J е 0, а приращение Wкин прекращается. При этом прекращается потребление активной электроэнергии W1 (эл) и передача Wэм на ротор, Prv = 0. При идеализированном равенстве = 0 проводники ротора перестают пересекаться вращающимся магнитным потоком; Er = 0 и Ir = 0, что и поясняет энергетику режима идеального холостого хода АД. Однако, для оценки энергетики АД, необходимо учитывать потери и в цепи статора Wsv (см. § 4.4.4, п. 4 и 5), которые приводят к значению КПД менее = 0,5 .

4.4. Динамика переходных режимов движения

4.4.1. Принятые допущения В данной главе ограничимся лишь упрощенным представлением так называемого механического переходного процесса, приняв следующие допущения:

• рассматриваем переходные процессы с использованием статических характеристик, полагая моменты, токи и скорости представленными мгновенными значениями (без учета электромагнитной инерционности в электрических цепях);

• в целях раскрытия принципиальных особенностей динамической нагрузки, несколько абстрагируемся от реальных условий в том, что не будем учитывать статическую нагрузку, полагая Pс = Pс. хх = 0 или Mс = Mс. хх = 0;

• поскольку записанные выше балансы электромагнитной энергии в ДПТ НВ и АД ФР идентичны, в дальнейшем будем использовать единую объединяющую их запись для цепей якоря и ротора W эм(a,r ) = т Pэм(a,r ) Ч dt = т DPмех Ч dt + т DP(a,r ) v Ч dt. (4.2) t t t 4.4.2. Физико-математическое описание энергетики и динамики разгона ЭП Продолжим сопоставление движения ДПТ НВ и АД ФР (см. рис. 4.4) на искусственных механических характеристиках, принятых совпадающими и линейными, = const. Параметры ЭП полагаем величинами постоянными: J = const, R (a, r) = const и ФmN = const .

4.4. Динамика переходных режимов движения

–  –  –

где Mэм КЗ = Mэм нач, а Mэм кон = 0 .

На рис. 4.5 изображены зависимости Mэм (t) и (t) во времени кратном Tм, что обеспечивает удобство построения экспонент. Например, при t = Tм, (t) еще не достигает значения 0 на 36,8 %, при t = 2Tм — на 13,5 %, а при t = 3Tм — всего на 5 %. Аналогично снижаются значения Mэм (t) от Mэм КЗ до нуля. Время установления переменных энергопреобразования с достаточной для практики точностью считают tуст = (3…5)Tм, когда физическая величина на 5 % и менее еще не достигает своего установившегося значения .

–  –  –

Максимальные значения экспоненты при построении приняты базовыми, равными 0 = Mэм КЗ = 1, взятыми за 100 %. Текущие мгновенные значения i и Mэмi представлены относительными величинами от соответствующих базовых .

Построенные экспоненты убеждают, что значения физических величин во времени асимптотически приближаются к своим пределам:

Mэмi устремлен к нулю, а i — к 0 .

Произведение уравнений (4.7) и (4.8) выражает математическое описание изменения на интервале времени от t = 0 до t = механической мощности Pмех. В энергетическом смысле это означает процесс изменения баланса потребляемой якорем (ротором) электроэнергии Wэм (a, r), то есть процесс перехода от теплоэлектрического баланса режима КЗ (4.5), к теплоэлектромеханическому (4.2) .

Развиваемая на валу ЭП Pмех активно вытесняет энергетику режима КЗ, преобразуя ее в энергетику электромеханического энергопреобразования. При условии Pс = Pс. хх = 0, Pмех представляет собой dw с физической направленностью на преодоление меDPдинi = J е wi dt ханической инерционности J и на приращение запаса Wкин в системе «ЭП — РМ». Представим сказанное в виде произведения уравнений (4.7) и (4.8) Глава четвертая. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов Ґ

–  –  –

Для качественной оценки результата на рис. 4.6 показано увеличение в 10 раз изменения Pмех(Tм). На интервале времени от t = (+)0 до t = (3…5)Tм выявлен всплеск Pмех с последующим его затуханием, который математически характеризует флуктуацию физической величины, обусловленную разностью экспонент (4.9), различающихся постоянными времени инерции. Этот всплеск Pмех из-за своей незначительности практически не оказывает влияния на установленное еще в режиме КЗ потребление якорем (ротором) электроэнергии, поэтому принято считать Pэм (a, r) = 0 Mэм КЗ Wэм = const .

