ТЭП-Курс_лекций_04-2006
.pdf
6. Динамическое торможение реализуется следующим образом: якорная обмотка отключается от питающей сети (U 0), и замыкается на тормозное сопротивлениеRT , сопротивление обмотки якоря становится:
R RT RЯ
Ток в якорной цепи:
I 0 E E 0.
R R
Момент M kФ ( I) 0- изменяет своё направление и по отношению к направлению скорости становится тормозным.
Поток электрической энергии и соответственно электрическая мощность:
PЭЛ UI 0.
Механическая энергия PМЕХ E ( I) M 0 при динамическом торможении направлена от механизма к двигателю.
Рис.33 Динамическое торможение
Уравнение баланса мощностей:
EI RI2
Механичная энергия, потребляемая двигателем от механизма преобразуется в электромагнитную, которая в свою очередь рассеивается в виде тепла в двигателе.
Таким образом, если расставить все рассматриваемые режимы в порядке их энергетической эффективности, то эта последовательность будет иметь вид (от худшего к лучшему):
1.Режим противовключения.
2.Режим КЗ
3.Режим динамического торможения.
4.Двигательный режим.
5.Режим ХХ
6.Рекуперативный режим.
2.3 Механические характеристики двигателей последовательного возбуждения
Двигатели последовательного возбуждения широко применяются в приводах транспортных механизмов (тяговых механизмов), а также в приводах механизмов, которые отличаются сложным запуском и малыми моментами нагрузки в рабочем режиме.
2.3.1Механические характеристики ДПТ ПВ в двигательном режиме
Вобщем случае уравнения механических характеристик ДПТ ПВ имеют тот же вид что и
уДПТ с НВ:
|
U |
|
R |
I , (24) |
kФ |
|
|||
|
|
kФ |
||
31
|
U |
|
R |
M (25) |
|
k2Ф2 |
|||
|
kФ |
|
||
Однако учитывается то, что в таких двигателях якорная обмотка соединена с обмоткой возбуждения последовательно, магнитный поток возбуждения перестанет быть независимой переменной, а становится функцией, ток якоря IЯ , следовательно, зависит от нагрузки на валу двигателя. Приходится учитывать также нелинейный характер зависимости магнитного потока от тока. Кривую намагничивания (рис.34) можно разбить на 2 участка.
1. В области малых нагрузок 0 I I1 :
Ф I .
2. При I I1 :
Ф ФНОМ .
Рис.34 Кривая намагничивания
Очевидно, что в областях нагрузок, в которых ток I I1 , т.е. ток близок к номинально-
му, уравнения (24) и (25) можно считать абсолютно справедливыми.
Запишем уравнения скоростной и механической характеристик в области малых нагрузок на валу двигателя последовательного возбуждения.
M IkФ k I2 ,
|
|
U |
|
|
|
R |
, |
|
|
|
(26) |
||||
|
k I |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
I |
|
|
M |
|
, |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|||
|
|
|
U |
|
|
R |
(27) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
||||||
M k |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Рис.35а Скоростная характеристика ДПТ ПВ
32
Рис.35б Механическая характеристика ДПТ ПВ
Характеристики не имеют выраженной скорости ХХ 0 , т.е. не пересекают ось ординат.
Значит, режим холостого хода отсутствует, т.к. при токе I 0, магнитный поток также Ф 0, и из уравнений (26) и (27) видно, что скорость . Следовательно, при очень малых нагрузках двигатели последовательного возбуждения работать не могут (резко набирают скорость, что неконтролируемо), т.е. двигатель «идёт в разнос».
Также, двигатели в области малых скоростей развивают большой электромагнитной момент. Большие моменты на «ползущих скоростях» - явление в ряде случаев весьма полезное.
