Электропривод с двигателями постоянного тока

метки: Электропривод, Двигатель, Характеристика, Постоянный, Скорость, Регулирование, Система, Момент

Электропривод с двигателями постоянного тока

1. Схема включения, статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 3.1, а. На рис. 3.1 приняты обозначения: I и IВ — токи якоря и обмотки возбуждения ОВ; Е-ЭДС якоря; и М-скорость и момент двигателя; Rв и Rд — соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать);

— полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоря rо, я, дополнительных полюсов rд, п, компенсационной rк, о и щеточного контакта rщ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения, хотя во многих случаях используется только один источник

Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде

(3.1)

(3.2)

(33)

где — полное сопротивление цепи якоря, Ом;

• Ф — магнитный поток ДПТ, Вб;
• угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с;
• k=рN/(2а) — конструктивный коэффициент ДПТ;
• р — число пар полюсов;
• N — число активных проводников обмотки якоря;
• а — число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставляя (3.2) в (3.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ

(3.4)

Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (3.4) заменой в нем тока на момент по выражению (3.3)

(3.5)

В соответствии с (3.4) и (3.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (3.4) и (3.5) представляются в следующей форме записи:

, (3.6)

где — скорость идеального холостого хода двигателя,

; (3.6 а)

• перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода,

На рис. 3.1, б показаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряжения U, причем поскольку kФ=const, то М~I и характеристики представлены совмещенными линиями.

Характеристики автомобильных двигателей

... какого-либо регулировочного параметра (угол опережения зажигания, коэффициент избытка воздуха ит. п.). Характеристики двигателя позволяют судить о возможности его использования для работы с данным потребителем. Специфические ...

На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (3.4) и (3 5) при U=0

; (3.7)

(3.8)

Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 3.2 Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети.

Полученные выражения (3.4) и (3.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря Rд, магнитного потока Ф и напряжения U, подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются

Энергетический режим работы двигателя зависит от механических М, и электрических Е, I координат двигателя, определяющих его механическую и электромагнитную мощности.

В табл. 3.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов — двигательного и генераторного и двух граничных режимов — холостого хода и короткого замыкания.

Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента — нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания — равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.

Основываясь на данных табл. 3.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 3.1, б при положительной полярности U.

1. Режим холостого хода имеет место в точке А, где I=0, М=0, =0 и E=U=kФ0 . Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 3.3, а.

Таблица 3.1

Режим	Координаты
	механические	электрические
Двигательный	М>0; >0 М<0; <0	Е<0; I>0 E>0; I<0
Генераторный	М>0; <0 М<0; >0	E>0; I>0 Е<0; I<0
Холостой ход	М=0; =0	E=U; I=0
Короткое замыкание	M=Mк,з;=0	E=0; I=Iк,з

2. Двигательный режим имеет место на участке I при 0<<0, т.е. в первом квадранте, где и М совпадают по направлению. В этом режиме |Е| <|U|, ток I=(U-E)/R совпадает по направлению с U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия ЭЭ (рис. 3.3, б) поступает из сети, а механическая энергия МЭ отдается с вала ДПТ.

3. Генераторный режим работы ДПТ параллельно с сетью, или режим рекуперативного торможения, имеет место на участке II. На участке II >0, поэтому ЭДС становится больше напряжения сети, ток и момент изменяют свое направление на противоположное. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (рис. 3.8, в).

4. Режим короткого замыкания наступает при =0, E=0. В этом режиме согласно (3.1) I= Iк,з =U/R, электрическая энергия ЭЭ (рис. 3,3, г), поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как =0.

5. Режим генератора последовательно с сетью, или режим торможения противовключением, наступает при <0 (участок III характеристики).

За счет изменения направления скорости изменяется направление ЭДС, которая теперь совпадает по направлению с напряжением сети. Двигатель оказывается включенным последовательно с сетью, ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е. . В результате этого электрическая энергия поступает из сети (рис. 3.3, д) и вырабатывается самим ДПТ за счет поступающей на его вал механической энергии. Электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. По этой причине рассматриваемый режим в тепловом отношении является для ДПТ наиболее трудным, так как связано необходимостью рассеивания в виде тепла значительного количества энергии.

6. Режим генератора независимо от сети, или режим динамического торможения, имеет место при отключении якорной цепи ДПТ от сети и закорачивании ее на добавочный резистор или накоротко (отметим, что закорачивание накоротко якоря электрической машины не означает для нее режима короткого замыкания).

Ток в якоре протекает под действием ЭДС и совпадает с ней по направлению, электрическая энергия ЭЭ (см. рис. 3.3, е), вырабатываемая за счет механической энергии, поступающей с вала, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи.

2. Регулирование скорости, тока и момента ДПТ независимого возбуждения с помощью резисторов в цепи якоря

Этот способ, часто называемый реостатным, является весьма простым по своей реализации и поэтому широко используется для регулирования скорости, тока и момента ДПТ. Семейство искусственных (регулировочных) характеристик ДПТ можно получить, проанализировав, например, как изменяется скорость холостого ДПТ 0 и наклон его характеристик при варьировании сопротивления добавочного резистора Rд,. Из (3.6а) видно, что 0 не зависит от Rд, поэтому все искусственные характеристики пересекаются на оси скорости в точке с координатой =0; I=0; М=0.

Кроме того, наклон характеристики, определяемый перепадом скорости , пропорционален (при фиксированных значениях тока I и момента М) полному сопротивлению якоря. Поэтому по мере увеличения Rд, наклон характеристик также увеличивается, они становятся более мягкими.

Проведенный анализ позволяет изобразить искомое семейство электромеханических и механических характеристик в виде совокупности линий, показанных на рис. 3.4. При Rд=0 ДПТ имеет естественные механическую и электромеханическую характеристики, на которых находится точка номинального режима с координатами ном, Iном и ном, Мном.

