Установившееся движение и устойчивость установившегося движения электропривода

Имея механическую характеристику двигателя и исполнительного органа, нетрудно определить выполнимость условия установившегося движения . Для этого совместим в одном и том же квадранте эти характеристики. Факт пересечения этих характеристик говорит о возможности совместной работы двигателя и исполнительного органа, а точка их пересечения является точкой установившегося движения, так как в этой точке и .

На рисунке 2.4 показаны механические характеристики вентилятора (кривая 1) и двигателя независимого возбуждения (прямая 2). Точка А является точкой установившегося движения, а ее координаты – координатами установившегося движения вентилятора.

Рис. 2.4. Определение параметров установившегося движения

Для полного анализа установившегося движения необходимо определить, является ли это движение устойчивым. Устойчивым будет такое установившееся движение, которое, будучи выведенным из установившегося режима каким-то внешним возмущением, возвращается в этот режим после исчезновения возмущения [2].

Для определения устойчивости движения удобно пользоваться механическими характеристиками.

Необходимым и достаточным условием устойчивости установившегося движения является противоположность знаков приращения скорости и возникающего при этом динамического момента, т.е.

, (2.11)

Оценим в качестве примера (рис. 2.5) устойчивость движения электропривода. Установившееся движение возможно с двумя скоростями: в точке 1 и в точке 2, в которых . Определим, устойчиво ли движение в обеих точках.

Рис. 2.5. Определение устойчивости механического движения

Точка 1. Предположим, что под действием кратковременного возмущения скорость увеличилась до значения , после чего воздействие исчезло. По механической характеристике АД скорости будет соответствовать момент .

В результате этого динамический момент =станет отрицательным, и привод начнет тормозиться до скорости , при которой .

Если возмущение вызовет снижение скорости до значения , то мо­­-
мент АД возрастет до значения , динамический момент
= станет положительным, и скорость увеличится до прежнего значения . Таким образом, движение в точке1 со скоростью является устойчивым.

При проведении аналогичного анализа можно сделать вывод о неустойчивости движения электропривода в точке 2со скоростью .

Устойчивость или неустойчивость движения может быть определена и аналитически с помощью понятия жесткости механических характеристик АД и исполнительного органа: . Условие устойчивости:

или . (2.12)

Для рассматриваемого примера , поэтому устойчивость определяется знаком жесткости характеристики АД: для точки 1 движение устойчиво, а для точки 2 и движение неустойчиво.

Отметим, что в соответствии с уравнением (2.10) при определенной жесткости устойчивая работа электропривода возможна и при положительной жесткости механической характеристики АД, в частности, на так называемом нерабочем участке характеристики АД.

№5 Основное уравнение движения электропривода. Время ускорения и замедления привода, оптимальное передаточное отношение.

Механическая часть электропривода представляет собой систему твёрдых тел, движение которых определяется механическими связями между телами. Если заданы соотношения между скоростями отдельных элементов, то уравнение движения электропривода имеет дифференциальную форму. Наиболее общей формой записи уравнений движения являются уравнения движения в обобщенных координатах (уравнения Лагранжа):

(2.19)

где W_k – запас кинетической энергии системы, выраженный через обобщенные координаты q_i и обобщенные скорости ;

Q_i– обобщенная сила, определяемая суммой работ δA_iвсех действующих сил на возможном перемещении .

Уравнение Лагранжа можно представить в другом виде:

(2.20)

Здесь L– функция Лагранжа, представляющая собой разность кинетической и потенциальной энергий системы:

L=W_k – W_n.

Число уравнений равно числу степеней свободы системы и определяется числом переменных – обобщенных координат, определяющих положение системы.

Запишем уравнения Лагранжа для <двухмассовой упругой системы (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Расчетная схема двухмассовой механической части.

