Конспект лекций по курсу «теория электропривода ч. 2» Для групп специальности эр (34 часа)
1 чел. помогло. скачатьКОНСПЕКТЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ч.2» ДЛЯ ГРУПП СПЕЦИАЛЬНОСТИ ЭР (34 часа) Составлен доцентом кафедры ЭиЭмСпГГИ(ТУ) Вершининым В.И. 2000г -4- 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 1.1. Основные определения. Одной из основных задач, стоящих перед инженером-проектантом в процессе разработки автоматизированного электропривода, является выбор и расчет его главных элементов. Правильный выбор и расчет электропривода является обязательным условием производительной и экономичной работы производственной машины или механизма. Электропривод должен обеспечивать наиболее благоприятное протекание как статических, так и переходных режимов пуска, приема и сброса нагрузки, а также торможения механизма. Протекание этих процессов в первую очередь определяется механической характеристикой ЭД, используемого в электроприводе. Механической характеристикой ЭД, который является важнейшим элементом любого электропривода, называется зависимость его частоты вращения от электромагнитного момента двигателя, т.е.  . В теории электропривода различают естественные и искусственные механические характеристики.Естественной механической характеристикой называют зависимость частоты вращения от развиваемого электромагнитного момента, получаемую при номинальных параметрах электрической сети, штатной схеме включения обмоток ЭД, отсутствии дополнительных сопротивлений в электрических цепях ЭД. В тех случаях, когда естественные механические характеристики имеющихся типов ЭД не удовлетворяют предъявляемым требованиям, приходится прибегать к искусственным характеристикам, которые получаются путем изменения схем включения обмоток ЭД, введением дополнительных сопротивлений, изменения параметров напряжения, подводимого к обмоткам ЭД. К схемам, обеспечивающим работу электропривода на искусственных характеристиках приходится прибегать также для регулирования частоты вращения или для осуществления плавного пуска. Иными словами искусственные механические представляют собой зависимости частоты вращения ЭД от развиваемого им электромагнитного момента, которые получаются при условиях отличных от номинальных. На рис 3.1. показаны механические характеристики различных типов ЭД. Из рисунка видно, что механические характеристики различаются по степени изменения скорости при изменении электромагнитного момента, или иными словами механические характеристики отличаются по степени жесткости (углу наклона к оси электромагнитного момента). Критерием для оценки жесткости характеристик служит их крутизна, представляющая собой отношение разности частот вращения, к соответствующей разнице электромагнитных моментов, развиваемых ЭД. -5-  Все механические характеристики различных типов ЭД могут быть разделены на следующие группы:
Выбор механической характеристики определяется требованиями, предъявляемыми к производственным машинам или механизмам. Например, прокатка стальной ленты, производство бумаги требуют очень жестких характеристик. И, наоборот, электрифицированный транспорт, например рудничные электровозы требуют применения ЭД с мягкими механическими характеристиками. Для правильного выбора типа ЭД и способа управления им должна быть известна механическая характеристика исполнительного органа производственной машины. Механической характеристикой рабочей машины называют зависимость частоты вращения вала рабочего органа от статического момента нагрузки  .На рис 3.2. представлены механические характеристики различных типов производственных машин. Механические характеристики графически изображаются на плоскости в прямоугольной системе координат с осями  и  (рис.3.3). Положение точки на плоскости характеризуется двумя координатами и . Из рис.3.3 следует, что в любой точке 1 и 3 квадрантов знаки частоты вращения и электромагнитного момента, развиваемого ЭД, совпадают. При работе ЭД в этих квадрантах происходит преобразование электрической энергии в механическую. Это значит, что ЭД функционирует в двигательном режиме, совершая полезную работу. И, наоборот, в любой точке 2 и 4 квадрантов знаки частоты вращения и момента, развиваемого ЭД, не совпадают. При работе в этих квадрантах ЭД преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. функционирует в генераторном режиме. При генераторном режиме момент, развиваемый ЭД, направлен встречно по отношению к направлению вращения и препятствует движению, т.