4238

Механіка електропривода. Електропривод з двигунами постійного струму

Конспект

Энергетика

Основи електропривода Привод – це система пристроїв призначених для перетворення різних видів енергії на механічну, що використовується для приведення в рух виконавчого органа робочої машини. В залежності від виду первинної енергії розрізняють ...

Украинкский

2012-11-15

5.13 MB

125 чел.

Основи електропривода

Привод – це система пристроїв призначених для перетворення різних видів енергії на механічну, що використовується для приведення в рух виконавчого органа робочої машини.

В залежності від виду первинної енергії розрізняють ручний, паровий, гідравлічний, пневматичний, тепловий і електричний приводи. Електропривод є основним у промисловості, на транспорті, комунальному і сільському господарствах.

Рис. Загальна структурна схема електропривода

1 – джерело електроенергії;

2 – силовий перетворювач, призначений для отримання електричної енергії тих параметрів, які необхідні для керування рухом електродвигуна;

3 – блок керування малої потужності;

4 – електродвигун;

5 – механічний передаючий пристрій для узгодження швидкості двигуна і робочої машини (це ланцюгові, пасові, зубчасто-рейкові та інші передачі, редуктори, муфти, шатунно-кривошипні механізми);

6 - виконавчий орган робочої машини;

7 – робоча машина;

8 – система керування яка поєднує дві позиції 2 і 3;

9 – електропривод, об’єднує позиції 2.3.4.5, тобто силовий перетворювач, електродвигун, блок керування малої потужності, механічний передаючий пристрій;

Електроприводом називається електромеханічна система, що складається із електродвигуна, перетворюючого, передавального, керуючого пристроїв і призначена для приведення в рух виконавчого органа робочої машини та керування цим рухом.

Переваги електропривода

  1.   Можливість виготовлення електроприводів на різну потужність і різну швидкість
  2.   Можливість створення електроприводів для роботи в самих різних умовах (високих і низьких температур, агресивних і пожежовибухонебезпечних середовищах, вакуумі, в космосі і. т. д.)
  3.   Можливість за допомогою простих засобів реалізувати складні і різноманітні форми руху робочих машин.
  4.   Легкість автоматизації виробничих процесів
  5.   Високий ККД. Надійність в експлуатації, сприятливі умови для обслуговуючого персоналу, відсутність забруднення навколишнього середовища

Головні напрямки розвитку сучасного електропривода

  1.   Розробка і випуск комплектних регульованих електроприводів з використанням сучасних перетворювачів і мікропроцесорного керування.
  2.   Підвищення експлуатаційної надійності, уніфікації, і покращення енергетичних показників
  3.   Ширше впровадження асинхронного електропривода і використання електроприводів з новими типами двигунів
  4.   Розвиток науково-дослідних робіт по створенню електроприводів на базі сучасних досягнень в області математики, електроніки та інших наук.
  5.   Підготовка інженерно-технічного персоналу і наукових кадрів здатних проектувати, створювати і експлуатувати сучасний автоматизований електропривід.

Класифікація електроприводів за такими ознаками

1 За кількістю виконавчих органів, які приводяться в рух одним двигуном:

а) груповий;

б) індивідуальний.

2 За характером руху:

а) обертального руху;

б) поступального руху.

3 За напрямком руху:

а) реверсивні;

б) нереверсивні.

4 За характером струму:

а) постійного;

б) змінного струму.

Розділ 1. Механіка електропривода

1.1.Динаміка електропривода

Сили і моменти що діють в системі «Електропривод – робоча машина» можуть бути рушійними і гальмівними. Якщо електродвигун приводить в рух виконавчій орган робочої машини у цьому випадку діють рушійні сили і моменти.

Гальмівними вони бувають в режимі гальмування, енергія для гальмування є сама робоча машина.

Моменти і сили виконавчого органа поділяються на реактивні і активні.

Реактивні – це сили і моменти, які виникають в наслідок руху, як протидія на рух ( тертя, опір матеріалу, опір потоку рідини або повітря) Якщо рух міняє знак, то і сили міняють знак.

Активні – це сили і моменти які створюються сторонніми джерелами, виникають незалежно від руху ( сили і моменти тяжіння, стискання, розтягування, зкручування, сила вітру, сила потоку води) Активні сили і моменту зберігають свій знак незалежно від знака рушійної сили.

Рівняння руху електропривода

Рівняння має вигляд:

М – рушійний момент двигуна, момент який розвиває двигун на валу і приводить в рух робочу машину;

- момент навантаження ( зведений статичний момент навантаження) – це сума всіх перерахованих на одну вісь статичних моментів, що діють у виробничому механізмі;

– динамічний момент, який зумовлює прискорення або сповільнення руху, виникає внаслідок нерівномірності між рушійним моментом двигуна і статичним моментом навантаження або в наслідок зміни моменту інерції частини, що рухається.

- зведений момент інерції, кг ;

- кутове прискорення, рад/с.

Рівняння показує, що електромагнітний обертовий момент М, створений двигуном, урівноважується моментом опору на його валу і динамічним моментом .

Проаналізуємо рівняння руху:

  •  якщо > , то > 0 і має місце прискорення привода;
  •  якщо , то < 0 і має місце уповільнення привода;
  •  якщо = , то = 0 і привод працює в усталенному режимі.

Головною ознакою роботи електропривода в усталеному режимі є сталість швидкості руху електродвигуна і виконавчого органа робочої машини. Це можливо лише за умови рівності приведеного до вала електродвигуна моменту опору робочої машини і обертового моменту електродвигуна: =.

У процесі роботи більшості робочих машин момент опору постійно змінюється. Електродвигуни мають унікальну здатність автоматично підтримувати рівновагу електромеханічної системи електропривода при зміні моменту опору. В електричних двигунах роль автоматичного регулятора виконує електрорушійна сила (ЕРС) двигуна.

При збільшення навантаження швидкість електродвигуна зменшується, а електромагнітний обертовий момент двигуна зростає. Зростання моменту відбуватиметься доти, поки не настане рівновага моментів.