Функция Лагранжа в этом случае имеет вид

Для определения обобщенной силы необходимо вычислить элементарную работу всех приведённых к первой массе моментов на возможном перемещении:

Следовательно, т.к. обобщенная сила определяется суммой элементарных работ δA₁ на участке δφ₁ , то для определения величины получим:

=

Аналогично, для определения имеем:

Подставив выражение для функции Лагранжа в (2.20), получим:

или

Обозначив , получим:

(2.21)

Примем механическую связь между первой и второй массами абсолютно жёсткой, т.е. (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Двухмассовая жесткая механическая система.

Тогда и второе уравнение системы примет вид:

Подставив его в первое уравнение системы, получим:

или

(2.22)

Это уравнение иногда называют основным уравнением движения электропривода. С его помощью можно по известному электромагнитному моменту двигателя М, моменту сопротивления и суммарному моменту инерции оценить среднее значение ускорения электропривода, рассчитать время, за которое двигатель достигнет заданной скорости, и решить другие задачи, если влияние упругих связей в механической системе существенно.

Рассмотрим механическую систему с нелинейными кинематическими связями типа кривошипно-шатунных, кулисных и других подобных механизмов (рис. 2.11). Радиус приведения в них является переменной величиной, зависящей от положения механизма: .

Рис. 2.11. Механическая система с нелинейными кинематическими связями

Представим рассматриваемую систему в виде двухмассовой, первая масса вращается со скоростью ω и имеет момент инерции , а вторая движется с линейной скоростью V и представляет суммарную массу m элементов, жёстко и линейно связанных с рабочим органом механизма.

Связь между линейными скоростями ω и V нелинейная, причём . Для получения уравнения движения такой системы без учёта упругих связей воспользуемся уравнением Лагранжа (2.19), приняв в качестве обобщенной координаты угол φ. Определим обобщенную силу:

где - суммарный момент сопротивления от сил, воздействующих на линейно связанные с двигателем массы; приведённый к валу двигателя;

F_C – результирующая всех сил, приложенная к рабочему органу механизма и линейно связанным с ним элементам;

– возможное бесконечно малое перемещение массы m.

Нетрудно видеть, что

где - радиус приведения.

Момент статической нагрузки механизма содержит пульсирующую составляющую нагрузки, изменяющуюся в функции угла поворота φ:

Запас кинетической энергии системы:

Здесь - суммарный приведённый к валу двигателя момент инерции системы.

Левую часть уравнения Лагранжа (2.19) можно записать в виде:

Таким образом, уравнение движения жёсткого приведённого звена имеет вид:

(2.23)

Оно является нелинейным с переменными коэффициентами.

Для жёсткого линейного механического звена уравнение статического режима работы электропривода соответствует и имеет вид:

.

Если при движении то имеет место или динамический переходный процесс, или принуждённое движение системы с периодически изменяющейся скоростью.

В механических системах с нелинейными кинематическими связями статические режимы работы отсутствуют. Если и ω=const, в таких системах имеет место установившийся динамический процесс движения. Он обусловлен тем, что массы, движущиеся линейно, совершают возвратно-поступательное движение, и их скорости и ускорения являются переменными величинами.

С энергетической точки зрения различают двигательные и тормозные режимы работы электропривода. Двигательный режим соответствует прямому направлению передачи механической энергии к рабочему органу механизма. В электроприводах с активной нагрузкой, а также в переходных процессах в электроприводе, когда происходит замедление движения механической системы, происходит обратная передача механической энергии от рабочего органа механизма к двигателю.

Время переходных режимов привода: пуска, торможения, перехода от одной скорости к другой влияет на производительность механизма. Определение времени переходных процессов основано на интегрировании уравнения движения привода (2.23). Разделяя переменные, получаем:

(2.24)

Время, необходимое для изменения скорости привода от до ,

(2.25)

Для решения этого интеграла необходимо знать зависимости моментов двигателя и механизма от скорости. В простейшем случае, приняв М = const, Mc = =const и J = const,получим:

(2.26)

Этим уравнением можно воспользоваться, например, для расчета времени пуска привода. Если значение момента двигателя во время пуска обозначить через , как это показано на рис. 2.7, то получим следующее выражение для времени пуска от состояния покоя до конечной скорости , соответствующей заданному моменту сопротивления:

. (2.27)

Если требуется точно учесть время переходного процесса и момент двигателя не может быть принят постоянным, например при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором, необходимо пользоваться (2.25). При этом следует иметь в виду, что момент инерции для большинства приводов имеет постоянное значение, а момент двигателя и момент сопротивления в переходных режимах обычно не остаются постоянными.

