Уравнение статической характеристики разомкнутой системы электропривода

Электромеханические свойства АД в электроприводе

основные электромеханические соотношения в асинхронном электродвигателе (АД); естественная и искусственные механические характеристики АД.

— изучить процессы электромеханического преобразования мощности в АД;

— освоить расчет и построение естественной и искусственных механических характеристик АД

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель (рисунок 5.1) и АД с фазным ротором (рисунок 5.2) широко распространены в электроприводе благодаря большому ресурсу безотказной работы, высоким показателям в работе, хорошим регулировочным свойствам.

На рисунке 5.3 представлена схема замещения одной фазы электродвигателя с учетом параметров намагничивающего контура с активным r _m и индуктивным x _m сопротивлениями.

В схеме замещения:

r ₁ — активное сопротивление фазы статорной обмотки;

r ₂ ′ — приведенное к статору активное сопротивление фазы роторной обмотки;

x ₁ — индуктивное сопротивление фазы статорной обмотки;

x ₂ ′ — приведенное к статору индуктивное сопротивление фазы роторной обмотки;

x_m — индуктивное сопротивление контура намагничивания.

В соответствии со схемой замещения, роторный ток I₂ ’ имеет значение

. ( 5 .1)

Из ( 5 .1) следует, что роторный ток I₂ ’ зависит от скольжения s , т.е. от частоты вращения ротора машины, поскольку

( 5 .2)

Заметим, что при пуске скольжение s = 1 (текущее значение частоты вращения w = 0) , а при частоте вращения w = w ₀ идеального холостого хода скольжение равно s = 0 . Из соотношения ( 5 .1) следует также, что при пуске роторный ток достигает максимального значения I_2к ’ @ (8 ¸ 10)I_ном , и его следует ограничивать.

Частота тока ротора f_p при значении частоты f_c сетевого напряжения f_p = f_c × s , следовательно, при пуске s = 1 и асинхронная машина может быть представлена трансформатором напряжения, поскольку f_p= f_c = 50Гц. По мере разгона двигателя и его работе с номинальным скольжением s _н , которое не превышает s _н @ 0,1 ; падает и частота роторного тока f_p = 1..5Гц.

Мощность Р₁, потребляемая АД из сети, расходуется на покрытие потерь в контуре намагничивания ∆Р _m и в обмотке статора ∆Р₁, остаток ее преобразуется в электромагнитную мощность Р_Э , которая равна

. ( 5.3 )

В свою очередь, , и, решая совместно ( 5 .1) и ( 5 .3), находим значение электромагнитного момента

. ( 5.4 )

Зависимость ( 5.4) является описанием механической характеристики АД и представляет сложную зависимость момента АД от скольжения. Исследуем ее на экстремум, взяв производную и приравняв ее нулю:

.

Зависимость ( 5.4) имеет максимум при критическом значении скольжения, равном

( 5.5 )

и критическом (максимальном) моменте

( 5.6 )

Заметим, знак (+) относится к двигательному режиму, а знак (-) к генераторному режиму машины.

Для практических расчетов, удобнее использовать формулу Клосса, полученную из выражений (2…), (2…) и (2….)

, ( 5.7 )

где .

В крупных асинхронных машинах r₁ ’ , и ε ≈0. Механическая характеристика АД имеет вид, изображенный на рисунке 2.4. Характерные точки характеристики:

1- s =0; М=0 , при этом скорость двигателя равна синхронной;

режим работы двигателя;

3- s = s _к , М = М_кр.Д — максимальный момент в двигательном режиме;

4- s = 1, М = М_п — начальный пусковой момент;

5- s = — s _к , М = М_кр.Г — максимальный момент в генераторном режиме.

Искусственные механические характеристики АД

Анализируя влияние напряжения питания U на механические характеристики электродвигателя , имеем на основании соотношений ( 5. 6) и ( 5. 7), что критическое скольжение s _к остается постоянным при понижении напряжения, а критический момент M_кр.д уменьшается пропорционально квадрату питающего напряжения (рисунок 5.5 ).

При понижении сетевого напряжения до значения 0,9 × U_ном , т.е. на 10% от U_ном, критический момент M_кр.д уменьшается на 19%. При снижении питающего напряжения для развития прежнего значения момента двигатель должен работать с большими роторными токами.

При проектировании электродвигателя следует убедиться, что значение пускового ( s = 1 ) и критического моментов ( s = s _к ) при минимально возможном напряжении удовлетворяют требованиям рабочей машины.

Анализируя влияние активного сопротивления, вводимого в роторную цепь , на основании соотношений ( 5.5 )-( 5.6 ), что с увеличением роторного

сопротивления, которое становится равным (r₂ ’ + R_доб), увеличивается критическое скольжение S_к, но величина критического момента двигателя M_кр.д остается без изменения.

Механические характеристики приведены на рисунке 12. Метод используется для запуска машины, когда на время пуска в роторную цепь включается значительное по величине R_доб. Диаграмма запуска аналогична диаграмме запуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Для расчета искусственных механических характеристик при введении сопротивления R_доб в роторную цепь используется соотношение

, (5.8)

где s _и и s _e – скольжения соответственно на искусственной и естественной характеристиках.