Стан установленого режиму роботи електропривода, коли при зміні навантаження автоматично змінюється момент електродвигуна і швидкість обертання, називається статичною стійкістю.

Діапазон регулювання визначається відношенням .

1.2 Механічні характеристики робочих машин і електродвигунів

Механічні характеристики робочих машин класифікуються таким чином: (рис 1.2)

  1.  Незалежна від швидкості механічна характеристика ( пряма 1 ). Для цієї характеристики момент опору не залежить від швидкості. Такі механічні характеристики мають, наприклад: ланцюгові та стрічкові конвеєри, поршневі насоси за незмінної висоти подачі, значна частина металорізальних верстатів, підіймально-транспортні механізми (крани, тельфери, лебідки тощо).
  2.  Лінійно зростаюча механічна характеристика (пряма 2 ). Для цієї характеристики момент опору лінійно залежність від швидкості W . Таку механічну характеристику має генератор постійного струму який працює під навантаженням.
  3.  Нелінійно зростаюча механічна характеристика (крива 3 ) для цієї характеристики момент опору має квадратичну залежність від швидкості W.

Таку механічну характеристику мають відцентрові насоси, вентилятори, гребні гвинти та ін..

  1.  Нелінійно-спадна механічна характеристика (крива 4 ). Для цієї характеристики момент опору знаходиться в обернено пропорційній залежності від швидкості W. Таку механічну характеристику мають деякі металорізальні верстати ( токарні, фрезерні і т. д.), вовнопрядильне обладнання, моталки в металургійній промисловості та ін.

Рис.1.2 Механічна характеристика робочих машин

Механічні характеристики електродвигунів

 Механічною характеристикою електродвигуна називається залежність швидкості обертання вала двигуна від електромагнітного обертового моменту  Для більшості видів електродвигунів характерною ознакою є зменшення швидкості обертання вала двигуна із збільшенням моменту. Тому одним із показників для механічних характеристик електродвигунів є жорсткість механічної характеристики – відношення різниці електромагнітних моментів, які розвиває електродвигун, до відповідної різниці швидкостей:

Згідно з формулою механічні характеристики електродвигунів класифікують таким чином: (рис.1.3)

1. Абсолютно жорстка механічна характеристика (пряма 1 ). Таку характеристику мають синхронні двигуни. У них швидкість обертання вала не залежить від величини моменту, якщо він не перевищує певного критичного значення.

 Жорстка механічна характеристика. Таку характеристику мають двигуни постійного струму з незалежним і паралельним збудженням (пряма 3 ). Асинхронні двигуни в межах робочої частини мають також жорстку характеристику (прямолінійна частина кривої 2). У таких електродвигунів швидкість обертання вала зменшується зі збільшенням моменту, але це зменшення не суттєве.

Рис.1.3 Механічна характеристика електродвигунів

2. М`яка механічна характеристика . Таку мають двигуни постійного струму з послідовним збудженням (крива 4 ).

Двигуни постійного струму зі змішаним збудженням можуть мати механічну характеристику як жорстку, так і м`яку, залежно від того, яку частину від сумарного магнітного потоку створює послідовна, а яку – паралельна обмотки збудження.

1.3 Розрахункові схеми механічної частини електропривода

Дослідити характер виробничого механізму можна розв’язавши рівняння руху.

Для спрощення математичних операцій проводиться операція зведення.

Операція зведення – це заміна дійсної системи виробничого механізму на розрахункову.

Розглянемо операцію зведення на прикладі вантажопідіймальної лебідки (рис 1.4 )

На схемі двигун через одноступеневий редуктор приводить в рух барабан лебідки який в свою чергу за допомогою троса і крюка підіймає або опускає вантаж масою m.

Рис1.4 Кінематична схема лебідки Рис1.5 Розрахункова схема лебідки

Операцію зведення приводимо відносно елетродвигуна як джерела механічної енергії.

  1.  Визначення зведеного моменту інерції

Запишемо вираз для кінетичної енергії елементів в реальний і розрахунковій схемах і перевіряємо їх:

де: - момент інерції обертових частин двигуна;

 - сумарний момент інерції елементів, які обертаються із швидкістю (крім двигуна);

 - момент інерції елементів, які обертаються зі швидкістю барабана .

Якщо помножимо обидві частини виразу на отримаємо:

Враховуючи, що

де: - радіус барабана;

  - радіус приведення;

 - передаточне число редуктора.

Маємо кінцеву формулу для розрахунку:

2. Визначення зведеного моменту навантаження.

При підійманні вантажу до виконавчого органу від ЕП необхідно прикласти механічну потужність:

Запишемо баланс потужностей навантаження ЕП в реальній і розрахунковій схемах:

де: - результуючий К.К.Д.

Якщо розділити обидві частини на , отримаємо:

Розділ 2. Електропривод з двигунами постійного струму.

2.1 Електропривод з двигунами постійного струму незалежного збудження(ДПСНЗ)

Схема вмикання і статичні характеристики ДПСНЗ

 

Рис.2.1. Схема вмикання ДПС НЗ

В схемі прийняті такі позначення:

I – cтрум в колі якоря (струм навантаження)А;

I з – струм в колі збудження, А;

U – напруга живлення якоря, В;

Е – Е.Р.С. якоря, В;

R я = R о.я + R д.п. + R к.o.+ R щ. – опір якоря, ОМ.

Механічна і електромеханічна характеристика ДПС НЗ

Математичний вираз характеристик двигуна отримаємо, виходячи із співвідношень, які зв`язують параметри машини.

1.Рівняння рівноваги напруг в колі якоря:

 

U=E + I . R ,де (1)

U – напруга живлення кола якоря;

E – Е.Р.С., яка наводиться в обмотці якоря при його обертанні;

R – повний опір в колі якоря;

R = Rя + Rд

2.Рівняння електрорушійної сили якоря

E = к . Ф . ω ,де (2)

 - конструктивний коефіцієнт двигуна;

Ф – магнітний потік, який створюється обмоткою збудження, Вб;

ω - кутова швидкість двигуна, рад/с.

