78432

Режимы работы электродвигателей в электроприводе

Лекция

Производство и промышленные технологии

Приводные ЭД могут быть постоянного и переменного тока. В настоящее время на судах морского флота широкое распространение получили ЭД переменного суда 3фазные асинхронные двигатели постоянного тока находят ограниченное применение. Б Работа электродвигателей постоянного тока в переходном режиме...

Русский

2015-02-07

208.28 KB

5 чел.

Лекция № 3

А) Режимы работы электродвигателей в электроприводе

Электродвигатели должны соответствовать режиму работы приводимого механизма. Режимы работы судовых механизмов чрезвычайно разнообразны, поэтому характер тепловых процессов, протекающих в обмотках ЭД, неодинаков для различных приводов. В соответствии с условиями нагрева ЭД различают 3 основных режима работы ЭП:

1. продолжительный,

2. кратковременный  

3. повторно-кратковременный.

Продолжительным называют режим, длительность которого настолько велика, что температура нагрева при работе успевает достигнуть установившегося значения, а за время последующей паузы ЭД охлаждается до температуры окружающей среды. 

В этом режиме работают ЭП судовых насосов, вентиляторов, а также гребные ЭД.

Кратковременным называют циклический режим, продолжительность рабочих периодов которого настолько мала, что температура нагрева ЭД не успевает за время работы достичь установившегося значения, а продолжительность паузы между двумя периодами настолько велика, что температура нагрева успевает снизиться до температуры окружающей среды. 

В таком режиме на судах работают ЭП якорно-швартовных устройств. Если ЭД, рассчитанный заводом-изготовителем для продолжительного режима работы, использовать полностью в кратковременном режиме, то он будет перегружен по механическим свойствам. Другими словами, недостаточная механическая перегрузочная способность двигателей, рассчитанных для продолжительного режима работы, не позволяет полностью использовать их в кратковременных режимах. В связи с этим промышленность выпускает ЭД, специально рассчитанные для кратковременных режимов работы. В каталогах эти двигатели приводятся для стандартных длительностей работы -10, 30 и 60 мин.

Повторно-кратковременный режим характеризуется тем, что за время работы ЭД не успеет нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не успеет охладиться до температуры окружающей среды. Суммарная продолжительность рабочего периода  и паузы  т.е. время цикла  не должна превышать 10 мин.

В повторно-кратковременном режиме ЭД недоиспользуется по нагреву, а значит можно выбрать двигатель меньшей мощности. По тем же соображениям, что и в кратковременном режиме, для повторно-кратковременного режима промышленность выпускает специальные ЭД, обладающие большей перегрузочной способностью, чем ЭД для продолжительного режима. Эти ЭД имеют стандартную продолжительность включения 15, 25, 40 и 60%, Типичным примером ЭП, работающего в повторно-кратковременном режиме, является грузоподъемное устройство.

Приводные ЭД могут быть постоянного и переменного тока. В настоящее время на судах морского флота широкое распространение получили ЭД переменного суда (3-фазные асинхронные), двигатели постоянного тока находят ограниченное применение.

При выборе параметров ЭД, приводящего в движение рабочий механизм, существенное значение приобретает изучение вопросов о совместном действии вращающих моментов, развиваемых ЭД, и моментов сопротивления самого механизма. Вследствие этого изучение основ теории электропривода базируется прежде всего на основных сведениях, известных из механики.

Потребляемая из сети мощность ЭД работающего в системе электропривода с рабочим механизмом, расходуется при постоянной скорости движения механизма на преодоление статической нагрузки, а при изменении этой скорости - динамической нагрузки во всех движущихся элементах электропривода.

Работа ЭП при равномерном движении называется работой в установившемся режиме,

а при неравномерном (ускорении, замедлении) - в неустановившемся или переходном, режиме.

Б) Работа электродвигателей постоянного тока

в переходном режиме

 1. Режим пуска. Способы пуска электродвигателей постоянного тока

 1.1. Прямой пуск

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть ( рис. 9.1 ), для чего вручную ( при ручном управлении ) или при помощи аппаратуры ( при автоматизированном пуске ) замыкают контакты К1 и К2..

Рис. 9.1. Прямой пуск двигателя: а – схема пуска; б – пусковая диаграмма

  По Правилам Регистра, прямой пуск электродвигателей допускается при условии, что номинальная мощность двигателя не превышает 0,5 кВт, т.е. Р≤ 0,5 кВт.

 Такое ограничение мощности объясняется тем, что при прямом пуске пусковой ток якоря двигателя превышает номинальный в десятки раз. 

