Регулирование скорости двигателей постоянного тока


СОДЕРЖАНИЕ:

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

В соответствии с полученными во 2-ой главе (с. 28) выражениями для электромеханической

характеристик двигателя постоянного тока для управления работой двигателя возможно воздействовать на такие параметры как напряжение на якоре Uя, магнитный поток Ф и сопротивление его якорной цепи Rя.

На рис. 5.5 приведены искусственные характеристики двигателя постоянного тока. Рис. 5.5, а иллюстрирует семейство так называемых реостатных характеристик, получаемых при введении в цепь якоря добавочных сопротивлений Rд различной величины. В соответствии с принципиальной схемой в процессе регулирования изменяется суммарное сопротивление якорной цепи

При этом согласно выражению (5.24) скорость идеального холостого хода (без нагрузки, Мс = 0 ) не зависит от величины введенного добавочного сопротивления

Однако, как это следует из выражения (5.24), одновременно с этим наклон – жесткость механической характеристики с учетом, что

тем больше, чем больше величина добавочного сопротивления Rд.

Этот способ находит применение при невысоких требованиях к показателям качества регулирования скорости:

— диапазон регулирования не превышает 3:1;

— плавность регулирования определяется характером изменения Rд – количеством ступеней реостата и, как правило, обеспечивает лишь ступенчатое регулирование скорости;

— стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования, поскольку с увеличением величины Rд уменьшается жесткость (увеличивается наклон) регулировочных характеристик;

— низкая экономичность регулирования скорости (большие тепловые потери электроэнергии в добавочном сопротивлении), составляющая при диапазоне регулирования 2:1 не более 50 % и снижающаяся с увеличением диапазона регулирования.

На рис. 5.5, б приведены искусственные характеристики двигателя при изменении магнитного потока. Регулирование скорости изменением потока осуществляется только в сторону его уменьшения – ослабления магнитного поля двигателя. Уменьшение потока согласно уравнению механической характеристики (5.24) вызывает как увеличение скорости идеального холостого хода (5.26),

Рис. 5.5. Схемы включения и характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при реостатном регулировании скорости (а), изменении магнитного потока (б),

изменении напряжения на якоре (в)

так и жесткости механической характеристики (5.22), (5.27), а, соответственно, и уменьшения момента короткого замыкания

Показатели качества такого способа регулирования скорости следующие: диапазон регулирования до 3:1 в сторону увеличения скорости относительно естественной характеристики; плавность регулирования определяется плавностью регулирования тока возбуждения; стабильность регулирования снижается при уменьшении магнитного потока; экономичность высокая, поскольку ток возбуждения относительно тока якоря невелик и регулирование не сопровождается значительными потерями мощности, а его реализация не требует существенных капитальных затрат.

Изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, при номинальном потоке (см. рис. 5.5, в) является в регулируемом электроприводе постоянного тока основным способом регулирования скорости. Изменения напряжения осуществляют в сторону его снижения по сравнению с номинальным значением. Как следует из (5.24), при изменении Uя пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода ω, а жесткость механических характеристик при любом уровне напряжения одинакова. Поэтому механические характеристики при Uя = var имеют вид параллельных прямых.

Реализация этого способа предусматривает питание якоря двигателя от силового электронного преобразователя (принцип действия и варианты схем которого рассмотрены в гл. 3).

При таком способе регулирования скорости диапазон регулирования определяется жесткостью естественной механической характеристики и может достигать 15:1 в сторону уменьшения скорости относительно естественной характеристики. Этот способ обладает самыми высокими показателями по плавности и стабильности регулирования. Важным достоинством является высокая экономическая эффективность регулирования (потери энергии в тиристорах не превышают 1…2 % номинальной мощности электропривода).

Следует также отметить, что в современном автоматизированном электроприводе при необходимости расширения диапазона регулирования скорости используют два канала воздействия на электродвигатель: при регулировании скорости в сторону вниз от естественной характеристики – изменением подводимого к якорю напряжения; при регулировании скорости вверх от естественной характеристики – изменением напряжения обмотки возбуждения (изменением магнитного потока машины). При этом для реализации такого способа регулирования необходимо два тиристорных преобразователя (см. рис. 5.6), а диапазон регулирования скорости может достигать до 50:1.

Регулирование скорости

Асинхронных двигателей

Электроприводы с трехфазными асинхронными двигателями являются самым массовым видом электропривода в промышленности и коммунальном хозяйстве. Это обусловлено, в первую очередь, простотой его конструкции, и как следствие высокой надежностью в работе и неприхотливостью в эксплуатации, а также меньшими по сравнению с двигателями постоянного тока массой и габаритными размерами.

Анализ формул для электромеханической

характеристик, приведенных в гл. 2 (с. 31) показывает, что регулирование координат может быть обеспечено изменением подводимого к статору напряжения как по величине Us, так и по частоте f, а также с помощью добавочных резисторов и индуктивных сопротивлений в цепях статора (Rs и Хs) и ротора (Rr и Хr).

На рис. 5.7 приведены искусственные характеристики асинхронного двигателя для случая уменьшения напряжения на статоре (рис. 5.7, а), при введении в фазы статора добавочных активных и индуктивных сопротивлений (рис. 5.7, б), а также при введении в фазы ротора дополнительных активных сопротивлений (рис. 5.7, в). Искусственные характеристики при изменении частоты питающего напряжения при различных законах регулирования (при Us = const, Us/f = const и Us/f 2 = const) приведены ранее в гл. 2, рис. 2.10 (с. 32).

Рис. 5.7. Схемы включения и характеристики асинхронного двигателя при уменьшении напряжения на статоре (а), введении в цепь статора активного или индуктивного сопротивлений (б),

введении в цепь ротора активного сопротивления (в)

Скорость идеального холостого хода асинхронного двигателя зависит от частоты питающего напряжения f и числа пар полюсов p

а потому для всех рассмотренных на рис. 5.7 случаев регулирования остается неизменной.

Величина критического момента

имеет квадратичную зависимость от напряжения, находится в обратной зависимости, как от активного, так и от индуктивного сопротивлений в цепи статора и не зависит от величины активного сопротивления в цепи ротора двигателя.

Анализ рис. 5.7, а позволяет заключить, что простое изменение напряжения питания асинхронного двигателя не дает существенного эффекта по регулированию его скорости вращения. Диапазон регулирования непригодно мал, а потому такой способ регулирования скорости в настоящее время не находит практического применения.

На рис. 5.7, б приведены искусственные характеристики при включении в цепь статора добавочного активного или индуктивного сопротивления. Вид их зависит от величины этих сопротивлений, но при всех условиях момент двигателя при скорости выше нуля будет больше, чем в случае постоянного напряжения на зажимах статора, обеспечивающего пусковой момент той же величины. Кроме того, значение скорости вращения при критическом моменте также несколько увеличивается. На практике такой способ воздействия на асинхронный двигатель иногда применяется для ограничения пусковых токов и моментов, но в связи с низкими показателями качества регулирования для регулирования скорости не используется.

Введение в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором активного сопротивления (рис. 5.7, в) приводит, как и у двигателя постоянного тока, к снижению жесткости механической характеристики, но при этом в отличие от предыдущих случаев не влияет на величину критического момента. Этот факт позволяет повышать пусковой момент при одновременном существенном снижении величины тока статора (см. рис. 5.7, в). Диапазон регулирования рассматриваемого способа невелик, до 3:1, скорость регулируется исключительно вниз от основной, потери энергии велики, однако до недавнего времени такие схемы находили широкое применение для задач уменьшения момента и тока в процессе пуска электропривода.

Регулировка и стабилизация частоты вращения двигателя постоянного тока

Описано несложное устройство, позволяющее регулировать частоту вращения вала двигателя постоянного тока и поддерживать её установленное значение при изменении механической нагрузки на вал.

При разработке физического прибора потребовалось изготовить низкоскоростной привод вращения платформы, несущей различные датчики и другое оборудование. Необходимы были возможность оперативной регулировки частоты вращения и её стабилизация при изменении механической нагрузки.

Первый вариант привода состоял из малогабаритного электродвигателя постоянного тока серии ДПМ с редуктором из однозаходного стального червяка и текстолитового зубчатого колеса. Датчиком частоты вращения служил насаженный на вал двигателя диск с прорезями, входившими в зазор открытой оптопары.

Сигнал оптопары поступал на узел стабилизации, состоящий из генератора образцовой частоты, частотного дискриминатора и прочих необходимых элементов. Устройство отлично «держало» назначенную частоту вращения, не реагируя на внешние возмущения.

Но выявился крупный недостаток, о котором разработчики и не догадывались в начале работы. Привод сильно шумел. Шум шариковых подшипников двигателя, червячной пары передавался на закреплённые на платформе датчики и почти полностью «убивал» полезные сигналы. Попытки амортизировать привод не привели к успеху, так как при изменении момента сопротивления платформы вращению механизм раскачивался и равномерность вращения терялась.

Выход был найден в использовании привода программирующих колёс от видеомагнитофона (рис. 1). Вал установленного в нём двигателя вращается в подшипниках скольжения, а червячная пара выполнена из материала, подобного капролону. Передаточное число механизма — 123, работает он практически бесшумно.

Поскольку установить диск с прорезями в этом механизме оказалось очень сложно, пришлось изыскивать иной способ стабилизации частоты вращения. Была сделана попытка использовать узел стабилизатора частоты вращения двигателя от кассетного магнитофона. Однако этот узел хорошо стабилизировал только одно значение этой частоты. При попытке установить иное стабильность нарушалась. После долгого и бесполезного поиска приемлемого решения в литературе пришлось разрабатывать узел стабилизации самостоятельно.

Как известно, напряжение на выводах якоря двигателя постоянного тока складывается из падения напряжения на активном сопротивлении обмоток якоря и противоЭДС, прямо пропорциональной частоте вращения якоря. Эта ЭДС может служить мерилом частоты вращения. Но для этого нужно отделить её от падения напряжения на омическом сопротивлении обмотки.

Описанные в [1, 2] устройства, использующие противо ЭДС для стабилизации или регулирования частоты вращения двигателя либо хорошо поддерживают только одно установленное значение, либо, допуская регулировку частоты в широких пределах, не стабилизируют её при изменении нагрузки. Разработанное устройство отличается сочетанием обоих факторов — сохраняет произвольно установленную частоту вращения при изменении момента нагрузки.

Поставленная задача решается достаточно просто. В разработанном устройстве, схема которого изображена на рис. 2, последовательно с якорем двигателя М1 включён резистор R1, сопротивление которого в точности равно активному сопротивлению якоря. Если из напряжения на якоре вычесть падение напряжения на этом резисторе, получим напряжение, пропорциональное частоте вращения якоря. Операцию вычитания выполняет узел на ОУ DА2.1. Это напряжение поступает на один из входов усилителя сигнала рассогласования на ОУ DА2.2, на другой вход которого подано образцовое напряжение, соответствующее желаемой частоте вращения. ОУ управляет транзистором VT1, регулирующим напряжение питания двигателя М1.

Для лучшего понимания процесса регулирования рассмотрим упрощённую схему устройства, изображённую на рис. 3. Из неё понятно, что активное сопротивление якоря г и резисторы R1—RЗ образуют измерительный мост, в диагональ которого включены входы ОУ DА2.1. Напряжение на выходе моста равно

При точном выполнении равенства мост сбалансирован относительно напряжения питания двигателя U1 благодаря чему напряжение Uвых зависит только от противоЭДС якоря Е, т. е. от частоты его вращения. Изменение питающего напряжения U1 не разбалансирует мост, но вызывет изменение тока через двигатель, что приводит к изменению частоты его вращения и, соответственно, противоЭДС.

Резистор R1 должен быть рассчитан на рассеивание мощности, равной максимальной мощности двигателя.

Необходимую частоту вращения устанавливают подстроенным резистором R5. Увеличение или уменьшение частоты вращения под нагрузкой свидетельствует о неточной балансировке моста. Её нужно добиться подборкой резисторов R1— R3.

Конденсатор С1 и резистор R6 предотвращают высокочастотную генерацию.

Транзистор VT1 и интегральный стабилизатор напряжения 7812 размещены на небольшом теплоотводе. Теоретически устройство нечувствительно к колебаниям напряжения питания, но напряжение на подстроенном резисторе R5, задающем частоту вращения, должно быть стабилизировано. По этой причине в устройстве применён интегральный стабилизатор напряжения DА1. Кроме того, встроенная в этот стабилизатор защита по току предохраняет двигатель и транзистор VТ1 от повреждения при случайном заклинивании механизма.

При испытаниях устройства выяснилось, что основное влияние на стабильность частоты вращения оказывают температурные изменения сопротивления обмотки двигателя, выполненной из медного провода, тогда как резистор R1 изготовлен из манганина. Вводить различного рода термокомпенсирующие цепи было сочтено излишним, так как обеспечить равенство температуры резистора и обмотки двигателя не представляется возможным из-за разных условий отвода от них тепла.

И наконец, испытания готового устройства неожиданно выявили, что частота вращения приборной платформы под нагрузкой падает на 5…10 %. Оказалось, что виновато проскальзывание двух резиновых пассиков, соединяющих вал двигателя с червячным редуктором. Тщательной промывкой шкивов и пассиков, промывкой и смазкой всех подшипников скольжения указанный недостаток был устранён.

В результате достигнут коэффициент стабильности лучше 0,5 % при изменении нагрузки на выходном валу редуктора в пределах от 0 до 20 Н·см, что вполне удовлетворило предъявляемым требованиям.