Зная величину R_доб, вводимого в роторную цепь, для тех же значений момента по соотношению ( 5.8 ) производится расчет скольжений s _и на искусственной характеристике.

Введение активно – индуктивных сопротивлений в роторную цепь машины (рисунок 14) используется для поддержания большего постоянства

пу скового момента машины по сравнению с естественной характеристикой машины – механическая характеристика машины в области скольжений 1 s s _к представляется более плавной кривой. Критический момент машины M_кр.д и критическое скольжение s _к машины изменяются в соответствии с соотношениями (6) и (7). Введение активных и индуктивных сопротивлений в статорную цепь машины (рисунок 15) используется для уменьшения броска пускового тока машины, поскольку напряжение непосредственно на зажимах статора становится функцией тока и по мере уменьшения пускового тока (разгон) указанное напряжение растет и восстанавливается до значения, близкого к U_ном. Вывод активных и индуктивных сопротивлений из статорной цепи машины осуществляется релейно — контакторной или бесконтактной схемой.

Режимы торможения асинхронных двигателей

Цель: изучить способы торможения АД, статические характеристики АД в тормозных режимах.

Рекуперативное торможение осуществляется при вращении ротора активным моментом со скоростью ω>ω₀ (рисунок 6. 1). Этот же режим будет иметь место, если при вращении ротора со скоростью ω уменьшить частоту вращения поля статора ω₀ (участок характеристики bc на рисунке 6. 2). Роль активного момента здесь будет выполнять момент инерционных сил вращающегося ротора. Процесс аналогичен рекуперативному торможению ДПТ, изученному ранее.

Для осуществления торможения противовключением необходимо поменять местами две любые фазы статора (рисунок 6. 3,а). При этом меняется направление вращения поля, машина тормозится в режиме противовключения, а затем реверсируется (рисунок 3, b ).

а) b )

Рисунок 6. 3 – Торможение АД противовключением

В подъемных механизмах используется система реостатного противовключения (силовой спуск – рисунок 6. 4). В цепь ротора АД с фазным ротором вводится добавочное сопротивление, достаточно большое для того, чтобы перевести режим работы АД в IV квадрант (точка b ).

Специфическим является режим динамического торможения, которое представляет собой генераторный режим отключенного от сети переменного тока АД, к статору которого подведен постоянный ток, а ротор замкнут на сопротивление (рисунок 6. 5). Этот режим применяется в ряде случаев, когда после отключения АД от сети требуется быстрая остановка без реверса. Постоянный ток, подводимый к обмотке статора, образует неподвижное в пространстве поле. При вращении ротора в его обмотке наводится переменная ЭДС, под действием которой протекает переменный ток. Этот ток создает также неподвижное поле. Складываясь, поля статора и ротора образуют результирующее поле, в результате взаимодействия с которым тока ротора возникает тормозной момент. Энергия, поступающая с вала двигателя, рассеивается при этом в сопротивлениях роторной цепи. Величина намагничивающей силы (НС) поля статора зависит от схемы соединения обмотки статора и величины постоянного тока. Наиболее распространены две схемы питания цепи статора постоянным током, показанные на рисунке 6. 6. Для удобства расчетов заменим постоянный ток эквивалентным по величине намагничивающей силы переменным трехфазным током. В симметричной трехфазной системе с действующим значением переменного тока I амплитуда намагничивающей силы составит

Обозначая переменный ток I _ЭКВ и приравнивая значения НС, создаваемых постоянным и эквивалентным переменным током для схемы «звезда» получаем (рисунок 6 .7 )

,

о ткуда .

Для схемы «треугольник»

, и .

а) b )

Таким образом, выбрав схему торможения и задавшись величиной постоянного тока, можно подсчитать эквивалентный по НС переменный ток.

Регулирование координат электропривода. Регулирование ДПТ

Цель: изучение основных параметров регулирования, применение к регулированию ДПТ

В курсе изучаем регулирование следующих координат электропривода: скорость , момент (ток двигателя) , положение рабочего органа.

Основные показатели регулирования

1) Точность регулирования координат определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действиями возмущающих факторов, например , изменений нагрузки при регулировании скорости, изменений скорости при регулировании момента двигателя, колебаний напряжения сети и т.д.

2) Диапазон регулирования характеризует пределы изменения значений переменной, возможные при данном способе регулирования:

3) Плавность регулирования характеризует число дискретных значений регулируемого параметра, реализуемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Оценивается коэффициентом плавности

4) Экономичность при внедрении регулируемого электропривода определяется технико – экономическими расчетами (сопровождается бизнес – планами), учитывающими затраты и эксплуатационные расходы, которые должны окупаться повышением производительности и надежности оборудования и качества продукции.

