Электромеханические системы

Естественные характеристики двигателей последовательного возбуждения, как отмечалось, строятся с использованием универсальных характеристик в относительных величинах.

Относительные величины часто  удобны и в обращении с двигателями  постоянного тока независимого возбуждения.

Так, приняв за базовые величины U_н, I_н, w_н, и , получим после простых преобразований:

и

  ,

где все относительные величины определены как 

  .

Тогда, приняв U* º Ф* = 1, получим:

w* = 1 - I*R*

или при  I* = 1 (при номинальном токе)

w* = 1 - R*.     (3.15)

Последнее соотношение позволяет очень просто строить характеристику при заданном R или, наоборот, определять R, если известна характеристика.

Отметим здесь, что обычно относительное сопротивление собственно якорной цепи очень невелико: R^*_я= 0,02 - 0,05, и жесткость естественной характеристики (R = R_я) весьма высокая:

b_ест = (-50) - (-20).

Рассмотрим теперь допустимые (безопасные) пределы изменения основных координат.

Напряжение нормально ограничивается номинальным значением. В реверсивных электроприводах допускается на время реверса двукратное превышение номинального значения.

Магнитный поток также ограничен номинальной величиной, поскольку при ее длительном превышении ток возбуждения, превышающий номинальный, может вызвать недопустимый перегрев обмоток. Кратковременное (до минуты) двукратное увеличение тока возбуждения, используемое, например, в электроприводах с питанием якорной цепи от источника тока, допустимо, однако вследствие насыщения магнитный поток при этом увеличивается незначительно. При форсировках - ускоренном нарастании магнитного потока - допустимо кратковременное 2-3 - кратное превышение номинального напряжения возбуждения.

Скорость по условиям механической прочности нормально ограничена номинальным значением с небольшим 20-30% допустимым превышением; специальные двигатели, предназначенные для работы с ослабленным полем, допускают 3-4 -кратное превышение номинальной скорости.

Ток якоря - координата, определяющая надежность работы электропривода. В продолжительном режиме ток на всех скоростях не должен превышать номинального значения при независимом охлаждении двигателя - сплошные линии со штриховкой на рис. 3.12. В двигателях, охлаждаемых собственным вентилятором, в продолжительном режиме необходимо снижать ток на 30-40% при низких скоростях - пунктир на рис. 3.12 во избежание недопустимого перегрева. Кратковременные (секунды) перегрузки по току ограничиваются условиями коммутации машины; допустимые перегрузки обычно не превышают (2-3)I_н - линии с двойной штриховкой на рис. 3.12. Из изложенного следует недопустимость пуска электропривода постоянного тока (кроме микроприводов) прямым включением на номинальное напряжение.

Рис. 3.12. Область допустимых нагрузок электропривода постоянного  тока

 

Момент при полном потоке имеет те же ограничения, что и ток якоря.

Таким образом, зона допустимых значений и М сравнительно невелика, и рис. 3.12 даёт о ней некоторое представление: внутренняя область относится к продолжительному режиму, внешняя - к кратковременным (секунды) перегрузкам.

 

 

 

3.6. Регулирование координат  в разомкнутых структурах

 

Реостатное  регулирование - самый простой и самый неблагоприятный способ регулирования скорости и (или) момента. В якорную цепь последовательно, если питание осуществляется от источника напряжения (рис. 3.13,а), включаются дополнительные резисторы.

                 

а)                                                          б)

Рис. 3.13. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании  двигателя независимого возбуждения

 

В соответствии с (3.4) и (3.5) скорость идеального холостого хода при U_н и Ф_н и включении R_д не изменится:

                                          

а наклон характеристик  будет увеличиваться пропорционально R = R_я+R_д. Воспользовавшись (3.15), получим при I^*=M^*=1

Dw* = R*,       (3.16)

где Dw* = 1 - w*,

.

Соотношение (3.16) позволяет легко  решать прямую задачу - построить характеристики, если задано R, и обратную - найти R и R_д для заданной характеристики. Так, на рис. 3.13,б

,  ,  ,

  .