3.Рівняння електромагнітного моменту(рушійного моменту) двигуна

 

М = k. Ф . І , де (3)

М- рушійний момент двигуна, який обертає якорь, а з ним і робочу машину

4.Підставивши (2) в (1) отримаємо формулу електромеханічної характеристики

 

 (4)

5.Формулу для механічної характеристики отримаємо із формули (4) з використанням виразу (3)

 

 (5)

Рівняння 4 – 5 можуть мати спрощений вигляд

 

ω = ωо - ∆ω , де (6)

ω- поточне значення швидкості ДПСНЗ;

ωо - швидкість ідеального холостого ходу;

 

 

∆ω - зміна швидкості:

 

Із рівнянь 4 – 5 ми бачимо лінійну залежність швидкості від струму ω = f (I)і швидкості від моменту ω = f (M).

   

  

Рис.2.2.Статичні характеристики ДПС НЗ

З виразу (1) отримаємо загальну формулу для струму в колі якоря:

 

  (7)

Всі величини з формул 1 – 7 поділяються на:

  1.  Параметри: - напруга живлення якоря, U;

 - магнітний потік,Ф;

- додатковий опір в колі якоря, Rд.

  1.  Координати: - швидкість,

 - струм в колі якоря,I;

 - момент, М;

 - Е.Р.С.,Е.

2.2 Енергетичні режими роботи двигуна постійного струму з незалежним збудженням

Енергетичний режим роботи двигуна залежить від механічних М,ω і електричних Е,I координат двигуна, які визначають його механічну Р =Мω і електромеханічну Ре.м. = ЕI потужності.

1.Режим ідеального холостого ходу (точка характеристика точка А).Двигун не одержує енергії ні з живильної електромережі (за винятком електроенергії на збудження)

I = 0; E = U; M = 0; ω = ωо

При ідеальному холостому ходу дорівнює нулю струм і момент, а при короткому замиканні – е.р.с. і швидкість.

2.Режим короткого замикання точка В здійснюються тоді, коли

ω= 0, Е = 0. Згідно з формулою I = Iк.з = U/R, електроенергія при цьому надходить з мережі і витрачається на нагрівання якоря і резисторів кола.

М=Мк.з.=kФІк.з.

3.Двигунний режим, який має місце у першому квадранті, при 0<ω< ωо, де ω і М одного напрямку. В цьому режимі (Е)<(U); струм I =(U - E) / R і напруга U мають однаковий напрямок, а е.р.с. якоря – протилежний. Електрична енергія надходить з електричної мережі, а механічна – віддається з вала двигуна до робочої машини.

4.Генераторний режим роботи паралельно з електричною мережею або рекуперативне гальмування здійснюється тоді, коли при незмінній схемі вмикання двигуна його якір під дією активного моменту статичних опорів робочої машини обертається з швидкістю, більшою за швидкість холостого ходу ω > ωо.При цьому е.р.с якоря вища за прикладену напругу, тому струм в якорі і момент, який розвивається двигуном, змінюють свій напрямок. Двигун працює, як генератор паралельно з електричною мережею.

Е>U; I<0; M<0.

Графічно ці характеристики зображуються прямими лініями, які є продовженням характеристик двигуннуго режиму в зоні другого квадранта

Рекуперативне гальмування економічне, оскільки супроводжується перетворенням механічної енергії, що надходить з вала робочої машини, в електричну енергію, яка віддається (крім втрат у двигуні) в електричну мережу. Перехід з двигунного режиму в гальмівний відбувається плавно без перемикань у колі якоря і колі збудження двигуна. Його застосовують, наприклад, у приводах підйомних і транспортних механізмів. Застосування рекуперативного гальмування обмежується тим, що для його здійснення двигун повинен обертатися з швидкістю, вищою за швидкість ідеального холостого ходу, а це не завжди можливо.

5.Режим генератора послідовно з електричною мережею або режим гальмування проти вмиканням здійснюється в тих випадках, коли напрямок дії обертального моменту електродвигуна протилежний напрямку обертання його якоря.

Гальмування проти вмиканням характерний для електроприводів машин з реактивним моментом статичних опорів і здійснюється шляхом зміни полярності напруги, підведеної до якоря двигуна, що працює в двигунному режимі. Це призведе до зміни напрямків струму в двигуні і дії електромагнітного моменту. Поки напрямок обертання не змінився (якір під дією кінетичної енергії системи двигун - машина продовжує обертатися в попередньому напрямку), електромагнітний момент двигуна діє в протилежному відносно обертанню напрямку, тобто гальмує привод. і в цьому випадку напруга живильної мережі і е.р.с діють узгоджено.

Графічно ці характеристики зображуються прямими лініями, що лежать у квадранті II. Після зупинки (точка F) двигун треба вимкнути з електромережі, інакше він знову перейде у двигун ний режим і буде обертати машину в протилежному напрямку.

Позитивними якостями гальмуванням проти вмиканням ДПС НЗ є: значна інтенсивність гальмування до повної зупинки: висока надійність гальмування при будь-якій кутовій швидкості обертання якоря двигуна; наявність гальмівною моменту при нерухомому двигуні

Основним недоліком цього способу гальмування є значні зусилля на передавальний пристрій і вал двигуна.

 

6. Режим генератора незалежного від мережі або режим динамічного гальмування ДПС НЗ створюється, якщо якір двигуна, що обертається, вимкнути з мережі живлення і замкнути на зовнішній опір або накоротко (відзначимо, що заперечування накоротко якоря двигуна не означає для нього режиму короткого замикання). Обмотка збудження залишається під'єднаною до мережі - незалежне збудження або паралельно якорю двигуна -самозбудження. Двигун працює як генератор, перетворюючи механічну енергію, що надходить від вала робочої машини (за рахунок кінетичної енергії двигуна і механізму або потенційної енергії вантажу, що опускається), в електричну енергію, яка потім витрачається на нагрівання якоря двигуна і гальмівного опору.

