Электромеханические системы

 

б)  Торможение противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью

В режиме противовключения изменяет знак скорость двигателя при сохранении знака момента или знак момента  двигателя при сохранении знака  скорости.

Первый случай имеет место при  воздействии активного момента  статической нагрузки, превышающего момент короткого замыкания на данной характеристике.

В результате изменения знака скорости ЭДС двигателя будет совпадать с приложенным напряжением, и ток в якоре определится выражением:

Второй случай используется для остановки двигателя путем изменения полярности напряжения, подводимого к его якорю.

Вследствие механической инерции  скорость двигателя и ЭДС в  начальный момент сохраняются неизменными, а ток будет равен:

На механических характеристиках (рис. 3.3) торможению противовключением соответствуют участки cd и c’d’.

В режиме торможения противовключением энергии поступает в привод и со стороны механизма, и от сети и рассеивается в сопротивлениях якорной цепи; в предыдущем случае энергия, поступающая от механизма, передавалась в сеть.

 

в) Динамическое торможение или генераторный режим работы независимо от сети

Если якорная цепь отключена  от источника питания и замкнута на внешний резистор, то при вращении двигателя от внешнего источника  или по инерции в якорной цепи индуцируется ЭДС и протекает  ток  , создающий момент. Характеристики проходят через начало координат - штрих-пунктир на рис. 3.3.

 

 

3.3. Характеристики и  режимы при независимом возбуждении, I=const

 

В ряде применений якорная цепь двигателя  постоянного тока независимого возбуждения питается не от источника напряжения, как в предыдущем случае, а от источника тока (I=const) - рис. 3.4. При этом, естественно, сохраняют силу фундаментальные соотношения (3.1)-(3.3), однако свойства электропривода радикально изменяются.

Рис. 3.4. Схема двигателя  постоянного тока независимого возбуждения  при питании от источника тока

 

Электромеханическая и механическая характеристики представлены теперь вертикальными прямыми (рис. 3.5)

 I = const        (3.6)

и

М = kФI = const     (3.7)

и привод приобретает новое свойство “источника момента”. Это связано  с тем, что источник питания - источник тока - нейтрализует действие ЭДС, она теперь уже не играет роли внутреннего регулятора и не влияет на скорость. В свою очередь, напряжение U становится зависимой переменной

U = E + IR = kФw  + IR,   (3.8)

и характеристика (рис. 3.5) определяет энергетические режимы работы электропривода.

Рис. 3.5. Характеристики электропривода при питании якоря от

источника тока

 

Режима идеального холостого хода в рассматриваемой структуре  нет - “источник момента”.

Двигательный режим соответствует  участку ab в I квадранте: Мw > 0, т.е. механическая энергия поступает к потребителю - технологической машине, UI  > 0 - электрическая энергия поступает к своему потребителю - двигателю.

Режим короткого замыкания - точка a, здесь Е = 0 и U = IR.

На участке ac  Мw < 0, т.е. механическая энергия поступает от технологической машины и, преобразуясь в электрическую, передается в якорную цепь; по-прежнему IU > 0 - электрическая энергия от источника тока также поступает в якорную цепь. Этот режим мы определили раньше как торможение противовключением.

В точке с U = 0 - режим динамического торможения: вся поступившая механическая энергия рассеивается в сопротивлениях якорной цепи.

И, наконец, на участке cd Мw < 0 и UI< 0 - рекуперативное торможение, если источник тока позволяет передать энергию в сеть. Если источник тока обладает односторонней проводимостью (пунктир на рис. 3.4) этого режима не будет, и электропривод будет продолжать работать в режиме динамического торможения (пунктир на рис. 3.5).

 

 

3.4 Характеристики и  режимы при последовательном возбуждении

 

В электроприводах постоянного  тока иногда используются двигатели  с последовательным возбуждением, когда  специально выполненная обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря - рис. 3.6

Рис. 3.6. Схема двигателя постоянного тока последовательного

возбуждения

 

Для двигателя последовательного  возбуждения, как и для других двигателей постоянного тока при питании якоря от источника напряжения (U=const), справедливы уравнения (3.4) и (3.5), однако, если для двигателя независимого возбуждения поток не зависит от тока нагрузки, то для двигателя последовательного возбуждения поток является функцией тока нагрузки.

Зависимость Ф = j(I) - характеристика намагничивания - не имеет простого аналитического выражения, ее примерный вид изображен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Характеристика намагничивания машины постоянного тока

 

В первом приближении зависимость  между скоростью двигателя и  развиваемым им моментом в установившемся режиме можно найти в предположении, что поток возбуждения и ток в якоре двигателя связаны между собой линейной зависимостью (пунктир на рис. 3.7):

.

Тогда

  ,

а поскольку  

M = kФI = kaI²,

то

                                       .

Таким образом, при сделанном допущении  механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения изображается гиперболой (рис. 3.8); одной из ее асимптот является ось ординат, а другой - прямая, параллельная оси абсцисс,

                                           .

Рис. 3.8. Механическая характеристика двигателя последовательного 

возбуждения

 

Жесткость механической характеристики двигателя последовательного возбуждения переменна и возрастает с увеличением нагрузки.

Полученные уравнения дают лишь общее представление о характеристиках электропривода с двигателем последовательного возбуждения, так как в действительности магнитная система машины насыщена и кривая намагничивания весьма далека от прямой. Поэтому в практических целях обычно пользуются универсальными характеристиками для серии машин - рис. 3.9, построенными в относительных величинах   и , I_н и М_н - номинальные величины двигателя, R_доп = 0.

