25691

Устойчивость работы электропривода

Лекция

Физика

Устойчивое, неустойчивое и безразличное состояния электродвигателей. Статическая устойчивость электропривода Совмещенные механические характеристики электродвигателя и механизмов. Влияние эксплуатационных характеристик электродвигателяышечные клетки. Клетки узла проводящей системы. Формирование импульса происходит в синусном узле центральную часть которого занимают клетки первого типа водители ритма или пейсмекерные клетки Рклетки способные к самопроизвольным сокращениям.

Русский

2014-03-28

281 KB

55 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 12

Устойчивость работы электропривода

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Устойчивое, неустойчивое и безразличное состояния электродвигателей
  2.  Статическая устойчивость электропривода Совмещенные механические характеристики электродвигателя и механизмов
  3.  Влияние эксплуатационных характеристик электродвигателя

на  cтатическую  устойчивость

  1.  Динамическая устойчивость электропривода
  2.   Влияние величины напряжения сети на устойчивость электропривода. Опрокидывание электродвигателя

                   Всякое нарушение равновесия моментов, действующих в системе, вызовет прекращение установившегося равновесия электропривода. Причем в разных условиях привод будет по – разному реагировать на возмущающее воздействие, которое вывело его из состояния установившегося равновесия.

 Cостояния равновесия подразделяются на:

  1.  устойчивое;
  2.  не устойчивое;
  3.  безразличное.

Рассмотрим состояния равновесия на примере шара (рис. 12.1)

Рис.12.1 Пример устойчивого(а), не устойчивого(б), и безразличного(в) состояния равновесия

В положениях  шар находится в установившемся равновесии. Но возмущающее равновесие выведет шар из установившегося равновесия.

В случае а) появляются силы, которые будут стремиться вернуть шар в установившееся состояние. Такое положение шара является устойчивым. По аналогии с шаром, если система электропривода устойчива, после прекращения возмущающего воздействия электропривод возвратится в установившийся режим работы с прежней скоростью.

В случае б) после выведения шара из установившегося равновесного состояния  появятся силы, которые будут стремится сместить шар еще дальше от положения установившегося равновесия. В неустойчивой системе электропривода, после возмущающего воздействия, скорость привода будет безгранично увеличиваться или уменьшатся вплоть до полной остановки электродвигателя.

Случай в) называют безразличным состоянием, при котором шар, после выведения из установившегося состояния, положение , может занять любое другое устойчивое положение.

В системе электропривода безразличное состояние соответствует совпадению механической характеристики двигателя с характеристикой статического момента исполнительного механизма. При этом возможен режим работы в любой точке участка совпадения механических  характеристик двигателя и исполнительного механизма.

Электропривод может быть использован, только если работает устойчиво во всех требуемых режимах.

       Под устойчивостью электропривода понимают его способность возвращаться в состояние устойчивого равновесия после выведения его из этого состояния каким либо возмущающим воздействием.

Устойчивая работа электромеханической системы обеспечивается подбором соответствующих параметров и характеристик электродвигателя, исполнительного механизма и системы управления.

Различают два вида устойчивости:

1)статическая устойчивость;

2) динамическая устойчивость.

 

Статическая устойчивость электропривода

Статической устойчивостью называют способность электропривода (самостоятельно) автоматически восстанавливать устойчивое равновесие при незначительных и плавных нарушениях режима работы.

Причем нарушения режима настолько малы, что можно пренебречь влиянием механической и электромагнитной инерции. Статическая устойчивость обеспечивается за счет способности электродвигателя к саморегулированию.Вставка M 255 Электропривод представляет собой электромеханическую систему, которая должна работать устойчиво.

 Электропривод работает устойчиво с постоянной скоростью в установившемся режиме.

Напомним, что установившимся режимом электропривода называется режим, при котором скорость привода не изменяется, потому что вращающий электромагнитный момент  двигателя равен тормозному моменту механизма:

М = М.

 

Поясним это на примере (рис. 12.2 а).