Из (2.25) видно, что теоретически полное время переходного процесса равно бесконечности. Действительно, поскольку переходный процесс заканчивается при наступлении равенства моментов (М = Мс), то величина, стоящая под знаком интеграла, стремится к бесконечности. В практических расчетах обычно считают, что процесс разбега

заканчивается при скорости, равной не , а приблизительно = 0.95 , тогда время разбега получит конечное значение.

В тех случаях, когда динамический момент имеет отрицательное значение, привод замедляется. Как указывалось выше, для такого случая уравнение моментов будет иметь вид:

.

Очевидно, привод замедляется и в том случае, когда двигатель развивает положительный момент по абсолютному значению, меньший момента сопротивления.

Из последнего уравнения следует, что время торможения

(2.28)

Полагая в частном случае J - const, M = const и Мс = const, получаем:

(2.29)

Пользуясь уравнением (2.29), можно рассчитать время торможения ( = 0) для графика момента, показанного на рис. 2.8.

Если момент двигателя и момент статический находятся в сложной зависимости от скорости, уравнение движения аналитически не решается. В этом случае приходится пользоваться приближенными графическими или графоаналитическими методами решения.

В ряде практических случаев (например, в следящих системах, приводах вспомогательных механизмов прокатных станов, продольно-строгальных станках и т. п.) возникает необходимость в получении минимального времени разгона и торможения производственного механизма с целью повышения его производительности. При заданных значениях моментов инерции ротора двигателя , производственного механизма и момента сопротивления уравнение движения привода относительно рабочего вала механизма (пренебрегая потерями в передачах) может быть записано так:

, (2.30)

где k — коэффициент, учитывающий момент инерции передач.

Очевидно, минимум времени разгона имеет место при наибольшем ускорении. Из (2.30)

.

Пользуясь правилом определения максимума и полагая , а также М = const (средним за период переходного режима), находим оптимальное (или наивыгоднейшее) передаточное отношение i:

(2.31)

В том случае, когда момент сопротивления оказывается значительно меньшим момента двигателя при пуске и торможении,

№6 Неустановившееся движение электропривода при постоянном динамическом моменте

Неустановившееся механическое движение электропривода возникает во всех случаях, когда момент двигателя отличается от момента нагрузки, т.е. когда .

Рассмотрение неустановившегося движения электропривода имеет своей основной целью получение зависимостей во времени выходных механических координат электропривода – момента , скорости и положение вала двигателя . Кроме того, часто требуется определить время неустановившегося движения (переходного процесса) электродвигателя. Отметим, что законы изменения моментов двигателя и нагрузки должны быть предварительно заданы.

Рассмотрим неустановившееся движение при постоянном динамическом моменте во время пуска электродвигателя. Предполагается, что во время пуска электродвигателя и , но .

Решая уравнение механического движения электропривода, получаем следующую зависимость [2,4]:

; (2.13)

(2.14)

Уравнение (2.14) получено с учетом равенств и .

Полагая в уравнении (2.13) и , находим время изменения скорости от до

. (2.15)

Характеристики , , представлены на рисунке 2.6.

Рис. 2.6. Характеристики , ,
при пуске ЭД

В уравнениях (2.13), (2.14) и (2.15) момент принят равным среднему моменту при пуске двигателя, поэтому полученные выше аналитические соотношения используют только при выполнении различных приближенных расчетов в электроприводе. В частности, неустановившееся движение может быть рассмотрено при торможении и реверсе электропривода, или при переходе с одной характеристики на другую.