Несомненное достоинство предложенного решения — его простота по сравнению с устройствами аналогичной точности. Недостаток — почти двукратный перерасход мощности, рассеиваемой на дополнительном резисторе.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Шевченко В. И. и др. Кассетные магнитофоны (библиотека «Телевизионный и радиоприём. Звукотехника», вып. 90). — М.: Связь, 1977.
  2. Леоненко П. Стабилизатор частоты вращения. — Радио, 1988, № 7, с. 32.

Автор: В. ХИЦЕНКО, Т. ЯКОВЛЕВ, г. Санкт-Петербург

Источник: Радио №4, 2015

Устройство, принцип действия, способы регулирования частоты вращения, применение, достоинства и недостатки двигателя постоянного тока

Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. И сегодня, я бы хотел поговорить обо всём, что касается двигателей постоянного тока. О том из чего они сделаны, про их принцип действия, про способы регулировки частоты вращения, об их достоинствах и недостатках.

Устройство электродвигателя постоянного тока.

Все мы и понимаем, что электрические машины создаются на заводах изготовителях под определённые нагрузки, для определённых режимов работы и для эксплуатации в определённых местах. По этому все электродвигателя не могут быть одинаковыми, у них всегда есть какие-то свои особенности. Но основные детали и их названия всё же меняются.

Электродвигатель постоянного тока состоит из таких деталей:

1. Корпус или статор.

2. Якорь или коллектор.

3. Щёток и щёткодержателей.

4. Двух подшипниковых щитов (передний и задний).

5. Вентилятора для охлаждения.

6. Сердечник полюса и обмотка полюса.

Принцип действия.

Работа данного двигателя напрямую зависит от взаимодействия магнитных полей статора и коллектора. Как мы с вами уже знаем, что в статоре и на коллекторе есть обмотки. Если подать на эти обмотки напряжение, то за счёт этого будут создаться магнитные поля. А эти магнитные поля уже и будут заставлять коллектор вращаться. Смотрите, как это показано на картинке.

Способы регулирования частоты вращения.

Регулировать частоту вращения таких двигателей можно за счёт включения в обмотку якоря дополнительного сопротивления. В качестве сопротивления может быть обычный реостат. Только такой способ не очень эффективный, так как при таком способе возрастают энергетические потери. Но всё равно данный способ считается самым распространённым.

Достоинства и недостатки.

Основные достоинства ДПТ:

1. Простое устройство двигателя.

2. Можно очень легко изменять частоту вращения вала.

3.За счет сильного момента очень хорошие пусковые характеристики.

4. Можно использовать как в качестве двигателя, так же и в качестве генератора.

5. По сравнению с некоторыми другими двигателями, имеет не большие размеры.

1. Очень высокая цена.

2. Если подключать двигатель к переменной сети, то так же нужны выпрямительные устройства.

3. Очень часто приходится обслуживать коллекторно-щёточный узел.

4. Коллектор имеет ограниченный срок службы из-за износа.

Применение.

Двигателя постоянного тока широко применяются на различной технике. Такой, как: краны, экскаваторы, с трамваи, электрички, тепловозы, теплоходы и так далее. Ещё, такие двигателя, используют в электроинструменте. На производстве, их можно встретить на станках, где нужно регулировать частоту вращения в очень широком диапазоне.

На этом у меня всё. Статья получилась не очень объёмной, но для общего понятия вполне информативна. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях, жмите на кнопки социальных сетей и подписывайтесь на обновление. Пока.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока

В двигателе постоянного тока скорость можно регулировать двумя способами – изменяя напряжение UД или изменяя поток Ф. До номинальной скорости wН регулирование происходит за счет UДВ, выше основной – за счет Ф.

В первой зоне Ф = const, IМАХ = const; ММАХ = const, UДВ ≅ ЕДВ ≡ w ≡ Р.

Во второй зоне UДВ ≈ ЕДВ ≈ const, IМАХ = const, РМАХ = М·w = const, .

Рис. 13.1. Параметры ЭП при двухзонной работе.

Вторая зона – работа с постоянной мощностью, то есть при увеличении скорости уменьшается МС. Этот режим реализуется для главного электропривода в токарных станках, где требуется примерно постоянная мощность резания (рис.13.1.).

Наибольшее распространение в двухзонных САР скорости нашел способ зависимого управления потоком двигателя. В 1-ой и 2-ой зоне задается и поддерживается главная величина – скорость. Поток в 1-ой зоне постоянен, во 2-ой зоне регулируется из условия постоянства ЭДС двигателя .

В этом случае переходные процессы при пуске имеют вид, представленный на рис. 13.2 (регуляторы тока и скорости работают с максимально выходным сигналом – в ограничении).

Переходные процессы в САР скорости с задатчиком интенсивности представлены на рис. 13.3.

Рис. 13.2. Переходные процессы при ступенчатом пуске САР скорости с ДПТ и двухзонным регулированием скорости

Рис. 13.3. Переходные процессы при пуске САР скорости с задатчиком интенсивности и двухзонным регулированием скорости.

Рис. 13.4. Структурная схема системы двухзонного регулирования скорости.

Структурная схема системы двухзонного регулирования скорости представлена на рис.13.4. При работе в первой зоне САР скорости превращается в обычную двухконтурную с регуляторами тока и скорости при Ф = const.

Во второй зоне при ЕД = ЕД. МАХ выставляется ограничение регулятора э. д.с. (Б02). Kонтур э. д.с. будет стремиться сохранить ЕД = const, то есть с ростом w уменьшается iВ, Ф.

Каким образом реализовать датчик э. д.с. двигателя – внутренней координаты двигателя?

ЭДС можно определить косвенно:

где RЯ, ТЯ – параметры самого двигателя (но не якорной цепи). Для получения информации об э. д.с. нужно брать производную по току двигателя. Это физически не реализуемо. Реально получить сигнал:

Реализация контуров тока возбуждения и э. д.с. представлена на рис.13.5.

Рис. 13.5. Принципиальная схема реализации контуров тока возбуждения и ЭДС.

Датчики стремятся выполнить так, чтобы номинальным сигналом на входе датчика соответствовал нормализованный выходной сигнал датчика ± 10 В.

Все датчики тока и напряжения силовых цепей должны быть с гальванической развязкой.

Пусть UД = 220 В, RД = 0,015 Ом, IЯН = 1000 А.

Примем Iшн = 2500 А.

Из принципиальной схемы

Умножим обе части равенства на :

Чтобы равенства (1) и (2) соответствовали друг другу, необходимо

Таким образом ; (как правило, R0Н=RH);

Передаточная функция датчика э. д.с. .

На выходе датчика э. д.с. установлен блок выделения модуля. Скорость и э. д.с. двигателя могут менять свой знак, но знак потока (тока возбуждения) неизменен.

Пока w UЭ, регулятор э. д.с. имеет UРЭ ВЫХ. МАХ., определяемое уставкой блока ограничения Б02.

При w ³ wН регулятор э. д.с. выходит из насыщения, обеспечивая поддержания ЕД = const.

Выбор параметров регуляторов

Регулятор тока возбуждения

Из структуры рис. 13.4 находим передаточные функции: ,

где: ТВ – постоянная времени обмотки возбуждения, отражающая э. д.с. самоиндукции (ТВ = 0,5 ¸ 4 с);

ТВТ – постоянная времени, отражающая взаимовлияние вихревых токов, наводимых в станине ( для нешихтованной стали, для шихтованной стали).

Параметры КВ, ТВ, ТВТ – существенно нелинейные величины, зависящие от насыщения стали. Обмотка возбуждения обычно рассматривается при пренебрежении гистерезисом и влиянием реакции якоря.

где КН » 1,1¸1,3 – коэффициент насыщения;

d » 1,18 – учет потоков рассеивания;

Универсальная кривая намагничивания в относительных единицах для двигателей независимого возбуждения задана в табл. 13.1.

Универсальная кривая намагничивания ДПТ. Таблица 13.1

Значения IBH, ФН (одного полюса) даются в каталогах.

Передаточная функция разомкнутого контура тока возбуждения при обычно используемом ПИ – регуляторе

Передаточная функция замкнутой системы

По характеристическому полиному, задавшись качеством переходных процессов, можно определить параметр aВ. Однако можно ослабить форсирующее действие вихревых токов, если в цепи обратной связи по току возбуждения включить фильтр с постоянной времени

Тогда (аВ=2 при настройке на МО);

Данная настройка рекомендуется для практического применения.

с для тиристорных возбудителей; ;

Передаточная функция разомкнутого контура Э. Д.С.

Обычно к быстродействию контура э. д.с. не предъявляются высоких требований по быстродействию.

Быстродействие контура э. д.с. должно быть значительно меньше, чем в контуре скорости в данной взаимосвязанной САР с мультипликативными связями (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Взаимосвязанная САР двухзонного регулирования скорости.

Контур скорости — основной в системе регулирования. Он должен быть максимально быстродействующим. Контур э. д.с. не может быть реализован быстродействующим физически из-за больших индуктивностей обмотки возбуждения. Быстродействие взаимосвязанных контуров различается существенно, что позволяет пренебрегать взаимовлиянием контуров друг на друга и рассматривать их в первом приближении независимыми друг от друга при синтезе параметров регуляторов.

Поскольку быстродействие контура э. д.с. не требуется, то чаще всего применяют И-РЭ. Тогда передаточная функция разомкнутого контура э. д.с.

При настройке на МО ,

При расчетах параметров регуляторов следует принимать максимальные значения коэффициентов передачи и постоянных времени объекта регулирования, которые возможны при изменении режимов работы. Если при данных значениях параметров САР будет рассчитана на устойчивый режим работы, при других значениях параметров (меньших по величине) САР будет заведомо устойчива.

Исходя из этого при расчетах постоянной времени ТРЭ следует принять:

Передаточная функция замкнутого контура э. д.с.

Настройка контура скорости с учетом ослабления магнитного потока

Если магнитный поток уменьшается в 2-3 раза, то уменьшается и общий коэффициент усиления в контуре скорости в 2-3 раза, т. к. КМ=СЕФ. Если применяется П-РС, уменьшение коэффициентов усиление приводит к понижению ЛАЧХ разомкнутой САР, снижению частоты среза (и полосы пропускания), уменьшению колебательности системы.

При применении ПИ-РС САР может стать неустойчивой (рис. 13.6).

Рис. 13.6. ЛАЧХ контура скорости с настройкой на СО при Ф=Фном и Ф=Фмин.

Чтобы этого не произошло, необходимо постоянную времени изодромного звена регулятора скорости увеличить обратно пропорционально ослабления потока, т. е. (ЛАЧХ по прямой 3 рис.13.6). Но происходит соответствующее снижение частоты среза контура скорости.

В ряде случаев снижение быстродействия контура скорости нежелательно. В этом случае нужно компенсировать уменьшение коэффициента усиления контура при ослаблении Ф. На выходе регулятора скорости тогда включается блок деления (см. рис. 13.7), на который подается сигнал, пропорциональный току возбуждения, подаваемый через фильтр с нелинейностью, чтобы смоделировать магнитный поток.

Снижение быстродействия контура скорости в этом случае не происходит. Перенастраивать параметры регулятора скорости также не требуется.

Рис.13.7. Схема компенсации уменьшения коэффициента усиления контура скорости при ослаблении Ф