–  –  –

В целях углубления понимания сущности рассматриваемых физических явлений используем уравнение (4.9):

• при t 0 ЭД еще не включен на источник электроэнергии, U = 0, = 0 и Wэм = 0, то есть не потребляется;

• при t = 0 происходит подача напряжения Ua в ДПТ НВ при a = 0 или Us с частотой f1 при r = 0 в АД ФР; благодаря отсутствию каких-либо учитываемых инерционностей и постоянству параметров электрических цепей, мгновенно устанавливается потребление якорем или ротором электромагнитной энергии Wэм = 0 Mэм КЗ, пропорциональной P (a, r)v, — см. баланс урався значения = 0 и Mэм = 0, прекращается приращение запаса Wкин w2 (W кин = J е 0 ) и потребление от источника Pэм= 0 Mэм = 0. Формально это обусловлено режимом идеального холостого хода при Ea = Ua в ДПТ НВ и Er = 0 в АД ФР в соответствии с принятыми допущениями .

Не могут быть равными нулю Pс.хх и Mс.хх даже при Pc = 0. Значит, Мэм = Mс.хх обеспечивает установившееся движение со скоростью хх 0, но близкой к ней, когда Ea Ua (или Er 0 в АД), имеется в сиw2 стеме запас W кин = J е хх и Wэм потребляется на покрытие потерь холостого хода W (a, r)v =W (a, r)v Pхх = Mхх хх .

–  –  –

ционные массы m, которые могут быть приведены к одному валу [12, с. 112] и выражены суммарным моментом инерции J = m 2, где — радиус инерции, на котором от оси вала сосредоточены центры тяжести масс. Поэтому J непосредственно отражает механическую инерционность системы, которую приходится преодолевать в переходных режимах движения путем сообщения извне определенного количества энергии. Величина Jуст не только не зависит от способа сообщения энергии и ее источника, но и от энергетических свойств любого типа используемого двигателя .

В электроприводах (особенно сетевых) с ДПТ НВ и АД ФР процесс энергопреобразования всегда заранее обусловлен предстоящей динамической нагрузкой на валу и количеством потребляемой электроэнергии именно через информацию, содержащуюся в моменте количества движения.

Названная обусловленность оказывается заложенной в систему еще в мгновение времени включения ЭД на определенное напряжение источника электроэнергии при известном J, а именно — в значение момента количества движения J0 в идеальном его воплощении:

• в ЭП с ДПТ НВ J0 всецело зависит от величины приложенного к якорю постоянного напряжения Ua, которое определяет Ua ;

w0 = cФmN • в АД ФР J0 определяется приложенным к обмотке статора трехфазным напряжением и его частотой f1, от которой зависит угловая скорость вращающегося магнитного поля 0 = 2 f1/p .

Таким образом, момент количества движения своевременно аккумулирует в себе информацию на перспективу развития динамики переходного движения в процессе преодоления механической инерционности, а также информацию о необходимом запасе кинетической энергии, которая потребуется для этой цели .

Время переходного процесса для достижения скорости установившегося значения кон = уст = 0 не зависит от J. Продолжительность переходного процесса всецело определяется электромеханическими свойствами ЭД. Развиваемый электромагнитный момент определяется электромагнитным состоянием ЭД и параметрами его электричеdw ских цепей.