№7 Неустановившееся движение электропривода при линейной зависимости моментов двигателя и исполнительного органа .

Рассматриваемый вид движения является весьма распространенным.

На рисунке 2.7 представлены механические характеристики ЭД и ИО при пуске электродвигателя.

Рис. 2.7. Механические характеристики ЭД и ИО при пуске электродвигателя

Механические характеристики ЭД и ИО можно выразить аналитически следующими уравнениями:

(2.16)

(2.17)

В уравнениях (2.16) и (2.17) и – коэффициенты жесткости механических характеристик ЭД и ИО.

Подставляя выше приведенные уравнения в уравнение механического движения электропривода, получаем следующие уравнения для зависимостей , , [2,4].

(2.18)

(2.19)

(2.20)

где – электромеханическая постоянная времени в секундах, учитывающая механическую инерционность привода и влияющая на время пуска электропривода.

Полученные выражения (2.18)–(2.20) могут использоваться для анализа переходных процессов различного вида, но в каждом конкретном случае должна быть определена электромеханическая постоянная времени , а также начальные и конечные значения координат , , , . В частном случае, когда и , эти величины могут быть определены по формулам:

; (2.21)

; , (2.22)

где– это время, в течение которого электропривод запускается до скорости при . Тогда . Так как обычно момент двигателя при пуске изменяется, то на практике время пуска в секундах определяют по выражению , или по следующему выражению: .

Зависимости , приведены на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Зависимости , при пуске электродвигателя

№8 НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ МОМЕНТЕ

При переходных процессах этого вида моменты двигателя и ис­полнительного органа различны и могут быть нелинейными функ­циями скорости, времени или положения . Основная сложность по­лучения искомых зависимостей заключается в интегри­ровании уравнения движения (2.15), которое не имеет универсаль­ного способа решения. Поэтому в зависимости от исходных дан­ных и требуемой точности расчета могут применяться различные методы получения кривых переходного процесса, которые кратко рассматриваются далее

Линеаризация нелинейных механи­ческих характеристик двигателя и ис­полнительного органа основана на представлении (аппроксимации) этих характеристик или их отдельных учас­тков прямыми линиями. В этом случае для построения кривых переходного процесса или расчета его продолжи­тельности используются формулы (2.24), (2.30) и (2.32). Если механичес­кие характеристики аппроксимируют­ся несколькими прямыми отрезками, то переходный процесс строится по участкам, при этом конечное значение переменной на предыдущем участке является начальным значе­нием для следующего участка. Методы численного интегрирования уравнения движения. Во мно­гих случаях, когда механические характеристики двигателя и ис­полнительного органа заданы графически или в виде таблиц, целе­сообразно применять для решения разработанные в математике чис­ленные методы интегрирования дифференциальных уравнений, к которым и относится уравнение механического движения ЭП (2.16). Наиболее простым из них является метод Эйлера, сущность кото­рого рассмотрим на следующем примере.

Метод Эйлера прост, нагляден и позволяет получать требуемую точность расчета, которая обеспечивается выбором интервалов скорости.

Графоаналитические методы построения кривых переходного про­цесса используются в случаях, когда механические характеристики двигателя и исполнительного органа заданы графически. В теории ЭП разработано несколько таких методов (например, методы пло­щадей и пропорций), основанных также на решении уравнения (2.16). Подробно эти методы рассмотрены в [1, 2, 4].

№9 Конструкция, принцип действия и основные типы двигателей постоянного тока.

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

Рисунок 1 – Машина постоянного тока: I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока: а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник

В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.

Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.

Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде "ласточкина хвоста", которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность "ласточкина хвоста", при втором — на "ласточкин хвост" и конец пластины.

Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.

В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются "петушками".

В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.

Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.

Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа.

Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.

В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.

Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.

Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 – Щетки:

а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник

В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.Принципу работы электродвигателя постоянного тока может быть дано два описания:

1. подвижная рамка (два стержня с замкнутыми концами) с током в магнитном поле статора

2. взаимодействие магнитных полей статора и ротора.

Необходимо отметить, что работа по вращению ротора (рамки с током) совершается не за счет энергии внешнего магнитного поля (поля статора), а за счет источника тока, поддерживающего неизменным ток в контуре рамки. При изменениях магнитного потока, пронизывающего контур (рамку с током) при вращении, в этом контуре возникает э.д.с. индукции, направленная противоположно э.д.с. источника тока. Следовательно, источник тока, кроме работы, затрачиваемой на выделение ленц-джоулева тепла, должен совершать дополнительную работу против э.д.с. индукции. Сам же процесс вращения происходит за счет силы Ампера, действующей на проводник с электрическим током, находящийся в магнитном поле. Правильное мнение, что ротор (рамка с током) приходит в движение за счет того, что его магнитное поле отталкивается от магнитного поля статора.

Классификация

ДПТ классифицируют по виду магнитной системы статора:

с постоянными магнитами;

с электромагнитами:

с независимым включением обмоток (независимое возбуждение);

с последовательным включением обмоток (последовательное возбуждение);

с параллельным включением обмоток (параллельное возбуждение);

со смешанным включением обмоток (смешанное возбуждение):

с преобладанием последовательной обмотки;

с преобладанием параллельной обмотки;

Вид подключения обмоток статора существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя.

Разновидности

Коллекторные, с щёточноколлекторным переключателем тока

С одним коллектором (щёточноколлекторным узлом

С двумя коллекторами (щёточноколлекторными узлами, в бесколлекторных — с инвертором на двух параллельных мостах) С тремя коллекторами и тремя обмотками (в бесколлекторных с инвертором на трёх параллельных мостах, трёхфазный).С четырьмя коллекторами (щёточноколлекторными узлами) и двумя обмотками синусной и косинусной (синусно-косинусные), С четырьмя коллекторами и четырьмя обмотками (в бесколлекторных — с инвертором на четырёх параллельных мостах, четырёхфазный).С восемью коллекторами (щёточноколлекторными узлами). В этом двигателе уже нет рамок, а ток подаётся через коллекторы в отдельные стержни ротора.

Бесколлекторные, с электронным переключателем тока[править | править исходный текст]

Электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР) (вентильный электродвигатель).

Ротор является постоянным магнитом, а обмотки статора переключаются электронными схемами — инверторами. Бесколлекторные электродвигатели могут быть однофазными (две «мёртвые точки»), двухфазными (синусно-косинусными), трёх- и более фазными.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока с выпрямителем (мостом) может заменить универсальный коллекторный двигатель (УКД).

Другие виды электродвигателей постоянного тока

Униполярный электродвигатель (униполярный генератор)Универсальный коллекторный двигатель, — работает и на постоянном токе, и на переменном. Применяется в ручных электроинструментах (электродрели, электролобзики, электропилы, электрорубанки и др.), пылесосах, кофемолках, блендерах и др.

№10 механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

На рисунке 4.1 приведена схема включения ЭД в сеть.

ДПТ НВ может работать в двигательных и тормозных режимах.

Электромеханической характеристикой называется зависимость угловой скорости ЭД от тока якоря . Она характеризует загрузку якоря по току.

Механической характеристикой называется зависимость момента ЭД от скорости: . Она характеризует работу электродвигателя. Обе зависимости связаны между собой следующим выражением:

(4.1)

где – конструктивный коэффициент ЭД (– число пар полюсов статора; – число активных проводников обмотки якоря; – число параллельных ветвей обмотки якоря);

– номинальный магнитный поток статора, Вб;

– ток якоря, А.

