Электропривод и электрооборудование (стр. 2 )

Наиболее значимой величиной является КПД двигателя, который растет с увеличением мощности и частоты вращения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость номинального КПД от номинальной мощности АД

 

КПД зависит также от развиваемой им полезной механической мощности на валу (рисунок 3).

Способы повышения КПД:

- ограничение времени работы на холостом ходу;

-  обеспечение нагрузки близкой к номинальной (в том числе путем замены малонагруженного двигателя на двигатель меньшей мощности (должно быть экономически обоснованно));

-  выбор высокочастотных электродвигателей.

Рисунок 3 – Зависимость КПД двигателя от кратности нагрузки

 

Cos ЭП. ЭП, подключаемый к сети переменного тока, потребляют активную Р и реактивную Q мощность. Активная мощность расходуется на осуществление электроприводом полезной работы и покрытие потерь в нем, а реактивная мощность обеспечивает создание электромагнитного поля двигателя и непосредственно полезной работы не производит.

Работа ЭП, как и любого другого потребителя характеризуется коэффициентом мощности

сos =, (15)

где S – полная мощность.

Если Q не потребляется, то сos=1 (т. к. сдвиг фаз =0). Потребляя Q ЭП дополнительно загружает систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии, поэтому cos должен стремится к единице. Достаточно часто, коэффициент мощности повышают компенсацией реактивной мощности статическими конденсаторами (в данном случае реактивная мощность для создания электромагнитного поля осуществляется от конденсаторов, расположенных непосредственно у АД).

Значение коэффициента мощности в значительной степени зависит от мощности, частоты вращения и загрузки электродвигателя (рисунок 4,5).

Таким образом, основными мероприятиями по повышению cos являются

-  естественные:

1)  выбор двигателя в строгом соответствии с потребляемой мощностью рабочей машины;

2)  выбор высокоскоростных двигателей;

3)  при эксплуатации, уменьшение времени холостого хода;

- искусственные:

1) использование статических конденсаторов и синхронных компенсаторов.

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента мощности от мощности и частоты вращения электродвигателя

 

 

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента мощности от загрузки электродвигателя

 

Лекция 4

Механические и электромеханические характеристики двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения (ДПТ НВ)

Вопросы

1) Общие сведения, способы подключения ДПТ НВ (достоинства, недостатки двигателя)

2) Выводы уравнений механических и электромеханических характеристик ДПТ НВ

3)  Способы регулирования частоты вращения ДПТ НВ

4) Механические характеристики в тормозных режимах

1  Общие сведения по ДПТ НВ, достоинства и недостатки

Электропривода с ДПТ НВ являлись до недавнего времени основным видом регулируемого ЭП с достаточно высокими показателями качества.

Наиболее распространенной серией двигателя постоянного тока остается серия – 2П в диапазоне мощностей от 0,13 до 200 кВт различного исполнения. Усовершенствование двигателей привело к разработке новой серии – 4П с улучшенными удельными показателями, где по сравнению с серией 2П снижена трудоемкость изготовления в 3 раза при уменьшении расхода меди на 30%. Для крановых механизмов выпускаются двигатели серии Д, для металлорежущих станков серии – ПБСТ, ПГТ.

Схемы включения ДПТ параллельного и независимого возбуждения представлены на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Схемы подключения ДПТ параллельного и независимого возбуждения

Питание может осуществляться как от общего источника питания, так и независимо.

Способ возбуждения определяет электромеханические свойства двигателя.

ДПТ НВ (шунтовые) при изменении нагрузки на валу в широких пределах мало изменяют свою скорость вращения, поэтому их применяют в тех случаях, когда важно, чтобы рабочая скорость механизма оставалась примерно постоянной (как при холостом ходе, так и нагрузке).

Преимуществом ДПТ НВ является также возможность плавного регулирования частоты вращения в широких пределах.

Двигатели постоянного тока серии – П изготавливались с параллельной и последовательной обмотками возбуждения и могут работать как в режиме с параллельным, так и смешанным возбуждением.

Для изменения направления вращения необходимо изменить полярность или в обмотке возбуждения или в якоре.

Большим недостатком ДПТ является их стоимость, а также необходимость в источнике постоянного тока.