5) Динамические параметры регулирования (рисунок 7 .1):

а) б ыстродействие — быстрота реакции электропривода на изменения воздействий:

— t_P – время регулирования, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения;

— t_max – время первого максимума;

— t _ПП – общее время переходного процесса, за которое затухают все его свободные составляющие ;

b )Перерегулирование – динамическая ошибка – максимальное отклонение от x _УСТ

;

Регулируемые электроприводы постоянного тока. Реостатное регулирование скорости ДПТ НВ . Схема регулирования и м еханические характеристики ДПТ НВ при Ф – var приведены на рисунках 7.2, 7.3

1. Точность регулирования

Абсолютная ошибка регулирования составляет

, ( 7. 1)

где

Относительная ошибка регулирования

( 7. 2)

2. Верхний предел регулирования ограничен естественной характеристикой ДПТ, нижний – допустимой жесткостью механической характеристики и потерями в дополнительном сопротивлении. Диапазон регулирования не превышает D =1.5…2.

3 .Плавность регулирования: Регулирование ступенчатое. Плавность определяется количеством секций регулировочного сопротивления

4.1 Капзатраты и затраты на обслуживание невелики по сравнению с ТП-Д.

4.2 Значительные потери мощности при регулировании:

; ,

где — мощность, потребляемая из сети;

-электромагнитная мощность, преобразуемая в механическую;

— потери мощности в якорной цепи.

, следовательно

,

то есть, потери мощности пропорциональны глубине регулирования.

Регулирование скорости ДПТ НВ изменением магнитного потока . Схема регулирования и м еханические характеристики ДПТ НВ при Ф – var приведены на рисунках 7.4, 7.5.

Регулирование однозонное – вверх от основной скорости. Диапазон регулирования ограничен верхним пределом скорости, определяемым механической прочностью якоря и условиями коммутации в коллекторно – щеточном узле и достигает значения D =6-8. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной. В качестве РВ могут использоваться вентильные или электромашинные возбудители, для ДПТ малой мощности автотрансформаторы или реостаты.

Регулирование ДПТ НВ в системе «генератор – двигатель» осуществляется по схеме, изображенной на рисунке 7.6.

При вращении якоря генератора со скоростью Ф_Г ≈ const , ЭДС на его зажимах равна Е_Г = k Ф_Гω_Г и электромеханическая характеристика описывается, как

( 7.5 )

Таким образом, регулирование скорости двигателя М3 осуществляется изменением потока возбуждения Ф_Г (т.е. напряжением якоря) вниз от естественной характеристики и потока Ф_Д – вверх. Такое регулирование называется двухзонным и позволяет существенно

регулирования – до D = 8-10 в разомкнутых системах и до D = 1000 и более в замкнутых системах управления.

Регулирование плавное, т.к. осуществляется в цепях возбуждения. Недостатком является низкий КПД, связанный с многократными

преобразованиями мощности. Суммарный КПД системы равен

.

Еще один недостаток системы Г-Д – большие массогабаритные показатели. В настоящее время эти системы вытесняются приводами с управляемыми вентильными выпрямителямиэ

Электропривод постоянного тока по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д)

Цель: изучение характеристик и схемных решений приводов с ДПТ и полупроводниковыми преобразователями.

Приводы по схеме ТП-Д (рисунок 8.1) являются наиболее распространенными регулируемыми приводами постоянного тока.

Уравнения электромеханической (2.4) и механической (2.5) характеристик при питании якоря ДПТ от тиристорного преобразователя (ТП) приобретают вид

; (8.1)

, (8.2)

где R _П – эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя.

В результате влияния сопротивления преобразователя, характеристики ЭД в разомкнутой схеме управления становятся менее жесткими, чем естественная характеристика (рисунок 8.2). Однако в современных ТП применяются различного рода обратные связи, стабилизирующие скорость при изменении нагрузки.

Принцип действия ТП основан на том, что в положительный полупериод питающего напряжения тиристор, подобно ключу, открывается и подает напряжение к двигателю только часть этого полупериода (рисунок 8.3). При этом среднее выпрямленное напряжение на нагрузке U _СР определяется углом задержки отпирания вентиля α, называемым углом управления.

Пример схемы ТП (трехфазная нулевая реверсивная) приведен на рисунке 8.4 . Для m – фазного управляемого выпрямителя при непрерывном токе

(8.3)

Таким образом, в (8.1), (8.2) , где U_{d 0} максимальное выпрямленное напряжение ТП определяется схемой выпрямления и величиной подводимого к схеме напряжения (вторичного фазного напряжения питающего трансформатора):

Коэффициент схемы равен 2.34 для мостовой схемы и 1.17 – для нулевой схемы выпрямления.

Эквивалентное внутреннее сопротивление преобразователя

Для мостовых схем R _Т вдвое больше (сопротивление двух фазных обмоток трансформатора). Значение коммутационного сопротивления

, (8.6)

где m — число фаз (для мостовых схем m =6 ).

Величина п указывает число последовательно соединенных тиристоров (для мостовых схем удвоенное).

При анализе статических свойств ТП его структурную схему удобно представить в виде двух последовательно включенных звеньев (рисунок 9): системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и собственно тиристорного преобразователя (силового блока). Входным сигналом СИФУ является напряжение управления U _у , которое преобразуется в угол регулирования тиристоров α и определяет среднее значение выпрямленного напряжения U_d на выходе силового блока.