Двигательный режим ДПТ НВ

Для якорной цепи может быть записано следующее выражение:

Uя = Е+(Rя+Rд) Iя. (4.2)

Для цепи возбуждения:

Uв = (Rовм+Rдв) Iв, (4.3)

где Iя и Iв – токи в цепи якоря и обмотки возбуждения, А; Uя = Uс – напряжение якоря и сети, В; Е – противоЭДС, наводимая в обмотке якоря при его вращении в магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения, В; Rд и Rдв – добавочные сопротивления в цепях якоря и возбуждения, Ом (они могут отсутствовать);
Rя = Rо.я +Rко + Rдп + Rщ.к – внутреннее сопротивление якорной цепи, Ом; (Rо.я – сопротивление обмотки якоря; Rдп – сопротивление обмотки дополнительных полюсов; Rко – сопротивление компенсационной обмотки; Rщ.к – сопротивление щеточного контакта).

Сопротивление R_я определяется по выражению:

(4.4)

Ток возбуждения создает магнитный поток Ф (в веберах). Для получения номинального магнитного потока при пуске ЭД сопротивление Rдв принимается равным нулю. После чего подается номинальное напряжение на якорную цепь и на обмотку возбуждения. Взаимодействие пускового тока якоря с номинальным магнитным потоком статора Фн создает вращающий момент Мв и двигатель запускается.

При скорости и , пусковой ток в якоре определяется по выражению

,

т.к. Rя – очень мало.

Для уменьшения пускового тока якоря до безопасного значения (2,5 Iян) на время пуска ЭД в цепь якоря необходимо включать добавочное сопротивление

. (4.5)

Обычно добавочное сопротивление (пусковой реостат) разбит на секции. По мере увеличения скорости растет противоЭДС и ток в якоре уменьшается согласно выражению:

, (4.6)

где – противоЭДС ЭД.

Поэтому при пуске ЭД необходимо постепенно шунтировать секции пускового реостата.

Если решить уравнение (4.2) относительно угловой скорости, то получим уравнение для естественной электромеханической характеристики [1,4]:

, (4.7)

где – скорость идеального холостого хода ЭД; – перепад скорости по отношению к скорости .

В уравнении (4.7) определяется как:

, (4.8)

где – номинальная угловая скорость ЭД, рад/с.

Ток якоря определяется по выражению .

Если этот ток подставить в уравнение (4.7), то получим уравнение для механической характеристики [1,4]:

, (4.9)

где – номинальная мощность ЭД, кВт;

– номинальный момент ЭД, Н·м.

Если Uя Uян, или ф ф_н, или Rд 0, то получим искусственные электромеханические и механические характеристики. Естественная и искусственные характеристики приведены на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Естественная и искусственные характеристики ЭД

Тормозные режимы ДПТ НВ

ЭД может работать в трех тормозных режимах – генераторном (рекуперативном), динамического торможения и в режиме противовключения [1,4].

а) Генераторный (рекуперативный) режим

Его можно получить, если уменьшить напряжение на якоре (Uя < Uян). При этом скорость якоря будет больше скорости . Схема ЭД будет такая же, как и в двигательном режиме. Сначала ЭД тормозится, отдавая энергию в сеть, затем он переходит работать в двигательный режим, но с меньшей скоростью (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Характеристики двигательного и рекуперативного

режима торможения ЭД

б) Динамический режим

Необходимо у работающего ЭД якорь замкнуть на тормозное сопротивление Rт, а обмотку возбуждения оставить подключенной к источнику питания (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема ЭД в динамическом режиме торможения

Сопротивление Rт включено для ограничения начального тормозного тока до величины Iт.нач = 2,5Iян: .

Тормозная характеристика приведена на рисунке 4.5 (второй квадрант).

Рис. 4.5. Тормозная характеристика ЭД
в динамическом режиме торможения

в) Торможение противовключения путем перемены полярности напряжения на якоре. Схема ЭД приведена на рисунке 4.6.