2  Вывод уравнений механических и электромеханических характеристик

ω=f(M) – механическая характеристика

ω=f(Iя) – электромеханическая характеристика

Электромеханическая характеристика может быть получена из уравнения напряжений, электромагнитного момента и ЭДС вращающегося двигателя

U=E+Iя Rя , (1)

, (2)

, (3)

где М – электромагнитный момент;

р – число пар полюсов;

N – число активных проводников;

а – число параллельных ветвей якоря;

См – постоянный коэффициент момента;

Ф – магнитный поток;

I – ток двигателя;

Rя - полное сопротивление якорной цепи.

Решая выражение (1) относительно тока, получим

, (4)

подставляя в (4) выражение (3), получаем

, (5)

, (6)

уравнение электромеханической характеристики ω=f(Iя).

Так как в (6) присутствуют константы

В

,

 

то ω=A-IB – уравнение прямой линии.

Из (2) , подставляя в (6), получаем уравнение механической характеристики

. (7)

Механическая характеристика, ω=f(M) – также прямая (рис.2).

Рисунок 2 – Механическая, электроме- ханическая характеристики ДПТ НВ

 

Характеристики имеют две характерные точки: холостого хода (М, I=0); короткого замыкания (ω=0).

3  Способы регулирования частоты вращения ДПТ НВ

Из уравнений механической и электромеханической характеристик следует, что частоту вращения ДПТ НВ можно регулировать тремя способами: магнитным потоком (током возбуждения), сопротивлением в якорной цепи и напряжением подаваемым на якорь электродвигателя (рисунок 3…6).

 

Рисунок 4 – Семейство механических характеристик ДПТ НВ при регулировании частоты вращения напряжением, подаваемым на якорную обмотку

 

 

Рисунок 5 – Семейство механических характеристик ДПТ НВ при регулировании частоты вращения изменением магнитного потока

Рисунок 6 – Семейство электромеханических характеристик ДПТ НВ при регулировании частоты вращения изменением магнитного потока

 

Режим короткого замыкания (рисунок 5,6) соответствует заторможенному якорю, а не замыканию электрической цепи.

Таким образом, напряжением и сопротивлением в якорной цепи регулировка происходит в сторону уменьшения частоты вращения, а магнитным потоком – наоборот.

4 Механические характеристики в тормозных режимах

Генераторное (рекуперативное) торможение.

Общие положения. Электрические машины обратимы, то есть могут работать в двигательном, генераторном, тормозном режимах. При тормозном режиме создаваемые им моменты противодействуют движению. В двигательном режиме момент и направление вращения направлены в одну сторону, что соответствует отдаче энергии двигателем. В режиме торможения знаки М и w различны, следовательно, двигатель потребляет энергию от рабочей машины.

Весьма часто в современных ЭП необходимо быстро и точно остановить механизм или изменить его направление вращения (движения). Быстрота и точность, с какой будут проделаны эти операции, во многих случаях определяют производительность механизма, а иногда и качество вырабатываемого продукта.

Генераторное торможение (рисунок 7):

при w=w0; E=U; Iя=0; M=0 – идеальный холостой ход,

w<w0; E<U; Iя>0; M>0 – двигательный режим,

w>w0; E>U; Iя<0; M<0 – генераторное торможение.

Рисунок 7 – Механические характеристики ДПТ НВ в двигательном и генераторном режимах

Чем больше Rдоб, тем больше частота вращения в генераторном режиме.

Этот способ торможения возможен, например, в приводах транспортеров и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых способах регулирования скорости, когда двигатель проходит значения w>w0. Такое торможение является весьма экономичным, поскольку проходит рекуперацию за вычетом потерь в двигателе. Торможение этим способом может быть осуществлено в ограниченных пределах, т. к. не во всех приводах возможно соблюдение условий w>w0. Например, тормозной спуск груза с помощью лебедки (можно через редуктор), рисунок 8.

 

Рисунок 8 – Механические характеристики ДПТ НВ в режиме генераторного торможения при тормозном спуске

В данном случае лебедка опускает груз со скоростью, которая больше скорости идеального хода. Двигатель включают в точке 1 в направление спуска груза. Под действием момента груза двигатель разгоняется до точки 2, пока тормозной момент не уравновесится моментом сопротивления груза.