При Mс = 0, когда M эм = M дин = J е и предопределяет dt ве ЭП имеется УПЭЭ, то управление скоростью производится плавно:

в системе «Г — ДПТ НВ» по экспоненциальному закону изменяются Ua и 0; в системе с полупроводниковым «ПЭЭ — ДПТ НВ» с задатчиком интенсивности реализуют линейный закон управления Ua и 0; в частотно-управляемых АД и СД по системе «УПЧ — Д» может быть обеспечен любой закон изменения Us, f1 и 0. Во всех перечисленных случаях момент количества движения не остается величиной постоянной .

4.4.4. Уравнения составляющих баланса потребляемой энергии Рассмотрим отдельно каждую составляющую баланса электрической энергии .

1. Чтобы определить приращение запаса кинетической энергии Wкин, используем выражение динамической мощности, которая при принятых допущениях запишется Pв = Pдин = Jd/dt .

При рассмотрении механического переходного процесса по преодолению механической инерционности J в системе «ЭП — РМ» с линейной механической характеристикой (к которой относим ДПТ НВ и АД ФР), прежде всего обратим внимание на законы поведения во времени энергетических величин Wкин(t), Wэм(t) и W(a, r)v (t) .

Приращение кинетической энергии Wкин определяется через общность записи динамической мощности, которая выражается как разность Pэм и потерь P (a,r)v Pдин = Pэм – P (a, r)v = Mэм 0 + Mэм 0s = Mэм 0 (1– s) .

Потребление цепью якоря (ротора) электромагнитной энергии Wэм можно записать через интеграл Wэм (t) с учетом произведения его составляющих Mэм(t) и (t) по законам уравнений (4.7) и (4.8), отражающих их непрерывное изменение от начальных значений до установившихся .

Поскольку Pдин непосредственно связана с непрерывным изменением скорости, рационально ее мгновенное значение выразить через ее относительное изменение в процессе преодоления динамической нагрузки = (0 — нач) = 0s, которое получено в уравнении (4.1), d ( Dw) Dwкон

–  –  –

Глава четвертая. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов Покажем, что, подставляя в полученные уравнения соответствующие значения скольжений, получают выражения Wкин, W (a, r)v и Wэм не только для двигательного, но и тормозных режимов работы. Отметим, что при увеличении скорости, когда |кон| |нач| и Wкин 0, инерционные массы в системе «ЭП — РМ» накапливают запас Wкин. При уменьшении скорости, когда |кон| |нач| и Wкин 0, инерционные массы расходуют ранее накопленную Wкин. Проиллюстрируем на конкретных примерах (Mс = 0) в координатах s = f (W) при Mс = Mс.

хх = 0:

• динамическое торможение с НВ — рис. 4.8 (нач = 0, кон = 0, sнач = 0, sкон = 1):

–  –  –

Таким образом, за счет снижения скорости высвобождается ранее накопленный запас Wкин, который идет на покрытие потерь W (a, r);

от источника электроэнергия не потребляется;

• рекуперативное торможение — рис. 4.9 (нач = 20, кон = 0, sнач = –1, sкон = 0):

–  –  –

• повторный реверс двигателя (IV–I кв.) (нач = 0, кон = –0, sнач = 2, sкон = 0) .

При двойном реверсировании все энергетические величины удваиваются по сравнению с простым реверсом двигателя .

4.5. Пути повышения энергетических показателей электроприводов Необходимость повышения энергетических показателей электроприводов особенно касается электроприводов, у которых переходные процессы занимают значительное время в рабочем цикле, когда совершаемая динамическая работа на интервале изменения скорости больше, чем затрачиваемая на преодоление статической нагрузки при установившемся движении. При этом значительно увеличивается потребление электроэнергии W1(эл) и снижается КПД .

В ДПТ НВ и АД ФР реостатное управление скоростью «вниз» не позволяет снизить потребление W1(эл). Путем вынесения потерь на внешнее добавочное сопротивление Rдоб Rcобств при Ia.r IN тепловое состояние ЭД удается лишь приблизить к номинальному .