е. является тормозным. Более подробно о тормозных режимах работы ЭД -6- будет говориться в последующих разделах. ^ Любая производственная машина может нормально функционировать только в том случае, если ее работа устойчива.. Под устойчивостью работы машины понимают ее способность приходить в состояние устойчивого равновесия после того как под влиянием какого-либо возмущающего воздействия она была выведена из этого состояния. Возмущающее воздействие может поступать либо со стороны рабочего органа (изменение нагрузки), либо со стороны электропривода (изменение напряжения, частоты, сопротивления цепей и т.д.). При разработке и расчете электропривода всегда производится проверка его на устойчивость. В сложных автоматизированных электроприводах, поведение которых описывается системой дифференциальных уравнений, анализ устойчивости производится с помощью специальных критериев устойчивости, рассматриваемых в теории автоматического регулирования (критерий Михайлова, критерий Гурвица и т.д.). В настоящем разделе рассматривается простейший случай анализа устойчивости, а именно: анализ так называемой статической устойчивости. Говорят, что электропривод обладает статической устойчивостью в том случае, если при нарушении равновесного состояния в нем возникают моменты, стремящиеся вернуть производственную машину в положение равновесия. Анализ статической устойчивости производится на основе механических характеристик ЭД и рабочих машин. Предположим, что мы имеем дело с электроприводом, у которого механические характеристики ЭД и производственной машины имеют вид, показанный на рис. 3.4. При этом электропривод работает в режиме, в котором ЭД развивает электромагнитный момент  и вращается с установившейся частотой  , статический момент нагрузки на рабочем органе производственной машины тоже равен постоянному значению  . Поскольку электропривод работает в установившемся режиме, то  . Предположим, что в какой-то момент времени возникло возмущающее воздействие, которое нарушило равновесное состояние системы, например увеличился статический момент нагрузки. При этом поведение электропривода будет описываться уравнением движения Пускай в результате действия возмущающего воздействия электромагнитный момент ЭД, статический момент нагрузки и частота вращения получили при- ращения  ,  ,  . Тогда уравнение движения применительно к рас-матриваемому случаю примет вид  -8- Поскольку  , а  , то уравнение движение можно записать как Предположим, что указанные приращения были малы, тогда можно утверждать, что на этих участках приращения электромагнитного момента и статического момента нагрузки связаны с приращением частоты вращения линейной зависимостью. То есть   Поскольку, как следует из рис.3.4.,   , а ,то уравнение движения электропривода можно представить в следующем виде  Решая это дифференциальное уравнение относительно приращения частоты вращения, имеем  ,где  -первоначальное отклонение частоты вращения от установившегося значения.Рассматриваемая система или электропривод будет работать устойчиво, если отклонение частоты вращения , следуя экспоненциальному закону будет стремиться к нулю с увеличением времени .Это условие выполняется в том случае, если  .Таким образом статическая устойчивость электропривода определяется углами наклона механической характеристики ЭД и механической характеристики производственной машины. Для того, чтобы электропривод работал устойчиво, необходимо чтобы тангенс угла наклона механической характеристики ЭД относительно оси частот вращения был меньше соответствующего тангенса наклона механической характеристики производственной машины относительно этой же оси, т.е.  .-9- ^ Принципиальная схема соединения обмоток ЭД рассматривемого типа приведена на рис. 3.5. Математическое выражение механической характеристики такого ЭД может быть получено из уравнения равновесия электродвижущих сил в цепи якоря, записанного для случая, когда якорь вращается с постоянной частотой в магнитном поле, создаваемом независимой обмоткой возбуждения.  здесь  -напряжение, подводимое к обмотке якоря, В;-частота вращения якоря, 1/c; - магнитный поток в воздушном зазоре, Вб; -ток, протекающий в обмотке якоря, А; -сопротивление цепи якоря, Ом; -конструктивная постоянная ЭД.Решая уравнение равновесия электродвижущих сил относительно частоты вращения, имеем  .Заменим в этом уравнение ток в цепи якоря электромагнитным моментом. Для этого воспользуемся уравнением, связывающим значения тока якоря и электромагнитного момента ЭД   Анализируя полученное уравнение механической характеристик, можно сделать вывод о том, что при неизменных напряжении в цепи якоря, сопротивлении цепи якоря и магнитном потоке, механическая характеристика ЭД постоянного тока независимого возбуждения представляет собой прямую линию, пересекающую ось ординат в точке  . Эта частота вращения называется частотой вращения холостого хода. Угол наклон механической характеристики к оси электромагнитного момента прямо пропорционален сопротивлению цепи якоря и обратно пропорционален магнитному потоку.