Коэффициент передачи СИФУ представляет собой отношение приращения угла регулирования к приращению напряжения управления.

. ( 8.7 )

Коэффициент передачи собственно тиристорного преобразователя есть отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению угла регулирования тиристоров

. ( 8.8 )

Общий коэффициент усиления зависимого инвертора представляет собой отношение приращения среднего значения выпрямленного напряжения к приращению напряжения управления

( 8.9 )

и в соответствии со структурной схемой

. ( 8.10 )

В преобразователях используются СИФУ с линейными или так называемыми арккосинусоидальными характеристиками (рисунок 8.6). Во втором случае получаем линейную в пределах рабочего диапазона зависимость E d = f(Uy ).

Лекция 9 . Регулируемые электроприводы с АД

Цель: ознакомление с возможными вариантами регулируемого ЭП на базе АД.

Частоту вращения ротора электродвигателя переменного тока можно определить, как

, ( 9. 1)

где f — частот a питающего напряжения;

Изменяя один или несколько параметров, входящих в ( 9.1 ), можно регулировать частоту вращения и момент АД. Регулирование частоты вращения короткозамкнутой машины дискретно (2:1, 3:2, 3:1 и т.д.) осуществляется переключением числа пар полюсов на основании соотношения ( 9. 1). Обмотка статора короткозамкнутой машины выполняется секционированной, выводы (начало – конец) которой располагаются на клеммной коробке и коммутируются релейно – контакторной частью системы управления.

Существует большое разнообразие схем переключения числа пар полюсов. При необходимости изменить напряжение на обмотке используют соединение обмоток треугольником, двойным треугольником, звезда – треугольник и т.д. Широкое распространение этот вид регулирования получил в станкостроении, грузоподъемной технике (лифты) и других отраслях. Трудоемкость изготовления многоскоростного электродвигателя возрастает по сравнению с обычной машиной за счет выполнения обмотки секционированной.

Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением их скольжения основано на введении в цепь ротора АД дополнительного сопротивления или ЭДС, а также изменении напряжения на статоре электродвигателя.

Изменение добавочного сопротивления в цепи фазного ротора двигателя позволяет изменять форму механической характеристики электродвигателя и, следовательно, частоту вращения насосного агрегата. Мощность скольжения, пропорциональная глубине регулирования, при этом рассеивается в виде тепла в регулировочных реостатах. Этот способ регулирования при безусловной простоте и малой стоимости оборудования чрезвычайно неэкономичны из-за увеличения потерь скольжения пропорционально глубине регулирования скорости. Обычно они используются для двигателей малой мощности и формирования пусковых режимов АД.

Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением напряжения на его статоре осуществляется обычно системой «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель» (ТРН – АД, рисунок 9.1 ,в).

Вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, подводимого к электродвигателю.

При изменении напряжения значение критического скольжения не изменяется, поэтому максимальный момент при любых изменениях напряжения соответствует одному и тому же значению критического скольжения, равному примерно 0,1-0,2. Этим определяется сравнительно узкий диапазон регулирования по частоте вращения, который может обеспечить этот способ регулирования. Пределы регулирования можно увеличить, используя АД с повышенным скольжением или включение добавочного сопротивления в цепь фазного ротора, а также применяя системы управления, замкнутые по скорости.

При относительной дешевизне и простоте в обслуживании, основным недостатком данного варианта является то, что энергия скольжения рассеивается в двигателе, а коэффициент мощности системы уменьшается с увеличением скольжения двигателя.

В электроприводе по схеме асинхронного вентильного каскада (АВК –рисунок 9.1 ,д) регулирование частоты вращения электродвигателя осуществляется изменением противо-ЭДС инвертора, вводимой в цепь выпрямленного тока ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Энергия скольжения ротора рекуперируется в питающую электрическую сеть через преобразователь АВК, который состоит из двух основных элементов: неуправляемого выпрямителя и зависимого инвертора. Согласующий трансформатор необходим в том случае, если номинальное напряжение питающей сети отличается от номинального напряжения преобразователя АВК.

Основными достоинствами данной системы по сравнению с вариантом ПЧ-АД являются меньшая установленная мощность преобразователя, соответствующая глубине регулирования скорости, и простота управления. Как положительное качество отмечается также возможность при аварии в преобразователе перейти в нерегулируемый режим (закоротив ротор) или в режим с пониженной частотой вращения при введении в цепь ротора резистора.

Вентильный двигатель — электромеханическая система, состоящая из преобразователя частоты, синхронного электродвигателя и устройства, указывающего положение его ротора в пространстве (ДПР – рисунок 9.1 ,г). Преобразователь выполнен с явно выраженным звеном постоянного тока и состоит из управляемых выпрямителя и инвертора. Коммутация тиристорных вентилей инвертора в зоне малых частот осуществляется с помощью датчика положения ротора, а в зоне частот более 3-5 Гц осуществляется по коммутирующей сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на зажимах электродвигателя с помощью узла выделения коммутирующей ЭДС. По принципу действия эта система аналогична электродвигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и щеточного аппарата выполняют тиристорный инвертор и датчик положения ротора.