а) Регулирование скорости. Оценим данный способ регулирования скорости по основным показателям, рассмотренным в § 2.2.

1. Диапазон регулирования скорости небольшой и обычно не превосходит 2-3. Причина этого заключается в снижении жесткости характеристик по мере увеличения Rд и, как будет показано далее, в значительных потерях мощности при больших диапазонах регулирования скорости.

2. Направление регулирования скорости-вниз от естественной характеристики.

3. Плавность регулирования скорости определяется плавностью изменения Rд. Если сопротивление этого резистора изменяется плавно, то данный способ обеспечивает плавное регулирование скорости, если же Rд изменяется ступенчато, то и регулирование скорости будет неплавным. Чаще всего рассматриваемый способ обеспечивает ступенчатое регулирование скорости.

4. Стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования и в общем случае является невысокой.

5 Экономичность регулирования скорости оценим, сопоставив требуемые капитальные затраты на реализацию данного способа и стоимость потерь мощности при регулировании. Капитальные затраты на приобретение добавочных резисторов невелики, так как стоимость используемых резисторов обычно мала. В то же время потери мощности и соответственно расход электроприводом электрической энергии и ее стоимость оказываются значительными. Покажем это

Потери мощности в ДПТ Р определяются разностью мощностей, потребляемой из сети, P1=UI и полезной механической P2=M, отданной с вала,

Выполнив несложные преобразования, получим

, (3.9)

где — относительный перепад скорости.

Из (3 9) видно, что уже при снижении скорости в 2 раза по сравнению со скоростью идеального холостого хода 0, т. е. при и , половина всей потребляемой из сети мощности P1 идет на потери мощности в самом ДПТ. Таким образом, КПД привода уже при D=2 не превышает 50 %, а при больших диапазонах снижается в еще большей степени

6. Допустимую нагрузку ДПТ на искусственных характеристиках найдем, если в (3.3) положим Ф=Фном и I=Iном. Тогда получаемое выражение определит допустимый по условиям нормального нагрева момент ДПТ

, (3.10)

который оказывается равным номинальному моменту двигателя Мном. Таким образом, при работе ДПТ на искусственных характеристиках он может быть нагружен моментом нагрузки, равным номинальному моменту ДПТ, находясь при этом в нормальном тепловом режиме. Это заключение полностью справедливо для тех ДПТ независимого возбуждения, у которых условия охлаждения не изменяются по мере снижения их скорости. К таким ДПТ относятся, например ДПТ с независимой внешней вентиляцией и закрытые ДПТ без вентилятора. В тех же случаях, когда ДПТ охлаждается за счет собственного вентилятора на валу, при снижении скорости его охлаждение ухудшается, что требует соответствующего снижения момента нагрузки.

Несмотря на не очень высокие технико-экономические показатели, реостатное регулирование скорости из-за простоты своей реализации используется достаточно широко тогда, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости движения исполнительного органа или когда работа на пониженных скоростях имеет кратковременный характер. В частности, такое регулирование применяется в электроприводах подъемных кранов, некоторых металлорежущих станков, лифтов.

б) Регулирование (ограничение) тока и момента. Получаемые искусственно характеристики широко используются для регулирования (ограничения) тока и момента ДПТ независимого возбуждения в переходных процессах, в которых ток и момент могут принять недопустимо большие значения для ДПТ. Так, в первый момент пуска ДПТ находится в режиме короткого замыкания (=0; E=0) и ток короткого замыкания при его пуске по естественной характеристике определяется соотношением . Из-за малости Rя (доли ома или единицы ом) , в то время как допустимый для ДПТ общепромышленного назначения ток . Таким образом, возникает необходимость ограничения тока (и тем самым момента) при пуске ДПТ, что может быть достигнуто введением в цепь якоря добавочных пусковых резисторов. Такая же необходимость возникает при реверсе и торможении ДПТ независимого возбуждения.

Для ограничения тока и момента при пуске в простейшем случае используется одна искусственная характеристика 1 (рис. 3.5).

Порядок пуска ДПТ следующий: вначале он начинает работать по характеристике 1 при наличии в цепи якоря добавочного резистора Rд1. Далее при скорости 1 резистор Rд1 закорачивается и ДПТ переходит на естественную характеристику. Сопротивление резистора Rд1 выбирается из условия обеспечения допустимого тока в начальный момент пуска

, (3.11)

где Iдоп — допустимый ток.

Во многих случаях при пуске ДПТ используется не одна, а несколько искусственных характеристик. Их количество зависит от момента нагрузки электропривода и требований плавности переходных процессов.

Динамическое торможение ДПТ осуществляется отключением якоря от сети и замыканием его по схеме рис. 3.2 на резистор Rд2. Двигатель переходит на характеристику динамического торможения 2 (рис. 3.5), по которой и происходит торможение.

Сопротивление резистора Rд2 определяется по допустимому броску тока в первый момент перехода в режим динамического торможения. Так как в этот момент , то EU, и сопротивление Rд2 определится как

(3.12)

Реверс или торможение противовключением осуществляется изменением полярности напряжения на якоре ДПТ с одновременным вводом в якорь резистора Rд3. Двигатель переходит на характеристику 3 (рис. 3.5), попадая в режим торможения противовключением. В этом режиме ЭДС и напряжение сети совпадают по направлению, поэтому резистор Rд3 определяется по выражению

• (3.13)

В некоторых случаях для достижения более точного регулирования тока и момента в переходных режимах используется не одна искусственная характеристика, а несколько, как, например, при реализации пусковой диаграммы ДПТ (см. рис. 3.8).