Причина больших пусковых токов – отсутствие противоЭДС обмотки якоря в момент пуска, когда якорь неподвижен. Такие токи вызывают ухуд-шение коммутации вплоть до возникновения кругового огня на коллекторе, а также провалы напряжения сети, нарушающие нормальную работу остальных приемников электроэнергии.

Допускаемые по условиям коммутации значения пусковых токов  

не должны превышать номинальный более чем в 2,5 раза.

Уменьшить пусковые токи можно двумя способами:

  1.  увеличить при пуске сопротивления цепи обмотки якоря ( реостатный пуск );
  2.  уменьшить при пуске напряжение на  обмотке якоря.

Рассмотрим поочередно эти два способа.

1.2. Реостатный пуск

Схема реостатного пуска изображена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Реостатный пуск двигателя: а – схема пуска; б – пусковая диаграмма

 При пуске замыкаются контакты К1 и К2, контакт К3 разомкнут. Через контакты К1 и К2 на обмотку якоря «А» и параллельную обмотку возбуждения «L» подается пита-ние сети, а через разомкнутый контакт КМ3 в цепь обмотки якоря вводится пусковой резистор R, поэтому полное сопротивление обмотки якоря увеличивается .

На практике для ручного пуска применяют пусковые реостаты ( отсюда название этого способа – реостатный ), имеющие несколько ступеней. 

2.Режим изменения скорости.  Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока

2.1. Основные сведения

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока на примере электродвигателя с независимым ( параллельным ) возбуждением.

1. Первый способ регулирования – изменением напряжения на обмотке якоря.  

Применяется только для двигателей с независимым возбуждением в т.н. «системах генератор – двигатель» ( см. ниже ).

2.Второй способ – изменением сопротивления цепи обмотки якоря.   

На практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с обмоткой якоря.

Этот способ применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств на постоянном токе.

3.Третий способ – изменением магнитного потока полюсов.                  

На практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с параллельной обмоткой возбуждения.

При этом магнитный поток возбуждения уменьшается, а скорость якоря увеличивается.

Этот способ регулирования применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств для получения высоких скоростей при перемещения холостого гака ( грузовые лебедки и краны ) или швартовного каната ( брашпили, шпили ), т.е. при небольшой нагрузке на валу электродвигателя.

3. Режим торможения. Электрическое торможение двигателей постоянного тока

В электроприводах различают механическое и электрическое торможение.

Под механическим понимают торможение электропривода при помощи тормозных устройств, принцип действия которых основан на использовании трения.

Механическое торможение обеспечивает полную остановку электропривода и его фиксацию в заторможенном состоянии. Этот вид торможения применяется в судовых электроприводах, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести – грузоподъёмных и якорно-швартовных.

Под электрическим торможением понимают создание на валу электродвигателя электромагнитного момента, направленного навстречу вращению якоря ( ротора ). Для электрического торможения применяют специальные узлы в схемах управления электроприводами.

Как правило, электрическое торможение применяют не для полной остановки электропривода, а для предварительного уменьшения скорости до такой, при которой можно начинать механическое торможение. 

 Электрическое торможение применяют, в основном , в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, работающих с частыми пусками и остановками.

Различают 4 вида электрического торможения:

  1.  динамическое;
  2.  рекуперативное;
  3.  торможение противовключением при активном статическом моменте;
  4.  торможение противовключением при реактивном статическом моменте.

На судах из перечисленных видов торможения, в основном, применяется динамическое и рекуперативное.31ЭМ11.09.14г.

3.1. Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения

В схеме динамического торможения ( рис. 9.8, а ) используются контакт КТ тормозного контактора контакт КЛ линейного. Эти контакты всегда находятся в противоположном состоянии: если замкнут контакт КЛ, разомкнут контакт КТ, и наоборот.

Рис. 9.8. Схема ( а ) и механические характеристики ( б ) при динамическом торможении двигателя постоянного тока 

До начала торможения, при работе двигателя, контакт КЛ замкнут, контакт КТ разомкнут. 

Для торможения размыкают контакт КЛ и замыкают КТ.  При на обмотке якоря U = 0.

При замыкании контакта КТ к обмотке якоря двигателя подключается тормозной  токоограничивающий резистор r, причём обмотка якоря и резистор соединены последовательно.

Изменение направления тока приводит к изменению знака электромагнитного момента двигателя М = k( - I )Ф <0, этот момент становится тормозным.