4.5. Пути повышения энергетических показателей электроприводов

Основным способом уменьшения потерь Wv является постепенное (например, ступенчатое) изменение задания скорости идеального холостого хода 0i в переходном процессе, что при нормальном электромагнитном состоянии ЭД будет соответствовать определенному напряжению и частоте источника электроэнергии или ступенчатому заданию конкретного момента количества движения J0i по каждой ступени 0 = var. Например, в ЭП с двухскоростным АД КЗР при переключении p в схеме / потери при пуске снижаются примерно в два раза (см. рис. 2.41) .

U ai В ЭП с ДПТ НВ разгон путем ступенчатого увеличения w0i = cФmN обеспечивает ступенчатое задание на каждом i-м интервале нового момента количества движения J0i = const. Например, разгон в две ступени, при использовании сети с Ua = UaN/2 = 220 В, с последующим переключением на UaN = 440 В основной сети, снижает потери в два раза (рис. 4.14). При том же приращении запаса Wкин снижается и потребление Wэм .

Увеличение числа ступеней n подводимого напряжения Ua дает существенную экономию в потреблении электроэнергии за счет значительного снижения ее потерь. Однако это потребует установки ЭП, включающего в свой состав автоматически управляемый преобразователь электроэнергии (ПЭЭ). Экономия на эксплуатационных расходах приводит к увеличению капитальных затрат, которые со временем окупаются .

Переход к непрерывному управлению напряжением (и 0) обеспечивает и непрерывное задание момента количества движения системе J0. В системе «Г — Д» непрерывное задание момента количества движения соответствует экспоненциальному закону 0(t), а в системе ТП-Д — по линейному закону отработки заданного J0 .

В электроприводах переменного тока, что особенно удобно в АД КЗ и СД, используют частотно-управляемые системы «УПЧ — Д», в которых подводимое трехфазное напряжение Us изменяют по частоте 0 = 2f1/p, что также обеспечивает реализацию любого закона непрерывного задания момента количества движения J0. Непрерывное изменение числа ступеней n практически устремляет W (a, r)v к нулю в процессе преодоления динамической нагрузки Aдин .

К изложенному следует добавить, что особое внимание необходимо уделять снижению инерционности J в системе «ЭП — РМ»: специалистам технологам и машиностроителям путем конструктивных решений при создании соответствующих РМ; специалистам по электроприводу путем использования многодвигательных систем ЭП. Например, применение двухдвигательного ЭП требуемой 100 %-й суммарной мощностью на общем валу позволяет снизить примерно на 20 % суммарный момент инерции J, что важно при наличии понижающего редуктора .

–  –  –

Библиографический список

1. Андреев В. П. Основы электропривода / В. П. Андреев, Ю. А. Сабинин. Москва ; Ленинград : Госэнергоиздат, 1956. 448 с. ; 1963. 772 с .

2. Браславский И. Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением / И. Я. Браславский. Москва :

Энергоатомиздат, 1988. 224 с .

3. Голован А. Т. Основы электропривода / А. Т. Голован. Москва ;

Ленинград : Госэнергоиздат, 1948, 1959. 344 с .

4. Ильинский Н. Ф. Общий курс электропривода : учебник для вузов / Н. Ф. Ильинский, В. Ф. Козаченко. Москва : Энергоатомиздат, 1992. 544 с .

5. Ильинский Н. Ф. Основы электропривода / Н. Ф. Ильинский .

Москва : Изд-во МЭИ, 2003. 224 с .

6. Исследование статических характеристик электроприводов :

учебное пособие / Н. И. Томашевский [и др.]. Екатеринбург : Изд-во РГППУ, 2006. 132 с .

7. Ключев В. И. Теория электропривода : учебник для вузов / В. И. Ключев. Москва : Энергоатомиздат, 1985. 560 с. ; 1998. 704 с .

8. Ковчин С. А. Теория электропривода : учебник для вузов / С. А. Ковчин, Ю. А. Сабинин. Санкт Петербург : Энергоатомиздат, 1994. 496 с .

9. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод : учебник для вузов / В. В. Москаленко. Москва : Энергоатомиздат, 1986. 416 с .

