Устройство электрических двигателей

 

Из питающей сети (1) переменное напряжение промышленной частоты (~ U, = f) поступает на вход выпрямителя (2).

Для сглаживания пульсаций  выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается фильтр (3).

И уже постоянное (= U) (сглаженное) напряжение подаётся на вход управляемого импульсного инвертора тока (4).

Электронные ключи инвертора по сигналам системы управления (8) открываются и запираются таким образом, что формируемые при этом различные по длительности импульсы тока складываются в результирующую кривую синусоидальной формы с необходимой частотой.

Для сглаживания пульсаций, на выходе инвертора может устанавливаться  дополнительный высокочастотный фильтр (5).

Затем напряжение подаётся на обмотки электродвигателя (М), который является приводом механизма технологической системы (6).

Подлежащий регулированию  параметр технологической системы  измеряется датчиком (7), управляющий сигнал от которого подаётся в систему управления ЧРП (8). Либо внешняя система управления (9) собирает информацию о многих параметрах, характеризующих работу технологической системы, обрабатывает её и подаёт результирующий сигнал в систему управления приводом.

В зависимости от величины, иногда скорости изменения этого  сигнала, и программных установок, микропроцессорная система управления ЧРП формирует и подаёт управляющие  импульсы на электронные ключи выпрямителя  и инвертора.                             Для самоконтроля и защиты система управления собирает и обрабатывает сигналы о наличии или величине ряда параметров, характеризующих работу собственных подсистем. Контролируются токи и напряжения на входе, выходе из преобразователя и в магистрали постоянного тока. Измеряется температура элементов и регулируется производительность системы охлаждения преобразователя. Контролируется состояние отдельных элементов вплоть до отдельного ключа. При наличии специального датчика в корпусе электродвигателя измеряется, а при отсутствии датчика рассчитывается по электрическим характеристикам потребляемой двигателем энергии температура двигателя.

Таковы общие принципы частотного регулирования электроприводов. Конкретные схемные решения в зависимости от условий различны, различаются и принципы управления частотно-регулируемым электроприводом.

Как и большинство технических  решений такого рода, частотное регулирование  электроприводов имеет свои недостатки и ограничения.

6.4 Автоматическое управление двигателями переменного тока.

 

   Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором запускают прямым включением в сеть. Схемы управления двигателями переменного тока имеют коммутационную аппаратуру, устройства защиты и различные блокировки. Простейшей схемой управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором является схема с автоматом и контактором или с реверсивным магнитным пускателем.

   

 

 

 

 

     Рис.21

Схема пуска асинхронного двигателя с помощью контактора показана на рис.21

 

 

 

 Защитные функции выполняет автомат QF, отключающий двигатель при коротких замыканиях и чрезмерных бросках тока. Контактор КМ обеспечивает дистанционное управление двигателем с помощью кнопок управления SB1, SB2.

Схема управления асинхронного двигателя с помощью реверсивного магнитного пускателя показана на рис.22

 

 

Рис.22

 

 

 Защита двигателя от  коротких замыканий осуществляется плавкими вставками, а от перегрузок – встроенными в магнитный пускатель M тепловыми реле FP1 и FP2. Магнитный пускатель производит дистанционный пуск, реверс и остановку асинхронных двигателей мощностью до 75кВт, работающих в продолжительном режиме. Иногда его можно использовать при кратковременном или повторно-кратковременном режиме с небольшим количеством включений в час. Командным аппаратом является кнопочная станция с кнопками SB1 («Стоп»), SB2 («Назад») и SB3 («Вперед»). Торможение в рассмотренных схемах осуществляется за счет трения в подвижных частях механизма.

Схема торможения асинхронного электродвигателя в  функции  времени (Рис.23, а). При вращении двигателя реле времени КТ включено и замыкающим контактом подготавливает цепь контактора торможения КМТ к работе. При нажатии кнопки SB1(«Стоп») контактор КМ теряет питание и своим размыкающим контактом подключает контактор КМТ к сети. Начинается процесс динамического торможения двигателя,  длительность которого определяется установкой реле КТ.

 

 

Рис.23, а.  Схема динамического  торможения  асинхронного двигателя  в функции времени

 

Схема торможения АД в функции времени с прямым её контролем индукционным реле (Рис.23, б). При включенном двигателе контактор КМВ втянут, реле КС, замкнув свой контакт, подготовило к включению контактор КМТ. После нажатия кнопки SB1(«Стоп») контактор КМВ отключается и своим вспомогательным контактом включает контактор КМТ. Начинается процесс торможения в режиме противовключения. При угловой скорости двигателя, близкой к нулю, контакт реле К размыкается и отключает контактор КМТ, двигатель останавливается.

 

 

Рис.23, б

 

 

7 Типовые схемы управления электрическими двигателями постоянного тока

 

7.1 Пуск в ход двигателей постоянного тока

 

В начальный момент пуска  в ход якорь двигателя неподвижен, противо-ЭДС равна нулю (Е=0). При непосредственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой ток I_пус=U/R_я.  Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателя очень маленькой мощности, у которых значение падения напряжения в якоре относительно большое и изменения тока не столь велики.

В машинах постоянного  тока большой мощности падение напряжения в  обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентов  от номинального напряжения, т.е.