Особенности торможения:

1. простота торможения, т.к. для его получения нужен тормозной контактор КТ и тормозной резистор;

2. торможение позволяет полностью остановить якорь ( т. «0» на рис. 9.8, б );

3. торможение широко применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов для предварительного сброса скорости перед срабатыванием основного, электромагнитного тормоза, обеспечивающего полную остановку груза.

 3.2. Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока

 Известно, что электрические машины обратимы, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как генератор, так и электродвигатель.

 При рекуперативном торможении электродвигатель переходит в генераторный режим. При этом двигатель преобразует механическую энергии, полученную от движущихся частей привода, в электрическую, которую двигатель возвращает в судовую электрическую сеть.

 Рекуперативное торможение наступает в следующих случаях:

  1.  при движении электровоза под уклон ( что невозможно в судовых условиях );
  2.  при переходе двигателя с большей скорости на меньшую ( происходит каждый раз автоматически );
  3.  при опускании тяжелых грузов.

В любом из этих случаев выполняется одно и то же условие рекуперативного торможения:  противоЭДС обмотки якоря двигателя Е = сωФ  должна cтать больше напряжения питающей сети U. 

Положительная роль рекуперативного торможения при спуске тяжелых грузов состоит в том, что тормозной электромагнитный момент двигателя стабилизирует скорость спуска груза, не позволяя ему разгоняться свыше определенной скорости.

  1.  Режим реверса.  Реверс двигателей постоянного тока

Два способами:

  1.  изменить направление тока в обмотке якоря, не изменяя знак магнитного потока ( т.е. не изменяя направление тока в обмотке возбуждения ), при этом М = с ( - I)Ф< 0;

2. изменить направление тока в обмотке возбуждения , не изменяя направление тока в обмотке якоря, при этом М = сI ( - Ф ) < 0.

 4.1. Реверс изменением направления тока в обмотке якоря

Для реверса двигателя первым способом применяют схему реверсивного мостика, состоящую из контактов В1, В2 «Вперёд» и H1, H2 «Назад» ( рис. 9.9 ).

  

Рис. 9.9. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке якоря

Пары контактов В1-В2 и Н1-Н2 замыкаются поочерёдно. При направлении «Вперёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - В1 – обмотка якоря - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку якоря такая: «плюс» - H1 - обмотка якоря - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку якоря протекал в направлении сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх. При этом направление тока в параллельной обмотке возбуждения не изменялось.

  1.  4.2. Реверс изменением направления тока в параллельной обмотке возбуждения
  2.  

Для реверса двигателя вторым способом применяют ту же схему реверсивного мостика, однако меняют местами обмотку якоря и обмотку возбуждения ( рис. 9.10 ).

Рис. 9.10. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке возбуждения

При направлении «Вперёд» замкнуты контакты В1 и В2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - В1 - обмотка возбуждения - В2 - «минус».

При направлении «Назад» замкнуты контакты H1 и Н2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: «плюс» - H1 - обмотка возбуждения - Н2 - «минус».

Таким образом, при работе «Вперёд» ток через обмотку возбуждения протекал в направлении сверху вниз, при работе «Назад» - снизу вверх.

При этом направление тока в обмотке якоря не изменялось.

В) Работа электродвигателей переменного тока

в переходном режиме

2. СПОСОБЫ ПУСКА, РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1) ПУСК

1. Способы пуска электродвигателей переменного тока

Для пуска асинхронных электродвигателей переменного тока применяют три способа:

  1.  прямой пуск;
  2.  реостатный пуск.
  3.  пуск при пониженном напряжении;

Рассмотрим особенности каждого способа пуска.

  1.  1.1.Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей
  2.  

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть ( рис. 9.12 )

 Рис. 9.12. Схема прямого пуска асинхронного двигателя

Для двигателей, у которых пусковой момент меньше номинального, должны быть приняты меры для уменьшения статического момента механизма на время пуска. Например, при пуске насоса клапан на всасывающей магистрали должен быть открыт частично, тогда подача насоса при пуске будет меньше номинальной.

При прямом пуске пусковые токи превышают номинальный, в зависимости от типа двигателя, в 4…7 раз. Такие токи вызывают провалы напряжения в судовой сети, что может привести к массовому отключению работающих двигателей. 

Поэтому Правила Регистра допускают прямой пуск двигателей такой мощности, чтобы провал напряжения был не более 15% от U н ( т.е. напряжение в сети 380 В при пуске не должно быть меньше U' = 0,85 U= 0,85*380 = 323 В ).