10. Основы автоматизированного электропривода : учебное пособие / М. Г. Чиликин [и др.]. Москва : Энергия, 1974. 568 с .

11. Попов В. К. Основы электропривода / В. К. Попов. Москва ;

Ленинград : Госэнергоиздат, 1951. 292 с .

Библиографический список

12. Разработка электроприводов производственных механизмов :

учебное пособие / Н. И. Томашевский [и др.]. Екатеринбург : Изд-во РГППУ, 2006. 229 с .

13. Томашевский Н. И. Электромеханические свойства и энергетика электроприводов : учебно- методическое пособие / Н. И. Томашевский, Д. Н. Томашевский, А. А. Емельянов. Екатеринбург : Издво РГППУ, 2007. 242 с .

14. Фираго Б. И. Теория электропривода : учебное пособие для вузов / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. Минск : ЗАО Техноперспектива, 2004. 527 с .

–  –  –

Оглавление Список сокращений

Предисловие

Глава первая. Основные положения и понятия ЭП

1.1. Электропривод и электрифицированная рабочая машина (механизм)

1.2. Режимы работы электропривода

1.3. Режимы движения электропривода

1.4. Статические характеристики электродвигателей и рабочих машин

1.4.1. Статические характеристики ЭД

1.4.2. Статические характеристики РМ

1.4.3. Установившийся режим движения системы «ЭП — РМ»

1.5. Номинальные режимы нагрузки электродвигателей............. 22

1.6. Выходные координаты электропривода

1.6.1. Математическое описание энергопреобразования в ЭП с ДПТ НВ

1.6.2. Математическое описание энергопреобразования в ЭП с АД ФР

1.7. Управление выходными координатами ЭД

1.8. Требования к выходным координатам и их производным, показатели, оценка управления скоростью ЭП

1.9. Многодвигательные электроприводы

Оглавление

Глава вторая. Двигательный режим работы электроприводов

2.1. Определение двигательного режима работы

2.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока............... 47 2.2.1. Конструктивные особенности машин постоянного тока

2.2.2. Принцип работы ДПТ

2.2.3. Электрические схемы включения, энергетический баланс цепи якоря и статические характеристики ДПТ........... 59

2.3. Трехфазные асинхронные электроприводы

2.3.1. Конструктивные особенности и принцип работы АД.... 68 2.3.2. Электрические и эквивалентные схемы замещения АД

2.3.3. Математическое описание установившегося режима и особенности физических явлений в АД

2.3.4. Влияние параметров электрических цепей и источника напряжения на вид статических характеристик АД

2.4. Трехфазные синхронные электроприводы

2.4.1. Принцип работы и электромеханические свойства СД

2.4.2. Работа СД как генератора реактивной мощности при недогрузке на валу

Глава третья. Тормозные режимы работы электроприводов..........112

3.1. Общая характеристика тормозных режимов ЭП..................112

3.2. Рекуперативное торможение в ЭП постоянного и переменного тока

3.2.1. Режим РТ в ЭП постоянного тока

3.2.2. Режим РТ в ЭП переменного тока

3.3. Торможение противовключением в ЭП постоянного и переменного тока

3.3.1. Режим ТПВ в ЭП постоянного тока

3.3.2. Режим ТПВ в ЭП переменного тока

3.4. Динамическое торможение в ЭП постоянного и переменного тока

3.4.1. ЭП постоянного тока с независимым возбуждением.....137 3.4.2. ЭП постоянного тока с самовозбуждением

4.5. Пути повышения энергетических показателей электроприводов 3.4.3. ЭП переменного тока с независимым возбуждением