Или электродвигатель можно на короткое время перевести в режим генераторного торможения, используя запас кинетической энергии системы двигатель - рабочая машина. Такой режим может иметь место при мгновенном уменьшении напряжения в сети (рисунок 9).

 

Рисунок 9– Механические характеристики ДПТ НВ в режиме генераторного торможения при мгновенном уменьшении напряжения (второй квадрант, точка 2 характеризуется наличием тормозного генераторного торможения)

Режим противовключения.

Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную строну. Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда

двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза.

Рассмотрим тормозной спуск, рисунок 10. Механическая характеристика при режиме противовключения является продолжением характеристики двигательного режима в квадранте 4.

 

Рисунок 10 – Режим противовключения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при тормозном спуске

 

Подъем груза возможен при Мс1<Мк. з, работа электропривода происходит в точке 1. При повышении Мс до Мс2, в точке 2 двигатель остановится и начнет вращаться в другую сторону, в точке 3 вращение осуществляется с постоянной скоростью wуст.

Значительно чаще, чем за счет груза, торможение противовключением получают, изменяя полярность напряжения, подводимого к якорю двигателя (рисунок 11).

В режиме противовключения необходимо включить дополнительное сопротивление в якорную цепь для ограничения тока и момента.

Рисунок 11 – Механические характеристики ДПТ НВ при торможении противовключением

Двигатель работает в точке А квадрант 1. Изменяем полярность, переход на характеристику ВС в точку В (квадрант 2). Сохранение неизменной скорости в первый момент времени обусловлено механической инерцией ЭП. Под влиянием тормозного момента частота вращения уменьшается до 0. При w=0 в точке С двигатель в случае торможения для остановки должен быть отключен от сети. Если такого не произойдет, скорость двигателя начинает увеличиваться (квадрант 3) переход на характеристику СД и затем на естественную характеристику ЕF. Если еще раз изменить полярность, то в точке G цикл повторится.

В данном тормозном режиме, переключение обмотки возбуждения практикуется реже, так как вследствие значительной ее индуктивности время торможения возрастает по сравнению с временем торможения при переключении обмотки якоря.

Динамическое торможение.

Происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор, поэтому называется реостатным торможением.

Обмотка возбуждения (рисунок 12,а) должна быть подключена к источнику постоянного тока. При динамическом торможении (рисунок 13) механическая энергия преобразуется в электрическую, однако эта энергия не отдается в сеть, а выделяется в виде тепла в Rт.

б)

а)

 

Рисунок 12 - Схемы динамического торможения: а – с независимым возбуждением; б – с самовозбуждением

 

Рисунок 13 – Механические характеристики ДПТ НВ в режиме динамического торможения

 

Прямые проходят через начало координат во 2 и 4 квадрантах.

Динамическое торможение широко используется для остановки привода при отключении его от сети, например при спуске груза (рисунок 14). Режим экономичный, хотя и уступает генераторному с отдачей энергией в сеть.

Рисунок 14 – Динамическое торможение ДПТ НВ при спуске груза

 

При отключении якоря от сети и замыкании его на сопротивление характеристика с точки 1 переходит в точку 2 на характеристику динамического торможения (точки 2-3-4). В точке 3 двигатель останавливается, тормозной момент становится равным нулю. Под воздействием момента сопротивления (Мс) скорость двигателя возрастает и в точке 4 момент тормозной равен моменту сопротивления, а w=wуст.

Все режимы работы ДПТ НВ представлены на рисунке 15.

 

Лекция 5

Механические и электромеханические характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Вопросы

1)  Вывод уравнений механических и электромеханических характеристик ДПТ последовательного возбуждения

2) Способы регулирования частоты вращения ЭП с ДПТ ПВ

3) Тормозные режимы ЭП с ДПТ ПВ

4) Свойства и характеристики ЭП с ДПТ смешанного возбуждения

1 Вывод уравнений механических и электромеханических

характеристик ДПТ последовательного возбуждения

Двигатели с последовательным возбуждением (сериесные) отличаются тем, что их скорость вращения в большей степени зависит от нагрузки на валу (при малых нагрузках скорость велика, а при увеличении нагрузки она значительно снижается). Работа такого двигателя в холостую недопустима (рисунок 1), т. к. при этом его скорость увеличится до значений, при которых возможны механические повреждения якоря (как говорят, двигатель идет вразнос). Другой важной особенностью ДПТ последовательного возбуждения по сравнению с двигателем параллельного возбуждения, является способность выдерживать относительно большие нагрузки. Поэтому этот двигатель широко применяется на транспорте, подъемных кранах и т. д.