Способ астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока

Номер патента: 1067581

Текст

(19) (1 Ц 02 Р 5 06 ОС Л )4ФИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ В ТОРСИ СВИДЕТЕЛЬСТ АРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АМ ЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) В.П.Казанцев и В.И.Петренко (71) Пермский политехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 479208, кл Н 02 Р 5/06.2. Патент Японии Р 55-39996, .кл. Н 02 Р 5/06, 1980.(54)(57) СПОСОБ АСТАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯН НОГО ТОКА, при котором.в переходных процессах Формируют напряженке, пропорциональное заданной производной тока якоря, интегрируют его, огра- ничивают на уровне пропорциональном максимально допустимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением, пропорциональным току якоря, результат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повыаения качества регулирования, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, Форьщруют напряжение, пропорциональное максимальному. отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения Формируют .напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклойению скорости в переходном процесса, .обнуляют при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданно.го значения, или напряженияпропорционального производной скорости двигателя.Изобретение относится к электро-,технике, а именно к .управлениюэлектроприводами постоянного токас независимым возбуждением, питаевым по цепи якоря от управляемогопреобразователя, и может быть использовано для систем стабилизациискорости вращения электроцриводов,статическая нагрузка и момент инерции которых могут меняться в широких пределах.10Известен способ астатическогорегулирования скорости двигателя,заключающийся в том, что в законрегулирования вводят интегральнуюсоставляющую от .ошибки регулирования по скорости, обеспечивающую вустановившихся режимах нулевую статическую ошибку регулирования ско-.рости 11 .Недостатком известного способаявляется то, что при изменении пара-.метров электропривода, в частностимомента инерции, в широких пределахпоказатели качества регулированияухудшаются, поскольку параметры ре-. 25гуляторов рассчитываются для вполнеопределенных параметров электропривода. Кроме, того, скорость нараста. ния тока якоря, определяющая условиякоммутации двигателя, может оказаться недопустимо большой, посколькуотсутствует ограничение темпа нарастания тока якоря.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является способ астатического регулирования скорости двигателя постояйного тока,при котором в переходных процессахФормируют напряжение, пропорциональ,ное заданной производной тока якоря,интегрируют его, ограничивают на : 40уровне пропорциональном максимально. допустимому току якоря и сравниваютполученное напряжение с напряжением,пропорциональным току якоря, резуль-.тат сравнения преобразуют в напряжение на якоре двигателя 121 .Недостатком данного- способа является то, что при изменении момента,инерции электропривода качество переходных процессов по данному спосо» 50бу регулирования скорости ухудшаетсяЭто связано с тем, что процесс регулирования ведется для объекта с неизменными параметрами,Цель изобретения — повышение качества регулирования скорости. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу астатического регулирования скорости двигателя постоянного тока, при котором 60 в переходных процессах формируют напряжение, пропорциональное задан-. ной производной тока якоря, интегрируют его, ограничивают на уровне ,пропорциональном максимально допус тимому току якоря и сравнивают полученное напряжение с напряжением,пропорциональнымтоку якоря, резуль-тат сравнения преобразуют в напря-, жение на якоре двигателя, дополнительно определяют напряжение, пропорциональное производной скорости двигателя, формИруют напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшают его вдвое, сравнивают с.напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скорости, и по результату сравнения формируют напряжение, пропорциональное заданной производной тока якоря, при этом напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в пе.рЕходном процессе, обнуляют при достижении нулевых значений напряжения, пропорционального текущему отклонению скорости от заданного значения, или напряжения, пропорционального производной скорости двигателя.На Фиг. 1 нрйведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 — кривые переходных процессов .при ступенчатом набросе статической нагрузки на ва,лу привода (18 — ток якоря, 19 и 20- динамическое падение скорости двигателя при двух различных по величи не моментах инерции электрапривода); иа Фиг 3 — кривые переходных процессов «в малом» при ступенчатом изменении сигнала задания скорости (21 и 23 — ток якоря и 22.и 24 — приращение скоростй двигателя при двух различных,по величине моментах инерции привода);. на Фиг. 4 -кривые переходных процессов ив большом», т.е. придостаточно больших ступенчатых приращениях сигнала задания скорости двигателя (25 — ток якоря). Устройство, реализующее способ, состоит (Фиг. 1) из последовательно включенных регулятора 1 скорости, задатчика 2 интенсивности тока якоря, содержащего последовательно включенные усилитель-ограничитель 3 и интегрирующее звено 4 с элементами 5 ограничения выходного напряжения, регулятора 6 тока якоря, управляемого преобразователя 7, выходом подключенного к якорной цепи двигателя 8, Датчики 9 тока якоря и дат» чик 10 скорости двигателя подключены ко входам соответствующих регуляторов; регулятор 1 скорости содержит первый суммирующий усилитель 11, второй суммирующий усилитель 12 с различными коэффициентами передачи по входам, двухсторонний амплитудный детектор 13, логическую схему14 ИЛИ, нуль-органы 15 и 16, причем выход первого суммИрующего усилителя 11 подключен ко входам нуль-органа15, двухстороннего амплитудного детектора 13 и к первому неинвертирующему входу второго суммирующего усилителя 12, ко второму инвертируюцему входу которого подключен выход двухстороннего амплитудного детек тора 13, к цепи сброса напряжения последнего подключен выход логической схемы ИЛИ, входы которой соединены с выходом нуль-органов, вход нуль-органа 16 соединен с выходом 10 датчика 17 динамического тока якоря.При функционировании систеьж в условиях изменяюцегося сигнала задания скорости, т,е.не в режиме стабилизации скорости, в устройство 15 для реализации способа могут быть введены элементы ограничения выходного напряжения первого суммирующего усилителя в целях повышения быст. — родействия системы при больших отклонениях напряжения задания скорости.Устройство работает следуюцым образом.В установившемся режиме работы среднее значение отклонения скорос- . ти от заданного значения равно нулю, т.е. РМ =-9 = О, где У 1 отклонение скорости от заданного значения; 4, — заданное значение скорости; 4- величина действитель-, З 0 ной скорости двигателя.Средние значения. напряжений Ол ц на выходах соответственно первого и второго суммирующих усилителей 11 и 12 равны нулю. Среднее значение 35 выходного напряжениядвухстороннего амплитудного детектора 13 равно нулю, запоминаемые им максимальные мгновенные отклонения скорости от установившегося значения тут же сбра .сываются на нуль, поскольку на выходах, нуль-органов 15 и 16 в квазиус-. тановившихся режимах 1 отклонение скорости двигателя и ее производная колеблются с достаточно большой час тотой около нулевого значения ) формируются сигналы логической «1», воздействующие через логическую схему 14 ИЛИ на цепь сброса напряжения двухстороннего амплитудного детектора 13. Среднее значение напряжения на выходе усилителя-ограничителя 3 равно нулю, напряжение задания тока якоря на выходе интегрирующего звена 4 равно напряжению датчика 9 тока якоря.55 При набросе статической нагрузки на валу привода скорость Ч двигателя падает, что приводит к появлению напряжения,пропорционального откло нению скорости от установившегося значения на выходе первого суммирую-. щего усилителя 11, т.е. 01 = К л Я-Н) где К — коэффициент усиления первого суммирующего усилителя 11 у ч — , 65 установившееся значение» скорости дви гателя.Двухсторонний амплитудный детектор 13 формирует напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, Второй суммирующий усилитель 12 выполнен с коэффициентом передачи по неинвертируюцему входу, абсолютная величина которого в два раза.больше, чем абсолютная величина коэффициента передачи.по инвертирующему входу этого усилителя, В связи.с этим напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости в переходном процессе, уменьшается вдвоеНеобходимость уменьшения вдвое напряжения,пропорционального максимальному отклонению скорости в переходном процессе, обусловлена тем, что при описании управляемого преобразователя 7 безинерционным звеном система управления электроприводом представляет собой интегратор второго порядка, оптимальный по быстродействию переходный процесс в которой обеспечивается при переключениях.в моменты времени, соответствующие половине максимального отклонения скорости,В суммируюцем усилителе 12 уменьшенное вдвое напряжение, пропорциональное максимальному отклонению скорости, в переходном процессе сравнивается с напряжением, пропорциональным текущему значению отклонения скоростиНа выходе усилителя-ограничителя 3 формируется напряжение., пропорциональное заданной производной тока якоря, которое интегрируется интегрирующим звеном 4 и ограничивается элементом 5 ограничения. Полученное напряжение сравнивается с напряжением датчика 9 тока якоря, регулятор 6 .тока якоря формирует напряжение управления преобразовате. лем 7, выходное напряжение которого, будучи приложенным к якорной цепи двигателя 8, вызывает отслеживание током якорякривая 18,фиг.21 линейно нарастающего напряжения задания тока якоря ( регулятор тока якоря может иметь ПИ, ПИД или ре» лейную структуру). Поскольку отклонение скорости от. установившегося значения и производная от скорости двигателя не равны нулю, то напряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 не сбрасывается на нуль и он продолжает функционировать в режиме выборки,. пока .динамическое падение скорости двигателя 8 не достигнет максимального значения ос/,(кривая 19, фиг, 2 1, Производная от скорости двигателя 8 становится равной, нулю, нуль-орган 16 выдает кратковременный пробный55 60 65 сигнал логической «1» и сбрасываетнапряжение двухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль, котороесразу же восстанавливается до своего прежнего значения, как толькона выходе нуль-органа 16 появляетсясигнал логического «0». Двухсторонний амплитудный детектор 13 переходит в режим запоминания напряжения,пропорционального максимальномуотклонению скорости о Я. Ток якоряпродолжает нарастать пока текущееотклонение ЙЧ скорости от устано»вившегося значения не станет меньшеполовины максимального отклоненияскорости (момент времени 1,фиг. 2) .Как только ВЧ станет меньше 0,581знак напряжения на : выходе суммирующего усилителя 12 и усилителяограничителя 3 сменится на обратныйи ток якоря начнет линейно спадать,скорость двигателя 8 монотонно устремится к установившемуся значению.В момент равенства тока якоря статическому току (момент временифиг. 2 ) производная от скорости двигателя 8 станет равной нулю и происходит пробный сброс напряжениядвухстороннего амплитудного детектора 13 на нуль. Если при этом выполняется равенство нулю отклоненияскорости от установившегося значения, т.е. 6 Ч = О, то система прихо»дит в установившийся режим и ееФункционирование становится аналогичным рассмотренномувыше. Если вмомент равенства нулю производнойот скорости двигателя 8 имеет местоненулевое отклонение скорости отустановившегося значения, то по сигналу от нуль-органа 16 Стираетсяиз памяти двухстороннего амплитудного детектора 13 прежнее запомненноезначение максимального отклоненияи записывается новое, имеющее местов момент времени 1, Напряжение навыходе второго сумьжрукщего усилителя 12 имеет при этом такой же знакчтр и О, так как коэффициент егопередачи по первому входу в два ра-за больше, чем повторому. Далеепроцесс ликвидации отклонения скорости от установившегося значения.аналогичен рассмотренному процессуперехода системы иэ состояния с максимальным отклонением скорости 8 Ущв состояние, содтветствующее момен ту времени Ь (Фиг. 2). Посколькупараметры регуляторов не зависят отмомента инерции привода, о при произвольном изменении момента инерции,например уменьшении, качество переходных процессов не становится хуже(алгоритм. работы регулятора скорости останется тем же, хотя динами-,ческий провал скорости, естественно,изменяется (становится больше при уменьшении момента инерции привода,если приложена такая же по величинестатическая нагрузка на валу привода,кривая 20, фиг. 1 ).Рассмотрим реакцию системы «в малом» на ступенчатое изменение сигнала задания скорости. Изменение сигнала задания скорости на величинус Ч вызывает появление сигнала ошибки на выходе первого суммирующего 10 усилителя 11.: Оп = КВЧф. Такое женапряжение появляется на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13О = 0К ЮЧф, которое, будучи максимальным в данном переходном процес се, запоминается им. Напряжение навыходе второго суьмирующего усилителя 12 и напряжение на выходе усилителя-ограничителя 3 имеет один.итот же знак, следовательно, ток 20 якоря, отслеживая сигйал задания тока якоря, формируеьый интегрируемымзвеном, линейно нарастает до техпор, пока текущее отклонение скоростиот заданного значения не станет мень ше половины максимального отклонания 8 Чф в начале переходного процесса 1 кривые 21 тока якоря и 22 приращенйя скорости двигателя), Как только ВЧ станет меньше 0,5 У Чф (моментвремени Ь, Фиг. 3), напряжение навыходе второго суммирующего усили.=теля 12 сменит знак, напряжение. задания тока якоря начнет уменьшаться,вызывая линейное уменьшение токаякоря и монотонное приближение скорости двигателя 8 к новому установившемуся значению. При равенственулю производной от скорости двигателя 8 (момент времени 1 р , фиг.3)происходит, сброс иа нуль напряжения,запомненного ранее двухстороннимамплитудным детектором 13. Еслитекущее отклонение скорости приэтом равно нулю, то система переходит в новый установившийся режим.45 Если имеет место некоторое не равное нулю отклонение ЗЧ скоростиот заданного значения, то оно запоминается двухсторонним амплитуднымдетектором 13 и происходйт отработ ка системой этого отклонения в соответствии с описанной выше процедуройЕсли момент инерции привода изменился, например возрос, то отработка такого же по величине прира» щения сигнала задания скорости потребует формирование болЬшего дина» мического тока якоря и, естественно, увеличится время переходйогопроцесса (кривые 23 тока якоря и 24скорости двигателя, Фиг. 3), одна-,ко переходный процесс по-прежнемубудет оптимальным по быстродействию,поскольку параметры регулятора106 7581 скорости не зависят от величины момента инерции привода,При достаточно больших приращениях сигнала задания скорости (фиг. 4) линейно нарастающее напря жение на выходе интегрирующего звена 4 достигает своего максимального значения и ограничивается элементами 5 ограничения (в простейшем случае двумя встречно включенными . 1 О стабилитронами), ток якоря двигателя (кривая 251 также выходит на режим ограничения(момент времени .1, Фиг. Ц . При отсутствии статической нагрузки на валу привода скорость двигателя линейно нарастает, пос 15 кольку является интегралом от постоянного динамического тока якоря. Напряжение на выходе первого суммирующего усилителя 11 изменяется пропорционально отклонению скорости 20 от заданного значения, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 хранится напряжение, пропорциональное максимальному отклонению 6 Чф скорости от заданного значения. Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак, когда отклонение скорости от заданного значения станет меньше половины максимального отклонения скорос ти (момент времени Е 2, фиг. 4), При этом ток якоря начинает умень-. шаться и скорость двигателя стремится к некоторому установившемуся значению. Когда производная от скорос ти двигателя 8 станет равной нулю (момент времениз, Фиг.4), нуль-орган 16 .выдает сигнал логической «1 фф и через схему 14 ИЛИ сбрасывает на нуль напряжение двухстороннего ам О плитудного детектора 13. На выходе второго суммирующего усилителя 12 снова появляется напряжение того же знака, что и О , ток якоря,и скорость двигателя 8 начинают нарастать, а на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 запоминается напряжение, пропорциональное отклонению скорости 6 У+ в момент времени 1 З фиг. 4). В дальнейшем процесс отработки отклонения скорос О ти от заданного значения аналогичен рассмотренному выше и в некоторый момент времениобразуется новый установившийся режим, Очевидно, что переходный процесс отработки доста-. 55 точно больших приращений сигнала задания скорости не является оптимальным по быстродействию, Однако переходный процесс станет оптимальным по быстродействию, если ввести эле менты ограничения выходного сигнала первого суммирующего усилителя 11 на блок-схеме они не показаны ), ограничив его напряжение на уровне, дропорциональном удвоенному эначе- у нию отклонения Дуф скорости двигателя 8 от начального значения (фиг,4)в момент времени 1 . В этом случаемаксимальное значение запомненогосигнала на выходе двухстороннего амплитудного детектора 13 также ограничено на уровне Оаак = 02 оа= К 28 Кф», Выходное напряжение второго суммирующего усилителя 12 сменяет свой знак в момент временифиг. 4), когда отклонение скоростиот заданного значения становитсяменьше отклонения 8 уфф скорости отначального значения. При этом токякоря начинает линейно спадать, аскорость двигателя монотонно устрем»ляется к новому установившемуся заданному значению (пунктирные линии,Фиг. 4),Величину относительного отклонения д- скорости двигателя от наМФчального значения можно подсчитатьпо ФормулеУ, ь,йгде Т =- инерционная постоянМ)м.иая времени привода Ийр — приведенный к валу двигателяв момент инерции привода; Он, М — номинальныезначения скорости и электромагнитного момента двигателя 1;уж — относительное значение динамического тока якоря двигателя.Поскольку при отсутствии статической нагрузки на валу привода динамический ток равен току якоря, то1можно записать син- 1где ТТ фпостоянная интегрирования сигналазадания тока якоря. Тогда величинаотносительного отклонения определяется иэ выражейия ЗЧ». Ф,. 12 Т ТЕсли ток якоря двигателя ограничивать на уровне= 23, где Дн = 1 номинальное относительное значениетока якоря, то с учетомфнзложенного будет справедливым соотношение= 2, Принимая во внимание пос.1леднее выражение, получим Поскольку расчетная величина отклонения ЮЧфф скорости от начального значения зависит от величины момента инерции привода, то очевидно, что при достаточно болыаих приращениях сигнала задания скорости н изменениях момента инерции привода система в общем случае не будет оп- тимальной по быстродействию.Таким образом, предложенный способ астатического регулирования ско 1067581 1 Орости электропривода и устройства для его реализации позволяют получить оптимальные по быстродействию переходные процессы в системе в режиме стабилизации скорости двигателя, причем в широком диапазоне изменения момента инерции привода и изменения статической нагрузки на,валу двигателя Способ является также оптимальным по быстродействию .при различных моментахинерции привода в режиме программного изменениясигнала задания скорости, если это 5 изменение не вызывает необходимостьв ограничении величины, тока якоря106758125/56 Тираж671 Подп ВНИИПИ Государственного комитета ССС но делам изобретений и открытий 3035, моеква, Ж 35, Рауюская наб., дЗаказ 1 оно Филиал ППП «Патентф,. г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Ю.ВоробьевРедактор М.Дыпын Техред.М.Гергель . Корректор И