Оскільки якір двигуна вимикається з мережі, то

 

Механічні характеристики є прямими лініями які, незалежно від величини опору, проходять через початок координат ω = 0, М = 0. Жорсткість характеристик при сталому потоці збудження цілком залежить від гальмівного опору Rд.г.

При гальмуванні двигуна на валу якого діє реактивний момент, двигун гальмується до зупинки.

Рис.2.3.Схема вмикання ДПС НЗ при динамічному гальмуванні

Таблиця 2.1 Режими роботи ДНС НЗ

Режим

Координати

Квадрант

механічні

електричні

Двигунний

М>0; ω>0

М<0; ω<0

Е<0; I >0

E>0; I <0

I

III

Генераторний

М>0; ω>0

М<0; ω>0

Е>0; I >0

E<0; I <0

IV

II

Ідеальний холостий хід

M = 0;

ω = ωо

E = U; I =0

Коротке замикання

M = Mк.з.;

ω = 0

E =0; I =Ik

На основі таблиці розглянемо режими роботи ДПС НЗ на різних ділянках його характеристик при додатній полярності напруги.

Рис.2.4 Графіки характеристик для відповідних режимів ДПС НЗ

2.3 Регулювання координат ДПС НЗ

Використовуються такі способи регулювання координат ДПС НЗ:

  1.  введенням(або виведенням) додаткового опору Rд в коло якоря;
  2.  зменшенням(ослабленням) магнітного потоку, Ф;
  3.  зміною напруги живлення якоря, U

Розглянемо спосіб регулювання швидкості введенням додаткового опору в коло якоря на прикладі сім`ї характеристик

;

;

Рис.2.5 Природна (1) і штучні (2,3,4) механічні характеристики при введенні опору в коло якоря.

 

1 – природна механічна(електромеханічна) характеристика, отримана при номінальних параметрах: U = Uном.; Ф =Фном; Rд = 0.

Якщо ми введемо додатковий опір в коло якоря, тобто Rд ≠ 0 то отримаємо штучну характеристику 2; якщо збільшимо Rд – отримаємо штучну характеристику – 3; ще збільшимо Rд – отримаємо штучну

характеристику– 4.

Для них справедливо співвідношення

RД2 < RД3 < RД4 

Всі характеристики проходять через точку ω = ωо, тому що ωо не залежить від R, а зміна швидкості ∆ω прямо пропорційна зміні опору R.

Оцінка даного способу регулювання

Основна перевага цього способу – це простота реалізації.

НЕДОЛІКИ

1.Із збільшенням додаткового опору в колі якоря зменшується жорсткість характеристик.

2.Значні втрати потужності.

3.Незначний діапазон регулювання, 2 – 3

4.Громіздскість апаратури для перемикання опорів.

 

2.4. Регулювання швидкості ДПСНЗ зміною магнітного потоку.

Цей спосіб находить широке використання в електричних приводах за простоти реалізації і економічності. Тому що регулювання здійснюється в відносно малопотужному колі збудження і не супроводжується великими втратами потужності.

Магнітна система ДПС сконструйована так, що в номінальному режимі близька до насичення (точка 1 кривої намагнічування). Тому регулювання здійснюється тільки в бік ослаблення магнітного потоку.

 

 

  

  

Рис.2.6. Крива намагнічування ДПС

 Розглянемо формування електромеханічних характеристик при ослабленні магнітного потоку з точки 1 до точки 2, потім до точки 3.

При зменшенні магнітного потоку до точки 2 (кривої намагнічування) згідно формули  швидкість холостого хода збільшиться і стане ω02 , а струм Ік.з. згідно формули  залишається без зміни.

 Тоді за двома точками: холостого хода і короткого замикання будуємо штучну електромеханічну характеристику 2(рис. 2.7).

Якщо ще змінимо магнітний потік до точки 3(кривої намагнічування), то відповідно швидкість холостого ходу збільшиться до ω03, а струм короткого замикання Ік.з. без зміни і ми будуємо штучну електромеханічну характеристику 3(рис. 2.7).

Рис.2.7.Електромеханічні характеристики ДПС НЗ при ослабленні збудження.

Розглянемо формування механічних характеристик ДПС НЗ при ослабленні магнітного потоку. Якщо почнемо зменшувати магнітний потік до точки 2 кривої намагнічування; то згідно формули швидкості холостого хода збільшиться і стане ω02 ; згідно формули Мк.з. = кФІк.з. момент к.з. зменшиться до Мк.з.2.

 Тоді за двома точками: холостого хода і короткого замикання будуємо штучну характеристику 2(рис. 2.8).

Якщо ще зменшимо магнітний потік до точки 3 кривої намагнічування, то відповідно швидкість холостого хода збільшиться до ω03, момент короткого замикання зменшиться до Мк.з.3 і ми будуємо штучну характеристику 3 (рис. 2.8).

Рис.2.8. Механічні характеристики ДПС НЗ при ослабленні магнітного потоку (зменшення струму збудження).

Оцінка даного способу регулювання:

1.Діапазон регулювання в межах 3-4.

2.Плавність регулювання визначається плавністю зміни струму збудження.

3.Стабільність регулювання.

4.Малі втрати потужності.

5.При зменшенні потоку зменшується жорсткість характеристик.

 

 Зменшення(ослаблення) магнітного потоку досягається зменшенням струму збудження Із. Для зменшення струму збудження згідно формули необхідно ввести додатковий опір в коло збудження або зменшувати напругу U3.

2.5. Регулювання координат електропривода з ДПС НЗ зміною напруги якоря.

 

Даний спосіб є основний, найбільш економічний і перспективний.

Реалізація даного способу передбачає живлення якоря ДПС НЗ від перетворювача. Враховуючи, що основним джерелом живлення є трифазна мережа змінного струму, то таким перетворювачем є керований випрямляч(КВ). На виході КВ напруга регулюється по величині і при необхідності по полярності.

а)   

б)

Рис.2.9. Загальна схема „КВ – ДПС НЗ”

 

З графіка - рис.2.9.б. бачимо, що штучні характеристики розміщуються

паралельно, нижче від природної характеристики, тому що при зменшенні

напруги пропорційно зменшується швидкість холостого хода ω0 і момент короткого замикання Мк.з.