Механические характеристики электроприводов

7.1. Динамические свойства электропривода с линейной механической характеристикой

Для анализа свойств
электропривода с линейной механической характеристикой как объекта
автоматического управления найдем передаточную функцию системы по управляющему
воздействию:

Из рис. 7.1 можно записать:

(7.5) – электромеханическая
постоянная времени.

Передаточная функция по возмущающему воздействию — моменту статической нагрузки М_С, имеет вид:

Из рис. 7.1 получаем:

Корни этого уравнения:

Значение m определяет колебательность разомкнутой электромеханической системы.

Поэтому в этом случае:

Следовательно, при m > 4 рассматриваемый
электропривод может быть представлен в виде последовательного соединения
инерционных звеньев с постоянными времени Т₁ и Т₂.

При m = 4 характеристическое уравнение системы имеет два равных
отрицательных корня . В этом случае:

При m и электропривод
представляет собой колебательное звено с коэффициентом затухания ξ меньшим или равным 1, уменьшающимся по мере уменьшения m.

В этом случае
можно записать:

Анализ частотных характеристик двигателей мощностью выше 10кВт показал,
что передаточную функцию по управляющему воздействию можно представить в виде:

т.е. заменить колебательное звено двумя апериодическими с постоянной .

Для многих
электроприводов малой мощности m>4, при этом можно
пренебречь электромагнитной инерцией, положив Т_э»0,
тогда структурная схема асинхронного электропривода с линеаризованной
механической характеристикой будет иметь вид (рис. 7.3):

Рис. 7.3. Структурная
схема асинхронного электропривода с линеаризованной механической
характеристикой и .

Из рис. 7.3 после элементарных преобразований:

Полученное
уравнение позволяет структурную схему асинхронной машины с линеаризованной
механической характеристикой представить в виде (рис. 7.4):

Рис. 7.4. Преобразованная структурная схема асинхронной машины с линеаризованной
механической характеристикой.

Из преобразованной структурной схемы видно, что при Т_э»0
электропривод с линейной механической характеристикой приближенно можно
представить в виде инерционного звена с постоянной времени Т_м.

Переходную и весовую
функции инерционного звена можно представить в виде:

По уравнениям
(7.11) и (7.12) на рис. 7.5 построены временные характеристики электропривода при .

Рис.7.5. Временные характеристики электропривода при .

Из полученных временных характеристик можно сделать вывод: электромеханическая постоянная
времени Т_м представляет собой время, за которое электропривод достиг бы установившейся
скорости, двигаясь равномерно ускоренно под действием постоянного динамического
момента, равного начальному значению:

Механическая характеристика — электропривод

Механическая характеристика электропривода при динамическом торможении имеет явно выраженный максимум, определяемый координатами максимального момента Жм и максимального скольжения su, соответствующего этому моменту.

Механическая характеристика электропривода является типовой для электроприводов с подчиненным регулированием. В зоне рабочих нагрузок электропривода, когда регулятор скорости AR работает на линейном участке своей статической характеристики, электропривод поддерживает заданную скорость вращения. При перегрузках электропривода регулятор скорости насыщается и происходит ограничение тока статорных обмоток и момента двигателя.

Механическая характеристика электроприводов подъема экскаватора для одного из положений сельсииного командоаппарата приведена на рис. 3 — 29 в. Системы управления обеспечивают надежное стопорение электропривода и возможность получения характеристик любой жесткости, что соответствует требованиям различных механизмов экскаваторов.

Если механическая характеристика электропривода не соответствует характеристике механизма, происходит завышение номинальной мощности, и, следовательно, увеличиваются массы, габаритные размеры и стоимость двигателя.

Жесткость механических характеристик электропривода обеспечивается наличием обратных связей по току и напряжению. При минимальной скорости вращения обратная связь по току максимальна, а по мере увеличения скорости вращения она ослабляется. Так как к работе привода предъявляются повышенные требования в отношении жесткости механических характеристик, в схеме применено стабилизированное питание.

Расчеты механических характеристик электроприводов и сопротивлений резисторов

Получение механических характеристик электроприводов постоянного и переменного тока при параметрическом регулировании достигается за счет введения сопротивлений в цепи обмоток двигателей. Для крановых электроприводов практическое применение имеют схемы с использованием только активных сопротивлений.

Нарисовать механическую характеристику электропривода , когда задан полный сигнал задания вперед, а момент статической нагрузки изменяется от ММАХ до — ММАХ — Нарисовать внешнюю характеристику En f ( M) в тех же квадрантах.

Построить механическую характеристику электропривода , когда момент упора My 2 — Мн, а скорость холостого хода соответствует частоте напряжения на статоре 10 Гц.

Возможно формирование практически любых механических характеристик электропривода , вплоть до характеристик, аналогичных глубокорегулируемому реверсивному электроприводу постоянного тока с обратной связью по скорости.

Формирование горизонтального участка механической характеристики электропривода осуществляется в контуре регулирования скорости путем изменения величины сигнала L / PC в функции ошибки ( то есть разницы напряжений задатчи-ка ЗИ и датчика скорости ДС) по скорости. Этот режим возможен, когда регулятор скорости работает на линейном участке своей статической характеристики, то есть напряжение на его выходе меньше напряжения, задаваемого блоком ограничения БО.