Отметим, что в рассматриваемом случае резисторы вводятся в цепь якоря только в переходных режимах работы ДПТ.

в) Расчет регулировочных резисторов. Выражения (3.11)-(3.13) позволяют рассчитать сопротивления добавочных резисторов в цепи якоря ДПТ по критерию допустимого тока. Рассмотрим теперь общие методы расчета сопротивлений регулировочных резисторов.

Задача формируется следующим образом: известны технические данные ДПТ и его естественная электромеханическая характеристика.

По условиям регулирования скорости, тока или момента задана искусственная характеристика (прямые 1-3 на рис. 3.6).

Требуется определить сопротивление добавочного резистора, при включении которого в цепь якоря будет обеспечена заданная характеристика.

Метод отрезков. Для получения расчетной формулы этого метода запишем согласно (3.4) выражение для скорости ДПТ на заданной искусственной характеристике при номинальных токе, моменте, магнитном потоке и напряжении

• (3.14)

Так как , то (3.14) можно записать так:

(3.15)

где — так называемое номинальное сопротивление ДПТ, Ом.

Из (3.15) получаем следующее соотношение:

, (3.16)

которое отражает очень важное свойство ДПТ: относительный перепад скорости ДПТ равен относительному активному сопротивлению цепи якоря R/Rном. Отметим, забегая вперед, что это свойство характерно и для других типов двигателей, в частности асинхронных. Пропорцию (3.16) удобно решать графически, для чего обратимся к рис. 3.6. Обозначим на нем характерные точки а, b, с, d и отметим, что ; . Тогда

; (3.17)

; (3.18)

• (3.19)

Таким образом, для нахождения Rд следует по характеристикам определить длины отрезков bc и ad при номинальном токе, рассчитать номинальное сопротивление и затем воспользоваться формулой (3.18).

Этот же порядок расчета сохраняется тогда, когда исходными являются механические характеристики ДПТ. В этом случае длины отрезков определяются при номинальном моменте.

Данный метод справедлив также и при расчете резисторов в схеме динамического торможения. Опуская вывод, который может быть сделан аналогичным образом, приведем окончательную формулу для расчета Rд,т, обеспечивающего характеристику динамического торможения вида 2 на рис. 3.6,

• (3.20)

Отметим, что характеристика 3 на этом рисунке соответствует Rд,т=0 и располагается параллельно естественной характеристике.

Метод пропорций. При применении этого метода используется выражение для перепада скорости на характеристиках ДПТ. Если согласно (3.6) записать выражения для на естественной и искусственной электромеханической или механической характеристике при одном и том же токе Ii или моменте Мi (рис. 3.6), а затем найти их отношение, то получится следующая пропорция:

• (3.21)

Определяя из (3.21) Rд, получаем формулу для расчета Rд методом пропорций

(3.22)

Значения e и и находятся, как и ранее, по характеристикам рис. 3.6.

При расчетах регулировочных резисторов в цепях якоря ДПТ независимого возбуждения необходимо знать собственное сопротивление якоря ДПТ Rя. Назовем возможные способы его нахождения.

1. Некоторые заводы-изготовители приводят в каталогах значение Rя.

2. В справочной литературе по электрическим машинам, например [41], даются обобщенные зависимости относительного сопротивления якоря от мощности Рном для ДПТ некоторых серий. Для примера на рис. 3.7 приведена эта зависимость для ДПТ серии Л (1-11-й габариты).

3. При наличии ДПТ сопротивление Rя может быть определено экспериментально, путем непосредственного измерения его между щетками ДПТ

4. При невозможности воспользоваться указанными выше способами может быть применена следующая приближенная формула для определения Rя по номинальным паспортным данным ДПТ:

(3.23)

где ном — номинальный КПД двигателя.

5. При наличии экспериментально снятой электромеханической или механической характеристики ДПТ значение Rя может быть определено по методу отрезков с помощью формулы (3.19).

Пример 3.1. Рассчитать и построить естественные электромеханическую и механическую характеристики ДПТ, имеющего следующие паспортные данные: Рном=2,2 кВт; Uном=220 В; Iном=13 А; nном=1000 об/мин; ном =77 %; Iв,ном=0,73 А; Rо,в=300 Ом.

Для построения искомых характеристик, которые представляют собой прямые линии, достаточно определить координаты двух точек: номинального режима и холостого хода

1. Для точки номинального режима определяем номинальную угловую скорость

номинальный момент

номинальное сопротивление ДПТ

2. Далее по приближенной формуле (3.23) находим сопротивление якорной цепи

3. Используя (34), определяем значение

4. Скорость идеального холостого хода согласно (3.6а) равна

5. По координатам точек холостого хода (0, 0) и номинального режима (ном, Iном) на рис 38 построена естественная электромеханическая характеристика ДПТ независимого возбуждения Естественная механическая характеристика также может быть построена по этим же двум точкам

Пример 3.2. Рассчитать и построить для ДПТ (см. пример 3 1) пусковую диаграмму при использовании двух ступеней пускового резистора.

Построение пусковой диаграммы ДПТ осуществляется в следующем порядке.

1. Рассчитывается максимально допустимый при пуске ток I1=Iдоп. Для рассматриваемого примера примем

2. Определяется ток переключения I2, значение которого можно получить двумя путями;

• а) подбором с таким расчетом, чтобы число искусственных характеристик равнялось двум, а ток в переходном процессе не превосходил Iдоп;

б) расчетом с помощью следующей формулы, которая приводится без вывода:

(3.24)

где т — число заданных ступеней пускового резистора.