В электроприводе с двигателем последовательного  возбуждения при U=U_н (рис. 3.14,а) и известной естественной характеристике

 

можно использовать уравнение искусственных  характеристик при реостатном регулировании

и получить соотношение для расчета w_и для любого тока:

  (3.17)

                   

а)                                                               б)

Рис. 3.14. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании  двигателя последовательного возбуждения

 

Механическая характеристика может  быть построена по известной зависимости М(I). Примерный вид механических характеристик при реостатном регулировании показан на рис. 3.14,б.

При питании якорной цепи от источника  тока (I=const) реостатное регулирование осуществляется включением R_д параллельно якорю - рис. 3.15,а; характеристики при этом существенно изменяются, появляется возможность регулировать как момент, так и скорость.

                         

     а)                                                      б)

Рис. 3.15. Схема (а) и характеристики (б) при реостатном регулировании в системе источник тока – двигатель

 

Для схемы на рис. 3.15,а  реостатные характеристики можно получить из основных уравнений (3.1) и (3.2)

М* = I*_яФ*

и

Е* = Ф*w*,

дополненных уравнениями для электрических  цепей:

 I*= I*_я + I*_R

E* = I_R* R_д* - I_я* R_я*.

Здесь мы использовали относительные  величины, приняв за базовые, как и  раньше, U_н, I_н, Ф_н, w_н.

Совместное решение уравнений  дает:

.   (3.18)

Наличие контура якорь - дополнительный резистор, в котором реализуется действие ЭДС вращения Е, приводит к характеристикам, аналогичным традиционным, получаемым при питании якоря от источника напряжения. Отличие, однако состоит в том, что скорость идеального холостого хода

 

теперь зависит от сопротивления дополнительного резистора R_д^*, а момент короткого замыкания

                              

при малых R_я^*, практически не зависит от R_д^*.

Таким образом, в системе источник тока - двигатель с шунтируюшим  резистором общей точкой механических характеристик при Ф = const и R_д = var является точка короткого замыкания, тогда как в системе источник напряжения - двигатель при R_д = var - точка идеального холостого хода. Примеры механических характеристик при изменении R_д (Ф = Ф_н) приведены на рис. 3.15,б. Напряжение на выходе источника тока изменяется при Ф = const практически пропорционально скорости:

.

Из графиков на рис. 3.15,б следует, что реостатное регулирование скорости в системе источник тока - двигатель более благоприятно при малых скоростях как с точки зрения жесткости характеристик - она тем выше, чем меньше скорость - так и с точки зрения потерь - они уменьшаются с уменьшением скорости.

Итак, если воспользоваться показателями, изложенными в гл.2, то получим следующие оценки реостатного способа регулирования.

1. Регулирование однозонное - вниз  от основной скорости, так как  вводя R_д, мы увеличиваем , и все искусственные характеристики в 1 квадранте располагаются ниже естественной.

2. Диапазон реостатного регулирования  невелик (2-2,5):1, при изменении М_с на 40-50%.

Стабильность скорости - низкая, жесткость  характеристик  падает с ростом R. Из (2.5) имеем:

,

где с = kФ_н (в дальнейшем, желая подчеркнуть неизменность потока возбуждения двигателя, мы будем часто пользоваться символом с).

  Тогда  . Это свойство реостатного регулирования часто существенно осложняет его использование: небольшое случайное изменение М_с на низких скоростях приводит к значительному изменению .

3. Реостатное регулирование  - ступенчатое, так как величина  сопротивления резистора в якорной цепи допускает лишь дискретное изменение. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов).

4. При принятых ранее  допущениях (внешний обдув) можно  считать, что М_доп = М_н на любой реостатной характеристике, так как магнитный поток неизменен.