Керований випрямляч виконується у вигляді електромашинної системи „Генератор – двигун (Г-Д)” або системи „Тиристорний перетворювач – двигун (ТП-Д)”.

 

Позначення:

 

Рис.2.10. Схема „Генератор – двигун” „Г-Д”

Регулювання швидкості ДПС НЗ (поз. 4) здійснюється двома способами.

Перший спосіб. Якщо зменшимо струм збудження ГПС зменшиться магнітний потік ГПС (крива намагнічування), зменшиться е.р.с. на виході ГПС(Е=кФω), зменшиться напруга, яка подається на ДПС НЗ і відповідно зменшиться швидкість ДПС ().

Другий спосіб. Якщо зменшимо струм збудження ДПС, зменшиться магнітний потік ДПС (крива намагнічування) і згідно формули  швидкість ДПС збільшиться.

 Переваги схеми

1.Значний діапазон регулювання.

2.Плавність і простота регулювання.

3.Мала потужність керування.

 Недоліки схеми:

1.Необхідність мати три агрегати, розрахованих на потужність споживача.

2.Значні початкові і експлуатаційні витрати.

3.Низький к.к.д.

4.Інерційність процесу регулювання.

5.Шум і вібрація під час роботи.

6.Низька надійність роботи.

Тому з врахуванням вище названих недоліків сучасні системи регулювання швидкості ДПС НЗ зміною напруги живлення якоря будують з використанням тиристорних перетворювачів.

2.6. Напівпровідникові статичні перетворювачі.

Розглянемо систему „Керований випрямляч – ДПС НЗ” з використанням

однофазного нереверсивного двонапівперіодного перетворювача зібраного за нульовою схемою.

  

Т – узгоджуючий трансформатор;

VS1, VS2 – тиристори;

М – ДПС НЗ;

L – згладжуючий реактор;

БКТ – блок керування тириторами (система імпульсно – фазового керування тиристорами);

Для даної схеми:

α – кут затримки відкривання тиристорів відносно моменту часу, коли напруга на аноді стане позитивною.

Uср – поточне значення напруги

Uср.0 – максимально можливе

значення, якщо α=0

Рис.2.11.Схема системи ТП-Д в однофазному режимі.

Якщо α = 0, затримка відсутня і перетворювач здійснює звичайне двонапівперіодне випрямлення, тобто на двигун подається найбільш можлива напруга.

а)

б)

Рис.2.12.Графіки напруг:

а – на виході трансформатора

б – на якорі двигуна (на затискачах).

 

Якщо за допомогою блока БКТ здійснювати подачу імпульсів на тиристори з затримкою, то отримаємо напругу на затискачах двигуна:

1)

2) , де

Ucр.0 – приймаємо 200 В, тоді

Висновок: Регулювання швидкості ДПС НЗ досягається зміною напруги, яка подається на двигун, а це виконується зміною кута α.

Проте однофазна система має серйозні недоліки:

  •  значна пульсація;
  •  спотворення вихідної напруги;
  •  великі втрати.

Тому на практиці використовуються трифазні перетворювачі.

Розглянемо схему електропривода з трифазним мостовим нереверсивним КВ.

Рис.2.13.Схема електропривода з трифазним мостовим нереверсивним КВ.

 

Для отримання характеристик двигуна в усих четвертях використовуються реверсивні КВ. 

2.7 Схеми вмикання. Статистичні характеристики і енергетичні режими роботи двигуна постійного струму послідовного збудження (ДПС ПЗ)

Схема вмикання двигуна постійного струму послідовного збудження

(ДПС ПЗ) відрізняється від схеми ДПС НЗ, тим, що обмотка збудження ввімкнена послідовно з обмоткою якоря, тому його магнітний потік Ф залежить від сили струму І в якірному колі, тобто змінюється із зміною навантаження.

Залежність між струмом збудження і магнітним потоком, як відомо (крива намагнічування ), має нелінійний характер і не має точного аналітичного виразу, тому не можна одержувати точного аналітичного виразу механічних характеристик.                    

Рис.2.14. Схема вмикання ДПС ПЗ

Якщо нехтувати насиченням, то можна вважати, що магнітний потік залежить від струму прямолінійно ( див. криву намагнічування ДПСПЗ ).

 

Рис.2.15. Крива намагнічування магнітної системи ДПС ПЗ

Ф = αІ

де а - коефіцієнт пропорційності,

α = tgφ

Тоді електромагнітний момент двигуна становить:

M = кФІ = кαІ2

звідки

 

Рівняння механічної характеристики має вигляд:

 

Рівняння електромеханічної характеристики має вигляд:

 

З рівняння видно, що:

1.При І→ 0; М→ 0; ω→ ∞; тобто вісь швидкості є вертикальна асимптота для характеристик ДПС ПЗ,

2.При І→ ∞; М→ ∞; ω→ -R/(кα); тобто пряма з ординатою ωα→ -R/(кα) є горизонтальна асимптота характеристик ДПС ПЗ.                                 

3.При ненасиченій магнітній системі електромеханічні і механічні характеристики ДПС ПЗ гіперболічні.             

а б

Рис.2.16. Електромеханічна (а) і механічна

(б) характеристики ДПС ПЗ

3 графічного зображення електромеханічної і механічної характеристик видно, що ці характеристики м`які.

При збільшенні навантаження на валу двигуна зростає струм збудження і спочатку майже пропорційно збільшується потік, що призводить до різкого зменшення швидкості.

При значних струмах потік внаслідок насичення магнітного поля змінюється мало і відповідно менше змінюється швидкість. Оскільки сучасні ДПС ПЗ мають насичену магнітну систему, то гіперболічний характер їх характеристик зберігається лише при малих значеннях моменту. При моментах, більших від номінального, магнітний потік практично не змінюється, тому електромеханічна і механічна характеристики мають лінійний характер. Такі двигуни можна використовувати для привода машин, де мають бути значні перенавантаження, а рівномірна робота не має великого значення. При навантаженні, наближеному до холостого ходу, швидкість обертання двигуна різко зростає і може досягти значення, недопустимого за умовами механічної міцності колектора і бандажів, які кріплять обмотку якоря тобто двигун іде в розгін. ДПС ПЗ при звичайній схемі вмикання не мають швидкості ідеального холостого ходу, а отже і режиму рекуперативного гальмування.

