Атанов АЭП Лекции 2008

минального тока в нем. Отметим при этом, что нагрев определяется также и условиями охлаждения (вентиляции) двигателя.

При регулировании скорости двигатель работает уже на искусственных характеристиках, т.е. при отличных от паспортных условиях. Поэтому для сохранения его нормативного нагрева и тем самым расчетного срока службы нагрузка двигателя (при расчетных условиях его охлаждения) может быть только такой, при которой в нем протекает ток не выше номинального. Именно такая нагрузка и называется допустимой.

Все способы регулирования скорости делятся по этому признаку на две группы, для одной из которых характерна допустимая нагрузка, равная номинальному моменту, а для другой - равная номинальной мощности двигателя. При правильном выборе способа регулирования скорости двигатель полностью используется в соответствии со своими возможностями во всем диапазоне ее изменения.

Экономичность регулирования скорости. Получение одних и тех же показателей (диапазона, стабильности, плавности и т.д.) можно обеспечить с помощью различных ЭП и способов регулирования их скорости. Для выбора наиболее рационального вида регулируемого ЭП используются различные технико-экономические показатели - капитальные затраты на его реализацию, эксплуатационные расходы, срок окупаемости, надежность, удобство и простота в эксплуатации, серийность и унификация средств управления и др. Оценка или сопоставление экономических показателей проводится при выборе возможных способов регулирования скорости данного ЭП (или различных ЭП). В результате анализа всех возможных вариантов выявляется экономически обоснованное решение.

Обычно сопоставление вариантов регулируемого ЭП производится по капитальным затратам и эксплуатационным расходам с учетом срока окупаемости. Если капитальные затраты на реализацию ЭП окупаются за счет сокращения расходов при его эксплуатации за заданный срок, то такое техническое решение считается экономически обоснованным. С этой же целью могут использоваться и другие технико-экономические показатели.

Сопоставление и экономическая оценка различных способов регулирования скорости и тем самым регулируемых ЭП правомочны только в том случае, когда все они обеспечивают заданные технические характеристики рабочей машины или механизма.

2 Регулирование момента, тока, положения ЭП

При формировании заданного графика движения исполнительных органов часто бывает необходимо обеспечивать требуемое их ускорение или замедление.

В некоторых технологических процессах (транспортировка с.х. продукции, изготовление проводов и кабелей, бумажное и текстильное производства) требуется, чтобы исполнительные органы рабочих машин созда-

11

вали необходимое натяжение в обрабатываемом материале или изделии. Это также обеспечивается с помощью ЭП регулированием создаваемого им момента или усилия на исполнительных органах соответствующих рабочих машин и механизмов.

В некоторых случаях требуется ограничивать момент ЭП для предотвращения поломки рабочей машины или механизма при внезапном стопорении исполнительного органа (например, при копании грунта, бурении скважин, заклинивании механической передачи и др.). Основными показателями для оценки того или иного способа регулирования (ограничения) момента являются точность и экономичность.

Каким же образом можно изменять момент ЭП? Для ответа на этот вопрос вспомним, что развиваемый электрическим двигателем момент пропорционален произведению магнитного потока и тока якоря, т. е.

М = kФI,

где k - конструктивный коэффициент двигателя.

Таким образом, изменяя ток якоря, или магнитный поток Ф, можно регулировать (ограничивать) момент.

Регулирование тока и момента двигателей требуется также и для обеспечения нормальной работы самих двигателей. Так, при пуске двигателей постоянного тока обычного исполнения для обеспечения нормальной работы их коллекторно-щеточного узла ток должен быть ограничен значением 3Iном. Необходимость ограничения тока возникает и в случае пуска мощных двигателей постоянного и переменного тока, так как их большие пусковые токи могут привести к недопустимому снижению напряжения питающей сети.

Для анализа возможности регулирования тока используется электромеханическая характеристика двигателя (иногда называемая скоростной), которая представляет собой зависимость его скорости от тока. Для двигателей постоянного тока независимого возбуждения при постоянном (нерегулируемом) магнитном потоке электромеханическая характеристика повторяет механическую. Регулирование момента чаще всего производится воздействием на ток двигателя посредством изменения подводимого к нему напряжения или включения в его цепи добавочных резисторов. Отметим, что регулирование тока и момента может осуществляться только в динамическом (переходном) режиме работы ЭП, поскольку в установившемся режиме ток и момент двигателя определяются его механической нагрузкой.