5. Потери энергии при  регулировании значительны и  связаны с глубиной регулирования. Это непосредственно вытекает из способа регулирования: скорость изменяется за счет включения резистора - элемента, превращающего поступающую в него электрическую энергию в тепло. Найдем количественную оценку потерь мощности (энергии) при реостатном регулировании. Умножив обе части уравнения (3.3) на I, получим уравнение баланса мощностей

UI = EI+I² R,

где     UI = P₁ - мощность, потребляемая из сети;

EI = P_эм - электромагнитная мощность, преобразуемая в                                                                               механическую;

I²R = DP -  потери мощности в якорной цепи.

Выразив U и E через магнитный поток и скорость в соответствии с (2.1) и использовав (2.2), будем иметь:

 (3.19)

Этот результат - потери мощности пропорциональны  относительному перепаду скорости - очень  важен и, как мы увидим далее, универсален, применим к ряду других случаев.

6. Капитальные затраты на реостатное  регулирование сравнительно невелики: к двигателю добавляется лишь недорогой резистор и коммутационная аппаратура.

Оценивая реостатное регулирование  по всем показателям, нетрудно видеть, что это весьма несовершенный  способ регулирования. Вместе с тем, он всё еще широко применяется  на практике (подъемно-транспортные установки, общепромышленные механизмы и т.п.) в случаях, когда источником питания является сеть постоянного тока. Это объясняется практическим отсутствием до недавнего времени других возможностей регулировать скорость вниз от основной при питании от сети постоянного тока (U = U_н = const).

Разновидностью реостатного регулирования  при U = U_н являются схемы с шунтированием якоря двигателя, несколько расширяющие регулировочные возможности.

Отличие этого способа от ранее  рассмотренного состоит в том, что в первом случае при идеальном холостом ходе двигателя напряжение на якоре равно напряжению сети для всех реостатных характеристик и не зависит от сопротивления якорной цепи. В шунтировочной схеме при М_с = 0 напряжение на якоре двигателя меньше напряжения сети и поэтому скорость идеального холостого хода снижается в зависимости от соотношения сопротивлений R_д и R_ш.

Включение резисторов в якорную  цепь при U = U_н и Ф = Ф_н  используется для ограничения тока при пуске и реверсе электропривода, поскольку, как подчеркивалось, I_доп = (2,5 - 3)I_н, тогда как на естественной характеристике I_к.з = (20 - 50)I_н.

Схема силовых цепей при пуске  и реверсе приведена на рис. 3.16,а, соответствующая диаграмма  - на рис. 3.16,б.

а)

б)

Рис. 3.16. Схема реостатного пуска – реверса двигателя постоянного тока независимого возбуждения (а) и пусковая диаграмма (б)

 

Построив естественные характеристики и назначив М_{1 £} М_доп, подбирают искусственные характеристики так, чтобы М₂ > М_с; в примере указаны две пусковые (R_д1 и R_д1 + R_д2) и одна тормозная (R_д1 + R_д2 + R_п) характеристики. Контакты контакторов В и Н определяют направление вращения, контакты К₁, К₂ и К_п, размыкаясь, вводят в цепь соответствующие резисторы. Стрелками на диаграмме указан ход процессов пуска и реверса. Резисторы R_д1, R_д2 и R_п могут использоваться и в целях регулирования скорости.

 

Регулирование координат изменением магнитного потока.

Схема включения двигателя для  регулирования скорости изменением магнитного потока приведены на рис. 3.17. Будем полагать, что якорная цепь двигателя без каких-либо добавочных резисторов подключена к источнику с напряжением U = U_н, а цепь возбуждения питается от усилителя - возбудителя В (рис. 3.17) или в простейшем случае от того же источника через добавочный резистор. Нормальные электрические машины рассчитаны таким образом, что номинальному току возбуждения соответствует магнитный поток на колене кривой намагничивания. Типичная усредненная кривая намагничивания для ряда машин показана на рис. 3.18. Так как I_вн соответствует допустимому нагреву обмоток возбуждения, то при регулировании скорости в условиях продолжительной работы ток возбуждения можно только уменьшать.