 

Рисунок 1 – Схема подключения ДПТ последовательного возбуждения

Якорная обмотка и обмотка возбуждения подключается последовательно, поэтому ток якоря является и током возбуждения.

Аналогично, как и для ДПТ независимого возбуждения электромеханическая характеристика записывается

w = -, (1)

где R=RЯ+RОВ+Rдоп;

RЯ =0,5(1-ηН);

RОВ+ Rдоп»0,5Rя.

Магнитный поток и ток связаны между собой кривой намагничивания, рисунок 2.

 

Рисунок 2 – Кривая намагничивания

 

Так как нет точного аналитического выражения для кривой намагничивания, то трудно дать и точное аналитическое выражение для механической характеристики ДПТ ПВ.

Если для упрощения анализа предположить, пренебрегая насыщением магнитной системы, линейную зависимость между потоком и током якоря (характеристика 1, рисунок 2), то есть считать

Ф=aI, (2)

то момент двигателя равен

М= kФI=kaI2. (3)

Подставим Ф=aI в выражение электромеханической характеристики, получим

ω =- , (4)

если в данном выражении с помощью М= kФI2 выразить ток через момент, получим выражение механической характеристики

ω =- . (5)

Или ω=-В (уравнение гиперболы).

Анализ механической и электромеханической характеристик позволяет осуществить анализ и сделать следующие выводы, рисунок 3.

Рисунок 3 – Механическая (электромеханическая) характеристика ДПТ ПВ

 

Для ДПТ ПВ в основной схеме включения не существует режима холостого хода и генераторного параллельно с сетью (рекуперативного), т. к. отсутствует участок характеристики во втором квадранте.

Остальные режимы работы аналогично ДПТ НВ:

·  двигательный режим - 0<ω<¥

·  короткое замыкание - ω =0

·  режим противовключения (4 квадрант) при ω<0,

·  динамическое торможение - 2 и 4 квадранты.

2 Способы регулирования частоты вращения ЭП с ДПТ ПВ

Способы регулирования отличаются простотой, как и ДПТ НВ.

Проведем анализ выражений механической и электромеханической характеристик:

электромеханическая: ω=-,

механическая: ω=-,

откуда следует, что регулирование частоты вращения возможно с помощью:

·  сопротивления в якорной цепи;

·  напряжения на якоре;

·  магнитного потока (тока возбуждения).

Из предыдущей лекции ωр=ωеÞт. к. при Rд>0, числитель всегда меньше знаменателя, то ωиск<ωест, другими словами искусственные характеристики лежат ниже естественных, причем чем больше Rдоб, тем больше снижается скорость электропривода (рисунок 1).

Регулирование скорости двигателя данным способом характеризуется такими показателями: диапазон равен 2…3, направление – вниз, плавность определяется плавкостью изменения Rдоб.

Рисунок 4 – Семейство характеристик ДПТ ПВ при регулировании частоты вращения с помощью сопротивления в якорной цепи

 

Cпособ экономически целесообразен при небольших диапазонах регулирования скорости или кратковременных работах электропривода на пониженных скоростях.

Регулирование скорости изменением магнитного потока (рисунок 5).

RШ

Рисунок 5 – Схема включения ДПТ ПВ при регулировании частоты вращения изменением магнитного потока

При этом способе регулируется сопротивление RШ, включенное параллельно обмотки возбуждения двигателя. Отметим, что регулирование магнитного потока для ДПТ ПВ не является полностью независимым, т. к. Iв пропорционален Iя, определяемого нагрузкой.

Для определения вида и расположения искусственных механических характеристик получаемых при различных RШ проведем анализ:

·  при RШ = ∞ (разрыв шунтирующей цепи ) - основная схема включения, т. е. естественная характеристика;

·  при 0< RШ<∞, часть тока якоря идет по шунтирующей цепи, поэтому Iв и Ф (магнитный поток) уменьшается, что в соответствии с механической ω=(U-IR)/[kФ] и электромеханической характеристиками ω=U/[kФ]-MR/[kФ]2 вызывает увеличение ω, при этом искусственная характеристика располагается выше естественной.