На рисунке 2 для примера показаны типовые электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, позволяющие регулировать (ограничивать) ток и момент М при пуске с помощью добавочного резистора в цепи якоря. Резистор включается в цепь двигателя на период пуска (прямая 1), а затем с помощью схемы управления выводится (шунтируется) - прямая 2. Видно, что регулирование тока и момента производится ступенчато соответственно в пределах I...I2 и М...М2 и характеризуется невысокой точностью. Для повыше-

12

ния точности необходимо использовать несколько ступеней резисторов, в этом случае размах изменения тока I и момента М сузится. Данный способ, получивший название параметрического, характеризуется простотой реализации, но недостаточной точностью.

Рисунок 2 – Способы регулирования тока (момента): а – параметрический; б – в замкнутой системе «преобразователь - двигатель»

Изображенная на рисунке 2,б характеристика является типовой при регулировании тока и момента в замкнутой системе «преобразователь - двигатель». За счет соответствующего воздействия на двигатель с помощью преобразователя формируется близкий к вертикали участок 3 характеристики. Точность регулирования тока и момента в таких ЭП является высокой (участок 3 характеристики в пределе может быть получен в виде вертикальной линии).

Регулирование положения.

Для обеспечения выполнения ряда технологических процессов требуется перемещение исполнительных органов рабочих машин и механизмов в заданную точку пространства или плоскости и их установка там (фиксирование) с заданной точностью. Например, роботы и манипуляторы, подъемно-транспортные механизмы, клапаны, задвижки, механизмы подач станков и ряд других. Перемещение исполнительного органа из одной точки плоскости или пространства (позиции) в другую называется позиционированием и обеспечивается соответствующим регулированием положения вала двигателя.

В тех случаях, когда не требуются высокие точность и качество движения, позиционирование обычно обеспечивается с помощью путевых или конечных выключателей. Они устанавливаются в заданных позициях и при подходе к ним исполнительного органа производят отключение ЭП. Исполнительный орган тормозится и с некоторой точностью останавливается.

При необходимости обеспечения высокой точности позиционирования формируется оптимальный (или близкий к нему) график движения ЭП. Такой типовой график движения состоит из трех участков - разгона,

13

движения с установившейся скоростью и торможения. Отметим, что при небольших перемещениях участок установившегося движения может отсутствовать.

Точное позиционирование реализуется, как правило, в замкнутой системе «преобразователь – двигатель».

3 Способы регулирования частоты вращения ДПТ

Из уравнений механической и электромеханической характеристик следует, что частоту вращения ДПТ НВ можно регулировать тремя способами: магнитным потоком (током возбуждения), сопротивлением в якорной цепи и напряжением подаваемым на якорь электродвигателя (рисунок

3…5).

14

Таким образом, напряжением и сопротивлением в якорной цепи регулировка происходит в сторону уменьшения частоты вращения от естественной характеристики, а магнитным потоком – увеличения.

4 Способы регулирования частоты вращения АД

Наряду с использованием ЭП постоянного тока в последние годы с развитием полупроводниковой техники все большее внимание уделяется применению ЭП с АД (короткозамкнутый, фазный …) в различных системах регулирования. Для установок большой мощности в безредукторных, тихоходных ЭП экономически оправданный оказывается также регулируемый, синхронный двигатель.

Применение двигателей переменного тока обусловлено их простотой, дешевизной, высокой надежностью, существенно (в 2..3 раза) меньшими габаритами и массой по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме того, некоторые способы регулирования ω не требуют специальных преобразовательных устройств.

Наиболее распространенные способы регулирования:

1)напряжением на статоре;

2)сопротивлениями в статорной или роторной цепях;

3)частотой питающего тока;

4)переключением полюсов;

что следует из выражений

n 60 f . P

Напряжение на АД изменяют с помощью любого регулятора на-

жение Sк тока при этом не изменяется, но изменяется критический момент (рисунок 6).

S

Uном

Sкр

Рисунок 6 – Механические ха- U2 U1 рактеристики АД при регулиро-

вании частоты вращения АД напряжением питания

М3 М2 М1

15

Применение данного способа ограниченно, т.к. уменьшается перегрузочная способность АД (при снижении напряжения на 10% момент уменьшается в 0,92=0,81). Кроме того, для реализации необходим АД с повышенным сопротивлением ротора или АД с фазным ротором. Данный способ хорошо реализуется лишь на вентиляторной характеристике рабочей машины.

Частота питающего тока прямопропорциональна частоте вращения

но с частотой для регулирования частоты вращения необходимо изменять и напряжение питания двигателя.

Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки Мс.

При Мс=const, U должно регулироваться пропорционально его час-

Для вентиляторной характеристики рабочей машины

U1 const .

f 21

При моменте нагрузки, обратно-пропорциональном скорости

U1 const . f1

Более подробно законы регулирования и средства реализации частотных регуляторов рассмотрены в лекции №15.