Подбор электродвигателя

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого электрического двигателя, что в свою очередь обеспечивает продолжительную надёжную работу электропривода и высокую эффективность технологических и производственных процессов в промышленности, на транспорте, в строительстве и других областях.

При выборе электрического двигателя для привода производственного механизма руководствуются следующими рекомендациями:

• Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду механической характеристики, продолжительности включения, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.
• Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надёжный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имеющий наименьшие габариты, массу и стоимость.
• Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надёжность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но и технико-экономические показатели всего электропривода в целом.

Классификация электроприводов

По количеству и связи исполнительных, рабочих органов:

• Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится в движение одним самостоятельным двигателем, приводом.
• Групповой, в котором один двигатель приводит в действие исполнительные органы РМ или несколько органов одной РМ.
• Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.
• Многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.
• Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

По типу управления и задаче управления:

• Автоматизированный ЭП, управляемый путём автоматического регулирования параметров и величин.
• Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.
• Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.
• Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.
• Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

По характеру движения:

• ЭП с вращательным движением.
• Линейный ЭП с линейными двигателями.
• Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

По наличию и характеру передаточного устройства:

• Редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором.
• Электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством.
• Магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энергию движения токопроводящей жидкости.

• Переменного тока.
• Постоянного тока.

По степени важности выполняемых операций:

• Главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в многодвигательных ЭП).
• Вспомогательный ЭП.
• Привод передач.

Характеристики привода

Статические характеристики

Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика.

Механическая характеристика

Механическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала от электромагнитного момента M (или от момента сопротивления Mc). Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Электромеханическая характеристика двигателя

Электромеханическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала ω от тока I.

Динамическая характеристика электропривода — это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы.

Уравнение статической характеристики разомкнутой системы электропривода

Воропаев Е.Г.
Электротехника

гл.8 Электропривод и элементы систем автоматикиглава 1| глава 2| глава 3| глава 4| глава 5| глава 6| глава 7| глава 9| глава 10| глава 11|

8.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Oпределение: Электропривод предназначен для приведения в движение различных машин и механизмов. Он состоят из электрического двигателя, аппаратуры управления и передаточных звеньев от двигателя к рабочей машине. Привод бывает групповым, индивидуальным и многодвигательным.

В первом случае один двигатель приводит в движение несколько машин, а во втором каждая машина снабжена своим двигателем.
Многодвигательный привод — это группа двигателей одной машины, где каждый двигатель приводит в движение отдельный механизм.
Из основных требований, предъявляемых к электроприводу, следует отметить следующие:
1. Электродвигатель должен обладать такой мощностью, чтобы он передавал не только статическую нагрузку, но и кратковременные перегрузки.
2. Аппаратура управления должна обеспечить все требования производственного процесса машины, включая регулирование частоты вращения, реверсирование и др.

8.2.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

При работе электропривода вращающий момент электродвигателя должен уравновешивать статический момент сопротивления рабочей машины, а также динамиче-ский момент, обусловленный инерцией движущихся масс. Уравнение моментов электропривода можно записать в виде:

где М — вращающий момент электродвигателя;
М_с — статический момент сопротивления;
М_дин — динамический момент.

Динамический или инерционный момент, как известно из механики, равен:

где j — момент инерции движущихся масс, приведенный к валу двигателя, кг/м 2 ;
w — угловая частота вращения вала двигателя, с -1 .

Выражая угловую частоту вращения w через число оборотов n, получим:

Уравнение моментов электропривода можно записать в другом виде:

Если n = const, то М_дин = 0, тогда М = М_с.

8.3.ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

От правильного выбора мощности электродвигателя зависят технико-экономические показатели электропривода (себестоимость, габариты, экономичность, надежность в эксплуатации и др.).
Если нагрузка на электродвигатель стабильная, то определение его мощности ограничивается лишь выбором по каталогу:

где Р_н — мощность выбираемого двигателя,
Р_нагр — мощность нагрузки.
Если же нагрузка на электродвигатель переменная, то необходимо иметь график нагрузки I = f(t).
Плавную кривую заменяют ступенчатой линией, полагая, что за время t1 в двигателе течет ток I1, за время t2 — ток I2 и. т.д. (рис. 8.3.1 ).

Изменяющийся ток заменяют эквивалентным ему током I_э, который за время одного цикла работы t_ц производит одинаковое, тепловое действие с током, изменяющимся ступенями. Тогда:

а эквивалентный ток
Номинальный ток электродвигателя должен быть равным или больше эквивалентного, т.е.
Поскольку почти у всех двигателей вращающий момент прямо пропорционален току нагрузки М

I_н, то можно записать и выражение для эквивалентного вращающего момента:

Учитывая, что мощность Р = М w , электродвигатель можно выбирать также по эквивалентной мощности:

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время перерыва в работе не охлаждается до температуры окружающей среды (рис. 8.3.2 ).