Методом подбора из рис. 3.8 находим I2=16 А. Отметим, что если пуск ДПТ осуществляется под нагрузкой, то ток I2 должен на 10-20 % превосходить ток нагрузки Iс, т. е. должно соблюдаться равенство:

3. С помощью метода отрезков определяем сопротивление ступеней пускового резистора

Искусственная характеристика I на рис. 3.8 соответствует наличию в цепи якоря обеих ступеней пускового резистора Rд1+Rд2, а характеристика 2-второй ступени Rд2. На рис. 3.8 изображена также схема якорной цепи двигателя при реализации этой пусковой диаграммы.

3. Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения изменением магнитного потока

Искусственные характеристики ДПТ независимого возбуждения, получаемые путем изменения магнитного потока ДПТ, используются главным образом для регулирования скорости. Этот способ находит широкое применение в автоматизированном электроприводе вследствие простоты его реализации и экономичности, так как регулирование осуществляется в относительно маломощной цепи возбуждения ДПТ.

Регулирование магнитного потока при использовании этого способа производится только в сторону его уменьшения (ослабления) по сравнению с номинальным за счет уменьшения тока возбуждения IВ. Причины этого кроются в следующих двух обстоятельствах.

1. Увеличение магнитного потока должно вызываться соответствующим увеличением тока возбуждения ДПТ. Однако поскольку номинальный магнитный поток создается номинальным током возбуждения, то увеличение тока возбуждения выше номинального вызывает дополнительный нагрев ДПТ, что недопустимо.

2. Двигатель рассчитан и сконструирован таким образом, что его магнитная система близка к насыщению.

Это обстоятельство отражается в расположении номинальной точки на кривой намагничивания ДПТ (рис. 3.9) в области насыщения. По этой причине стремление увеличить магнитный поток не даст заметного практического результата.

Возможные схемы включения обмотки возбуждения ДПТ независимого возбуждения приведены на рис. 3.10. Схема рис. 3.10, а предусматривает включение в цепь возбуждения добавочного резистора Rв, за счет чего ток возбуждения Iв и тем самым магнитный поток могут быть уменьшены. В схеме рис. 3.10, б для изменения тока возбуждения используется управляемый выпрямитель УВ, выходное напряжение которого регулируется по сигналу управления Uy. Эта схема более экономична и применяется для регулирования тока возбуждения мощных ДПТ.

Семейство искусственных характеристик ДПТ (I) и (М) получим, рассмотрев изменение координат точек холостого хода и короткого замыкания при варьировании магнитного потока. В соответствии с (3.6а) уменьшение магнитного потока приведет к увеличению скорости идеального холостого хода 0.

Ток короткого замыкания Iк,з=U/Rя от магнитного потока не зависит и будет оставаться неизменным. Другими словами, все искусственные электромеханические характеристики проходят через одну и ту же точку на оси тока с координатами (0; Iк,з).

Все сказанное позволяет представить электромеханические характеристики ДПТ независимого возбуждения при уменьшении магнитного потока совокупностью прямых линий, приведенных на рис. 3.11, а. Момент короткого замыкания в соответствии с (3.3)

(3.25)

Так как Iк,з=const, то при уменьшении магнитного потока пропорционально ему уменьшается и момент короткого замыкания. В результате механические характеристики имеют вид прямых, показанных на рис. 3.11, б. Диапазон регулирования скорости при данном способе равен 3-4. Направление регулирования скорости — вверх от естественной характеристики. Плавность регулирования скорости определяется плавностью регулирования тока возбуждения. Стабильность скорости достаточно высокая, хотя она и снижается при уменьшении магнитного потока. Способ экономичен, так как не сопровождается значительными потерями мощности, а реализация его не требует больших капитальных затрат.

Допустимую нагрузку ДПТ при его работе на искусственных характеристиках определим по обычному правилу, полагая в (3.3) I=Iном,

(3.26)

где Фи- магнитный поток на искусственной характеристике.

Так как при данном способе регулирования Фи<Фном, то и Мдоп<Мном, т. е. ДПТ по условиям нагрева не может быть нагружен на искусственных характеристиках номинальным моментом. Для определения того, какую именно нагрузку он может нести, запишем выражение для ЭДС якоря на естественной и искусственной характеристиках при I=Iнoм

Так как Uном-IномRя=const, то Ее=Еи и справедливо следующее соотношение:

(3.27)

где и — скорость на искусственной характеристике при I2=Iном.

Подставляя (3.27) в (3.26), получаем после несложных преобразований

(3.28)

Таким образом, при работе ДПТ на искусственных характеристиках он может быть натружен на свою номинальную мощность. Объяснение этого заключается в том, что хотя момент нагрузки при уменьшении магнитного потока должен быть снижен, одновременно повышается скорость ДПТ, а их произведение, определяющее механическую мощность, остается неизменным и численно равным номинальной мощности ДПТ. Таким образом, этим способом осуществляется регулирование при постоянной мощности.

Данный способ нашел широкое применение в электроприводе металлорежущих станков, прокатных станов, наматывающих устройств. Он также часто используется в комбинации с другими способами регулирования скорости.

Пример 3.3. Определить магнитный поток, ток возбуждения и сопротивление добавочного резистора Rв в схеме рис. 3.10, а (для ДПТ, указанного в примере 3 1), при которых скорость идеального холостого хода 0и на искусственной характеристике будет на 25 % превышать скорость идеального холостого хода 0е на естественной характеристике.

При решении задачи воспользуемся формулой , из которой следует!

Для данного значения Фи с помощью кривой рис 3 9 находим Iв,и= Iв,и/Iв.ном=0,58 и далее Iв,и=0,580,73=0,42 А. Сопротивление добавочного резистора определяем по формуле

4. Регулирование координат дпт независимого возбуждения изменением подводимого к якорю напряжения

Регулирование координат данным способом осуществляется по схеме рис. 3.12, а, в которой якорь ДПТ питается от управляемого источника постоянного тока (преобразователя) Л, образуя систему преобразователь-двигатель (П-Д).