Рис. 4.6. Схема ЭД при реализации торможения противовключения
путем перемены полярности напряжения на якоре

Для включения ЭД в двигательный режим необходимо включить контакты контактора КМ₁. Для получения торможения противовключением необходимо отключить контакты КМ₁ и включить контакты контактора КМ₂. В результате таких переключений поменяется полярность напряжения на якоре, изменится направление тока в якоре, и ЭД будет тормозиться.

Для ограничения тормозного тока на время торможения ЭД включают в цепь якоря сопротивление Rд и так называемое сопротивление противовключения Rпр:

, (4.10)

Тормозной ток определяется по выражению:

. (4.11)

Тормозные характеристики приведены на рисунке 4.7 (второй квадрант).

Рис. 4.7. Тормозные характеристики ЭД при торможении противовключением

При скорости ЭД отключают от сети. Если требуется осуществить реверс ЭД, то при скорости необходимо отключить сопротивление Rпр. Тогда двигатель начнется вращаться в противоположную сторону (третий квадрант).

г) Торможение противовключением за счет действия активного момента сопротивления Мса.

Если при подъеме груза ввести в цепь якоря сопротивление Rд и Rпр, то сформируется механическая характеристика, на которой все моменты двигателя (в том числе и при нулевой скорости) будут меньше Мс. Под действием момента сопротивления якорь выворачивается в обратную сторону. В результате в режиме противовключения осуществляется спуск груза на малой (ползучей) скорости ( ). Механическая характеристика приведена на рисунке 4.7 пунктиром.

№16 Конструкция и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Схема включения, э.д.с. статора и ротора, ток ротора асинхронного двигателя.

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.

Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.

В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.

Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.

Рис. 12.4

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n1. В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке. Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки. Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия. Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами c1,c2,c3, концы – c4,c5,c6. Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 2.2.а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рис. 2.2.б) или треугольник (рис. 2.2.в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл=660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.Сердечник ротора (рис. 2.3.б) набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами). Рис. 2.3 Короткозамкнутая обмотка (рис. 2.3) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки” (рис. 2.3.а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов. Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

№17 Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Векторная диаграмма

Полная схема замещения асинхронного двигателя, как и его векторная диаграмма, может быть построена только для режима работы двигателя с заторможенным ротором, когда частота всех гармонических величин статора и ротора одинакова. Векторная диаграмма двигателя может быть построена для эквивалентного по мощности и току двигателя с заторможенным ротором, у которого каждая фаза ротора имеет активное сопротивление и индуктивное.

При построении векторной диаграммы за опорный вектор принят вектор магнитного потока Ф.

ЭДС Е1 и Е2 отстают по фазе от потока на угол π/2. Вектор тока I2 отстает на некоторый угол φ

вследствие индуктивно—активного сопротивления ротора. Угол может быть определен из соотношения

Вектор тока цепи статора определяется разностью векторов тока холостого хода и приведенного тока ротора.

I1 = I0 - I2

Вектор напряжения U1 на статорной обмотке равен сумме векторов U1 r1 I1, и J x1 I1. В режиме холостого хода двигателя

U1 = - E 1

Из диаграммы следует, что при увеличении тока ротора угол φ1 будет уменьшаться, а cos φ1 — увеличиваться.

Векторную диаграмму удобно рассматривать совместно со схемой замещения.

Схема замещения также соответствует эквивалентному асинхронному вигателю с заторможенным ротором и приведена к цепи статора. В такой схеме между элементами существуют только электрические связи, что значительно упрощает анализ процессов. Схема замещения двигателя подобна схеме замещения трансформатора, каковым по существу и является двигатель с заторможенным ротором. Отличие заключается только в том, что двигатель имеет воздушный зазор в магнитопроводе.

На схеме замещения приняты приведенные значения сопротивлений роторной цепи и приведенное значение ЭДС заторможенного ротора, где — rст эквивалентное сопротивление, связанное с тепловыми потерями в стали от вихревых токов; Х0— индуктивное сопротивление цепи контура намагничивания магнитопровода.

Дата добавления: 2015-06-30; просмотров: 1339; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!