Інші режими роботи ДПС ПЗ аналогічні режимам ДПС НЗ, тобто двигунний режим має місце при 0 < ω < ∞ , режим короткого замикання здійснюється тоді, коли ω = 0, Е = 0, І = Ік , М = Мкз.. Електрична енергія надходить з мережі і витрачається на нагрівання якоря, обмотки збудження і резисторів його кола і два режими електричного гальмування: динамічне і противмикання.

Динамічне гальмування може здійснюватись із самозбудженням або з незалежним збудженням. При гальмуванні двигуна із самозбудженням якір і обмотки збудження вимикають з електромережі і замикають

Рис.2.17. Схеми вмикання ДПС ПЗ при динамічному гальмуванні:

а- з самозбудженням; б – з незалежним збудженням

на гальмівний резистор Rд.г. Перемикання роблять так, щоб напрямок струму в обмотці збудження залишився незмінним. Двигун самозбуджується і працює генератором на Rд.г. Самозбудження відбувається (при певній величині сумарного опору якірного кола) лише починаючи з відповідної швидкості, коли є. р. с. машини стає більшою від спаду напруги в гальмівному колі. Із зменшенням швидкості гальмівний момент знижується; це зниження відбувається швидше, ніж зменшення швидкості. Пояснюється це тим, що момент двигуна створюється струмом якоря і потоком; а отже, вони зменшуються разом. Режим електродинамічного гальмування із самозбудженням можна використати для інтенсивного електричного гальмування в електроприводах транспортних машин.

Динамічне гальмування з незалежним збудженням, а також гальмування противмикання здійснюється так само, як і двигуна з незалежним збудженням.

Електродинамічне гальмування ДПС ПЗ при незалежному збудженні має ту перевагу, що дає можливість плавного гальмування. До недоліків слід віднести зникнення гальмівного моменту при зникненні напруги в мережі і значні втрати в опорі, що вмикаються послідовно з обмоткою збудження.

Регулювання кутової швидкості ДПС ПЗ

Двигуни послідовною збудження широко застосовуютьв установках і механізмах, де необхідно ругулювати частоту обертання : підйомно-транспортні машини і електромобілі (серії ЗДТ, 4ДТ), двигуни для мотор-коліс автосамоскидів з дизелю-електричним приводом (серія ДК), для міського транспорту (серія ДК), тягові двигуни для електровозів (серія ТЛ), тягові двигуни тепловозів (серія ЗД) та інші.

Аналітичні залежності ω = f(Ія), ω = f(М) для ДПС ПЗ такі ж як і для ДПС НЗ. Різниця полягає лише в тому,що у двигунах послідовного збудження магнітний потік нестала величина і залежить від струму якоря. Частоту обертання ДПС ПЗ можна регулювати резисторами в якірному колі, зміною струму збудження та зміною напруги на якорі.

При введенні додаткового резистора в якірне коло отримаємо сімейство штучних механічних характеристик (рис.2.18.). Модуль жорсткості характеристик при реостатному регулюванні зменьшується. Цей спосіб регулювання частоти обертання має невисокі економічні показники за рахунок втрат енергії в регулювальних резисторах. Може використовуватись при короткочасній роботі на зниженій частоті обертання двигуна. Тягові двигуни в ряді випадків мають реостатне регулювання частоти обертання, оскільки воно надзвичайно просте.

Діапазон реостатного регулювання частоти обертання становить 2 -

2,5. Регулювання здійснюється при Мс = const, якщо двигун має незалежну вентиляцію. Для двигунів з само вентиляцією при зниженій частоті частоті обертання необхідно відповідно до рекомендацій завода виготівника знизити навантаження на двигун з метою запобігання його перегріванню.        

Рис.2.18. Механічні характеристики ДПС ПЗ при

введенні додаткового опору

Електродвигуни послідовного збудження, що використовуються в підйомно-транспортних установках, допускають регулювання частоти обертання вверх від номінальної шляхом зменьшення магнітного потоку двигуна в середньому в 1,5-2 рази.

Модуль жорсткості характеристик при послабленні магнітного потоку зменьшується. Регулювання частоти обертання послабленням магнітного потоку здійснюється в другій зоні тобто при постійній потужності. Втрати енергії на регулювання частоти обертання послабленням магнітного потоку невеликі, тому що опір шунтуючого резистора Rш 03 порівняно малий.

Частоту обертання ДПС ПЗ можна регулювати зміною напруги на якірному колі за допомогою перетворювача змінної трифазної напруги в регульовану постійну. Штучні механічні характеристики при цьому мають, модуль жорсткості такий, як і природна характеристика. Тиристорний перетворювач напруги (ТПН), крім регулювання напруги на якорі, дає можливість здійснювати без реостатний пуск двигунів будь-якої потужності.

Напругу на якірному колі ДПС ПЗ можна регулювати ступінчасто, з'єднуючи два двигуни послідовно, знизивши частоту обертання двигунів при номінальному навантаженні в два рази.

Рис.2.19. Схеми з`єднання ДПС ПЗ

З'єднані паралельно двигуни одержать номінальну напругу і перейдуть в номінальний режим роботи по напрузі. Таку схему можна використовувати в багатодвигунному приводі, де двигуни мають однакові параметри (електротранспорт). Регулювання частоти обертання ДПС ПЗ за схемою практично не має витрат енергії на регулювання.

Двигуни постійного струму послідовного збудження дають можливість регулювати частоту обертання шунтуванням якоря з послідовним резистором в якірному колі. У наведеній схемі при струмі якоря ІЯ = 0в обмотці збудження ОЗ протікає струм Іш. Отже двигун має швидкість ідеального холостого ходу, рекуперативне гальмування.