В качестве преобразователя обычно используются: электромашинные, электромагнитные, ионные и полупроводниковые преобразователи. Обмотка возбуждения 0В питается от отдельного источника постоянного тока, например от неуправляемого выпрямителя.

Преобразователь П характеризуется в общем случае ЭДС Eп, внутренним сопротивлением Rп и коэффициентом усиления , где Uy-входной управляющий сигнал. Напряжение на выходе преобразователя в разомкнутой схеме рис. 3.12, а вследствие наличия внутреннего сопротивления зависит от тока I, т. е.

• (3.29)

С учетом (3.29) формулы (3.4) и (3.5) для электромеханической и механической характеристик ДПТ независимого возбуждения в системе П-Д принимают вид

(3.30)

(3.31)

Из (3.30) и (3.31) видно, что при изменении ЕП пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода 0 на искусственных характеристиках, а сами характеристики имеют больший наклон из-за наличия сопротивления RП выражении для перепада скорости . Эти положения нашли свое отражение в характеристиках рис, 3.12, б, где для сравнения приведена также естественная характеристика ДПТ независимого воздействия при питании от источника бесконечно большой мощности (или, что то же самое, от источника с нулевым внутренним сопротивлением).

Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах параллельно друг другу; при ЕП4=0 ДПТ работает в режиме динамического торможения.

Характеристики рис. 3.12, б соответствуют использованию в качестве преобразователя П электрических машин. Схема такой системы, получившей название система генератор-двигатель (Г-Д), изображена на рис. 3.13. В этой системе якорь ДПТ непосредственно присоединяется к якорю генератора Г, который вместе с приводным двигателем M1 образует электромашинный преобразователь П электрической энергии трехфазного переменного тока в энергию постоянного тока.

Регулирование напряжения на якоре ДПТ происходит за счет изменения тока возбуждения генератор IВ,Г, при регулировании которого с помощью потенциометра П1 изменяется ЭДС Ег и соответственно напряжение U. Регулирование напряжения в этой системе может сочетаться с воздействием на магнитный поток ДПТ, что обеспечивает двухзонное регулирование скорости.

Основными достоинствами системы Г-Д являются большой диапазон и плавность регулирования скорости ДПТ, высокая жесткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы ДПТ, в том числе и рекуперативного торможения. В тоже время для этой системы характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность электрических машин, низкий КПД, инерционность процесса регулирования, шум при работе.

Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время в регулируемом электроприводе постоянного тока, являются полупроводниковые статические преобразователи, и в первую очередь тиристорные преобразователи. Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схеме. Определенные перспективы развития этого вида электропривода связаны с использованием транзисторных преобразователей. В настоящее время силовые транзисторы выпускаются на напряжение до 1500 В и токи до 40 А, что делает возможным создание электроприводов мощностью до нескольких десятков киловатт. Вместе с тем их стоимость по сравнению со стоимостью тиристоров заметно выше, а выпуск ограничен, что препятствует их широкому использованию в автоматизированном электроприводе.

Принцип действия, свойства и характеристики системы тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д) рассмотрим на примере схемы рис. 3.14, где в качестве преобразователя использован однофазный двухполупериодный нереверсивный выпрямитель, собранный по нулевой схеме.

Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмотки, два тиристора V1 и V2 и систему импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ).

Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения U на ДПТ за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя ЕП. Это достигается, в свою очередь, за счет регулирования угла управления тиристоров , представляющего собой угол задержки открытия тиристоров V1 и V2 относительно момента их естественного открытия. Напомним, что моментом естественного открытия управляемого вентиля (тиристора) является момент, когда потенциал анода становится выше потенциала катода.

Когда =0, т.е. тиристоры V1 и V2 получают импульсы управления от СИФУ в момент их естественного открытия, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и к ДПТ прикладывается полное напряжение.

Если теперь с помощью СИФУ осуществлять подачу им

пульсов управления не в момент естественного открытия тиристоров V1 и V2, а со сдвигом на угол 0, то ЭДС преобразователя снизится и этому случаю будет соответствовать уже меньшее среднее напряжение, подводимое к ДПТ.

Зависимость среднего значения ЭДС преобразователя от угла управления тиристорами а имеет вид

, (3.32)

где т-число фаз; Етах-амплитудное значение ЭДС преобразователя; Еcp0-ЭДС преобразователя при =0,

Ввиду пульсирующего характера ЭДС преобразователя ток в цепи якоря ДПТ также является пульсирующим. Такой характер тока оказывает вредное влияние на работу ДПТ, приводя к ухудшению условий работы его коллектора, дополнительным потерям энергии и нагреву. Для уменьшения пульсаций тока в цепь якоря обычно включается сглаживающий реактор L. Другим средством снижения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

Уравнения электромеханической и механической характеристик ДПТ, питаемого от вентильного преобразователя, имеют вид

(3.33)

(3.34)

где ? эквивалентное сопротивление преобразователя; xt, Rt-соответственно приведенные ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление обмоток трансформатора; RL — активное сопротивление сглаживающего реактора L.

Характеристики, соответствующие (3.33) и (3.34), приведены на рис. 3.15, а. Их особенностью является наличие области прерывистых токов, выделенной на рисунке пунктирной линией и заштрихованной. В этой области имеет место заметное изменение жесткости характеристик, вследствие чего характеристики в целом оказываются нелинейными. Вследствие односторонней проводимости преобразователя характеристики располагаются только в I и IV квадрантах. Меньшим углам управления соответствует более высокая скорость ДПТ; при =/2 ЕП=0 и ДПТ работает в режиме динамического торможения.