Рис. 12.2 Совмещенные механические характеристики электродвигателя и механизмов электродвигателя 1;  лебедки (крана) 2;  центробежного насоса 3

На рис. 12.2а изображены механические характеристики: электродвигателя 1;  лебедки (крана) 2;  центробежного насоса 3.

Точка пересечения механических характеристик электродвигателя и механизма  соответствует установившемуся режиму работы привода, потому что именно в этой точке угловая скорость электродвигателя равна угловой скорости механизма, и, аналогично, вращающий электромагнитный момент  двигателя равен тормозному моменту механизма.

Пусть один и тот же электродвигатель, имея механическую характеристику 1, поочередно используется в электроприводе крана (характеристика 2), а затем - насоса (характеристика 3).

Тогда двигатель будет работать устойчиво либо со скоростью ω(кран), либо со скоростью ω(насос).

 Для проверки устойчивости систему надо перевести из статического режима работы в динамический, создав внешнее возмущающее воздействие.

Таким воздействием может служить: для лебедки скачкообразное увеличение веса груза, для насоса – скачкообразное изменение степени открытия клапана.

Напомним, что систему называют устойчивой, если она, будучи выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе, с течением времени вернется к первоначальному установившемуся состоянию или перейдет в новое установившееся состояние.

На устойчивость электроприводов влияет множество факторов, к основным из которых относятся:

  1. эксплуатационные характеристики электродвигателей;
  2. изменение параметров питающей сети и самого двигателя.

Рассмотрим поочередно действие каждого из перечисленных факторов на устойчивость работы электропривода

Влияние эксплуатационных характеристик электродвигателя 

на  cтатическую  устойчивость

В качестве примера рассмотрим основную эксплуатационную характеристику асинхронного электродвигателя – механическую ω (М), т.е. зависимость угловой скорости двигателя от его электромагнитного момента ( рис. 12.2б).

На этой характеристике выделим два участка – рабочий 9-3 и нерабочий 3-6. На участке 9-3 двигатель работает устойчиво, на участке 3-6 – неустойчиво.

         Рассмотрим участок 9-3.

Пусть двигатель устойчиво работает в точке 4, т.е. со скоростью     ω и электромагнитным моментом  М = М.

Внесем в работу двигателя внешнее возмущение, а именно: с помощью сторонних (например, механических) сил разгоним двигатель до точки 7, после чего уберем эти силы, при этом действие тормозного статического момента механизма М сохраняется.

Как после этого поведет себя двигатель?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо сравнить величину двух моментов – вращающего электромагнитного двигателя М и тормозного статического момента механизма М.

Если в точке 4 оба момента были одинаковы (это обеспечивало установившийся режим работы привода с постоянной скоростью ω), то в точке 7 электромагнитный момент М двигателя уменьшился, а тормозной статический Мне изменился.

В точке 7 тормозной момент М оказался больше вращающего М. В результате двигатель начнет тормозиться по участку 7-4, причем по мере приближения к точке 4 электромагнитный момент двигателя возрастает и в точке 4 снова уравняется  со статическим моментом механизма. В точке 4 вновь наступит установившийся режим (М = М) и привод будет работать снова со скоростью ω.

Таким образом, на участке 4-7  двигатель, выведенный внешним возмущением из установившегося режима, вернулся в прежнее состояние после прекращения действия внешнего возмущения.

 

Вывод :на участке 4-7 асинхронный двигатель работает устойчиво.

Рассуждая аналогично, можно показать, что так же устойчиво двигатель работает на участке 4-8.  Если на этом участке сторонними силами затормозить ротор двигателя до скорости, соответствуюшей точке 8, то момент двигателя М при скорости в точке 8 станет больше статического момента М. В результате, после прекращения действия внешнего возмущения, двигатель станет разгоняться и вернётся в точку 4. В точке 4 вновь наступит установившийся режим (М = М) и привод будет работать снова со скоростью ω.

 Рассмотрим работу двигателя на участке 3-6.

Пусть двигатель устойчиво работает в точке 1, т.е. со скоростью ω'и электромагнитным моментом М = М.