2.3.2 Пусковой режим двигателя последовательного возбуждения
Двигатели последовательного возбуждения (ДПВ) обладают большими значениями начальных моментов (большими даже, чем у двигателя независимого возбуждения). Основная задача при пуске сводится к ограничению пусковых токов. Чтобы построить механические характеристики при пуске необходимо вывести их уравнения. При этом необходимо отметить, что, имея нелинейный характер зависимости момента M от тока I , применение для анализа зависимости M f ( )неудобно, и поэтому их анализируют при помощи скоростных характеристик:
- естественной,
Е UНОМ (RЯ RВ )I ;
kФ
- искусственной, при изменении напряжения, U var ,
И U (RЯ RВ ) ;
kФ
- искусственной, при введении добавочного сопротивления, RДОБ var,
R UНОМ (RЯ RВ RДОБ )I .
kФ
Чтобы построить реостатные характеристики используют, уравнение:
U R I
И Е UНОМ (RЯ RB )I
Семейства пусковых характеристик представлены на рис. 36, 37.
Рис.36 Семейство пусковых характеристик ДПТ ПВ при пониженном напряжении
33
Рис.37 Семейство реостатных пусковых характеристик ДПТ ПВ
2.3.3 Тормозные режимы ДПВ. Механические характеристики ДПВ в тормозном режиме
Механические характеристики ДПВ не пересекают оси ординат, а, следовательно, не могут располагаться во 2-ом квадранте координатной плоскости, поэтому рекуперативное торможение для ДПВ является невозможным. Кроме того, учитывая, что обмотки якоря и ОВ соединены между собой последовательно, то изменить соотношение направлений тока якоря IЯ и магнитного потока возбуждения становится невозможным. Следовательно, торможение противовключением реализовать в ДПВ, также невозможно. Поэтому единственный возможный способ торможения - динамическое торможение.
С этой целью зажимы двигателя отключают от питающей сети и замыкают на тормозное сопротивление RT . Однако характер процессов, протекающих при динамическом торможении в ДПВ, существенно отличается от процессов протекающих в ДПТ с НВ.
Возникновение тормозного момента является процессом самовозбуждения. Смысл этого режима в том, что при отключении двигателя от питающей сети в обмотке возбуждения остаётся небольшой остаточный магнитный поток, который наводит в якорной обмотке ЭДС. Под действием этого ЭДС в замкнутой цепи протекает ток I , согласованный по направлению с остаточным магнитным потоком. Этот ток усиливает магнитный поток, в результате повышается ЭДС, следовательно, возрастают ток и магнитный поток. При некотором значении потока Ф ФНОМ процесс становится установившимся.
Чтобы процесс самовозбуждения при динамическом торможении был возможен в установившемся режиме, необходимо сопротивление RT подбирать так, чтобы:
RT RЯ RB RКР ,
где RКР - критическое сопротивление.
Рис.38 Механическая характеристика ДПВ при динамическом торможении
34
Рис.39 Характеристика выбора RT
Если RT подобрать так, чтобы RT RЯ RB RКР , то функции RI и E(I)не будут иметь общих точек, следовательно, процесс самовозбуждения не может быть установившимся, и при таких условиях динамическое торможения станет невозможным.
Динамическая модель ЭП с ДПВ в области нагрузок на валу близких к номинальному, представляется так же, как и модель ДПТ с НВ.
2.4 ДПТ смешанного возбуждения
Этот вид двигателя совмещает свойства двигателей НВ и ПВ, а именно, скорость идеального ХХ у них определяется составляющей магнитного потока, созданная независимой ОВ. Но при этом характеристики остаются существенно нелинейными и обладают важнейшим свойством: большими значениями момента M при малых скоростях. Следовательно, главный технический мотив их применения: максимально полное использование мощности двигателя при предельно простом выполнении самого ЭП, т.е. отсутствие сложных преобразователей, сложных систем управления и т.д. Но в последнее время, из-за развития и удешевления преобразовательной техники, использование ЭП с двигателем параллельного возбуждения и самовозбуждения постепенно вытесняется приводами с ДНВ, и ещё в большей степени с двигателями переменного тока.