На рис. 3.15, б приведена схема электропривода с трехфазным тиристорным преобразователем, собранным по мостовой схеме. Характеристики ДПТ при использовании этого типа выпрямителя аналогичны показанным на рис. 3.15, а. Вместе с тем пульсации тока в этой схеме электропривода меньше, чем в схеме рис. 3.14.

Для получения характеристик ДПТ, располагаемых во всех четырех квадрантах, используются реверсивные выпрямители, которые состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей. На рис. 3.16, а-г показаны четыре схемы с реверсивными выпрямителями.

Отметим, что работа ДПТ в четырех квадрантах может быть осуществлена и с помощью нереверсивного однокомплектного преобразователя. Для этого должно обеспечиваться изменение направления тока возбуждения двигателя.

При управлении реверсивными вентильными преобразователями используются два основных принципа управления комплектами вентилей: совместное и раздельное. Так как использование того или иного способа управления комплектами сказывается на виде характеристик электропривода и его свойствах, остановимся подробнее на особенностях каждого из них.

Совместное управление предусматривает подачу от СИФУ импульсов управления одновременно на вентили обоих комплектов.

При этом за счет сдвига между импульсами управления двух групп, близкого к л, одна из групп работает в выпрямительном, а другая — в инверторном режимах. Между средними значениями ЭДС выпрямителя Еcp,в и инвертора Еcp,и соблюдается соотношение Еcp,иЕcp,в, однако за счет разности мгновенных значений ЭДС между комплектами протекают уравнительные токи. Для их ограничения в схемах рис. 3.16 предусмотрены уравнительные реакторы L1-L4.

Вид характеристик ДПТ зависит от способа согласования углов управления двумя комплектами вентилей. При линейном согласовании сумма углов выпрямителя 1 и инвертора 2 поддерживается равной , характеристики линейны и аналогичны характеристикам системы Г-Д. Вид этих характеристик показан на рис. 3.17, а.

Для уменьшения уравнительных токов в ряде случаев используется нелинейное согласование, при котором сумма углов 1 и 2 несколько отличается от . В этом случае имеет место заметное увеличение скорости ДПТ при переходе от двигательного режима к генераторному, что и отражено в характеристиках рис. 3.17, б. Нелинейное согласование в силу этого обстоятельства применяется относительно редко.

Раздельное управление используется для полного исключения уравнительных токов между комплектами реверсивного преобразователя. Сущность его состоит в том, что импульсы управления подаются только на один из комплектов, который должен в данный момент работать. На второй комплект импульсы не подаются, и он не работает, «закрыт».

Управление преобразователем осуществляется при этом принципе с помощью специального логического переключающего устройства (ЛПУ).

Это устройство, осуществляя контроль за током преобразователя, обеспечивает в функции входного сигнала включение в работу и выключение комплектов с некоторой небольшой паузой в 5-10 мс. Вследствие этого при переходе ДПТ из одного энергетического режима в другой вблизи оси скорости имеет место режим прерывистых токов, что отражается на характеристиках ДПТ, показанных на рис. 3.18.

В заключение остановимся на основных свойствах системы ТП-Д.

К достоинствам рассматриваемой системы относятся:

1. Плавность и значительный диапазон регулирования скорости (до 10 и более).

2. Большая жесткость получаемых искусственных характеристик.

3. Высокий КПД электропривода, определяемый высокими КПД трансформаторов (0,93-0,98) и управляемого выпрямителя (0,9-0,92).

4. Уменьшение количества электрических машин.

5. Бесшумность в работе, простота в обслуживании *и эксплуатации.

Наряду со значительными достоинствами системе ТП-Д присущи следующие недостатки:

1. Преобразователь имеет одностороннюю проводимость. Для получения характеристик ДПТ во всех четырех квадрантах требуется использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь.

2. Напряжение на выводах ДПТ и его ток имеют пульсирующий характер, что ухудшает условия его работы. Для сглаживания пульсаций тока в большинстве случаев необходимо применять сглаживающий реактор (см. схемы рис. 3.14 и 3.16) или многофазные схемы выпрямления.

3. Имеет место режим прерывистых токов, при котором резко падает жесткость характеристик, причем последние становятся нелинейными.

4. С ростом диапазона регулирования скорости снижается коэффициент мощности cos электропривода, определяемый для системы ТП-Д по формуле .

5. Вентильный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания.

6. Тиристорные преобразователи обладают невысокой помехозащищенностью и малой перегрузочной способностью по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП-Д является в настоящее время основным видом регулируемого электропривода постоянного тока и широко применяется для привода таких ответственных рабочих машин как прокатные станы, металлорежущие станки, экскаваторы и т.д.

статический ток резистор якорь

5. Формирование статических характеристик электропривода в замкнутой системе преобразователь — двигатель

Характеристики разомкнутой системы П-Д показанные на рис. 3.15, 3.17 и 3.18, имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразователя RП. Для получения значительных диапазонов регулирования скорости (несколько десятков или сотен) требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно получить лишь в замкнутой системе П-Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают регулирования или ограничения тока и момента что также требует перехода к замкнутой системе П-Д. Рассмотрим замкнутые системы регулирования скорости, тока и момента с использованием различных обратных связей.

а) Замкнутая система П-Д с отрицательной обратной связью по скорости ДПТ

Структурная схема замкнутой системы с жесткой отрицательной обратной связью по скорости ДПТ показана на рис. 3.19, а. Ее основу составляет разомкнутая схема П?Д. На валу ДПТ находится датчик скорости — тахогенератор ТГ (BR), выходное напряжение которого Uтг, пропорциональное скорости ДПТ , является сигналом обратной связи.

Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента обратной связи по скорости и определяется данными тахогенератора.

Сигнал обратной связи Uтг=Uо,с сравнивается с задающим сигналом скорости Uз,с, и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки) Uвх. подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом ky усиливает сигнал рассогласования Uвх и подает его в виде сигнала управления Uy на вход преобразователя П.