IR_я=(0,02—0,01)U. Следовательно, пусковой ток в случае включения двигателя в сеть с номинальным напряжением во много раз превышает номинальный.

При пуске в ход  для  ограничения пускового тока используют реостаты, включаемые   последовательно     с        якорем двигателя.

Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный  режим работы, и выполняются ступенчатыми, что дает возможность изменять ток  в якоре двигателя в процессе пуска его в ход.

Схема двигателя параллельного  возбуждения с пусковым реостатом  показана на рис.24.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рис.24

Пусковой реостат этого  двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш. Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с металлической шиной, помещенной на реостате (шунт). Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочный резистор Rр присоединяется обмотка возбуждения. Другие зажимы якоря и обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены к другому полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть. При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так, что последовательно с якорем соединено полное сопротивление реостата ПР, которое выбирается таким, чтобы больший ток при пуске в ход I_max не превышал номинальный ток более чем в 1,7¸2,5 раза, т.е. R_n=(U/I_max)—R_я. При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент. Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на валу двигателя (М_пуск>М_т), то якорь машины придет во вращение.

Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения I_min, движок пускового реостата переводится на контакт 2, при этом сопротивление реостата уменьшится на одну ступень. Ток в якоре снова возрастет до значения I_max, а с увеличением тока в якоре возрастет вращающий момент, вследствие чего частота вращения ротора вновь увеличится. Переключая движок реостата, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено (движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частота вращения якоря принимают установившиеся значения.

При отключении двигателя  от сети  металлическая шина пускового  реостата должна быть соединена с  зажимом 1. Это необходимо для того, чтобы не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющий значительную индуктивность. Кроме того, движок пускового реостата переводится на холостой контакт 0, и рубильник отключается.

 

       7.2 Регулирование частоты вращения  двигателей постоянного тока

 

В двигателях постоянного  тока имеется возможность плавно и экономично регулировать частоту  вращения в широких пределах. Благодаря  этому весьма ценному свойству они  получили широкое распространение  и часто являются незаменимыми. Частота  вращения якоря двигателя при  любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:

 

,

где Rc – сопротивление последовательной обмотки возбуждения (Для двигателя параллельного возбуждения Rc=0). Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.

Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.

Для регулирования частоты  вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат,  включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается КПД двигателя.

Регулируют частоту  вращения якоря двигателя также  изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением. Этот способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.

 

 

 

           7.3 Автоматическое управление двигателями постоянного тока

 

Типовая схема автоматического  пуска двигателя в функции  времени в две ступени показана на рис.25

 

Рис.25

Для автоматического пуска  используют два электромагнитных реле времени КТ1 и КТ2, контакты которых работают с выдержкой времени только при отключении реле. После подачи напряжения в цепь управления (перед пуском двигателя) реле КТ1 получает питание и, втягиваясь, размыкает свой контакт, не позволяя тем самым сразу включать контакторы ускорения КМ2 и КМ3. После включения контактора КМ1 двигатель работает на искусственной характеристике 1 (см.рис.26).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.26

 

Реле КТ1 (Рис.25) начинает отсчет времени и через время t₁, определяемое его установкой, замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Срабатывание контактора ускорения КМ2 приводит к закорачиванию сопротивления добавочного резистора R₁, и двигатель разгоняется по искусственной характеристике 2 (Рис.26) Одновременно закорачивается катушка КТ2, и через время t₂ реле КТ2 своим замыкающим контактом включает контактор КМ3. При этом происходит шунтирование сопротивления добавочного резистора R₂ и двигатель выходит на естественную характеристику 3 (см.рис.26), на которой двигатель разгоняется до установившейся угловой скорости w_уст.

Остановка двигателя в  схемах автоматического управления обычно происходит в режиме динамического  торможения или противовключением. Динамическое торможение чаще всего  осуществляется в  функции скорости, ЭДС или времени. Типовая схема управления динамическим торможением двигателем постоянного тока в функции ЭДС показана на рис.27

 

Рис.27

В исходном состоянии перед  торможением двигатель работает с установившейся угловой скоростью w_уст. Контактор КМ1 включен, и пусковые сопротивления закорочены. После нажатия кнопки SB1 («Стоп») контактор КМ1 отключается и своим силовым контактом отсоединяет якорь двигателя от сети. Размыкающий вспомогательный контакт КМ1 закрывается в цепи реле KV, которое оказывается под напряжением V»e_д, так как двигатель продолжает вращаться и при наличии тока возбуждения в якоре наводится ЭДС. Реле KV срабатывает и включает контактор напряжения KM, который подключает сопротивление торможения к цепи якоря. Двигатель переходит в режим динамического торможения (Рис.27). При снижении скорости двигателя уменьшается его ЭДС, катушка реле KV отключается и контактор КМ2 теряет питание. Реле KV должно срабатывать при минимально Возможном напряжении.

 

           7.4 Реверсирование двигателя постоянного тока

 

Для того чтобы изменить направление вращения двигателя  постоянного тока необходимо изменить полярность питания на обмотке возбуждения или якоре.  Изменение полярности питания двигателя направление вращения не изменит. Простейшая схема реверсирования двигателя приведена на рис.34.