1.2. Реостатный пуск двигателей с фазным ротором

 Асинхронные двигатели с фазным ротором пускают в ход с помощью резисторов,  включаемых в цепь ротора, что позволяет уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент двигателя ( рис. 9.17 )..

 Рис. 9.17. Схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

 1.3. Пуск при пониженном напряжении на обмотке статора 

Для уменьшения пусковых токов применяют схемы пуска при пониженном напряжении:

  1.  включением резисторов в цепь обмотки статора ( рис. 9.13, а);
  2.  включением индуктивных сопротивлений в цепь обмотка статора (рис. 9.13, б);
  3.  включением обмотки статора через автотрансформатор ( рис.9.13, в );
  4.  переключением обмотки статора со «звезды» на «треугольник» ( рис.9.13, г ).

            

Рис. 9.13. Схемы пуска асинхронного двигателя при пониженном напряжении

Пуск при пониженном напряжении можно применять для механизмов, у которых на малых скоростях статический момент невелик. К таким механизмам относятся центробежные насосы и вентиляторы, у которых статический момент пропорционален квадрату скорости ( т.е. на малых скоростях мал и статический момент ).

2)СКОРОСТЬ

 2. Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей

 2.1. Основные сведения

Регулировать скорость асинхронного двигателя можно:

  1.  изменением частоты тока питающей сети;
  2.  изменением скольжения;
  3.  изменением числа пар полюсов.

4.  изменением напряжения на обмотке статора.

Коротко объясним особенности каждого способа регулирования

1. Регулирование скорости изменением частоты тока питающей сети – плавное, но требует применения громоздких и дорогих тиристорных преобразователей частоты.

На судах этот способ нашел ограниченне применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок, грузовых и портальных кранов.

2. Регулирование скорости изменением скольжения применимо только для двигателей с фазным ротором, т.к. осуществляется введением резисторов в цепь фазного ротора.

Регулирование плавное, но требует применения громоздких пускорегулировочных реостатов, в которых выделяется большое количество тепла.

На судах этот способ нашел ограниченне применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок и кранов,  а также в брашпилях.

3. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов применяют только для двигателей с короткозамкнутым ротором.

Недостаток регулирования – его ступенчатость  ( в соотношении 1:2:4 или 1:2:6 ) и высокая стоимость полюсопереключаемых электродвигателей.

Область применения на судах – самая распостранённая, в электроприводах грузовых лебёдок и кранов, а также брашпилей и шпилей.

4. Регулирование скорости изменением напряжения на обмотке статора на судах не нашло широкого применения из-за 2-х недостатков: 

1. требуется отдельное устройство ( регулятор напряжения ), позволяющее плавноизменять его выходное напряжение как по величине, так и по фазе;

2. при понижении напряжения возникает опасность опрокидывания двигателя, т.к. при этом резко ( в квадранте ) уменьшается вращающий момент двигателя.

Область применения на судах – ограниченная, в основном, в системах судовой электроавтоматики ( рулевые приводы и авторулевые ) для  изменения скорости двухфазных асинхронных двигателей мощностью до 150-200 Вт.  

На судах до сих пор наиболее распостраненный способ регулирования – путем изменения числа пар полюсов. Он применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств.

3) ТОРМОЖЕНИЕ

3. Электрическое торможение асинхронных двигателей

Электрическое торможение применяют только в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, с целью «сброса» скорости перед срабатыванием основного тормоза. Тем самым облегчается работа основного тормоза, а именно: уменьшаются износ тормозных колодок и их нагрев.

Различают 5 видов электрического торможения асинхронных двигателей:

  1.  динамическое;
  2.  рекуперативное;
  3.  торможение противовключением при активном статическом моменте;
  4.  торможение противовключением при реактивном статическом моменте.
  5.  однофазное.

Из всех видов торможения на судах чаще всего применяется рекуперативное ( в электроприводах грузоподъемных механизмов ). 

 В судовых условиях рекуперативное торможение наступает в двух случаях:

1. всякий раз при переходе с большей скорости на меньшую;

2. при спуске тяжелого груза.

Рассмотрим оба случая поочередно.