3.4.4. Динамическое торможение с самовозбуждением в ЭП переменного тока

Глава четвертая. Обобщенные энергетические характеристики электроприводов

4.1. Составляющие энергетического баланса

4.2. Энергетика ДПТ в установившемся режиме движения.......163

4.3. Энергетика пуска ДПТ при постоянном статическом моменте

4.3.1. Сопоставление разгона ДПТ НВ и ПВ

4.3.2. Сопоставление разгона ДПТ НВ и АД ФР

4.4. Динамика переходных режимов движения

4.4.1. Принятые допущения

4.4.2. Физико-математическое описание энергетики и динамики разгона ЭП

4.4.3. Момент количества движения

4.4.4. Уравнения составляющих баланса потребляемой энергии

4.5. Пути повышения энергетических показателей электроприводов

Библиографический список

–  –  –

Томашевский Николай Иосифович Томашевский Дмитрий Николаевич Миронов Станислав Евгеньевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Редактор И. В. Меркурьева Верстка Е. В. Ровнушкиной Подписано в печать 07.11.2018. Формат 70100 1/16 .

Бумага писчая. Цифровая печать. Усл. печ. л. 16,13 .

Уч.-изд. л. 10,75. Тираж 40 экз. Заказ 283 .

Издательство Уральского университета Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ 620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 Тел.: 8 (343) 375-48-25, 375-46-85, 374-19-41 E-mail: rio@urfu.ru Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ 620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4 Тел.: 8 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13 Факс: 8 (343) 358-93-06 http://print.urfu.ru




Похожие работы:

«РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ МОНИТОРИНГА РАДИАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ ОЦЕНОК ПРОГНОЗА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ ВВЭР С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ДЕЙСТВУЮЩИХ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ П.Г. Бородкин, Н.Н. Хренников, А.С. Газ...»

«ЖУрНАЛ О ЯХТИНГе В рОССИИ И ЗА ее ПреДеЛАМИ www.mby.ru МеДИАкИТ от иЗДатеЛя Ж урнал Motor Boat & Yachting Russia — это все многообразие яхтинга в одном издании. Новинки мировых верфей — от катеров до мегаяхт; тест-драйвы прогулочных судов и обзоры новейшего оборудова...»

«Высокоэффективные фильтрующие элементы ЭФВП на основе полимерных микроволокнистых материалов Снежков В.В., к.т.н., технический директор ООО "ЛАРТА Текнолоджи", Белоруссия. Предприятия группы компаний "ЛАРТА" проектируют и изготавливают волокнистопористые фильтрующие элементы ЭФВП по ТУ BY 691395874.001-2012 на основе волокнооб...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Институт Высшая Школа Экономики и Менеджмента Кафедра Экономики и управления строительством и рынком недвижимости ДОПУСТИ...»

«^Г' v^^^^ Российские ЖШш%шЛ железные дороги Ш ОТКРЫТОЕ А К Ц И О Н Е Р Н О Е ОБЩЕСТВО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ" (ОАО "РЖД") РАСПОРЯЖЕНИЕ "20, с е н т я б р я 2010, . М...»

«Комплексные поставки энергетического оборудования www.reph.ru Содержание Ключевые компетенции предприятий "РЭП Холдинга".5 Производственные мощности Продукция металлургического производства Оборудование для газов...»

«Контакты: 123242, г. Москва ул. Малая Грузинская, 3 Тел./факс: (495) 987 31 48 e-mail: info@nostroy.ru www.nostroy.ru ПРОТОКОЛ от 30 июля 2010 года № 10 Совета Общероссийской негосударственной некоммерческой организации "Национальное объединение саморегулируемых организаций, основанных на членстве лиц, осу...»

«Казанский государственный архитектурно-строительный университет МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ДУХОВНАЯ ЖИЗНЬ РОССИЙСКИХ РЕГИОНАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ: ИСТОРИЧЕСКИЕ ВЫЗОВЫ И СОЦИОКУЛЬТУРНЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ 5-6 октября 2017 г. ПРОГРАММА Казань 2017 РЕГЛАМЕНТ РАБОТЫ КОНФЕРЕНЦИИ 4 октября, среда Заезд участников конференции 5...»

«ISCIENCE.IN.UA "Актуальные научные исследования в современном мире" _ Выпуск 2(34) ч. 6 ISSN 2524-0986 УДК 621.313 Шевченко Валентина Владимировна, Петренко Николай Яковлевич Национальн...»

«РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ BQ–5056 FRESH Внимание! Иллюстрации в данном описании и изображение на экране смартфона могут отличаться. Некоторые описанные ниже функции могут не относиться к Вашему устройству. Это зависит от версии установленного на нем программного обеспечения и услуг Вашего оп...»

«Масло моторное для двухтактных двигателей стр. 3 РПБ № 84035624.19.46359 Действителен до 16.05.2022 г. G-Wave S Synth по СТО 84035624-236-2017 из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции 1.1.1...»

«ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ УДК 628.33 Адельшин А.А. – кандидат технических наук, доцент Адельшин А.Б. – доктор технических наук, профессор E-mail: a566pm@rambler.ru Казанский государственный архитект...»

«ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО НАДЗОРУ В СФЕРЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ УТВЕРЖДАЮ И.о. директора ФБУ "Федеральный КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОД МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ РТУТИ В ПИТЬЕВЫХ, ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОДАХ МЕТОДОМ БЕСПЛАМЕННОЙ ААС ПНД Ф 14.1:2:4.260-2010 М етодика д опущ ена для целей г о с у д а р с т э е н н...»

«Программа учебной дисциплины "Электроника" Утверждена Академическим советом ООП Протокол № 4 от "28"06_2018 г. Автор Петросянц К.О., Самбурский Л.М. Число кредитов 6 Контактная ра110 бота (час.) Самостоятельная 118 ра...»

«ESET MAILSECURITY ДЛЯ MICROSOFT EXCHANGESERVER Инструкция по установке и руководство пользователя Microsoft® Windows® Server 2000 / 2003 / 2008 / 2008 R2 Щелкните здесь, чтобы загрузить актуальную версию этого документа ESET MAIL SECURITY ©ESET, spol. s r.o., 2012 Программный про...»

«П.С. Лопух, Н.Л. Стреха, О.В. Сарычева, А.Г. Шандроха. В учебных материалах использованы карты, подготовленные РУП "Белкартография" (авторы специального содержания: Г.З. Озем, Л.В. Фокеева, Л.В. Шкель). ТЕМА 7. СФЕРА УСЛУГ § 26. Сфера услуг: структура и особенности размещения Вспоминаем. Что является прод...»

«ПРИМЕЧАНИЯ К ГОДОВОЙ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ БУХГАЛТЕРСКОЙ (ФИНАНСОВОЙ) ОТЧЕТНОСТИ ЗА 2017 ГОД ОАО "ТЕХНОБАНК" (за исключением сведений, составляющих банковскую, коммерческую и иную охраняемую законом т...»

«ПЛАНШЕТНЫЙ КОМПЬЮТЕР WEXLER.TAB A742 ПЛАНШЕТНЫЙ КОМПЬЮТЕР WEXLER.TAB A742 РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Уважаемые пользователи! Благодарим за выбор продукции под маркой Wexler! Планшетный компьютер Wexler.TAB A742 на базе операционной системы Android — многофункциональное устройство, с пом...»

«Munich Personal RePEc Archive Internet, civic culture and the evolution of coordination mechanisms Victor Polterovich CEMI RAS, MSE MGU 13 September 2018 Online at https://mpra.ub.uni-muenchen.de/88981/ MPRA Paper No. 88981, posted 13 September 2018 09:23 UTC Интернет, гражданская культура и эволюция механизмов координации В. М. Полтерович Ц...»

«Valid for serial no. 745-xxx-xxxx 0461 165 086 RU 20120808 Инструкция по эксплуатации RoboFeed 3004w Aristo ® RU 1 МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ..... ...................................... 3 2 ВСТУПЛЕНИЕ....................»

«Проконсультироваться и купить данное оборудование вы можете в компании "АНД-Системс" адрес: 125480, г.Москва, ул.Туристская, д.33/1; site: https://andpro.ru тел: +7 (495) 545-4870 email: info@andpro.ru При обращении используйте промокод AND-PDF и получите скидку. Dell G3 15 Настройки и технические характер...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.