Каждый электрик должен знать:  Инструменты автоэлектрика - список самых необходимых

Заявка

ПЕРМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАЗАНЦЕВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ, ПЕТРЕНКО ВЛАДИМИР ИЛЛАРИОНОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Регулятор скорости вращения двигателя

Номер патента: 336652

. э с 1 1 амц зза ходе 1 стзия по 1 еймагнитов 3 и 4 ротора ц г 1,1 астин 1. соответственно.Прц дост:жени 1 рот 0110 м так 01 скопостцвращения, прц которой асгог;1 нзацмодейст вия совпадает с собственной частотой колебацй пластины, последняя Вход.г в резонанс, 1 мплцтчда ее колеОаний Возрастает, скорОеть зраще;Ия ротора при этом синхрона астог колебаниЙ пластины. Положение д 1 тчика 6 15 Относи гельно пластины вибратора высгазлястся так, чтобы амплитуда колеба:ий ц;аеццы цс вызывала опасных изгибцых;апряжеций в се материале, В то жс время материал реагирует как а у 1 еньшенте, так ц:1;1 увс,1:1- 20 чение значения амплитуды колебаНй. В С,1 час отклонения скорости враше;1:.я от синхронной, равной частоте ко 1 еоаццй в: оратора, в виде.

Устройство для управления скоростью вращения двигателя

Номер патента: 636362

. скорость вращения не окажется ниже номинальной. Ограничительный каскад служит для ограничения величины ослабления потока возбуждения, а также для гальванического разделения снловых цепей н ценей управления.Во. время работы второй зоны на управляющий электрод включающего тнристора 15 через ЙС-цепь 16, 17 поступают нмпуль. си с широтно-импульсного модулятора 9. В момент, соответствующий переднему фронту импульса, тирнстор 15 открывается н во половине обмотки трансформатора8 протекает ток заряда конденсатора 9. На выходной обмотке трансформатора появляется короткий положительный импульс с крутым передним фронтом. По окончании заряда ток через тнрнстор определяется суммой сопротивлений 20, 21. Управляющий электрод выключающего тиристора.

Устройство для измерения угловой скорости якоря электрических машин постоянного тока

Номер патента: 1002965

. соединен с входами блока 2синхронизации и одновибратора 8. Выходная цепь одновибратора 8 связанас входом счетчика 10 импульсов иодним входом схемы 11 совпадения.Выход счетчика 10 подключен к другому входу схемы 11 совпадения, выходная цепь которой соединена с входомключевой схемы 3.10029 где Т — текущее значение длительности импульсов зубцовых пульсаций на выходе коммутатора 6;К — коэффициент пропорциональности,и — угловая скорость якоря.Такая зависимость между частотойвращения якоря и сигналом на выходеустройства оказывается неудобной при 1 висследовании в системах измерения,управления и стабилизации частоты вращения.Поэтому блок 7 индикации, помимоинформационных функций, зависимость 15вида ( 1) приводит к выражению ъгде Т 1 -.

Устройство для включения резерв-ного усилителя следящего привода

Номер патента: 840911

. привода не вращается,то по истечении заданной выдержки времени, определяемой приблизительнотремя постоянными времени фильтра, сра -батывает реле 11 и включает резервныйусилитель отключая неисправный. Приэтом привод, если неисправность вызвана выходом из строя усилителя, нормально работает с резервным усилителем,Если ошибка превышает допустимую,но выходной вал привода разгоняетсяв нужную сторону, то на вход транзистора 2 подается контактное напряжение.1такой фазы, что открывает его в тотполупериод, когда транзистор 1 закрытсигналом ошибки. В результате сигнална вход 1 С -фильтра не поступает иреле не срабатывает,Если при превышении ошибки выходной вал привода разгоняется произвольно, а не в сторону, определяемую знаком ошибки, то Фаза.

Способ управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения привода шахтного подъемника

Номер патента: 854860

. в приводе шахтнника, согласно которому поддток якоря двигателя на зада ель достигается тем, двигателя поддерживаютм отношению мгновенной мника ко времени от нания, а заданный урония наибольшего тока85486 О якоря двигателя устанавливают на уровне удвоенного значениястатическоготока якоря двигателя.На чертеже показаны диаграммы изменения скорости подъемника и токаякоря двигателя.Согласно способу управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения сначала определяютстатический ток якоря двигателя, чтобы ввести ограничение наибольшеготока якоря на уровне удвоенного значения статического тока якоря. Пригдвижении подъемника поддерживают постоянным магнитный поток двигателя,измеряют мгновенную скорость движенияподъемника и.

Электрические машины — Регулирование частоты вращения

Содержание материала


6.7.3. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Согласно (6.8), регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока можно осуществлять путем изменения потока Ф, введения дополнительного сопротивления в цепь якоря и изменения напряжения сети . В двигателях параллельного возбуждения наиболее просто осуществляется регулирование изменением потока, реализуемого с помощью реостата в цепи возбуждения. При увеличении сопротивления поток Ф уменьшается и частота вращения растет. На рис. 6.43 представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при трех значениях потока. Таким способом регулируют частоту вращения в пределах , . Верхний уровень частот ограничивается условиями коммутации. Кроме того, при глубоком уменьшении потока возбуждения усиливается размагничивающее действие реакции якоря, жесткость механической характеристики растет, и падающая характеристика при номинальном потоке может стать возрастающей при ослабленном потоке, что приведет к нарушению устойчивой работы двигателя.
Регулирование частоты вращения двигателя путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления позволяет изменять частоту вращения вниз от номинальной в широких пределах (рис. 6.44). Но этот способ не экономичен. Полезная мощность двигателя при постоянном моменте пропорциональна частоте вращения (без учета потерь в якоре):
,
а потребляемая из сети мощность от частоты вращения не зависит,
.
Поэтому КПД двигателя пропорционален частоте вращения якоря,

.
Кроме того, при введении дополнительного сопротивления жесткость механической характеристики двигателя снижается, что может привести к ухудшению работы приводного механизма.
Более совершенным способом регулирования частоты вращения вниз является регулирование путем изменения подводимого к двигателю напряжения. На рис. 6.45 представлены механические характеристики двигателя параллельного возбуждения для трех значений напряжений. Жесткость механических характеристик практически не меняется, поэтому таким способом можно регулировать частоту вращения от номинальной до нуля.
Этот способ по существу сходен с частотным регулированием угловой скорости в машинах переменного тока, так как закон изменения напряжения и частоты тока в якоре близок к при постоянном потоке Ф:
.
В качестве источников регулируемого напряжения используются генератор постоянного тока (рис. 6.41, а) либо полупроводниковый выпрямитель (рис. 6.41, б). Схема с полупроводниковым выпрямителем обладает более высоким быстродействием по сравнению со схемой генератор-двигатель, но уступает по перегрузочной способности. Кроме того, работа полупроводникового преобразователя ухудшает качество электрической энергии сети переменного тока из-за генерации высших гармоник напряжения и тока.
Рассмотренные способы регулирования частоты вращения двигателей параллельного возбуждения применяются и в двигателях смешанного возбуждения.

Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется путем изменения тока в последовательной обмотке или напряжения якоря U с помощью шунтирующих реостатов (рис. 6.46).
При шунтировании обмотки возбуждения ток уменьшается и частота вращения якоря растет, а при шунтировании якоря напряжение якоря уменьшается, поэтому частота вращения падает (рис. 6.47).
Регулирование частоты вращения вверх осуществляется практически при постоянном КПД
.
Верхний уровень частоты вращения ограничивается условиями коммутации.
Регулирование частоты вращения вниз может осуществляться вплоть до нуля, однако КПД этого способа снижается пропорционально напряжению якоря и частоте вращения:
,
где — частота вращения якоря при .
Таким образом, этот способ регулирования так же, как и реостатный способ регулирования частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением, является неэкономичным. Он используется лишь в случае двигателей малой мощности.

Реферат: Регулирование скорости (частоты вращения) асинхронного двигателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат по общей электротехнике

«Регулирование скорости (частоты вращения)

Выполнил: ст. группы ТОА-328

Проверил: доц. Николаева С.И.

1. Способы регулирования асинхронного двигателя…………………………………3

2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов………………………..6

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора…………………………………………………………………………………8

4. Регулирование скорости АД изменением числа пар полюсов…………………. 12
1. Способы регулирования асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω и скольжением s:

Рис.1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Исходя из (1) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине ω .

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f1 , и числом пар полюсов двигателя рп . В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:

— плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

— экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.

Недостатками частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.

Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом способе невозможно.

Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.

2. Частотное регулирование асинхронных электроприводов

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы ω = 2πf1 (1 — s)/p. При регулировании частоты также возникает необходимость регулирования амплитуды напряжения источника, что следует из выражения U1 ≈ Е1 = kФf1 . Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте. Так, при уменьшении частоты поток возрастет, и это приведет к насыщению стали машины и как следствие к резкому увеличению тока и превышению температуры двигателя; при увеличении частоты поток будет уменьшаться и как следствие будет уменьшаться допустимый момент.

Для наилучшего использования асинхронного двигателя при регулировании угловой скорости изменением частоты необходимо регулировать напряжение одновременно в функции частоты и нагрузки, что реализуемо только в замкнутых системах электропривода. В разомкнутых системах напряжение регулируется лишь в функции частоты по некоторому закону, зависящему от вида нагрузки.

Частотное регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока с двигателями с короткозамкнутым ротором находит все большее применение в различных отраслях техники. Например, в установках текстильной промышленности, где с помощью одного преобразователя частоты, питающего группу асинхронных двигателей, находящихся в одинаковых условиях, плавно и одновременно регулируются их угловые скорости. Примером другой установки с частотно-регулируемыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором могут служить транспортные рольганги в металлургической промышленности, некоторые конвейеры и др.

Частотное регулирование угловой скорости асинхронных двигателей широко применяется в индивидуальных установках, когда требуется получение весьма высоких угловых скоростей (для привода электрошпинделей в металлорежущих станках с частотой вращения до 20 000 об/мин).

Экономические выгоды частотного регулирования особенно существенны для приводов, работающих в повторно-кратковременном режиме, где имеет место частое изменение направления вращения с интенсивным торможением.

Для осуществления частотного регулирования угловой скорости находят применение преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Преобразователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные. В свою очередь электромашинные преобразователи могут быть выполнены с промежуточным звеном постоянного тока и непосредственной связью. В последних используют коллекторную машину переменного тока, на вход которой подают переменное напряжение с постоянной частотой и амплитудой, а на выходе ее получают напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Электромашинные преобразователи с непосредственной связью практического применения не получили.

3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью резисторов в цепях ротора и статора

Один из распространенных способов регулирования скорости, тока и момента АД с фазным ротором связан с введением и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора. Схема, в которой реализуется этот способ регулирования, приведена на рис. 4.7, а. Основным достоинством этого способа является простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов.

Для построения семейства получаемых при этом способе искусственных механических характеристик проведем анализ их характерных точек. С помощью выражения для скорости идеального холостого хода ω0 = ρf1/p отмечаем следующее:

1) скорость идеального холостого хода АД ω при регулировании Rд2 не изменяется;

2) максимальный (критический) момент двигателя Мк также остается неизменным;

3) критическое скольжение Sк увеличивается при увеличении R .