Внесем в работу двигателя внешнее возмущение, а именно: с помощью сторонних (например, механических) сил разгоним двигатель до точки 2, после чего уберем эти силы. Сравним в точке 2 величину двух моментов – вращающего электромагнитного двигателя М и тормозного статического момента механизма М.

В этой точке 2 электромагнитный момент М двигателя увеличился, а тормозной статический Мне изменился. То есть, в точке 2 вращающий момент М оказался больше тормозного  момента М. В результате двигатель начнет разгоняться по участку 2-3-8-4 до точки 4, в которой наступит установившийся режим (М = М) и привод будет работать со скоростью ω .

Таким образом, в результате действия внешнего возмущения двигатель не вернулся в исходное состояние ( точка 1 ), а перешел в новое установившееся состояние  (точка 4).

 Вывод: работа двигателя на участке 1-3 – неустойчива.

Рассуждая аналогично, можно показать, что так же не устойчиво двигатель работает на участке 1-6.

Если двигатель перевести из точки 1 в точку 5, принудительно затормозив ротор сторонними силами, то в точке 5 электромагнитный момент двигателя станет меньше статического. Поэтому, если убрать внешние силы, двигатель станет тормозиться и остановится в точке 6.  В этой точке наступит установившийся режим стоянки под током.

Таким образом, в результате действия внешнего возмущения двигатель не вернулся в старое, исходное состояние (точка 1), а перешел в новое установившееся (точка 6).

 Вывод: работа двигателя на участке 1-6 – неустойчива.

Получим условие устойчивой и неустойчивой работы асинхронного двигателя.

На участке 9-3 (устойчивая работа) жесткость механической характеристики

    β = < 0,                                                 (12-1)

т.е. при увеличении момента М (ΔМ > 0), например, при переходе из точки 7 в точку 4, скорость падает (Δω < 0), и наоборот.

На участке 3-6 (неустойчивая работа) жесткость механической характеристики

    β = > 0,                                                (12-2)

т.е. при увеличении момента М (ΔМ > 0), например, при переходе из точки 1 в точку 2 скорость также увеличивается, (Δω > 0), и наоборот.

Таким образом, двигатель работает устойчиво на участке механической характеристики, где жесткость отрицательная (β < 0 ) и неустойчиво на участке, где жесткость положительная (β > 0 ).

         

Динамическая устойчивость электропривода

        Динамическая устойчивость электропривода – это способность системы электропривода восстанавливать равновесие при резком изменении режима ее работы.

       Асинхронный двигатель при медленно изменяющемся возмущении можно постепенно нагружать до значения опрокидывающего момента.

Но при быстром изменении возмущения динамический момент  , алгебраически складываться с электромагнитным моментом двигателя.     

За счет алгебраического сложения динамического момента с электромагнитным моментом  система привода развивает момент сверх критического (максимального) момента двигателя при уменьшении скорости и уменьшает развиваемый приводом момент, до значения меньше  – критического, при возрастании скорости системы электропривода.

          Таким образом, соотношение  перестает быть критерием устойчивой работы электропривода. Инерция и запасенная системой энергия имеет большее влияние на работу привода.

                              Падение напряжения сети

          Падение напряжения сети является наиболее характерным резким изменением режима работы электропривода. Падение напряжения в судовой сети может возникнуть: при пуске мощных двигателей или отключении одного из параллельно работающих генераторов.

          Двигатель, работающий при статическом моменте  на естественной механической характеристике в точке «А»  (рис 12-3а.),  при снижении напряжения с той же скоростью перейдет в точку «В» на искусственной характеристике.

          Под действием возникшего динамического момента, величина которого определяется длиной отрезка «А – В», двигатель будет затормаживаться в соответствии с уравнением движения до полной остановки, точка «D» на искуственной характеристке  (ИМХ):

                            (12-3)

Воспользовавшись соотношенияими:  и   получим:

                                         (12-4)

Влияние величины напряжения сети на устойчивость электропривода. Опрокидывание электродвигателя

 Рассмотрим влияние напряжения сети на устойчивость электропривода переменного тока.