Рівняння електромеханічної і механічної характеристик можна одержати аналогічно залежностям.

2.8 Схема вмикання, рівняння електромеханічних та механічних характеристик, режими роботи двигуна постійного струму змітаного збудження (ДПС 33)

Схема вмикання двигуна постійного струму змішаного збудження має дві обмотки збудження, які вмикаються узгоджено. Послідовну обмотку ОЗП вмикають послідовно з якорем, а незалежну ОЗН - на напругу мережі. Магнітні потоки цих обмоток додаються. При струмі якоря Iя→ -І1 магнітний потік Ф наближається до нуля, тобто ДПС 33 розмагнічується. Внутрішній опір двигуна 33 приблизно визначається за формулою:

Rдв ≈ 0,6 (1-ηном). Rном

Якщо струм якоря дорівнює нулю, магнітний потік ДПС 33 створюється обмоткою незалежного збудження, внаслідок чого швидкість ідеального холостого ходу цього двигуна має певне значення, трохи більше порівняно із швидкістю ідеального холостого ходу двигуна незалежного збудження. Значення швидкості ідеального холостого ходу можна обчислити за формулою:

 

Де Фн.з. - магнітний потік, створений незалежною обмоткою збудження.

 а)  б)

Рис.2.20. Схема вмикання (а) і характеристика намагнічування ДПС ЗЗ (б)

Частота обертання такого двигуна:

,

Де Фозн; Фозп - потоки незалежної і послідовної обмоток збудження. Знак плюс відповідає узгодженому включенню обмоток збудження. Зі збільшенням навантаження загальний магнітний потік зростає (за рахунок послідовної обмотки Фозп), що веде до зменшення частоти обертання двигуна. При зустрічному включенні обмоток, потік Фозп при збільшенні навантаження розмагнічує машину (знак мінус), що навпаки, підвищує частоту обертання. Робота двигуна при цьому стає нестійкою, так як із збільшенням навантаження необмежено росте. Але при невеликому числі витків послідовної обмотки із збільшенням навантаження частота обертів не зростає, а на всьому діапазоні навантажень залишається практично незмінною.

На відміну від механічних характеристик двигуна послідовного збудження, останні мають більш пологий вид. Слід відмітити, що по своїй формі, характеристики двигуна змішаного збудження займають проміжне положення між відповідними характеристиками двигунів послідовного і паралельного збудження, в залежності від того, в якій з обмоток збудження переважає МДС.

Завдяки наявності обмотки послідовного збудження ДПС 33 мають більшу кратність пускового моменту при меншій кратності пускового струму (порівняно із ДПС НЗ) і меншу кутову швидкість обертання при його навантаженні. Для ДПС 33, як і для ДПС ПЗ, точного аналітичного виразу механічних характеристик одержати не можна.

Природну і штучну механічні характеристики ДПС 33 можна побудувати аналогічно побудові відповідних характеристик ДПС ПЗ.

Для практичних розрахунків використовуються універсальні характеристики двигуна, які приводяться в довідниковій літературі. Оскільки характеристики двигуна розміщуються і в другому квадраті, то він може працювати в усіх відомих режимах.

В електроприводах з ДПС 33 використовують гальмування з рекуперацією енергії в мережу, електродинамічне та проти вмиканням. Здійснюють це так само, як і в ДПС НЗ. Коли ДПС 33 переходить у режим рекуперативного гальмування, струм в якорі і послідовній обмотці збудження змінює напрямок. Щоб запобігти розмагнічуючому впливу послідовної обмотки її вимикають або закорочують. Після цього механічні характеристики в режимах рекуперативного і електродинамічного гальмувань стають прямими лініями, подібними до відповідних характеристик ДПС НЗ.

Двигун змішаного збудження має переваги порівняно з двигуном послідовного збудження. Цей двигун може працювати вхолосту, так як потік паралельної обмотки в режимі холостого ходу і усуває небезпеку «розносу». Регулювати частоти обертання цього двигуна можна реостатом в колі незалежної обмотки збудження. Однак, наявність двох обмоток збудження явно збільшує кількість матеріалів на виготовлення двигуна, і тим самим його вагу, габарити і вартість. По цій причині цей тип двигуна в наш час застосовується тільки в тих випадках, коли його використання диктується якими-небудь специфічними вимогами з боку робочої машини і підтверджується техніко-економічним розрахунком.

Двигуни змішаного збудження застосовують звичайно там, де потребуються значні пускові моменти, швидке прискорення при розгоні, стійка робота, допустиме лише невелике зниження частоти обертання при збільшенні навантаження на вал (прокатні станки, грузові підйомники, насоси, компресори).

2.9 Узагальнення з розділу.

Двигуни постійного струму використовуються переважно в електроприводах тих робочих машин, де потрібне плавне і глибоке регулювання частоти обертання.

До переваг двигунів постійного струму можна віднести наявність:

1) широкого діапазону регулювання частоти обертання (від 0 до птіn і

вище до птaх);

2) трьох порівняно простих і надійних способів регулювання частоти обертання: зміною напруги а обмотці якоря, струму збудження та додаткового опору в колі обмотки якоря;

3) великих значень пускових моментів;

4) можливості забезпечення плавного пуску та електричного гальмування;

5) більшої, ніж для машин змінного струму, перевантажувальної здатності.

До недоліків двигунів постійного струму можна віднести такі властивості:

1) значно більші, ніж у машинах змінного струму, габарити, маса та вартість;

2) жорсткі вимоги стосовно правил запуску;

3) великі експлуатаційні витрати;

4) відносно низька надійність у роботі;

5) низький ККД.

В електроприводах робочих машин здебільшого використовуються двигуни постійного струму серії 2П та 4П, що мають такі граничні номінальні параметри:

  •  номінальна потужність:
  •  при напругах 110, 220 В від 0; 13 до 220 кВт
  •  при напругах 440, 600 В від 110 до 800 кВт.

Література

1. В. В. Москаленко. Электрический привод. - М. : Высшая школа, 1991.