2.5 АД. Механические характеристики АД при различных режимах работы
Чтобы получить уравнения механических характеристик АД, используем упрощенную схему замещения АД.
Рис.40 Приведенная Г-образная схема замещения АД
В этой схеме замещения реальные электромагнитные связи между статором и ротором заменены электрическими (гальваническими). Кроме того, в этой схеме замещения параметры обмотки ротора приведены к параметрам фазы статорной обмотки, а также в схеме замещения учитывается механическая нагрузка на валу двигателя.
U1Ф - напряжение, приложенное к фазе статорной обмотки;
I1 - ток фазы статорной обмотки;
I2' - приведенный ток в обмотке ротора, без учёта влияния ветви намагничивания;
35
R1 - активное сопротивление фазы обмотки статора;
X1 - индуктивное сопротивление статора;
X'2 - приведенное индуктивное сопротивление ротора;
R'2 - приведенное активное сопротивление ротора с учётом механической нагрузки на
S
его валу;
S - скольжение,
S 0 ;
0 - скорость ВМП,
2 f
0 p ,
p - число пар полюсов.
Будем считать потери двигателя равными нулю, следовательно:
P |
|
|
|
M |
0 |
P |
|
3(I2)2 R'2 |
, |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
ЭЛ.МАГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭЛ |
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
M |
PЭл.МАГ |
|
|
|
3(I2 )2 R'2 |
, |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(I2 )2 |
U1ф |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ZДВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Z |
ДВ |
(R |
R'2 |
)2 (X |
|
X' |
|
)2 |
, |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
S |
|
U1ф |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||
I'2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
(R |
R'2 |
)2 (X |
|
|
X' |
|
)2 |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
M |
|
|
|
|
|
|
3 U12ф |
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
(28) |
|||||||||||
0S [(R1 |
R2 |
|
2 |
(X1 |
X |
2 ) |
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
) |
] |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Уравнение (28) описывает зависимость электромагнитного момента M двигателя от напряжения U , приложенного к статору, угловой скорости ВМП 0 , нагрузки двигателя (в этом
выражении она представлена скольжением S ), которая в свою очередь определяет скорость ротора.
Если в (28) подставим значения скольжения S от -1 до +1 и подставим те же значения S в уравнение (29), то получим уравнения характеристик зависимости момента от скольжения (M f (S)), а также скорости вала двигателя, от вращающего момента M ( f (M)).
0 (1 S) (29)
36
Рис.41 Механическая характеристика АД - M f (S)
|
Рис.42 Механическая характеристика АД - f (M) |
Обе |
характеристики имеют ярко выраженные точки экстремума. При этом область |
0 S 1 |
описывает двигательный режим работы ( 0 ), а область характеристик |
1 S 0 |
описывает генераторный режим при котором 0 . При этом значения критиче- |
ский момент MK в генераторном режиме больше, чем значения MK в двигательном режиме. Определим точки экстремума, для этого продифференцируем уравнение (28), приравняем 1-ую производную к 0 и решим относительно S .
Найденное значение скольжения S - критическое:
SK |
|
|
R'2 |
|
|
|
|
|
|
|
(30) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
R2 |
(X |
1 |
X' |
2 |
)2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Поставив (30) в (28), решим его относительно момента M , которое будет равно M MK , |
|||||||||||||||||
то получим: |
|
|
|
3U1ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
MK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(31) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
[R R2 (X |
1 |
X' |
2 |
)2 ] |
||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
0 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
В уравнениях (30), (31) знак «+» указывает на двигательный режим, «-»- на генераторный режим.
Следовательно, критический момент MK в генераторном режиме по модулю больше, чем в двигательном режиме. Кроме того, для анализа механических характеристик в двигательном режиме, необходимо определить значение момента, развиваемого двигателем при скольжении S 1, т.е. при неподвижном роторе (пускового момента):
MП |
|
3U1ф2R'2 |
|
|
|
|
|
(32) |
|||
|
[(R R' |
2 |
)2 |
(X |
1 |
X' |
2 |
)2 |
] |
||
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||||
37
Механические характеристики, построенные в соответствии с уравнениями (28) - (32) - механические характеристики в параметрических координатах.