Варьируя величинами напряжения и сопротивления цепи якоря, можно получить множество искусственных характеристик, которые все однако будут сохранять линейность. В соответствии с уравнением механической характеристики ЭД постоянного тока с независимым возбуждением имеется два семейства этих характеристик. Первое семейство получается при постоянстве напряжения в цепи якоря и магнитного потока за счет изменения сопротивления в цепи якоря рис.3.6. Второе семейство получается при пос- -10- тоянных сопротивлении цепи якоря и магнитного потока за сче изменения величины напряжения, подводимого к цепи якоря рис.3.7. Первое семейство представляет собой прямые линии, пересекающие ось частот вращения в точке частоты вращения холостого хода, наклон этих пряых зависит от величины сопротивления в цепи якоря. Второе семейство также представляет собой прямые линии, которые пересекают ось частот вращения в разных точках, соответствующих различным величинам напряжения в цепи якоря. Причем наклон этих прямых линий к оси электромагнитного момента остается постоянным. ^ Наряду с двигательными режимами существенное значение для работы электропривода имеют тормозные режимы, т.е. режимы при которых в ЭД создаются электромагнитные моменты, противодействующие существующему движению. Тормозные режимы предназначены для:
Нечеткая работа электропривода в тормозных режимах, а тем более его отказ могут привести во многих случаях к серьезным авариям. В практике электропривода находят применение следующие виды тормозных режимов ЭД:
^ При электродинамическом торможении цепь якоря ЭД отключают от сети постоянного тока и подключают к специальному тормозному сопротивлению (схемотехническое решение, позволяющее реализовать этот вид торможения, представлено на рис. 3.8.). В этом случае ЭД работает как электрический генератор за счет запасенной кинетической энергии вращающегося якоря. Рассмотрим физику процесса торможения более подробно. При работе в двигательном режиме (ключ К1 замкнут, а ключ К2 разомкнут) в цепи якоря ЭД протекает ток равный  и развивает электромагнитный момент равный -12-  ,где -ток потребляемый цепью якоря из сети, А.При переводе ЭД в тормозной режим работы ключ К1 размыкается, а ключ К2 замыкается. Так как направление вращения якоря и направление действия магнитного потока при этом не изменились, то знак противоэдс, генерируемой в обмотке якоря, тоже не изменится. А ток, протекающий в цепи якоря, изменит свое направление и станет равным  Соответственно изменит свой знак и электромагнитный момент, развиваемый ЭД, который станет тормозным, поскольку будет препятствовать движению якоря, вращающемуся по инерции. Уравнение механической характеристики ЭД, работающего в режиме электродинамического торможения примет следующий вид  Очевидно, что механические характеристики ЭД, работающего в режиме электродинамического торможения представляют собой семейство прямых линий, проходящих через начало координат. Наклон механических характеристик определяется величиной сопротивления тормозного резистора  . Чем больше его величина, тем круче наклон механической характеристики и тем меньше тормозной момент. Графическое изображение семейства механических характеристик для режима электродинамического торможения показано на рис.3.9.^ Режимом торможения противовключением называют такой режим, при котором ЭД вращается за счет запаса кинетической энергии или потенциальных сил исполнительного механизма в одну сторону, а электромагнитный момент, создаваемый ЭД направлен в противоположную сторону. Создание такого режима возможно в двух случаях. Случай 1. Предположим ЭД, входящий в состав грузоподъемного механизма, поднимает тяжелый груз. Механическая характеристика ЭД показана на рис. 3.11. Величина статического момента нагрузки при этом составляет  и установившаяся частота вращения ЭД, работающего на подъем равна  . Для осуществления режима опускания груза с постоянной скоростью необходимо перевести электропривод в режим торможения противовключения. С этой целью в цепь якоря ЭД включают резистор, обладающий большим сопротивлением таким образом, чтобы механическая характеристика из положения 1 перешла в положение 2. В силу механической инерции частота вращения ЭД мгновенно измениться не может, поэтому рабочая точка, характеризующая работу электропривода из-14- положения А перейдет в положение В. В этом режиме ЭД развивает электромагнитный момент, который будет значительно меньше статического момента нагрузки. В силу этого обстоятельства ЭД, по-прежнему работающий на подъем, начнет уменьшать частоту вращения. При уменьшении частоты вращения электромагнитный момент ЭД начнет увеличиваться. Если статический момент нагрузки будет превышать электромагнитный момент ЭД при коротком замыкании, то двигатель под действием разницы этих моментов изменит направление вращения на противоположное, т.