При глубоких провалах напряжения сети работа асинхронного двигателя становится неустойчивой – двигатель может опрокинуться.

Под опрокидыванием понимают аварийный режим асинхронного двигателя; при котором он останавливается или реверсирует. Условие опрокидывания такое:

М' < М,

где М'- критический момент двигателя при пониженном напряжении;

     М- статический момент механизма.

Иначе говоря, опрокидывание наступит, если критический момент двигателя станет меньше статического момента механизма.

Напомним, что критический момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения:

  М= с,                                                     (12-5)

где U и f- соответственно напряжение и частота тока питающей сети.

Отсюда следует, что при допускаемом Правилами Регистра провале напряжения

сети, равном 15% ( U' = 0,85U) , новое, пониженное значение критического момента составит

 М'= М= ( 0,85 ) М= 0,7225 М≈ 0,7 М  .       (12-6)

 

Последствия опрокидывания зависят от характера статического момента механизма, а именно:

1. при реактивном статическом моменте двигатель останавливается и переходит в режим стоянки под током (насосы, вентиляторы Рис.12.3а);

2. при активном статическом моменте двигатель вначале останавливается, затем реверсирует и под действием веса груза начинает разгоняться  с возрастающей скоростью в направлении на спуск (грузоподъемные механизмы и якорно-швартовные устройства Рис.12.3б).

                    Рис.12.3а                                                                  Рис. 12.3б

Рис. 12.3. Переходные процессы при опрокидывании двигателя: а – при реактивном статическом моменте (насос, вентилятор);  б – при активном  статическом моменте (лебедка, брашпиль).

       Рассмотрим  процесс  опрокидывания  двигателя при реактивном статическом  моменте  исполнительного  механизма (Рис.12.3а). До провала напряжения двигатель работает на естественной механической характеристике (ЕМХ), в точке «А» с постоянной скоростью ω.

При провале напряжения  двигатель переходит из точки «А» на  естественной механической характеристике (ЕМХ) в точку «В» на искусственной механической характеристике (ИМХ) с той же скоростью    ω. Скорость электродвигателя не успевает измениться  вследствие  инерции движущихся частей электропривода, поэтому в точке «В» скорость такая же, как и в точке «А».

Поскольку в точке «В» момент двигателя М меньше момента механизма  М , двигатель начинает уменьшать скорость до точки «С». В этой точке критический (максимальный) момент двигателя   М ' < М , поэтому двигатель продолжит уменьшать скорость до точки Д.

В  точке Д двигатель остановится и будет стоять под током с моментом  короткого замыкания М до тех. пор, пока не сработает тепловая защита.    

Рассмотрим процесс опрокидывания двигателя при активном статическом моменте исполнительного механизма.  Механизмы с  активным статическим моментом (грузовые лебёдки, брашпили) при опрокидывании реверсируют под действием веса груза или якоря (Рис.12.3б).

В случае провала напряжения судовой сети переходный процесс сначала протекает так же, как  в случае с реактивным статическим моментом (Рис.12.3а). Однако после перехода двигателя в точку «Д»,  двигатель не остановится, а сразу реверсирует и разгоняется в обратном направлении (точки F, F, F).    

Поскольку знак электромагнитного момента двигателя не изменился,  т.е. направлен в сторону подъёма груза, двигатель перейдёт в режим тормозного спуска и будет стараться уменьшить скорость спуска груза.

Однако при этом скорость спуска груза будет непрерывно увеличиваться. Это объясняется тем, что величина тормозного электромагнитного момента двигателя по мере перехода из точки F  в точку Fи далее в точку Fнепрерывно уменьшается (М< М< М) а величина активного  статического момент не изменяется и направлена в сторону спуска груза.

Если электродвигатель своевременно не отключить от сети и не затормозить механическим тормозом, такой режим приведёт к аварии.