Рис. 3.9. Характеристики двигателя последовательного возбуждения в

относительных величинах

 

Электропривод с двигателями последовательного  возбуждения в нормальной схеме (U=const) может работать в тех же энергетических режимах, что и привод с двигателями независимого возбуждения, за исключением режима идеального холостого хода и генераторного режима параллельно с сетью (рекуперативное торможение), поскольку при нагрузке, стремящейся к нулю, к нулю стремится и магнитный поток, ось - асимптота механической характеристики.

Некоторые особенности при последовательном возбуждении имеет режим динамического  торможения.

Если якорь вращающейся машины отключить от источника напряжения и замкнуть на внешний резистор (рис. 3.10, схема слева), то под действием потока остаточного магнетизма (Ф_ост на рис. 3.7) в проводниках якоря возникает некоторая ЭДС Е_ост, которая вызовет в замкнутой цепи ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения в обратном против исходного направления размагнитит машину (Ф = 0) и тормозного момента создано не будет.

Рис. 3.10. К режиму динамического  торможения с самовозбуждением

 

Для того, чтобы получить тормозной момент, ток, созданный Е_ост, должен протекать в том же, что и раньше, направлении, усиливая магнитный поток, т.е. создавая самовозбуждение. Это условие выполнится, если при переходе на режим торможения переключить обмотку возбуждения как показано на рис. 3.10, схема справа.

Ток, создаваемый увеличивающейся  ЭДС, изменит знак, момент будет направлен против движения, т.е. станет тормозным.

Работа машины постоянного  тока с самовозбуждением возможна лишь при определенных условиях, а именно при таких значениях скорости и сопротивления R цепи якоря, чтобы имело место равенство

E = IR,      (3.11)

Существованию этого равенства отвечает наличие точки пересечения кривых (при данной скорости) и прямой IR = f(I) - рис. 3.11. Очевидно, что чем больше R, тем при большей скорости произойдет самовозбуждение машины.

а)                                                         б)

Рис. 3.11. Характеристики динамического  торможения с

самовозбуждением

 

Наименьшая скорость, при  которой машина может самовозбуждаться, будет при R_доб = 0, то есть при замкнутой накоротко якорной цепи машины.

Построение механической характеристики в режиме динамического торможения при самовозбуждении можно произвести, исходя из уравнения баланса мощностей.

Мощность, развиваемая двигателем в режиме динамического торможения, целиком рассеивается в сопротивлениях якорного контура, то есть

(-I)²R = - Mw,

откуда

.      (3.12)

Зная R и задаваясь током I, по универсальной характеристике определяют соответствующий этому току момент М, вычисляют скорость и т.д. Характер зависимой в тормозном режиме при самовозбуждении изображен на рис. 3.11,б.

В электроприводах постоянного  тока иногда используются двигатели  смешанного возбуждения, имеющие две  обмотки возбуждения, одна из которых включена последовательно в якорную цепь, а другая имеет независимое питание.

Двигатели последовательного возбуждения  могут получать питание не только от источника напряжения, что было рассмотрено выше, но и от источника  тока. Поскольку при этом магнитный  поток будет неизменным, сохраняются и основные свойства электропривода, рассмотренные ранее.

 

 

3.5. Номинальный режим.  Допустимые значения координат

 

Рассматривая свойства и режимы электроприводов постоянного тока, мы интересовались лишь общими соотношениями  и главными соразмерностями, не обращая внимания на реализуемость тех или иных режимов, на технические ограничения, играющие решающую роль в любых практических задачах.

Далее мы рассмотрим кратко определение допустимых значений основных координат - тока, момента, скорости.

В основе всех этих оценок лежат номинальные данные двигателя, указываемые обычно на заводском шильдике или в паспорте двигателя.

К таким данным для двигателей, предназначенных для работы в  продолжительном режиме, относятся номинальные напряжение U_н, В; ток I_н, А; мощность на валу Р_н, кВт; частота вращения n_н, об/мин ( 1/c); КПД h_н; напряжение возбуждения U_вн, В; ток возбуждения I_вн (для двигателей независимого возбуждения), момент инерции J_н, кг×м², исполнение двигателя IP. Другие сведения обычно в паспорте не приводятся.

Номинальные данные соответствуют  одной точке в плоскости  - М с допустимыми и благоприятными значениями всех основных величин в оговоренном (в нашем случае, продолжительном) режиме, хотя в действительности электропривод работает в любых точках и совсем не при номинальных данных.

Номинальные данные используются для построения основных - естественных - характеристик двигателя, служащих, как отмечалось ранее, основой для получения искусственных характеристик при регулировании координат.

В электроприводах с  двигателями независимого возбуждения  все механические и электромеханические характеристики - прямые линии и для их построения достаточно двух точек, например, точки идеального холостого хода (М = 0, w = w₀) и номинального режима (М = М_н и w = w_н). Две из указанных координат (М_н и ) должны быть определены по номинальным данным, причем и М_н = kФ_нI_н, т.е. нужно знать величину kФ_н. Для ее определения удобно воспользоваться уравнением (3.4) с номинальными величинами, откуда получим:

  ;     (3.13)

здесь неизвестно сопротивление якорной  цепи R_я - обмотки якоря, щеточного контакта, дополнительных обмоток, если они используются.

Лучше всего иметь надежную оценку R_я, однако часто это связано с трудностями. Тогда прибегают к грубой (иногда - очень грубой) оценке, построенной на предположении, что половина номинальных потерь DР_н - это потери в меди обмотки:

0,5 DР_н » I_н²R_я,

откуда

.  (3.14)

Номинальный электромагнитный момент М_н, определенный как

М_н = kФ_нI_н,

больше номинального момента на валу

на величину DМ, что следует иметь в виду при расчетах.

Естественные характеристики двигателей при питании от источника тока строятся на основании изложенных соображений по определению параметра R_я и оценке М_н.