е. электропривод начнет работать на опускание груза. Дальнейшее увеличение частоты вращения ЭД будет сопровождаться увеличением его электромагнитного момента до тех пор, пока увеличивающийся электромагнитный момент не станет равным статическому моменту нагрузки. Это произойдет в точке Д, которая будет характеризовать новый установившийся режим работы электропривода, в котором ЭД работает в режиме торможения противовключения, опуская груз с постоянной скоростью  . Схемотехническое решение, реализующее 1 способ торможения противовключением, показано на рис.3.10.Случай 2. Режим торможения противовключением можно осуществить еще и изменением полярности напряжения на якорных зажимах ЭД. Рассмотрим процессы, протекающие в этом режиме подробнее. Предположим, что ЭД работает в двигательном режиме и приводит в движение какой-то исполнительный механизм. Механическая характеристика ЭД при этом располагается в первом квадранте и занимает положение 1, см. рис.3.13. Предположим, что, с целью получения тормозного режима, напряжение на якорных зажимах ЭД изменяет свой знак, и в цепь якоря включается дополнительное сопротивление .В результате этих действий механическая характеристика ЭД займет положение 2. Поскольку в силу механической инерции частота вращения ЭД, нагруженного на исполнительный механизм, мгновенно измениться не могла, система будет вращаться в ту же сторону, при этом рабочая точка из положения А перейдет в положение В, в котором ЭД развивает электромагнитный момент препятствующий движению. Под действием тормозного момента ЭД начнет уменьшать частоту вращения, а рабочая точка, характеризующая режим работы электропривода начнет опускаться по механической характеристике вниз до положения С. В этом положении частота вращения ЭД становится равной нулю и его можно отключать от сети. Схемотехническое решение электропривода, реализующее рассматриваемый режим торможения показано на рис.3.12.^ Этот способ торможения осуществим в том случае, если частота вращения ЭД по каким-либо причинам превысит частоту вращения холостого хода. Такое превышение может возникнуть, например, при опускании тяжелого груза подъемной машиной. Если ЭД включить на опускание груза, то под -16- действием электромагнитного момента ЭД и статического момента нагрузки система начнет ускоряться и частота вращения ЭД превысит частоту вращения идеального холостого хода. При этом ЭД автоматически из двигательного режима перейдет в режим рекуперативного торможения. Рассмотрим подробнее причины возникновение тормозного режима. Из курса электрических машин известно, что у ЭД постоянного тока с независимым возбуждением ток, потребляемый из сети цепью якоря, равен В случае, если по каким-то причинам частота вращения ЭД превысит частоту вращения холостого хода, то противоэдс, генерируемая в цепи якоря, превысит напряжение в сети постоянного тока. То есть второе слагаемое в числителе формулы станет больше первого, а это значит, что ток, протекающий в цепи якоря, изменит свое направление и станет равным  Иными словами, ток в тормозном режиме будет протекать не из сети в двигатель, а, наоборот, из ЭД, который будет работать в режиме генератора, в сеть. Естественно, что поскольку ток в цепи якоря изменит свое направление, а магнитный поток сохранит его, то электромагнитный момент ЭД, пропорциональный произведению тока якоря на магнитный поток, тоже изменит свое направление и будет препятствовать вращению системы, т.е. станет тормозным. Уравнение механической характеристики для режима генераторного торможения примет следующий вид  Графические изображения механических характеристик ЭД постоянного тока независимого возбуждения, работающего в режиме рекуперативного торможения, приведены на рис.3.15. Как следует из графиков, механические характеристики также проходят через точку на оси ординат, соответствующую частоте вращения холостого хода  , но располагаются во втором квадранте. Рассматриваемый способ торможения является весьма экономичным, поскольку в процессе торможения электрическая энергия отдается в сеть.
|
. Такой механической характеристикой обладают синхронные ЭД;
). Такими характеристиками обладают ЭД постоянного тока с независимым возбуждением;
). Такими характеристиками обладают ЭД постоянного тока с последовательным возбуждением.
плохо
2средне
1хорошо
2отлично
2 