Использование этих характеристик для регулирования скорости АД характеризуется такими же показателями, что и для ДПТ независимого возбуждения. Диапазон регулирования скорости небольшой — около 2 — 3, что определяется снижением жесткости характеристик и ростом потерь по мере увеличения диапазона регулирования скорости.

Плавность регулирования при реостатном регулировании небольшая и определяется плавностью изменения дополнительного резистора R2д. Скорость АД изменяется только вниз от основной.

Экономичность способа определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые ящики металлических резисторов. В то же время при эксплуатации этой системы затраты велики, поскольку значительны потери энергии.

Электрические потери в роторной цепи ΔР2, называемые потерями скольжения. Чем больше скольжение s, тем больше потери в роторной цепи, поэтому реализация большого диапазона регулирования скорости приводит к значительным потерям энергии и снижению КПД электропривода.

Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов.

Рассматриваемый способ также используется для регулирования тока и момента АД при его пуске.

Если обратиться к характеристикам двигателя, то можно отметить, что за счет подбора сопротивления резистора пусковой момент АД может быть увеличен вплоть до значения критического момента Мк. Это свойство АД используется при его пуске с моментом нагрузки, превышающим пусковой момент АД Мп на естественной характеристике.

Пусковой ток АД уменьшается по мере увеличения R , что позволяет с помощью введения добавочных резисторов осуществлять его ограничение.

Задача по расчету дополнительных резисторов в цепи ротора обычно формулируется следующим образом. Задана искусственная механическая характеристика АД (полностью или частично) или отдельная точка этой характеристики с координатами ωи , Ми . Найти сопротивление дополнительного резистора R , при включении которого в цепь ротора АД будет иметь заданную искусственную характеристику или же она будет проходить через заданную точку. При этом предполагается, что естественная механическая характеристика АД известна (рассчитана или снята экспериментально). Отметим, что требуемая искусственная характеристика может быть задана по условиям пуска или регулирования скорости.

Расчет сопротивления добавочного резистора R может быть выполнен несколькими способами в зависимости от формы задания требуемой искусственной механической характеристики.

1. Искусственная характеристика задана полностью и известен участок критического момента. В этом случае расчет целесообразно вести по формуле, с помощью которой находится отношение критических скольжений АД на естественной и искусственной характеристиках,

2. Если искусственная характеристика задана своей рабочей частью и участок критического момента не определен, то удобно использовать метод отрезков, Чаще всего этот способ применяется для АД с короткозамкнутым ротором, у которых нельзя использовать цепь ротора для включения каких-либо регулирующих устройств. Так же используется включение резистора в одну фазу, что позволяет получить примерно такие же характеристики двигателя при уменьшении количества регулирующих элементов.

Искусственные характеристики построены исходя из анализа характерных точек механической характеристики, а именно:

1. Скорость идеального холостого хода ω не зависит от сопротивления фазы статора R1 , поэтому все искусственные характеристики проходят через одну и ту же точку на оси ординат.

2. Критические момент и скольжение АД уменьшаются по мере увеличения R .

3. Пусковой момент АД Мп , также уменьшается при увеличении R .

Искусственные характеристики мало пригодны для регулирования скорости АД: они обеспечивают небольшой диапазон изменения скорости; жесткость характеристик АД и его перегрузочная способность, характеризуемая критическим моментом, по мере увеличения R снижаются; способ отличает и низкая экономичность.

В силу этих недостатков регулирование скорости АД с помощью активных резисторов в цепи его статора применяется редко. Этот способ обычно используется для ограничения токов и моментов АД с короткозамкнутым ротором в различных переходных процессах — при пуске, реверсе и торможении. Например, такая схема применяется в электроприводе лифтов, имеющем двухскоростной АД. В таких электроприводах при переходе с высокой скорости на пониженную в цепь низкоскоростной обмотки статора вводится добавочный резистор, который обеспечивает ограничение тока и момента АД.

4. Регулирование скорости ад изменением числа пар полюсов

Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД ω = 2 πf1 /p.

Изменение числа пар полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных.

Изменение числа полюсов АД достигается, когда на статоре АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов р1 и р2 . При подключении к сети одной обмотки, например с p1 парами полюсов, АД имеет синхронную скорость

Вторая обмотка при этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка и подключается на сеть вторая обмотка с р2 парами полюсов, при этом синхронная скорость АД станет равной

и АД будет иметь уже другую механическую характеристику.

Наряду с такими АД, получившими название многообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующее число выводов.

Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении частей обмотки статора на следующем упрощенном примере.

На рис. 1 показана схема одной фазы статорной обмотки, которая состоит из двух одинаковых частей 1н—1к, 2н—2к, имеющих два проводника. Если секции соединены так, как это показано на рис. 4.9, а, и к обмотке статора подведен ток I, имеющий в данный момент времени направление, показанное стрелками, то образуется магнитное

Рис. 1. Изменение числа пар полюсов обмотки статора

поле с четырьмя полюсами, т. е. p = 2 (направление магнитных силовых линий определяем с помощью правила буравчика). Оставив направление тока тем же, изменим несколько схему соединения обмотки, подключив конец первой секции 1к к концу второй 2к (рис. 1б). Из рис. 1б следует, что в этом случае статорная обмотка образует магнитное поле с числом пар полюсов, вдвое меньшим по сравнению с полем рис. 1а. Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме рис. 1в, где секции соединены параллельно (1н с 2к, 1к с 2н). В том и другом случае (рис. 1 б и в) уменьшение числа пар полюсов, и следовательно, увеличение скорости АД, достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй). При этом диапазон изменения угловой скорости магнитного поля равен двум.

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: 1) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ); 2) со звезды (У) на двойную звезду (УУ)..

Рассмотрим схемы соединения статора ‘и механические характеристики АД для этих случаев.

Треугольник — двойная звезда. Для получения большего числа пар полюсов р^ секции каждой фазы статора включены в треугольник согласно, т. е. так, как это показано на рис. 2а, где А и A — начала соответственно первой и второй секций фазы A; А и A — их концы. Обозначения для выводов секций фаз В и С, схемы включения которых аналогичны схемам фазы A, опущены. Соединение секций по схеме рис.2 б, как отмечалось выше, вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД. Схема рис. 2б, получила название двойной звезды.

Для получения общего вида механических характеристик определим допустимую мощность АД при включении его статора по схемам рис. 2, а и б. Учитывая, что допустимый ток в секции обмотки статора I1доп = I1ном остается неизменным при переключении числа пар полюсов, допустимую первичную мощность определим:

для схемы треугольник (рис. 2, а)

для схемы двойная звезда (рис. 2, б)

Соединение обмоток статора в треугольник (а), двойную звезду (б) и механические характеристики при схемах треугольник — двойная звезда (Д—УУ) (в)

Из полученных выражений следует, что при cos φ1д ≈ cos φ1уу допустимая мощность АД остается практически неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД увеличивается примерно в 2 раза. Механические характеристики АД для данного способа переключения обмоток показаны на рис. 2в. Они соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности.

Звезда — двойная звезда. В этой схеме меньшей угловой скорости АД соответствует соединение обмоток статора, показанное на рис. 3а. Секции фаз статора

Соединение обмоток статора в звезду (а) и механические характеристики двигателя при схемах звезда — двойная звезда (б) соединены в этой схеме также последовательно и согласно и образуют при подключении АД к сети систему р1. пар полюсов вращающегося магнитного поля, которой соответствует синхронная скорость ω01 . Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме на рис. 2б, при этом число пар полюсов станет p2 = p1 /2. Получаемые механические характеристики такого двухскоростного АД изображены на рис. 3б,. В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки Мс . Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД, которая для схемы двойная звезда (рис. 4.10, б) определяется формулой (2), а для схемы звезда согласно рис. 3а — формулой

Из (2) и (3) видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 3б вид.

Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные АД. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД с различным числом пар полюсов р1 , р2 , p3 , p4 позволяют получить четыре различные механические характеристики.

Рассматриваемый способ регулирования скорости характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, так как регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождается выделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.

Из рис. 2в и 3б видно, что механические характеристики многоскоростных асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

Рис. 4. Схема управления двухскоростным АД

Недостатком этого способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6—8.

На рис. 4 показана практическая схема управления двухскоростным АД с короткозамкнутым ротором. Схема обеспечивает две скорости АД путем соединения обмотки статора в треугольник или двойную звезду, а также его реверсирование. Она состоит из контакторов большой КМ1 и малой КМ2 скорости, линейных контакторов направления вращения АД «Вперед» КМ3 и «Назад» КМ4, блокировочного реле KV и кнопок управления SB3, SB1, SB2, SB4, SB5. Защита электропривода осуществляется тепловыми реле KK1 и КК2 и предохранителями FA.

Для пуска АД, например, на низкую скорость нажимается кнопка SB4, после чего срабатывает контактор КМ2 и реле KV. Статор АД оказывается включенным по схеме треугольник, а реле KV, замкнув свои контакты в цепях аппаратов КМЗ и КМ4, подготавливают двигатель к подключению к сети. Далее нажатие кнопки SB1 или SB2 приводит к включению АД соответственно в направлении «Вперед» или «Назад».

После разбега АД до низкой скорости может быть осуществлен его разгон до высокой скорости. Для этого должна быть нажата кнопка SB5, что приведет к отключению контактора КМ2 и включению контактора KM1 и пересоединению в результате этого обмотки статора со схемы треугольник на схему двойная звезда.

Остановка АД производится нажатием кнопки SB3, после чего он отключается от сети и схема возвращается в исходное положение.

Применение двухцепных кнопок в схеме позволяет осуществить блокировку от одновременного срабатывания контакторов КМ1 и КМ2, КМЗ и КМ4. Этой же цели служат включенные в цепи катушек этих контакторов размыкающие блокировочные контакты КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока

Диаграмма, поясняющая принцип действия двигателя постоянного тока, имеет вид

Под воздействием приложенного напряжения по обмоткам якоря и возбуждения протекают токи. Ток возбуждения создает магнитный поток. На проводники якоря с током в магнитном поле действует сила, заставляющая якорь вращаться.

Классификация двигателей по способу подключения обмотки возбуждения:

– двигатели независимого возбуждения (ДНВ);

– двигатели с параллельным возбуждением, шунтовые (рис. 3.46, а);

– двигатели с последовательным возбуждением, сериесные (рис. 3.46, б);

– двигатели со смешанным возбуждением, компаундные (рис. 3.46, в).

На рис. 3.46 представлены схемы включения двигателей, где R о.в – сопротивления в цепи обмотки возбуждения; R д – добавочное сопротивление в цепи якоря; ОВ с и ОВ ш – сериесная и шунтовая обмотки возбуждения.

Рис. 3.46. Схемы включения шунтового ( а),

сериесного ( б) и компаундного ( в) двигателей

Противоэдс в двигателе. При направлении тока, указанном на рис. 3.47, якорь будет вращаться против часовой стрелки (правило левой руки).

Индуцируемая ЭДС будет направлена против тока (правило правой руки).

Рис. 3.47. Направление тока

и ЭДС в обмотке якоря

Название: Регулирование скорости (частоты вращения) асинхронного двигателя
Раздел: Рефераты по информатике
Тип: реферат Добавлен 03:22:48 06 декабря 2004 Похожие работы
Просмотров: 3290 Комментариев: 14 Оценило: 6 человек Средний балл: 4.5 Оценка: 5 Скачать
Каждый электрик должен знать:  Как работают датчики и токовые клещи для измерения постоянного и переменного тока

В двигателях ЭДС направлена против тока и поэтому называется противоэдс.

На основании второго закона Кирхгофа для якорной цепи имеем уравнение электрического равновесия для двигателя

из которого находим

Зависимость магнитного потока и момента от тока якоря в двигателе. У шунтового двигателя машины Ф = const , так как i в не зависит от I я . У сериесного двигателя Ф создается током якоря.

Рис. 3.48. Зависимость магнитного потока ( а) и момента ( б) от тока якоря

( 1 – сериесный двигатель; 2 – компаундный; 3 – шунтовый)

У компаундного двигателя зависимость Ф = f ( I я ) занимает промежуточное положение между зависимостью для сериесного и шунтового двигателей. При максимальный поток у сериесной машины.

У шунтовой машины , так как . У сериесной машины . Учитывая, что (начальный участок зависимости), получаем . Зависимость M = f ( I я ) у компаундного двигателя занимает промежуточное положение между этой же зависимостью для сериесного и шунтового двигателей.

При перегрузке максимальный момент – у сериесного двигателя, поэтому он обладает большой перегрузочной способностью, так как при перегрузке развивает максимальный момент.

Механическая характеристика ДТП (рис. 3.49) .Используя соотношения

Рис. 3.49. Механические характеристики

двигателей: 1 – шунтовый; 2 – компаундный;

Особенностью сериесных двигателей является то, что при ток якоря и Ф тоже стремятся к нулю, а n стремится к бесконечности. Поэтому эти двигатели нельзя оставлять работать в холостую.

Пуск ДТП. Проблемы пуска:

1. Большой пусковой ток якоря I я.п . Из уравнения электрического равновесия для якорной цепи имеем

Пусть при , тогда = = (10…30) I я.н .

2. Тяжелые условия коммутации, связанные с большими пусковыми токами.

3. Большой пусковой момент, который приводит к ударной нагрузке на исполнительный механизм во время пуска.