При М®0, I®0, Iв ®0, Ф®0 Þ ω® ∞, т. е. ось ω является асимптотой для всех искусственных механических характеристик.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема включения ДПТ ПВ при регулировании частоты вращения с помощью напряжения

 

Напряжение регулируется с помощью управляемого выпрямителя в соответствии с Uупр.

При U=Uном, и пренебрегая Rвнутр управляемого выпрямителя двигатель работает на естественной характеристики. При снижении напряжения, в соответствии с уравнением механической и электромеханической характеристик частота вращения снижается. Показатели регулирования такие же, как у ДПТ НВ.

Регулирование частоты вращения шунтированием якоря (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Схема включения ДПТ ПВ с шунтированием якоря

Способ используется для получения пониженных скоростей ЭП с ДПТ ПВ и определенной скорости ω0.

Наиболее распространенной является схема, в которой шунтирующий якорь резистор Rш и последовательно включенный Rп вместе с ОВ образуют делитель напряжения. За счет этого к якорю подводится понижение напряжение и как следствия наблюдается снижение частоты вращения (рисунок 8).

Особенность данной схемы является то, что при Iя =0, Iв за счет наличия Rш не равен нулю, поэтому магнитный поток Ф≠ 0 и ω= ω0.

М=0 при ω = ω0 и ω ® ∞ , т. е. в интервале ω0…ω имеется Мmax.

Рисунок 8 – Характеристики ДПТ ПВ при шунтировании якоря

 

3 Торможение ЭП с ДПТ ПВ

Динамическое торможение.

С независимым возбуждением (рисунок 9) характеристики описываются при Uя =0:

механическая характеристика ω = -,

электромеханическая характеристика ω=-.

Рисунок 9 – Динамическое торможение ДПТ ПВ по схеме с независимым возбуждением

 

Характеристики имеют вид прямых, проходящих через начало координат, рисунок 10.

Рисунок 10 - Характеристики ДПТ ПВ при динамическом торможении

Динамическое торможение с самовозбуждением (рисунок 11) возможно лишь при выполнении следующих условий: наличие остаточного магнитного потока в двигателе; совпадение Фост и Фосновного; R цепи якоря (с учетом RОВ, Rдин ) должно быть меньше критического.

Рисунок 11 – Схема включения ДПТ ПВ при динамическом торможении с самовозбуждением

 

Динамическое торможение с самовозбуждением происходит следующим образом. При наличии остаточного магнитного поля и вращении якоря в нем наводится ЭДС, под действием которой по якорю и ОВ двигателя начнет протекать ток. Этот ток создает основной магнитный поток Ф, который совпадая по направлению с остаточным потоком Фост, приведет к увеличению ЭДС. Это, в свою очередь, повлечет за собой увеличение тока в двигателе, и такой процесс его самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока ЭДС не станет равной суммарному падению напряжения в цепи якоря.

Например, при опускании груза в первый момент (рисунок 12), скорость двигателя и его Мторм весьма малы, груз опускается под воздействием Fтяжести. По мере опускания груза скорость растет (до точки А), происходит процесс самовозбуждения и Мторм. резко возрастает.

Рисунок 12 – Характеристики ДПТ ПВ при динамическом торможении с самовозбуждением

 

Торможение противовключением. Различают тормозной спуск и собственно противовключение.

Существует два варианта тормозного спуска (рисунок 13):

-  электродвигатель включают на подъем, а груз под действием силы тяжести заставляет привод вращаться в сторону спуска;

Рисунок 13 – Характеристики тормозного спуска ДПТ ПВ

-  первоначально работа осуществляется в точке А на естественной характеристики, переключаем на искусственную, переходим точку Мк. з и работаем в точке В с w=wуст. Режим возможен при выполнении условия Мс >Мк. з.

Нагрузка двигателя должна быть ограничена допустимым током в якорной цепи.

Собственно противовключение (рисунок 14).

Достигается изменением полярности напряжения на якоре при сохранении полярности на обмотке возбуждения (или наоборот). При этом в соответствии с М=kФI изменяется знак момента.