Способы повышения динамической устойчивости САЭП

Для повышения динамической устойчивости САЭП применяют такие способы:

  1. использование быстродействующих автоматических выключателей и предохранителей, практически мгновенно  отключающих цепи при коротком замыкании в них;
  2. использование быстродействующих автоматических регуляторов напряжения, которые практически мгновенно устраняют провалы напряжения и тем самым предотвращают массовое отключение электродвигателей устройствами нулевой защиты (по снижению напряжения);
  3. использование вместо нулевой защиты по напряжению (с кнопками «Пуск» и «Стоп») минимальной защиты, допускающей автоматическое повторное включение двигателя после восстановления напряжения до номинального;
  4. использование в схемах электроприводов электрических  и механических  блокировок,  исключающих возникновение неноминальных (аварийных) режимов (например, блокировка по весу груза в электроприводах ГПМ, отключающая схему управления при попытке подъема груза, большего номинального, и др.);
  5. использование в судовых электроприводах электродвигателей с повышенными пусковыми моментами – с двумя обмотками на роторе (двухклеточных), с фазным ротором и т.п.

Контрольные вопросы

1. Разясните определение «электрический привод», виды«судового электропривода»?

2. Каково назначение преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управляющего устройств электропривода? Приведите примеры этих устройств.

3. По каким признакам и как именно классифицируются электроприводы?

4. Назовите основные события и их даты, связанные с историей развития электроприводов.

 5. Перечислите основные (базовые) параметры электропривода и объясните их суть.

6. Назовите единицы измерения скорости при поступательном и вращательном движении частей электропривода, системные и внесистемные

7. Выведите формулу полезного момента электродвигателя по его паспортным данным.

8. Что такое диапазон регулирования скорости? В каких единицах он измеряется?

9.  Что такое механическая характеристика электродвигателя? Механическая характеристика механизма? В каких системах координат строятся графики этих характеристик?

10. Приведите понятие «статический момент». Какие виды статических моментов существуют в электроприводе лебедки при подъеме холостого гака? Номинального груза?

11. Напишите уравнения моментов электропривода лебедки для трех режимов: подъем груза; силовой спуск; тормозной спуск груза. Объясните роль каждого момента, входящего в уравнения.

12. Для чего выполняется приведение статических моментов к валу электродвигателя?

13. Что такое «момент инерции» движущегося тела? Как именно влияет этот момент на работу электропривода?

14. Что такое «приведение моментов инерции к валу электродвигателя»?  С какой целью оно выполняется?

15. В чем состоит отличие приведения статических моментов к валу электродвигателя от приведения моментов инерции к валу электродвигателя?

16. Изобразите механические характеристики 6 типов электродвигателей переменного и постоянного тока и сравните их по степени жесткости

17. Какова область применения синхронных и асинхронных двигателей, а также двигателей постоянного тока с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением?

18. Изобразите графики крановой и вентиляторной характеристик и объясните особенности каждой.

19. Объясните особенности режимов работы электродвигателя в каждом из 4-х квадрантов системы координат ω ( М )

20. Каковы особенности таких режимов работы электропривода: торможение при подъеме; силовой спуск; тормозной спуск?

21. Чем отличается электромеханическая характеристика электродвигателя от механической?

22. Объясните физический смысл уравнения механической характеристики электродвигателя постоянного тока

23. Объясните, как влияют на режим работы электропривода изменение напряжения питающей сети, изменение параметров самого двигателя, изменение параметров механизма

24. Что такое «саморегулирование» двигателя постоянного тока? Приведите логическую цепочку, поясняющую это физическое явление.