Самый распространенный способ пуска – введение в цепь якоря добавочных сопротивлений R д (реостатный пуск). За счет введения R д уменьшается пусковой ток и пусковой момент. На рис. 3.50 изображены механические характеристики, иллюстрирующие процесс пуска ( М 1 и М 2 – заданные пределы изменения момента при пуске; М с – момент сопротивления механизма).

Рис. 3.50. Реостатный пуск

Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока. Из выражения вытекают три способа регулирования скорости:

– за счет изменения питающего напряжения при постоянном магнитном потоке;

– введением в цепь якоря добавочных сопротивлений;

– изменением магнитного потока.

1. Регулирование скорости изменением питающего напряжения при постоянном магнитном потоке. Механические характеристики при регулировании скорости изменением питающего напряжения имеют вид

Рис. 3.51. Регулирование

скорости изменением U

Анализируя М в этой системе уравнений, имеем

Метод позволяет регулировать скорость плавно и в широких пределах.

2. Регулирование скорости путем введения в цепь якоря добавочного сопротивления (рис. 3.52). Анализируя М, имеем

Рис. 3.53. Регулирование скорости изменением Ф

Рис. 3.52. Регулирование скорости введением R д

Метод позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее уменьшения от исходной.

Недостаток метода – большие потери энергии в добавочном сопротивлении.

3. Регулирование скорости за счет уменьшения магнитного потока. На рабочем участке механических характеристик (рис. 3.53).

Метод позволяет плавно регулировать скорость в сторону ее увеличения.

Вывод: двигатели постоянного тока позволяют осуществлять плавную регулировку скорости в широких пределах, что является основным их достоинством по сравнению с асинхронными двигателями.

Общие сведения о режимах торможения:

1. Торможение противовключением: двигатель принудительно вращается в сторону, противоположную к М вр .

2. Генераторное торможение: двигатель принудительно вращают со скоростью > n .

3. Динамическое торможение: двигатель отключается от сети, якорь замыкается на сопротивление. Согласно принципу Ленца, в якоре индуцируется ток, вызывающий тормозной момент.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в якоре. Одновременное изменение токов в обмотке возбуждения и в якоре не приводит к реверсу двигателя. Это позволяет создавать коллекторные двигатели, работающие как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока.

Общие сведения об универсальном коллекторном двигателе. Двигатель может работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Особенности данного двигателя:

1. Двигатель делают с последовательной обмоткой возбуждения, чтобы не было сдвига фаз между I я и Ф.

2. Так как двигатель работает в цепи переменного тока, то магнитный поток тоже переменный, и для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники полюсов делают шихтованными.

Преимущество коллекторного двигателя по сравнению с асинхронным – возможность получения скорости более 3000 об/мин для стандартной частоты.

Недостатки – малый КПД и плохая коммутация.

Лекция — Двигатель постоянного тока — файл 1.doc

Доступные файлы (1):

1.doc 397kb. 20.11.2011 00:36 скачать

содержание

    Смотрите также:
  • Двигатель с последовательным возбуждением[ документ ]
  • Двигатели постоянного тока с обмоткой возбуждения[ документ ]
  • Двигатель последовательного возбуждения[ документ ]
  • Машины постоянного тока (МПТ)[ документ ]
  • Анализ цепи постоянного тока DC Sweep[ документ ]
  • Исследование тяговых характеристик электромагнита постоянного тока[ документ ]
  • Презентация — Машины постояного тока[ реферат ]
  • Исследование машины постоянного тока с последовательным возбуждением[ документ ]
  • №2[ лабораторная работа ]
  • Андреев Г.И., Найдис В.А. Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями[ документ ]
  • Лабораторные работы — Приводы роботов[ лабораторная работа ]
  • Реверсивный тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока (РТП-Д)[ курсовая работа ]

1 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
Предмет изучения курса «Электромеханические системы и устройства»
Электромеханические системы занимают центральное место в подавляющем большинстве технических систем. Основная определяющая их функция — преобразование электрической энергии в управляемую механическую. Т.е. они обеспечивают возможность регулирования параметров механического движения объектов управления (скорость, ускорение, угловое или линейное перемещение, сила, момент и др.). Как правило, данная функция должна выполняться автоматически.

В промышленности, науке, в быту используются разнообразные машины, механизмы и устройства, которые облегчают деятельность человека, повышают производительность и качество, уровень безопасности и комфортности и т.д. Приведем несколько примеров:

в промышленности — приводы станков, бумагоделательных машин, подъемно-транспортного оборудования и др.

в научных исследованиях — приводы и следящие системы телескопов, системы пространственного управления лазерным излучением, прецизионные микроподвижки и т.д.

в быту — кондиционеры, пылесосы, стиральные и посудомоечные машины.

В данном курсе студенты должны познакомиться с основными типами электромеханических систем и устройств и входящими в их состав элементами, изучить принцип действия и их основные характеристики, получить необходимые знания и практические навыки по расчету и выбору исполнительных устройств, по способам управления ими и их математическому моделированию.

Все технические средства автоматики можно представить в виде иерархической структуры, состоящей из трех уровней:

1. Системы управления и автоматического регулирования (высший уровень).

2. Автоматические регуляторы, следящие приводы и подсистемы (средний уровень).

3. Элементы и устройства подсистем, регуляторов, приводов и систем автоматического управления (нижний уровень).
Предметом изучения данного курса является нижний — базовый


уровень элементной базы систем автоматического управления.

В настоящее время разрабатывается и выпускается огромное разнообразие электромеханических устройств и элементов, выполняющих одни и те же функции, но отличающихся по принципу действия, конструктивному исполнению, способам управления и т.д.

Будущим специалистам по разработке и эксплуатации систем автоматического управления необходимо не только хорошо знать элементную базу, но и уметь выбирать из нее самые рациональные варианты решений с учетом условий работы и предъявляемым техническим требованиям.

Рассмотрим два классических примера автоматических электромеханических систем.

Следящая система «угол-угол». Обеспечивает автоматическую отработку угла поворота объекта управления (антенна радиолокационной станции, видеокамера) по заданию оператора. Функциональная схема такой системы приведена на Рисунок1.

Система работает следующим образом. Оператор с помощью
задающего устройства (ЗУ) вводит угол , на который нужно повернуть объект управления (ОУ). ЗУ поворачивает на заданный угол входную ось датчика угла рассогласования (ДУ), который может быть реализован, например, на сельсинах или поворотных трансформаторах (один механически связан с задающим устройством, а второй с осью вращения объекта управления, а между собой они связаны электрически). В первый момент угол поворота ОУ  отличается от угла задания . На выходе ДУ возникает напряжение U, пропорциональное разности этих двух углов, которое подается на вход уcилительно-преобразовательного устройства (УПУ). УПУ выполняется обычно на полупроводниковых и интегральных элементах, его состав и структура определяются выбором типа исполнительного двигателя (Д). В конечном итоге УПУ должно обеспечить усиление сигнала рассогласования по мощности, достаточной для управления двигателем.

Под действием сигнала рассогласования двигатель начинает вращаться.

Начинает вращаться и объект управления, который механически связан через понижающий редуктор (Р) с валом двигателя. При этом разность углов  и  уменьшается, а в момент, когда она будет равна нулю, происходит остановка двигателя, так как U тоже будет равно нулю. Таким образом, ОУ повернется на заданный угол .

Следящая система «угол-угол» по своему функциональному назначению и составу элементов является характерным примером электромеханических систем автоматического управления.

Другим примером может быть система автоматической стабилизации скорости вращения электродвигателя, широко используемая в том или ином исполнении во многих сложных технических устройствах. Функциональная схема системы стабилизации скорости приведена на рисунке 1.2.

Система стабилизации предназначена для поддержания заданной скорости вращения двигателя вне зависимости от изменений нагрузки (момента нагрузки на валу двигателя) и других внешних возмущающих факторов. В отличие от первого примера, в данной системе реализуется отрицательная обратная связь по скорости вращения двигателя. Для этой цели служит тахогенератор (ТГ), представляющий собой электромашинный преобразователь скорости вращения в пропорциональное ей электрическое напряжение. ТГ располагается на одной оси с двигателем (целый ряд современных двигателей содержат встроенный тахогенератор), а двигатель через редуктор связан с исполнительным органом (ИО), который необходимо вращать с постоянной заданной скоростью. Как и в первом примере здесь реализован принцип регулирования по отклонению. При отклонении скорости вращения ИО от заданной, в силу указанных выше причин, УПУ формирует сигнал рассогласования и подает его на управление двигателем, который изменяет скорость вращения, сводя это рассогласование к минимальному значению.

Анализируя состав и структуру рассмотренных систем можно увидеть в них много общего и сделать вывод о наличии некоторого базового комплекса элементов и устройств присущего электромеханическим системам. Этот комплекс называется — электроприводом. В его состав могут входить электромашинные устройства различного назначения (двигатели, преобразователи, генераторы и т.д.), электронные устройства (усилители, широтно-импульсные преобразователи, модуляторы и демодуляторы и т.д.) и

механические преобразовательные устройства (редукторы, винтовые и червячные передачи и др.).
Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ), которая в простейшем случае осуществляет пуск и останов электродвигателя, а в более сложных случаях управляет технологическим процессом приводимого в движение исполнительного механизма.

Мощность автоматизированного электропривода охватывает диапазон от нескольких долей ватта до десятков тысяч киловатт.

Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый, постоянного, переменного тока, транзисторный и тиристорный. До недавнего времени в качестве регулируемого электропривода применялся электропривод постоянного тока. В последние годы значительные успехи в силовой преобразовательной технике привели к созданию надежных регулируемых транзисторных и тиристорных электроприводов переменного тока. Так как двигатели переменного тока имеют неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока (они значительно дешевле, надежнее, имеют лучшие массогабаритные показатели и относительно простую конструкцию) в ближайшие годы ожидается бурное развитие управляемого электропривода переменного тока. Этому способствует широкое внедрение в управляемый электропривод микропроцессорной техники.

Стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов привело к созданию безредукторных электроприводов, которые по сравнению с редукторными обладают большей надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении. Предельно упрощает кинематику машин применение управляемого электропривода на базе линейных электрических машин постоянного и переменного тока. При этом создаются максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.

Приведем обобщенную функциональную схему электропривода, которая содержит все возможные устройства и поясняет их взаимодействие и взаимовлияние. Обобщенная функциональная схема электропривода приведена на рисунке 2.1, где ИЭ — источник энергии (промышленная электросеть, электромашинный генератор, аккумулятор), ЭПУ — электрическое преобразовательное устройство (управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, электронный или электромашинный усилитель), ДУ — двигательное устройство (электродвигатель, пьезоэлектрический или магнитострикционный двигатель, электромагнитный двигатель),

МПУ-механическое преобразовательное устройство (редуктор, шарико-винтовая или червячная передача, кинематическая передача), ИО- исполнительный орган рабочей машины (турбина, вентилятор, оптические элементы приборов), УУ- устройство управления
(микропроцессор, управляющая ЭВМ), ЗУ — задающее устройство (ЭВМ, аналоговое устройство), ДПИ — датчики преобразователи информации (тахогенератор, термопара, индуктивные и емкостные датчики), сплошными одинарными стрелками обозначены аналоговые электрические сигналы постоянного иди переменного тока, пунктирные стрелки обозначают сигналы, наличие которых или отсутствие, а также форма определяются условиями конкретной технической системы, двойные стрелки обозначают механические связи.
Функции, выполняемые устройствами, входящими в состав электропривода:

ИЭ -обеспечение электропитанием всех элементов и устройств электропривода;

ЭПУ- преобразует сигнал управления в форму требуемую данным двигательным устройством;

ДУ — преобразует электрическую энергию в механическую;

МПУ — обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ДУ механической энергии;

ИО — выполняет заданные функции;

УУ-вырабатывает сигнал управления в функции задающего сигнала и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ДУ и ИО, кроме того, обеспечивает защиту и блокировку всех электромеханических устройств, входящих в составу электропривода.

ЗУ — формирует сигнал задания на УУ.

ДПИ — датчики-преобразователи информации служат для измерения различных координат электропривода (скорость вращения, ток, угол поворота и др.) и преобразования их в электрические сигналы одинакового вида.

Основными элементами электропривода являются электрические машины, которые могут выполнять функции двигательных устройств, источников энергии, датчиков преобразователей информации.
2 Электропривод постоянного тока
История привода постоянного тока.

  1. Генератор — двигатель.
  1. Полупроводниковый преобразователь(транзисторный)– двигатель
  2. Тиристорный – преобразователь – двигатель
  1. IGBT транзисторный преобразователь- двигатель

С цифровым управлением.

(Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором)

Цифровой управляемый выпрямитель – двигатель

  1. Специализированный контроллер – вентильный двигатель

Как следует из вышесказанного, центральное место среди всех устройств автоматики занимает электропривод, а главным его элементом является двигательное устройство (исполнительное устройство). Исторически сложилось так, что самым широко распространенным исполнительным устройством систем автоматического управления является электродвигатель. В приборостроении речь идет о микродвигателях или электрических микромашинах. Рассмотрим, какие же требования предъявляются к микромашинам систем автоматики приборного типа. Различают две группы требований.

  1. Общие требования:

 высокие энергетические показатели  коэффициент полезного действия и коэффициент мощности;

 простота конструкции и технологии изготовления;

 стабильность выходных характеристик;

 линейность характеристик и широкий диапазон регулирования.

  1. Требования в зависимости от области применения и условий эксплуатации:

 минимальные габариты и вес при заданных выходных параметрах;

 устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам;

 климатическая и радиационная устойчивость;

 низкий уровень создаваемых шумов (акустических и электромагнитных).