В целях получения формул для характеристик ДПТ в замкнутой системе воспользуемся выражениями (3.30) и (3.31) характеристик разомкнутой системы, а также следующими соотношениями:

(3.35)

(3.36)

Заменяя в (3.30) и (3.31) последовательно Uy на его выражение из (3.36) и далее Uвх, на его выражение из (3.35), после несложных преобразований получаем следующие формулы для характеристик ДПТ в замкнутой системе:

(3.37)

(3.38)

где с=kФном;

• общий коэффициент усиления системы.

Для анализа жесткости получаемых характеристик сопоставим перепады скорости в разомкнутой р и замкнутой з системах при одном и том же токе или моменте. Согласно (3.30), (3.31), (3.37) и (3.38) имеем

(3.39)

(3.40)

Так как kc>0, то всегда з<р, т.е. жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе. Это показано на рис. 3.19, б, где для сравнения приведены характеристики ДПТ в разомкнутой (прямая 3) и замкнутой (прямая 2) системах. На этом же рисунке приведены характеристики замкнутой системы при меньших значениях задающего сигнала Uз,с (прямые 4 и 5), которые располагаются параллельно характеристике 2.

Для нахождения предельной по жесткости характеристики будем увеличивать коэффициент усиления системы kс. Из (3.40) видно, что при kс з0, т.е. в пределе в данной замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика. Эта характеристика изображена на рис. 3.19, б в виде штриховой линии 1.

Отметим, что абсолютно жесткая механическая характеристика на практике не реализуется из-за существенного ухудшения при этом динамики электропривода. Предельные коэффициенты усиления и обратных связей ограничиваются по условиям получения заданных динамических свойств электропривода.

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает в установившемся режиме с некоторой скоростью и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки Мс. Так как развиваемый ДПТ момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости Uтг. Это, в свою очередь, согласно (3.35) вызовет увеличение сигналов рассогласования Uвх и управления Uу и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, и скорости ДПТ.

При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего получаются более жесткие характеристики электропривода. В разомкнутой системе при изменении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в результате чего жесткость характеристик электропривода оказывается меньше.

б) Замкнутая система П-Д с отрицательной обратной связью по напряжению ДПТ

Структурная схема замкнутой системы с отрицательной обратной связью по напряжению показана на рис 3.20, а. Датчиком напряжения в системе служит потенциометр Ru, с которого снимается сигнал обратной связи по напряжению Uo,c=U, где -коэффициент обратной связи.

Сигнал рассогласования Uвх определяется как

(3.41)

Используя (3.30) и (3.31), с учетом (3.36) и (3.41) получаем следующие выражения для характеристик ДПТ:

(3.42)

(3.43)

где — общий коэффициент усиления системы.

Для оценки жесткости получаемых характеристик вновь сопоставим перепады скорости разомкнутой р [см. (3.39) ] и замкнутой з систем

(3.44)

Так как kс>0, то Rп/(1+kс)<Rп и з<р, т.е. жесткость характеристик в замкнутой системе выше, чем в разомкнутой. Это отражено на рис. 3 20, б, где прямая 3 отображает характеристику разомкнутой, а прямая 2- замкнутой систем электропривода. Здесь же показаны характеристики при меньших значениях задающего сигнала скорости (прямые 4 и 5), которые располагаются параллельно характеристике 2.

Для нахождения предельной по жесткости характеристики в рассматриваемой замкнутой системе устремим ее общий коэффициент усиления kс в бесконечность. Из (3.44) следует, что при kс зIRя/с, т.е. перепад скорости в пределе равен перепаду скорости на естественной характеристике ДПТ, когда он питается от источника с нулевым внутренним сопротивлением. Таким образом, предельной по жесткости характеристикой в замкнутой по напряжению системе является естественная характеристика ДПТ, изображенная на рис. 3.20, б прямой 1. Это объясняется тем, что обратная связь по напряжению в предельном случае при kс обеспечивает постоянство напряжения U на выводах ДПТ или, что то же самое, полную компенсацию падения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя RП Аналогичное положение характерно и для предыдущей системы, в которой обратная связь по скорости в предельном случае при kс обеспечивала постоянную скорость ДПТ.

Физическая сторона процесса регулирования скорости заключается в следующем. При изменениях момента нагрузки Мс на валу ДПТ, например при его увеличении, увеличивается ток якоря I и за счет увеличения внутреннего падения напряжения в преобразователе снижается напряжение U на якоре ДПТ В соответствии с (3.41) это вызовет увеличение сигналов рассогласования Uвх и управления Uy. В свою очередь, это приведет к росту ЭДС преобразователя и компенсации снижения напряжения на выводах ДПТ. Таким образом, и в рассматриваемой системе сущность получения жестких характеристик заключается в автоматическом регулировании ЭДС преобразователя.

в) Замкнутая система П-Д с положительной обратной связью по току якоря

Схема замкнутой системы с положительной обратной связью по току приведена на рис 321, а. В качестве датчика тока в этой системе может быть использован шунт с сопротивлением Rш. Падение напряжения на Rш пропорционально току якоря I. В результате сигнал обратной связи по току определяется как

, (3.45)

где — коэффициент обратной связи по току, имеющий размерность ом.

Отметим, что в качестве резистора Rш часто используется обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка

• (3.46)

Используя (330), (3.31) и (3.36), с учетом (3.46) после несложных преобразований получаем следующие выражения для электромеханической и механической характеристик ДПТ в замкнутой системе:

(3.47)

(3.48)

где общий коэффициент усиления системы.