  1.  3.1. Рекуперативное торможение при переходе с большей скорости на меньшую

 Особенности торможения:

  1.  торможение наступает при условии: ротор обгоняет магнитное поле обмотки статора, т.е. n > n;

2.   при торможении асинхронный двигатель работает как асинхронный генератор, преобразуя механическую энергию, получаемую от движущихся масс привода,  в электрическую, возвращаемую в судовую сеть;

3.  тормозной момент на валу двигателя сохраняется только на отрезке «ВСD» механической характеристики «звезды»;

4. рекуперативное торможение при переходе с большей скорости на меньшую широко применяется в электроприводах судовых грузоподъемных устройств, для предварительного сброса скорости перед наложением основного электромеханического тормоза.

.  3.4. Рекуперативное торможение при спуске тяжелого груза

 Особенности торможения:

  1.  торможение наступает при условии n > n, т.е. ротор обгоняет магнитное поле обмотки статора;

2.   при торможении асинхронный двигатель работает как асинхронный генератор, преобразуя механическую энергию, получаемую от движущихся масс привода,  в электрическую, возвращаемую в судовую сеть;

3.  тормозной момент на валу двигателя сохраняется только на отрезке «АВС» механической характеристики «звезды»;

4. рекуперативное торможение при спуске тяжелого груза ограничено применяется в  электроприводах судовых грузоподъемных устройств с целью стабилизации скорости опускания груза.

4) РЕВЕРС

4. Реверс 3-фазных  асинхронных электродвигателей

Для реверса 3-фазного асинхронного электродвигателя надо поменять местами ( переключить ) два любых линейных провода. 

При этом поменяется порядок чередования фаз обмотки статора, что приведет к изменению направления вращения ( реверсу ) магнитного потока обмотки статора.

 

Рис. 9.22. Прямое ( а ) и обратное ( б, в, г ) направление вращения ротора 3-фазного асинхронного двигателя

На практике не имеет значения, какие именно два линейных провода будут переброшены ( переключены ).

Для реверса асинхронного двигателя применяют 2-полюсные или 3-полюсные реверсивные контакторы ( рис. 9.23 ).

.

 Рис. 9.23. Схема реверса 3-фазного асинхронного двигателя при помощи 2-полюс-ных ( а ) и 3-полюсных ( б ) реверсивных контакторов

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27184. Понятия и содержание новой истор. Дискуссии по проблемам периодизации новой истории 33 KB
  Война: в этот период происходит зарождение и прогрессивное развитие капитализма. прекращается прогрессивное развитие капитализма и ему на смену приходит социализм. Это локальное событие не оказавшее большого значения на развитие как Фр. Голландия Англия – развитие буржуазных отношений привело к буржуазной революции.
27185. Технология изготовления коленчатых валов 298 KB
  Коленчатые валы подразделяют на цельные, составные и сборные. Цельные изготавливают длиной до 5000 мм, составные - из двух секций для крупных судовых двигателей, сборные - для двигателей небольшой мощности (например, мотоциклетные двигатели).
27186. Аграрный вопрос в Великой английской и Великой французской революциях. Сравнительная характеристика 39 KB
  До революции в английской деревни было 2 формы собственности: крестьянская копигольд и буржуазно дворянская рыцарское держание. Революции лекция – феодализма ко времени ВФР уже не было. Исчез до революции. необходимости в революции не было.
27187. Основные проблемы и особенности войны северо-американских колоний Англии за независимость и образование США 45.5 KB
  Так как в результате завоевания независимости в колонии были приняты демократические преобразования и они выходят на более высокий уровень чем ВФР: церковь отделена от государства; на Севере отменили рабство; доступность к западным З. Северовосточные колонии новая Англия – территории с ранним развитием ремесел мануфактуры судостроение и судоходство рыболовство. Это колонии которые пошли по буржуазному пути . Среднеатлантические колонии.
27188. Обмен липидов, аминокислот, простых и сложных белков. Передача генетической информации и биосинтез белка 4.27 MB
  Методические рекомендации составлены в виде билетов, содержащих по пять вопросов, и правильных ответов на них, где изложены изложены вопросы обмена липидов, аминокислот, простых и сложных белков. Уделено внимание механизму синтеза белков и нуклеиновых кислот, передаче генетической информации и молекулярной патологии.
27190. Внутренняя и внешняя п. Фр. в период консульства и 1-й империи Наполеона. Наполеоновская эпоха в исторической науке 41.5 KB
  Вандаль: к власти во Фр. – человек чуждый революции начал задумываться о захвате власти достаточно рано. Было много разбойников в городах и на больших дорогах отсутствовал законопорядок в стране – все это убедило большинство в необходимости передачи власти в твердые руки. давно мечтал о власти решил воспользоваться ситуацией; Манфред: Наполеон уехал из Египта чтобы не проиграть.