Все приведенные требования, как правило, учитываются при выборе типа исполнительного устройства, при решении любой конкретной задачи.

Электродвигатели
Электродвигатели, применяемые в системах автоматики и телемеханики, вычислительной техники, имеют номинальную механическую мощность от сотых долей ватта, примерно, до

По конструкции и принципу действия их подразделяют на коллекторные, асинхронные и синхронные.

Коллекторные двигатели бывают:

  1. постоянного тока;
  2. переменного тока;
  3. универсальные, способные работать как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока.

По конструкции якоря коллекторные микродвигатели постоянного тока делятся на три группы: 1) с барабанным якорем;

2) с полым немагнитным якорем; 3) с дисковым якорем. Наряду с микродвигателями со скользящим контактом коллектор — щетки распространены бесконтактные двигатели постоянного тока.

Асинхронные двигатели в системах автоматики применяются в трех вариантах: 1) с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка»;

2) с полым немагнитным ротором; 3) с полым магнитным ротором.

Синхронные двигатели используются в тех случаях, когда требуется строгое постоянство скорости вращения. Наибольшее распространение в автоматике получили реактивные, гистерезисные и двигатели с активным ротором.

^ Двигатели постоянного тока
Основные характеристики двигателей постоянного тока
Прежде чем рассматривать характеристики двигателей постоянного тока, приведем некоторые аналитические зависимости, необходимые нам для их формализации.

Каждый электрик должен знать:  Как измерить мощность с помощью двух ваттметров

В первую очередь нужно иметь уравнение для электрического контура «обмотка якоря — сеть». Воспользовавшись 11 законом Кирхгофа, запишем для данного контура уравнение вида:
, (2.1)

Rя — суммарное активное сопротивление всех обмоток якоря,

Если считать, что падение напряжения на счетках постоянно, то тогда можно ввести обозначение: U=Uс-Uщ и записать выражение в виде :

Если Е>U, то ток Iя совпадает по направлению с эдс Е и машина работает в генераторном режиме.

Если Е ^ 3 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатели параллельного возбуждения
В схеме двигателя параллельного возбуждения Рисунок3.1.обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря. Последовательно с обмоткой возбуждения включен регулировочный реастат Rр, а в цепи якоря пусковой реостат Rп. Особенность такой схемы включения в том,

ч то ток возбуждения двигателя не зависит от тока якоря, а значит, величина магнитного поток остается постоянной (если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря) при изменении нагрузки на валу двигателя. При этом условии механическая, скоростная и моментная характеристики будут линейными Рисунок3.2. Угол наклона скоростной и механической характеристик к оси абсцисс будет определяться величиной сопротивления пускового реостата. Чем больше Rп, тем больше угол наклона (характеристика становится мягче).

где  угловая скорость вращения холостого хода,

 снижение угловой скорости вращения, обусловленное суммарным падением напряжения на всех сопротивлениях цепи якоря.

Реакция якоря, несколько уменьшая поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором угловая скорость вращения возрастает с ростом момента. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели (особенно мощные) с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой, которая придает механической характеристике необходимый наклон. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу угловая скорость вращения резко возрастает (двигатель идет «в разнос»), возрастает также ток якоря и появляется круговой огонь на коллекторе.

В ряде случаев обмотку возбуждения запитывают от независимого источника (схема независимого возбуждения). Механические характеристики в этом случае аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как и в этом случае, ток возбуждения не зависит от тока якоря.

Примером использования рассмотренной схемы включения являются двигатели серии МИ и СД.

Двигатель последовательного возбуждения

В данном случае обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря рис 3.3, а это значит, что Iв=Iя и магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Iя. Характер этой функции меняется в зависимости от нагрузки двигателя.

Аналогично можно получить выражения для моментной характеристики: на первом участке

а на втором участке по формуле 2.4.

Механическая характеристика на первом участке

а на втором участке зависимость становится линейной и описывается выражением 3.2.

Нужно отметить особенность двигателя последовательного возбуждения резко развивать угловую скорость вращения при малых нагрузках, превышающую предельно допустимые значения (двигатель идет «в разнос». Обычно минимально допустимая нагрузка, при которой

Iя=(0,2-0,25)Iном , только двигатели малой мощности можно использовать в таких условиях т.к. они имеют относительно большое сопротивление обмотки якоря. Двигатели средней и большой мощности нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке.

Если в цепь якоря включен пусковой реостат, то, изменяя величину его сопротивления можно получить семейство механических характеристик, причем, чем больше Rп, тем ниже располагается характеристика. Механические характеристики такого двигателя  мягкие, что обеспечивает ему устойчивую работу при любой механической нагрузке больше минимальной. Свойство таких двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока якоря, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Так у двигателей параллельного возбуждения мощность пропорциональна моменту, а двигателей последовательного возбуждения Р=с . А при заданной кратности перегрузки по моменту М/Мномм, ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в км раз, а в двигателе с последовательным возбуждением только в раз. По этой же причине двигатель развивает больший пусковой момент, т.к. при заданной кратности пускового тока Iп/Iномi, пусковой момент Мп= , в то время как у двигателя с параллельным возбуждением .

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. Угловая скорость вращения такого двигателя может быть определена из выражения :

где Ф1 и Ф2  потоки параллельной и последовательной обмотки возбуждения.

З
нак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки Ф2), что ведет к уменьшению угловой скорости вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток Ф2 при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает скорость вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки скорость вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки скорость вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается постоянной.

По своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение (рисунок 3.6.) между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения, в зависимости от того, в какой из обмоток взбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.

Одним из достоинств такого двигателя является то, что он, обладая мягкой характеристикой, может работать на холостом ходу, так как поток параллельной обмотки ограничивает скорость вращения в этом режиме. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим. Такие двигатели применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение скорости вращения при увеличении нагрузки на вал (насосы, компрессоры).

^ 4 ПУСК И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Способы пуска двигателя постоянного тока
  1. Прямой пуск — обмотка якоря подключается непосредственно к сети.

Ток якоря двигателя определяется формулой

Если считать, что при прямом пуске значения напряжения питания U и сопротивления якорной обмотки Rя остаются неизменными, то ток якоря зависит от противо — ЭДС Е. В начальный момент пуска якоря двигатель неподвижен (=0) и в его обмотке Е=0.Поэтому при подключении к сети в обмотке возникает пусковой ток

Обычно сопротивление Rя невелико, особенно у двигателей большой мощности, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 1020 раз превышающих номинальный ток двигателя. При этом создается опасность поломки вала машины и появляется сильное искрение под щетками коллектора. По этой причине такой пуск применяется только для двигателей малой мощности, у которых Rя относительно велико.

  1. Реостатный пуск — в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока. В начальный момент пуска при =0 и Rп=мах ток якоря будет равен

. (4.3)

Максимальное значение Rп подбирают так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пуске , а для машин малой мощности . Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением рис 4.1.

В начальный момент пуск осуществляется по реостатной характеристике 4, соответствующей максимальному значению сопротивления Rп, при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мпmax .Регулировочный реостат Rр выводится так, чтобы Iв и Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением скорости вращения ротора растет и ЭДС Е, а как следствие, уменьшается ток якоря, определяющий его величину. При достижении некоторого значения Мпmin часть сопротивления Rп выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Мпmax , двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 3 и разгоняется до значения Мпmin . Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатной характеристики до выхода на естественную характеристику 1.Средний вращающий момент при пуске определяется из выражения

двигатель при этом разгоняется с некоторым постоянным ускорением.

Аналогичный пуск возможен и для двигателей последовательного возбуждения. Количество ступеней пуска зависит от жесткости естественной характеристики и требований предъявляемых к плавности пуска. Пусковые реостаты рассчитываются на кратковременную работу под током.

В реальных устройствах пуск осуществляется автоматически. Микроконтроллер, по заданному алгоритму, управляет коммутирующими элементами (релейное управление), отключая секции пускового реостата и практически реализуя описанный выше процесс.

Алгоритм управления может быть построен с использованием трех основных принципов:

  1. Принцип ЭДС
  2. Принцип тока
  3. Принцип времени.

Идею реализации данных принципов можно пояснить с помощью пусковой схемы на электромагнитных реле (что практически применялось до широкого внедрения микропроцессорных систем управления) рисунок 4.3. К якорю машины подключается параллельно ряд реле, которые с ростом скорости вращения, а значит, ЭДС, последовательно срабатывают и своими контактами выводят из работы секции пускового реостата, постепенно уменьшая сопротивление якорной цепи.

При использования принципа тока применяются последовательно включенные реле тока, которые дают команду через свои нормально замкнутые контакты на последовательное включение соответствующих контакторов Кi при снижении тока до заданного уровня.

Принцип времени предполагает применение реле времени, которые через расчетные уставки времени дают команду на шунтирование секций реостата.

  1. ^ Пуск путем плавного повышения питающего напряжения — пуск осуществляется от отдельного регулируемого источника питания. Применяется для двигателей большой мощности, где нецелесообразно применять громоздкие реостаты из-за значительных потерь электроэнергии.
Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока

Угловая скорость вращения двигателя постоянного тока определяется по формуле

Очевидно, что регулировать ее можно тремя способами:

  1. Включением добавочного резистора или реостата Rд в цепь обмотки якоря.
  2. Изменением основного магнитного потока машины.
  3. Изменением питающего напряжения.

Рассмотрим данные способы на примере двигателя параллельного возбуждения.

^ Дополнительное сопротивление R д включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату, однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока. При включении реостата в цепь якоря скорость вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата. Это видно из механических характеристик Рисунок4.4. Угловая скорость вращения холостого хода одинакова для естественной и искусственной характеристик. А значения ест и реост (уменьшение угловой скорости вращения при нагрузке) различны. При одном и том же моменте

Чем больше Rд , тем круче с увеличением нагрузки падает скорость вращения.

Основной недостаток такого метода  большие потери энергии в реостате (особенно на малых скоростях вращения). Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать скорость вращения по сравнению со скоростью на естественной характеристике.
^ Для того, чтобы изменить основной поток машины , необходимо регулировать ток возбуждения, для чего в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат.

Для магнитных потоков Ф1 и Ф2 скорость вращения будет определяться соответственно выражениями

В двигателе с параллельным возбуждением, например, отношения скоростей холостого хода и изменения скоростей вращения при управлении со стороны обмотки возбуждения, обратно пропорциональны изменению магнитного потока:

Электромеханические характеристики для двух значений потоков приведены на Рисунок 4.5.

В идно, что скоростные характеристики двигателя при Ф12 не являются параллельными, они пересекаются в точке А (при нулевой скорости вращения. Это объясняется тем, что ток якоря короткого замыкания Iяк не зависит от величины потока, а определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря (Iяк=U/Rя).

Величина же момента изменяется прямопропорционально величине потока, тогда для момента короткого замыкания будет справедливо соотношение

М еханические характеристики при Ф12 (рисунок 4.6) будут пересекаться при некотором значении критического момента М . Таким образом, с уменьшением магнитного потока угловая скорость вращения холостого хода возрастает, а величина момента короткого замыкания снижается. Тогда, при значениях нагрузочного момента, меньших Мкр уменьшение потока приводит к увеличению скорости вращения, а при значениях больших Мкр, наоборот — к ее снижению.

В двигателях параллельного возбуждения средней и большой мощности уменьшение потока используют для повышения скорости вращения, а в микродвигателях поток уменьшают для снижения скорости вращения.

Данный способ прост и экономичен, поэтому широко применяется на практике. К его недостаткам следует отнести сравнительно небольшой диапазон регулирования скорости т.е.

где min -минимальная угловая скорость ограничивается насыщением магнитной цепи машины (рост магнитного потока ограничен);

max-максимальная угловая скорость ограничивается механической устойчивостью двигателя, а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается искажающее действие реакции якоря и растет реактивная ЭДС, что повышает опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня.
^ Регулирование скорости вращения двигателя изменением управляющего напряжения применяется лишь при Iв=const, т.е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении.

Угловая скорость вращения холостого хода пропорциональна напряжению (ω=U/cеФ), а изменение скорости (Δω=Iя RяеФ) от напряжения не зависит. Поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряжения Рисунок4.6. не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу. Изменением напряжения управления цепи якоря можно регулировать скорость вращения вниз от номинальной, поскольку недопустима подача напряжения выше номинального значения. При необходимости увеличения скорости вращения выше н оминальной, можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Практическая реализация данного способа регулирования скорости сводится к применению регулируемого источника напряжения. Например, для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применять регулируемый выпрямитель Рисунок4.7, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором(АТ), включенным на входе выпрямителя.

^ Изменение направления вращения

Для того чтобы изменить направление вращения (выполнить реверс) нужно поменять знак электромагнитного момента на противоположный. Это возможно осуществить двумя способами:

  1. Изменением направления тока якоря.
  2. Изменением направления магнитного потока, т.е. тока возбуждения.

Практически это делается изменением полярности напряжения, подаваемого на обмотки.
^ 5 ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Возможны три основных способа торможения:

  1. Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть.

2. Динамическое торможение с гашением энергии в реостате.

  1. Электромагнитное торможение противовключением.

Р екуперативное торможение. Двигатель параллельного возбуждения переходит в режим рекуперативного торможения при превышении его скорости вращения угловой скорости холостого хода 0. ЭДС машины, в этом случае, превысит напряжение управления, и как следствие этого, ток якоря поменяет свое направление. Машина переходит в генераторный режим работы, момент меняет знак и становится тормозным, а выработанная электроэнергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В двигателе с параллельным возбуждением механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов Рисунок5.1 (второй квадрант). Переход в генераторный режим в этом случае может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться со скоростью 01. Машину можно и принудительно перевести в генераторный режим, если перевести ее на работу с характеристики А на характеристику Б (из точки 1 в точку 3), тем самым уменьшив величину до величины 02. Практически это можно выполнить, уменьшив основной магнитный поток или снизив напряжение управления на якоре.