Анализ жесткости получаемых характеристик проведем, сопоставляя суммарное сопротивление цепи якоря Rя+Rп с общим коэффициентом усиления kc, также имеющим размерность ом Нетрудно заключить, что при Rя+Rп>kc характеристики ДПТ имеют отрицательную жесткость, при Rя+Rп=kc — бесконечно большую жесткость, а при Rя+Rп<kc жесткость характеристик положительна. Характеристики, соответствующие этим трем соотношениям, показаны на рис. 321, б. Таким образом, при использовании положительной обратной связи по току могут быть получены характеристики любой жесткости, в том числе и положительной. Однако из-за непостоянства коэффициента усиления системы kc в результате наличия положительной обратной связи реальные характеристики имеют нелинейный характер (кривая 1), поэтому такая связь обычно используется в совокупности с другими, например с обратной связью по напряжению

г) Регулирование (ограничение) тока и момента в замкнутой системе П-Д с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

Структурная схема замкнутой системы с нелинейной отрицательной обратной связью по току приведена на рис 3.22, а. Эта схема во многом повторяет схему рис. 3.21, а, за исключением узла обратной связи, который в теории электропривода называют узлом токовой отсечки (УТО)

Характеристика УТО показана внутри изображающего его прямоугольника. Работа УТО в соответствии с его характеристикой происходит следующим образом до тех пор, пока сигнал обратной связи , снимаемый с резистора Rш, не превосходит некоторого заданного опорного напряжения Uoп сигнал равен нулю. При Uoс>Uoп на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи , который поступает на вход системы.

Значение опорного напряжения Uoп определяется заданным током, с которого должно начаться его регулирование. Этот ток получил название тока отсечки Iотс. Используя Iотс, можно следующим образом описать работу УТО:

при (3.49)

при

В соответствии с (3 49) характеристики электропривода рис. 3.22, б имеют два участка: на участке I при IIотс и система разомкнута; на участке II при I>Iотс , система становится замкнутой и осуществляется регулирование (ограничение) тока и момента.

Уравнение для участка II электромеханической характеристики можно получить, если в (3.47) заменить знак перед коэффициентом усиления системы kc. с «-» на «+», а ток I заменить на разность I-Iотс

(3.50)

Электромеханические характеристики системы показаны на рис. 3.22, б, механические характеристики при Ф=const повторяют электромеханические при другом масштабе по оси абсцисс.

Ток при нулевой скорости ДПТ получил название тока стопорения Iст. Он может быть найден, если в (3.50) положить =0,

(3.51)

Из (3.51) видно, что при бесконечно большом увеличении общего коэффициента усиления системы IстIотс, т.е. характеристики на втором участке приближаются к вертикальным линиям. Другими словами, чем больше общий коэффициент усиления системы, тем точнее осуществляется регулирование (ограничение) тока и момента.

Физическая сторона получения мягких характеристик ДПТ на участке II при I>Iотс состоит в том, что при росте тока увеличивается сигнал и уменьшаются сигналы Uвх и Uy, так как . По этой причине уменьшается ЭДС преобразователя, за счет чего и происходит ограничение тока и момента ДПТ.

В практике электропривода разработаны и другие схемы УТО, в частности основанные на использовании нелинейной положительной обратной связи по скорости.

В заключение еще раз отметим, что при реализации больших (предельных) коэффициентов усиления для получения качественных статических характеристик ухудшаются динамические показатели работы электропривода (колебательность, перерегулирование, время затухания переходных процессов).

6. Примеры замкнутых систем преобразователь — двигатель

Реальные системы П-Д отличаются друг от друга типом преобразователя и видами применяемых обратных связей. Обычно в замкнутых системах применяется не одна, а две или несколько обратных связей, с помощью которых реализуется весь комплекс требований к автоматизированному электроприводу со стороны приводимой им в движение рабочей машины. Здесь рассматриваются примеры замкнутых систем с использованием преобразователя на базе магнитного усилителя и тиристорного преобразователя.

а) Замкнутая система П-Д с силовым магнитным усилителем в качестве преобразователя

Упрощенная принципиальная схема электропривода с магнитным усилителем (МУ) в качестве преобразователя (система МУ-Д) приведена на рис 3 23, а

Однофазный МУ имеет четыре обмотки: две рабочие (силовые) 1РО и 2РО и две управления 1ОУ и 20У. В цепи рабочих обмоток

включены четыре вентиля V1-V4, с помощью которых осуществляется выпрямление переменного тока и одновременно реализуется внутренняя положительная связь МУ по току нагрузки Трансформатор Т служит для согласования напряжений сети переменного тока и якорной цепи ДПТ.

Обмотка управления 1ОУ является обмоткой положительной обратной связи по току. Она намотана проводом большого сечения и включена непосредственно в цепь якоря. Обмотка управления 20У обеспечивает суммирование двух сигналов: задающего сигнала скорости Uз,с и сигнала отрицательной обратной связи по напряжению Uо,с,н который снимается непосредственно с якоря ДПТ

Характеристики ДПТ для этой схемы приведены на рис 3 23, б Ограничение тока и момента в этой системе происходит естественным путем, за счет большого сопротивления якорной цепи. Отметим, что данная система характеризуется наличием значительной области прерывистого тока (заштрихованная область на рис 3.23, б).

б) Электроприводы с тиристорным преобразователем

Электропривод с тиристорным преобразователем в настоящее время является основным типом автоматизированного электропривода постоянного тока. Электротехническая промышленность выпускает большую номенклатуру тиристорных преобразователей на широкие диапазоны мощностей, токов и напряжений, а также комплектные тиристорные электроприводы постоянного тока, в состав которых входят ДПТ, тиристорный преобразователь, средства автоматизации и коммутационная аппаратура. Типы выпускаемых преобразователей и комплектных электроприводов приведены в [41].