          25. Что такое «саморегулирование» двигателя переменного тока? Приведите логическую цепочку, поясняющую это физическое явление.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23754. Набольший общий делитель 34.5 KB
  Основные цели: вывести алгоритм нахождения НОД чисел на основе их разложения на простые множители сформировать способность к использованию выведенного алгоритма для решения задач; повторить и закрепить решение неравенств задач на одновременное движение действия со смешанными числами. – Что даёт нам умение раскладывать числа на простые множители Ещё один метод нахождения делителей числа. – А что зная делители числа мы находили Общие делители НОД. – Как называются все числа кратные 2 Четные числа.
23755. Набольший общий делитель 35.5 KB
  Основные цели: тренировать способность к практическому использованию алгоритма нахождения НОД на основе разложения чисел на простые множители; исследовать частные случаи нахождения НОД когда НОД а b = 1 НОД а b = а; сформировать понятие взаимно простых чисел; повторить и закрепить понятие смежных углов решение задач на одновременное движение примеров на порядок действий. – Здравствуйте ребята – Над какой темой мы с вами работали Нахождение НОД чисел методом разложения на простые множители. – Сегодня мы продолжим исследовать...
23756. Наибольший общий делитель 69.5 KB
  Основная цель: тренировать способность к нахождению НОД на основе разложения чисел на простые множители способность к рефлексии собственной деятельности; повторить и закрепить решение уравнений решение задач методом уравнений графическое изображение множеств с помощью диаграммы Венна. – Какой темой мы занимались на предыдущих уроках Нахождение НОД чисел методом разложения чисел на простые множители. – Чему равен НОД взаимно простых чисел НОД взаимно простых чисел равен 1. – Найдите: а НОД а b; б НОД b с; в НОД а с.
23757. Открытие нового знания 49.5 KB
  – Можно ли утверждать что числа a b и c кратны числу 14 a = b = c = Числа a и b кратны числу 14 т. в разложении этих чисел есть множители числа 14 а число с – нет т. в нём не содержится разложения числа 14. – Найдите частное от деления числа a на число 14 числа b на число 14.
23758. Открытие нового знания 38 KB
  – Здравствуйте ребята – Какая основная задача стояла перед нами на прошлых уроках Мы вывели новый способ нахождения НОК используя разложение чисел на простые множители. – Сегодня на уроке мы продолжим работать над нахождением НОК чисел и рассмотрим нахождение НОК разных чисел. – Найдите НОК 15 24: а составляя множества К 15 и К 24; б перебирая кратные 24; в с помощью разложения чисел 15 и 24 на простые множители.
23759. Наименьшее общее кратное 73 KB
  Основная цель: тренировать способность к нахождению НОК на основе разложения чисел на простые множители способность к рефлексии собственной деятельности; повторить и закрепить распределительное свойство умножения правило деления произведения на число действия с многозначными числами формулы объема и площади поверхности куба. – Чему мы научились на предыдущих уроках Мы учились находить НОД и НОК чисел разными способами. – Сегодня вы будете проверять на сколько хорошо вы усвоили метод нахождения НОД и НОК используя разложения чисел на...
23760. Признак делимости на 3 и на 9 48 KB
  Основные цели:– тренировать способность к доказательству общих утверждений на примере признаков делимости на 3 и на 9; повторить и закрепить изученные свойства и признаки делимости решение текстовых задач решение примеров на порядок действий построение формул зависимости между величинами. – Какие признаки делимости мы изучили Признаки делимости на 2 на 5 на 10 на 4 на 8 на 25. – А зачем нам нужны признаки делимости Что бы быстрее определять делится ли число на данное или нет.
23761. Признак делимости на 3 и на 9 57.5 KB
  – А зачем нам нужны признаки делимости Что бы быстрее определять делится ли число на данное или нет. Затруднения могут быть при выполнении задания тех случаях где множитель не делится ни на 3 ни на 9 или делится только на 3. 54 делится на 3 и третье т. 15 делится на 3.
23762. Признак делимости на 9 43 KB
  – А зачем нам нужны признаки делимости – Что бы быстрее определять делится ли число на данное или нет. Будет ли число представленное выражением d 235 делиться на5 – Всё зависит от того какое значение принимает d потому что если каждое слагаемое делится на 5 то и вся сумма разделится на 5 ели одно слагаемое делится на 5 а другое не делится на 5 то вся сумма не разделится на 5. 2 Будет ли число представленное выражением 271k делится на 2 –Всё зависит какое значение принимает k т. по свойству делимости произведения...