Двигатели с последовательным возбуждением не могут переходить в режим рекуперативного торможения. При необходимости, их сначала перекоммутируют на схему независимого возбуждения. Двигатели со смешанным возбуждением могут переходить автоматически в режим рекуперативного торможения.
^ В случае динамического торможения обмотку якоря отключают от источника управляющего напряжения и подключают к ней реостат. Машина переходит в генераторный режим (E>U) и создается тормозной момент. При этом кинетическая энергия (при реактивном статическом моменте) или потенциальная энергия ( при активном статическом моменте), запасенная в механической части привода, преобразуется в электрическую, которая гасится в реостате. Ток якоря или величину тормозного момента регулируют, изменяя сопротивление реостата.
Электромагнитным торможением называют режим, при котором якорь двигателя вращается под действием моментов определяемых запасами кинетической или потенциальной энергии в направлении противоположном действию электромагнитного момента. Моменты, действующие на валу двигателя, могут иметь различную физическую природу. Их обычно делят на реактивные и активные (потенциальные) моменты. Реактивные моменты  препятствуют движению и меняют свой знак при изменении направления вращения (моменты, связанные с силами вязкого и сухого трения). Активные (потенциальные) моменты  связаны с перераспределением потенциальной энергии отдельных элементов привода, создаются силами веса, сжатия, скручивания и растяжения, они не изменяют свой знак при изменении направления вращения (значение активных моментов, как правило, не меняется при изменении скорости движения).

В связи с этим, необходимо рассмотреть особенности торможения в данном режиме, в зависимости от типа действующего на валу двигателя момента.

^ П ри наличии реактивного статического момента торможения противовключением достигают, изменяя полярность на зажимах якоря и включая в его цепь тормозной реостат Rт. После переключения полярности двигатель переходит из точки 1 в точку 2 на новую механическую характеристику, проходящую через точку , наклон которой будет определяться величиной сопротивления тормозного реостата. Ток и момент двигателя изменяют знак, при этом происходит интенсивное торможение, благодаря действию суммарного отрицательного динамического м омента. В точке 3 происходит остановка двигателя, поскольку реактивный статический момент, меняя свой знак, препятствует вращению в противоположном направлении. Если переводить двигатель в режим противовключения при меньшем значении сопротивления тормозного реостата, то двигатель из точки 1 перейдет в точку 4 новой механической характеристики (с меньшим наклоном к оси абсцисс). В этом случае тормозной режим не закончится в точке 5, двигатель может совершить реверс и перейти в двигательный режим работы с установившейся скоростью с. Для того, чтобы исключить реверс и остановить двигатель в точке 5, его отключают от сети и применяют механическое торможение.

^ При наличии активного статического момента в режим противовключения двигатель можно ввести без изменения полярности напряжения управления на якоре. Достаточно ввести большое сопротивление тормозного реостата (рисунок 5.3). Тогда под действием потенциальных сил происходит торможение якоря до остановки (происходит переход из точки 1 в точку 2 и 6), а при еще большем сопротивлении тормозного реостата он может начать вращаться в другую сторону (переход из точки 1 в точки 5, 3, 4). ЭДС при этом меняет свой знак, а ток (момент) сохраняет прежнее направление.

6 ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассмотрим двигатель независимого (параллельного) возбуждения с управлением за счет изменения напряжения на якоре. Для того, чтобы получить передаточную функцию необходимо составить дифференциальное уравнение, описывающее электрическую цепь двигателя в переходном процессе и дифференциальное уравнение движения вала двигателя (механика процесса). В переходном процессе обмотка якоря имеет две составляющие сопротивления: активную (обозначим ее здесь Rя) и реактивную, которая будет определяться величиной индуктивности обмотки Lя. Подводимое напряжение U уравновешивается ЭДС самоиндукции якоря ( ), падением напряжения на активном сопротивлении якоря (iяRя) и противоэдс eя, возникающей в якоре при вращении, тогда будет справедливо выражение вида

Для противо-ЭДС с большой степенью точности можно записать

Дифференциальное уравнение движения вала двигателя имеет вид

где J момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя,

Мс  статический момент или момент сопротивления (в общем случае равен сумме нагрузочного момента и момента трения двигателя).

На первом этапе будем считать , что статическим моментом можно пренебречь (т.е. пусть Мс=0), тогда получим

Величина тока якоря тогда, находится по формуле

Подставим выражения 5.3 и 5.6 в исходное дифференциальное уравнение электрической цепи и получим

Теперь обе части уравнения 5.7 разделим на kэм, а коэффициент при второй производной разделим и умножим на Rя. Уравнение примет вид

Введем следующие обозначения:

— электромеханическая постоянная времени двигателя,

— электромагнитная постоянная времени якоря двигателя.

Теперь, с учетом принятых обозначений можем записать

Для получения передаточной функции нужно данное уравнение записать относительно изображений по Лапласу входного напряжения и угловой скорости на выходе двигателя

Так как передаточная функция представляет собой отношение изображений выходной и входной величин, то можно записать

В зависимости от соотношения величин постоянных времени двигателя, вид его передаточной функции можно изменять. Так, если ям, что встречается достаточно редко, двигатель описывается колебательным звеном. Чаще всего я Скачать файл (396.5 kb.)

Регулирование угловой скорости ДПТ НВ

Дата добавления: 2013-12-23 ; просмотров: 4130 ; Нарушение авторских прав

Этап

Этап

Этап

– проверка на верность расчетов;

Полученных четырех точек на каждой ступени (этапе пуска) достаточно для построения кривых скорости, момента ( тока ) при пуске двигателя.

Сопротивления секций пускового реостата определяются по следующим выражениям:

5.4. Автоматический пуск
и динамическое торможение ЭД

Схема пуска и динамического торможения ЭД приведена на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Схема пуска и динамического торможения ДПТ НВ

Пуск ЭД осуществляется в функции ЭДС. Для этого необходимо нажать на кнопку SB1. После срабатывания контактора КМ мгновенно в прямом направлении срабатывает реле времени КТ.

Для останова ЭД необходимо нажать на кнопку SB2. В результате чего отключается контактор КМ и включается контактор КМ2. Якорь ЭД замыкается на тормозное сопротивление Rд2, и происходит динамический режим торможения. Реле времени, отсчитав выдержку времени при нулевой скорости, размыкает свой контакт. Катушка контактора КМ2 теряет питание, и схема приходит в исходное положение для повторного включения ЭД.

Анализируя приведенные схемы автоматического пуска и торможения ДПТ НВ при питании его от сети, можно сделать следующие выводы. Пуск, торможение (как и реверс) ДПТ осуществляются с помощью релейно-контакторных схем управления. При их автоматизации используются принципы времени, скорости и тока.

Реализация указанных принципов осуществляется с помощью соответствующих датчиков, от которых в схему управления поступает информация о текущих значениях скорости, тока или времени.

Некоторые схемы управления строятся по принципу пути, когда с помощью конечных или путевых выключателей осуществляется контроль за углом поворота вала ДПТ.

Статические механические характеристики при пуске и кривые переходного процесса при динамическом торможении ЭД приведены на рисунке 5.6 [1].

Рис. 5.6. Статические механические характеристики при пуске
и кривые переходного процесса при динамическом торможении ЭД

Со схемой автоматического пуска и реверса ЭД и механическими переходными процессами при активном и реактивном моментах сопротивления можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе.

5.5. Электромеханические переходные процессы
при учете индуктивности цепи якоря Lя

Индуктивность цепи якоря Lя(в генри) ДПТ оказывает существенное влияние на характер переходных процессов (на зависимости и в электроприводе. В первую очередь ее влияние проявляется в незначительном ограничении пиков тока в якоре и значительном увеличении времени переходных процессов.

При определенных соотношениях механической и электромагнитной постоянных времени, а именно при переходные процессы в электроприводе имеют колебательный характер. Для примера на рисунке 5.7 показаны кривые изменения момента и скорости ДПТ НВ при пуске под нагрузкой, отражающие это положение [1].

Из-за колебательного характера процесса увеличивается время пуска и перерегулирование скорости. Отметим также, что наличие индуктивности привело к некоторому запаздыванию при пуске, которое определяется временем нарастания момента ДПТ до момента нагрузки Мс.

Рис. 5.7. Изменение момента (а) и скорости (б)
при пуске ДПТ НВ при существенной индуктивности цепи якоря

Индуктивность якоря нарушает в переходных процессах однозначную связь между скоростью и моментом ДПТ, определяемую его статической механической характеристикой. Это обстоятельство может привести в переходных процессах (например, сброса или наброса нагрузки) к существенно большим динамическим перепадам скорости по сравнению со статическими, которые соответствуют статической механической характеристике.

При питании ДПТ от сети индуктивность в цепи якоря в переходных процессах проявляется, как правило, не очень сильно. Определяется это тем обстоятельством, что для ограничения переходных токов в цепь якоря вводятся дополнительные резисторы, которые значительно уменьшают постоянную времени Тя и увеличивают электромеханическую постоянную времени Тм. В этом случае в электроприводе будет протекать механический переходный процесс (он был рассмотрен ранее). В то же время при питании ДПТ от вентильного преобразователя, когда в цепь якоря включаются сглаживающие и уравнительные реакторы, индуктивность якорной цепи может оказывать существенное влияние на переходные процессы.

6.1. Регулирование угловой скорости путем введения
добавочных резисторов (сопротивлений) в цепь якоря

Электромеханические и механические характеристики получаются такие же, как показаны на пусковой диаграмме (рис. 5.4 а).

Скорость регулируется только вниз. Способ регулирования скорости ступенчатый, так как регулировочный реостат разбит на секции. Диапазон регулирования Д при длительном регулировании небольшой: Д ≈ 1,5. При большом диапазоне регулирования уменьшается жесткость механических характеристик, из-за этого трудно поддерживать пониженную скорость при колебаниях Мс на валу ЭД. Кроме этого увеличивается расход электроэнергии по причине потерь его мощности в якорной цепи.

Допустимой нагрузкой на валу ЭД является Мс = Мсн. При этом ток в якоре не превышает номинального значения для тех ДПТ, условия охлаждения которых не изменяются по мере снижения их скорости.

Стоимость регулировочного реостата невелика, но могут быть большие потери мощности в якорной цепи при большом диапазоне регулирования [1]

В формуле (6.1): относительный перепад скорости.

Так, при = 0,5, что соответствует диапазону регулирования Д = 2, половина потребляемой мощности ЭД теряется в якорной цепи . При кратковременном и повторно-кратковременном регулировании диапазон регулирования скорости можно увеличить до Д 5.

Сопротивление регулировочного реостата в цепи якоря определяется по формуле

Значения и находятся по заданным естественной и искусственной характеристикам ДПТ, как показано на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. К расчету сопротивления
регулировочного резистора

Несмотря на низкие технико-экономические показатели, реостатное регулирование скорости из-за простоты своей реализации используется достаточно широко, например в электроприводах подъемных кранов, некоторых металлорежущих станков.

6.2. Регулирование угловой скорости
уменьшением магнитного потока

С уменьшением тока возбуждения уменьшается и магнитный поток, а скорость якоря увеличивается.

Возможные схемы включения обмотки возбуждения ДПТ НВ приведены на рисунке 6.2.

Рис. 6.2. Схемы включения обмотки возбуждения ДПТ НВ

Схема рис. 6.2 а предусматривает включение в цепь возбуждения добавочного резистора Rдв, за счет чего ток возбуждения Iв и тем самым магнитный поток Ф могут быть уменьшены. В схеме рис. 6.2 б для изменения тока возбуждения используется управляющий выпрямитель УВ, выходное напряжение которого регулируется по сигналу управления Uу. Эта схема более экономична и применяется для регулирования тока возбуждения мощных ДПТ.

В соответствии с выражением (4.7) уменьшение магнитного потока приводит к увеличению скорости идеального холостого хода ω:

При пуске ЭД пусковой ток якоря Iпя (ток короткого замыкания): при скорости ω = 0 от магнитного потока не зависит и будет оставаться неизменным. Пусковой момент (момент короткого замыкания) при уменьшении магнитного потока изменяется. Так как
Iпя = const, то при уменьшении магнитного потока пропорционально ему уменьшается и пусковой момент Мп (момент короткого замыкания).

Пусковые электромеханические характеристики при уменьшении магнитного потока приведены на рисунке 6.3 а, а пусковые механические характеристики – на рисунке 6.3 б.

Для ДПТ НВ традиционного исполнения диапазон регулирования скорости при данном способе равен 3–4. Для специальных ЭД с повышенной механической прочностью якоря и улучшенным коллекторно-щеточным устройством диапазон регулирования скорости равен 8–9.

Рис. 6.3. Пусковые характеристики ЭД
при уменьшении магнитного потока

Направление регулирования скорости – вверх от естественной характеристики. Плавность регулирования скорости определяется плавностью регулирования тока возбуждения. Стабильность скорости достаточно высока, хотя она и снижается при уменьшении магнитного потока. Способ регулирования скорости экономичный, так как малы потери мощности в цепи возбуждения.

Допустимая нагрузка ДПТ при его работе на искусственных характеристиках определяется по выражению:

где — магнитный поток на искусственной характеристике.

Так как при данном способе регулирования фи

Добавить комментарий