Для этого режима вводится понятие относительной продолжительности включения (ПВ). Она равна отношению суммы рабочего времени ко времени цикла tц, со-стоящего из времени работы и времени паузы t_о:

Чем больше ПВ, тем меньше номинальная мощность при, равных габаритах. Следовательно, двигатель, рассчитанный на работу в течение 25% времени цикла при номинальной мощности, нельзя оставлять под нагрузкой 60% времени цикла при той же мощности. Электродвигатели строятся для стандартных ПВ — 15, 25, 40, 60%, причем ПВ — 25%; принимается за номинальную. Двигатель рассчитывается на повторно кратковременный режим, если продолжительность цикла не превышает 10 мин. Если расчетные значения ПВ отличаются от стандартных, то при выборе мощности двигателя Рэ следует вносить поправку:

8.4.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

Самым простым и распространенным аппаратом для включения и отключения электрических цепей является рубильник.
Разновидностью рубильника является переключатель, способный перекоммутировать схему, например, при реверсировании или переключении обмоток двигателя со «звезды» на «треугольник».
Рубильник состоит из контактного ножа и двух губок, смонтированных на изолированном основании. Одна из губок является шарнирной. По количеству контактных ножей рубильники бывают одно-, двух- и трёхполюсными. Управление рубильником осуществляется изолированной ручкой, объединяющей контактные ножи.
Иногда при управлении, электродвигателями или другими исполнительными механизмами используются пакетные выключатели. Это малогабаритный отключающий аппарат, как правило, круглой формы (рис. 8.4.1.). В неподвижные кольца 5 из изоляционного материала вмонтированы контакты 3. Внутри колец размещаются подвижные диски 8 с контактными пластинами, закрепленными на оси 7. В крышке 6 помещено пружинное приспособление, с помощью которого достигается быстрое замыкание и размыкание контактов, независимо от скорости поворота ручки 1.
Выключатель собирается и крепится к крышке с помощью скобы 4 и шпилек 2.
Для управления двигателями с фазным ротором требуется большое число переключений, необходимых для ввода или вывода дополнительных сопротивлений.

Эту операцию выполняют контроллеры, которые различают на барабанные и кулачковые (рис. 8.4.2 ).
Подвижные контакты барабанного контроллера, имеющие форму сегментов 4, крепятся на валу 5. Неподвижные контакты 3 размещаются на вертикальной рейке 2 и к ним присоединяются внешние цепи. Контактные сегменты соединяются друг с другом по определенной схеме, и, кроме того, они имеют разную длину дуги.
При повороте вала контроллера сегменты поочередно входят в соприкосновение с неподвижными контактами, и осуществляется включение или отключение цепи.

Вал контроллера снабжается фиксатором 1, обеспечивающим ему несколько фиксированных положений.
Кулачковые контроллеры совершеннее барабанных. На валу 5 крепятся диски фасонного профиля 6, которые воздействуют своей боковой поверхностью на ролик контактного рычага 7, определяя тем самым замкнутое или разомкнутое положение контактов 4 и 3.
Переключения в силовых цепях с помощью контроллеров требует от оператора значительных физических усилий. Поэтому в установках с частыми переключениями для этой цели используются контакторы.
Принцип действия их основан на использовании в управлении силовыми контактами электромагнитной системы. Конструкция контактора приведена на рис. 8.4.3.

На изолированной плите 1 жестко укреплен неподвижный силовой контакт 2. На рычаге 3 шарнирно прикрепленном к плите имеется подвижный силовой контакт 4.
Для управления силовыми контактами на плите смонтирована магнитная система, состоящая из сердечника 5 с катушкой 6 и якоря 7, прикрепленного к рычагу 3. Токоподвод к подвижному контакту осуществляется гибким проводником 8.
При подключении к сети катушки 6 произойдет магнитное притяжение сердечником 5 якоря 7 и замыкание силовых контактов 2 и 4. Для разрыва силовой цепи отключают катушку 6, и якорь под собственным весом отпадает от сердечника.
Помимо силовых контактов, в аппарате имеется ряд блокировочных 9, назначение которых будет показано ниже.
Электрическая цепь катушки электромагнита является вспомогательной или управляющей.
Для управления его применяются кнопки управления. Кнопки бывают одноцепные и двухцепные с замыкающими и размыкающими контактами. В большинстве случаев кнопки делаются с самовозвратом, т.е. при снятии механического давления их контакты возвращаются в исходное положение. На рис. 8.4.4 показана конструкция кнопки с двумя парами контактов: замыкающими и размыкающими.

Для защиты электродвигателя от перегрузки в контактор монтируются два тепловых реле (на две фазы). В этом случае контактор называется магнитным пускателем.
Основной деталью теплового реле (рис. 8.4.5) является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сплавов с различными коэффициентами расширения.