Если они построены при номинальных U1НОМ , fНОМ и при отсутствии добавочных сопро-
тивлений в цепи ротора, то такие характеристики называют естественными, в противном слу-
чае искусственными.
Построим семейства искусственных характеристик в двигательном режиме при изменении одного из трех параметров (далее рассмотрим только в двигательном режиме).
1. RДОБ var - реостатные характеристики.
Рис.43а Семейство реостатных характеристик в двигательном режиме АД - M f (S)
Рис.43б Семейство реостатных характеристик в двигательном режиме АД - f (S)
При увеличении добавочного сопротивления RДОБ , вводимого в цепь ротора, критический момент MK не меняется, а пусковой момент MП растёт (чем выше активное сопротивление ро-
тора, тем большеMП ). Вследствие чего увеличивается линейный наклон механических характеристик, которые называются реостатными. Т.е. чем больше сопротивление R , тем меньше жёсткость, следовательно, больше наклон механических характеристик.
2. U var(можно только понизить напряжение).
38
Рис.44а Семейство характеристик в двигательном режиме АД при понижении напряжения
- M f (S)
Рис.44б Семейство характеристик в двигательном режиме АД при понижении напряжения
- f (M)
При снижении напряжения:
а) уменьшается критический момент MK , снижается перегрузочная способность двигате-
ля;
б) уменьшается пусковой момент MП , т.е. снижается вероятность успешного запуска двигателя;
в) снижается жесткость характеристик в рабочей части.
3. f var
Рис.45а Семейство характеристик в двигательном режиме АД при изменении частоты -
M f (S)
Рис.45б Семейство характеристик в двигательном режиме АД при изменении частоты -
f (M)
При увеличении частоты f уменьшаются критический MK и пусковой MП моменты, скорость увеличивается, а при уменьшении - наоборот.
Представленное семейство механических характеристик было построено на основании уравнений (28)-(32). Эти расчёты требуют сложных и громоздких промежуточных вычислений,
39
в которых определяют, в частности, активное и индуктивное сопротивление обмоток статора и ротора. Эти расчёты при решении некоторых инженерных задач могут быть неоправданны, поэтому используют метод построения механических характеристик с применением формулы Клосса, который позволяет использовать для этой цели паспортные данные двигателя.
2.5.1 Построение механических характеристик с использованием формулы Клосса
Выражение зависимости вращающегося электромагнитного момента от скольжения
M f (S)- формула Клосса. Ее получают путем деления MK .
M
После проведения несложных алгебраических операций получим выражение, формулу Клосса:
M |
|
2MK |
|
(33) |
||
|
S |
|
SK |
|
||
Перегрузочная способность двигателя: |
SK |
S |
|
|
||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
MК |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
MНОМ |
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
Если в уравнение (28) вместо момента M подставить MНОМ , получим: |
||||||||||||||
M |
НОМ |
|
|
2MK |
|
|
|
(34) |
||||||
S |
НОМ |
|
|
S |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
SНОМ |
|||||||||
|
|
|
SK |
|
||||||||||
Решим (34) относительно критического скольжения SK : |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
SK |
SНОМ ( |
|
|
2 |
1) (35) |
|||||||||
Используя эти выражения, а, также зная паспортные данные двигателя, легко можно по- |
||||||||||||||
строить механические характеристики M f (S), |
f (M). |
|||||||||||||
Последовательность промежуточных расчетов приведена в курсе «ЭП». Построение характеристик сводится к использованию уравнений (33) и (29):
Винтервале от 0 S SK выбираем шаг не более 0,01,т.е. S 0,01.
Винтервале от SK S 1 шаг S 0,05 0,1.
Получим характеристики аналогичные построенным ранее.
Рис.46 Механическая характеристика АД - M f (S)
40