ω4 ω3

Вобласти частот ниже 50 Гц АД имеет постоянную перегрузочную способность, т.е. Мк=const (в области самых малых скоростей несколько снижается).

Вобласти частот выше 50 Гц момент критический снижается.

16

Число пар полюсов.

Что следует из выражения

0(1 S) 2 f1(1 S)/ р,

где р- число пар полюсов.

Число пар полюсов - целое число, регулировка осуществляется ступенчато. Данный способ очень актуален для АД с короткозамкнутым ротором.

Данный способ может быть реализован только при использовании специальных АД, получивших название многоскоростных. Особенностью этих двигателей является статорная обмотка, состоящая из двух одинаковых секций (полуобмоток), используя разные схемы соединения которых можно изменять число пар полюсов.

Наиболее часто применяются две схемы переключения статорных обмоток многоскоростного АД:

-с треугольника на двойную звезду;

-со звезды на двойную звезду.

Звезда – двойная звезда.

В этом случае низкая скорость (большее число пар полюсов) соответствует схеме соединения обмоток в одинарную звезду р=2 при переключении на двойную звезду количество пар полюсов уменьшается в двое (р=1). Характеристики данного полюсопереключаемого АД представлены на рисунке 8.

(р=1, двойная звезда)

ω

(р=2, оди-

нарная звезда)

М

Рисунок 8 – Механические характеристики полюсопереключаемого АД (одинарная звезда – двойная звезда)

Диапазон регулирования полюсопереключаемых АД находится в пределах 6:1 (3000…500 мин-1). Механические характеристики многоскоростных АД отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

17

Сопротивление в роторных, статорных цепях.

Включение добавочных сопротивлений в цепь статора применяется главным образом для регулирования (ограничения) в переходных процессах тока и момента АД с короткозамкнутым ротором. Искусственные характеристики мало пригодны для регулирования скорости, так как обеспечивают небольшой диапазон регулирования, малую перегрузочную способность и жесткость характеристик, а также низкую экономичность.

~U,f

ω

естественная

ω0

Rp1<Rp2<Rp3

Rp1

ωM

Rp2

Rротора

Rp3 M

MK

Рисунок 9 – Электрическая схема (а), механические характеристики (б) АД с фазным ротором при реостатном регулировании

Семейство характеристик аналогично характеристикам при регулировании частоты вращения АД питающим напряжением.

Применение добавочных сопротивлений в цепях ротора асинхронных электродвигателей с фазным ротором, наоборот находит очень широкое применение (рис.9) не только для ограничения пусковых токов, но и для регулирования частоты вращения ротора.

18

Лекция 3 Пускозащитная аппаратура управления

разомкнутых электроприводов

Вопросы

1)Электрические аппараты ручного управления

2)Электрические аппараты дистанционного управления

Общие сведения К разомкнутым относятся электрические схемы, в которых для управ-

ления ЭП не используются обратные связи по его координатам или технологическим параметрам. Эти схемы, отличаясь простотой своей реализации, широко применяются там, где не требуется высокое качество управления движением ЭП, например, для пуска, реверса и торможения двигателей.

Разомкнутые схемы, осуществляя управление ЭП, обеспечивают и защиту самого ЭП, питающей сети и технологического оборудования при возникновении различных ненормальных режимов работы - коротких замыканий, перегрузок двигателей, исчезновения питающего напряжения или обрыва фазы питающей сети и др.

1Электрические аппараты ручного управления

Каппаратам ручного управления относятся командные маломощные устройства - кнопки и ключи управления, командоаппараты и силовые коммутационные аппараты (рубильники, пакетные выключатели и силовые контроллеры ).

Кнопки управления предназначены для подачи оператором управляющего воздействия на ЭП. Они различаются по размерам, числу замыкающихся и размыкающихся контактов, форме толкателя. Две, три или более кнопок, смонтированных в одном корпусе, образуют кнопочную станцию (рис.1,а).

Контакты на схемах изображаются в «нормальном» состоянии электрических аппаратов, т.е. когда на них не оказывается механического, электрического, магнитного или какого-либо другого воздействия. Осо-

бенностью кнопок управления является их способность возвращаться в исходное (нормальное) положение (самовозврат) после снятия воздействия. Выпускаются кнопки серий КУ 120 и КЕ (КМЕ), предназначенные для работы в цепях переменного и постоянного тока. На базе кнопок КЕ выпускают посты управления серии ПКЕ с одной, двумя и тремя кнопками. Кнопки и кнопочные посты имеют степень защиты IP40,IP54 при различных климатических исполнениях и категориях размещения.

19