Пластинка одним концом жестко прикреплена к основанию прибора, а другим упирается в защелку 2, которая под действием пружины 3 стремится повернуться против часовой стрелки. Рядом с биметаллической пластинкой помещается нагреватель 4, включаемый последовательно с двигателем. Когда по силовой цепи потечет большой ток, то температура нагревателя повысится. Биметаллическая пластина прогнется кверху и освободит защелку 2. Под действием пружины 3 защелка поворачивается и через изоляционную пластину 5 размыкает контакты 6 в цепи управления пускателем. Возврат реле возможен только после остывании пластины 1. Он осуществляется нажатием кнопки 7.
Для защиты электроустановок от перегрузок используются также плавкие предохранители. Это неуправляемый аппарат, в котором перегрузка вызывает перегорание плавной вставки, изготовленной из легкоплавкого материала. Предохранители бывает пробчатыми и трубчатыми (рис. 8. 4.6).

Существуют также и управляемые аппараты, защищающие электрооборудование от перегрузок. К ним относится реле максимального тока (рис. 8.4.7 ).
Катушка реле 1 рассчитана на протекание тока в силовой цепи. Для этого она имеет обмотку, изготовленную из провода достаточного поперечного сечения.
При токе, на который настроено реле, произойдет притяжение якоря 2 к сердечнику 3 катушки и с помощью контактного мостика 4 размыкаются контакты 5 в цепи управления магнитного пускателя. Это реле само прервет электроснабжение установки от источника тока.

Нередко встречаются случаи, когда необходимо отключить электроустановку от сети, если уровень напряжения достиг, значения меньше допустимого. Для этой цели используется реле минимального напряжения. Его конструкция напоминает любое электромагнитное реле, но срабатывание здесь происходит при понижении намагниченности катушки и отпадания от нее якоря с контактной системой.
Особое место в схемах защиты электрических установок занимает реле времени. Существуют как электромеханические, так и электронные реле времени.
Рассмотрим конструкцию реле времени типа ЭВ (рис. 8.4.8.).

Основным узлом реле является часовой механизм 2, запускаемый электромагнитной системой 1. Катушка реле включается в силовую цепь и при ее срабатывании часовой механизм вводится в действие. По истечении определенного отрезка времени замкнутся контакты реле и электроустановка отключится от сети. Реле позволяет осуществлять его настройку на различные режимы его работы.
В последние годы получили распространение приборы, в которых электромагнитная и контактная системы объединены в одно целое. Это так называемые герконы (рис. 8.4.9 ).

В герметизированной колбе, заполненной инертным газом, впаяны две или три контактные пластины из пермалоя. Сами контакты (из золота или серебра) находятся на свободных концах пластин. При приближении к геркону постоянного магнита или катушки с током произойдет замыкание или размыкание контактов.
В связи с развитием радиоэлектроники системы автоматического управления пополнились рядом бесконтактных логических элементов. Передачу и преобразование информации от датчика к исполнительному органу можно осуществлять просто, если различать два уровня (две величины) сигнала, каждый из которых может соответствовать, например, символам 0 и 1 или понятиям истинности «да» и «нет». В этом случае сигнал в любой момент времени имеет один из двух возможных значений и называется двоичным сигналом.

8.5.ПРИНЦИПЫ И СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

8.5.1. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

Принцип автоматического управления заключается в том, что без участия человека осуществляется строгое и последовательное выполнение операций по включению, отключению электрооборудования, а также соблюдение заданного режима его работы.
Различают два вида управления: полуавтоматическое и автоматическое. При полуавтоматическом управлении оператор осуществляет первоначальный пуск объекта (нажатие кнопки, поворот ручки и т.д.). В дальнейшем его функции сводятся лишь к наблюдению за ходом процесса. При автоматическом управлении даже начальный импульс по включению установки посылают датчик или реле. Установка полностью работает в автоматическом режиме по заданной программе.
Программное устройство может быть выполнено как на основе электромеханических элементов, так и с помощью логических схем.

8.5.2. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Приведем несколько часто встречающихся на практике схем управления электродвигателями.
Самой простой из них является схема управления асинхронным трехфазным двигателем с помощью магнитного искателя.
При нажатии кнопки «пуск» подключается к сети катушка электромагнита. Подвижный якорь придет в соприкосновение с сердечником катушки и своим движением замкнет силовые контакты, подающие трехфазное напряжение на электродвигатель. Одновременно с силовыми, замкнутся и блокировочные контакты, которые зашунти-руют кнопку «пуск», что позволяет ее отпустить. При нажатии кнопки «стоп» разрывается цепь питания катушки электромагнита и якорь, освободившись, отпадает, разомк-нув при этом силовые контакты. Электродвигатель остановится.
Защита электродвигателя от длительной перегрузки здесь обеспечивается двумя тепловыми реле РТ, включенными в две фазы. Отключающие контакты тепловых реле РТ1 и РТ2 введены в цепь питания катушки электромагнита.

Для реверсивного управления двигателем применяется схема с двумя магнитными пускателями (рис. 8.5.2.2.).
Один магнитный пускатель коммутирует схему включения двигателя на прямое вращение, а другой — на обратное.
Кнопки «вперед» и «назад» подключают соответственно свои катушки, а кнопка «стоп» и отключающие контакты теплового реле включены в общую цепь управления.

источники:

http://oooevna.ru/mehaniceskie-harakteristiki-elektroprivodov/

http://tsput.ru/res/fizika/1/VOROPAEV_2/vorop8.htm