2. Електропривод. Підручник. За редакцією Ю.М. Лавріненка.

Видавництво «Ліра - К». - К., 2009.

3. Теорія електропривода. Підручник. За редакцією М.Г. Поповича. -К.: Вища школа, 1993.

4. Електропривод. За редакцією О.С.Марченка. -К. : Урожай, 1995.

5. Практикум з електропривода. В.С. Олійник, О.С. Марченко та ін. ; -К: Урожай, 1995.


  1

 2

 3

 4

 5

 6

7

U1

U2

U2

8

9

4

1

2

3

W

M

0

4

1

2

3

W

M

0

M,J,

M,Jd

W

Wб

m

+

-

ОЗ

+

-

U

Електричне коло якоря

Електричне коло обмотки збудження

Uз

Rд

Rд

І

Із

М,ω

  E

0

І, М

Ік.з. Мк.з.

А

В

+ U

ω0

ω

Rд.г.

І

Е

ОЗ

Із

-

+

Rдг

Rдг

R1

Е

Е

ОЗ

ОЗ

Rд2

Rд1

Rд1 < Rд2

Природна

 М1         ОЗ1                        М2       ОЗ2

      М1    ОЗ1                        

     

      М2    ОЗ2

І1

- І1

0

Фозп

Фозн

Ф

Ф

Rд

R

ОЗП

ОЗН


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28224. Понятие креативности. Дивергентное и конвергентное мышление 36.5 KB
  Дивергентное и конвергентное мышление. Креативность творческое мышление творческие способности индивида характеризующиеся готовностью к продуцированию принципиально новых идей. Факторы стимулирующие развитие креативности: ситуации незавершенности открытости разрешение и поощрение множества вопросов стимулирование ответственности и независимости внимание к интересам детей со стороны взрослых самостоятельные разработки и наблюдения неприклонение перед авторитетами Конвергентное и дивергентное мышление. Конвергентное мышление лат.
28225. ВОЛЯ КАК ВЫСШИЙ УРОВЕНЬ ПСИХИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ. ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ ВОЛИ 42 KB
  ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ ВОЛИ. Функции воли:1.Регулятивная – внешняя – используется когда усилия носят коллективный характер Характеристики воли: Направленность – воля всегда направлена на объект Отдаленность – идет работа на перспективу а не удовлетворение сиюминутных потребностей Устойчивость – протяженность во времени Энергетическая – волевые процессы возникают при слабом побуждении = низкой энергетичности Информационная – только при наделении объекта социальной ценностью обеспечении личностного смысла возможно формирование дополнительного...
28226. Интеллект и его структура 52 KB
  Структура интеллекта 1. Структура интеллекта по Ч. В соответствии с этой теорией генеральный фактор интеллекта имеет наибольший вес при выполнении задач на абстрактные отношения а наименьший при выполнении сенсорных задач. Кроме генерального существуют также и групповые факторы интеллекта к которым можно отнести механическую лингвистическую математическую компетентность а также специальные факторы которые делают свой вклад лишь в отдельные интеллектуальные тесты.
28227. Уровни построения движений по Н.А.Бернштейну. Схема управления движениями по Н.А.Бернштейну 30 KB
  Каждый уровень имеет специфические свойственные только ему моторные проявления каждому уровню соответствует свой класс движений. Уровень А – самый низкий и филогенетически самый древний. Уровень В уровень синергий. Этот уровень оторван от внешнего пространства но зато очень хорошо осведомлен о том что делается в пространстве тела.
28228. Акцептор действия П.К.Анохина 1.08 MB
  Акцептор действия П. Внешний раздражитель вступает во взаимодействие с другими афферентными возбуждениями имеющими другой функциональный смысл и только в зависимости от синтеза всех этих афферентаций создаются условия для формирования целенаправленного действия. Обратная афферентация информирует о результатах совершенного действия давая возможность организму оценить степень успеха выполняемого им действия. Акцептор результатов действия предназначен для восприятия информации о полученном результате и сравнения ее с теми параметрами...
28229. Эмоции: их физиологические механизмы и психологические функции 50.5 KB
  Эмоции: их физиологические механизмы и психологические функции. Эмоции – одна из форм отражения. Эмоции отражают не сами объекты предметы явления а их отношения к потребностям целям и мотивам деятельности человека переживающего эти эмоции. Эмоции – это процессы отражающие личную значимость и оценку внешних и внутренних ситуаций для жизнедеятельности человека в форме переживаний.
28230. Классификация эмоций. Эмоции и чувства. Виды чувств 36 KB
  Эмоции и чувства. По критерию мобилизации ресурсов организма: стенические вызывают прилив энергии астенические По модальности Плутчек: любовь Радость Принятие оптимизм подчинение Страх Удивление Печаль Отвращение Гнев агрессия благоговение Ожидание разочарование презрение жалость Основные виды эмоций классификация по силе и деятельности проявлений: аффекты страсти собственно эмоции настроение чувства стресс. Чувства еще...
28231. Способы управления эмоциями. Защитные механизмы и совладающее поведение 43.5 KB
  Защитные механизмы и совладающее поведение. Защитные механизмы психики. Отрицание Проекция Приписывает свои мотивы другим людям атрибутивнаяособзает черту и бессознателтно приписывает другим комплементарная осознает но источник лежит в другом классическая не признает качество Смешение Смещение объекта смещение влечения Регрессия объекта при разводе к маме Идентификация принимает личные характеристики другого на себя Компенсация Реактивное образование Замена на противоположные импульсы Рационализация Сублимация...
28232. Психические состояния и их классификация 31.5 KB
  Левитов: Состояние – целостная характеристика психической деятельности и поведения за некоторый период времени показывающая своеобразие протекания психических процессов в зависимости от отражения объектов и явлений действительности в настоящий момент в зависимости от конкретной ситуации предшествующего состояния и психических свойств личности. Состояние – целостная организация поведения и деятельности за определенный момент времени. Психическое состояние – относительно устойчивое психическое явление характеризующее психику в целом фон на...