ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Постоянного тока

Переходным режимом работы электропривода называется режим перехода от одного установившегося состояния к другому. Переходные процессы в электроприводе возникают, например, при пуске двигателя, реверсе, торможении, сбросе или набросе нагрузки, изменении парамет­ров двигателя. В переходных процессах взаимозависимо изменяются скорость двигателя, его ток, момент и ЭДС.

От протекающих по обмоткам двигателя токов в них возникают потери, и обмотки якоря и возбуждения нагреваются. Процесс нагрева двигателя обычно весьма продолжителен, поэтому при исследовании переходных процессов тока и скорости тепловыми переходными про­цессами обычно пренебрегают, считая активные сопротивления двига­теля постоянными.

Электромеханические и электромагнитные переходные процессы в современных электроприводах протекают за соизмеримое время и при исследовании переходных режимов их необходимо учитывать. Тем бо­лее что все параметры для расчета таких переходных процессов приво­дятся в справочных данных по электрическим машинам, а современное программное обеспечение позволяет произвести расчеты без сущест­венных временных затрат. Однако имеется целая группа электроприво­дов с релейно-контакторным управлением, в которых электромагнитные переходные процессы протекают за очень короткое время и ими так же можно пренебречь.

При исследовании процессов пуска двигателя примем следующие допущения:

• щеки двигателя стоят на геометрической нейтрале, поэтому реакция якоря отсутствует и, следовательно, поток возбуждения по­стоянен и равен номинальному (Ф = Фн);

• индуктивность цепи обмотки якоря мала и ею можно пренеб­речь (/,яц =0);

• тепловые переходные процессы в электроприводе закончи­лись, и сопротивления якорной цепи не изменяются (Кяц = const);

• двигатель питается от источника напряжения бесконечной мощности и, следовательно, напряжение обмотки якоря постоянно (U = const);

• момент сопротивления на валу двигателя неизменен (М = const).

Принятые допущения позволяют изобразить электромеханическую характеристику электродвигателя при его пуске, (см. рис. 3. 24).

С учетом принятых допущений, в соответствие со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи можно записать уравнение

U = E + I-Rm, (3.39)

где Rm = Ддв + R - полное сопротивление цепи обмотки якоря двига­теля, равное сумме сопротивлений обмотки якоря, дополнительных по­люсов, компенсационной обмотки и последовательному добавочному сопротивлению.

ЭДС обмотки якоря определяется в соответствие с уравнени­ем (3.2)

Е = к • Фн - о).

Механическую часть электропривода описывает уравнение движе­ния (2.1)

. , . , Td(D

М — М с =J—. с dt

Электромагнитный момент двигателя находится в соответствие с выражением (3.4)

М = к-Фн •/.

Под электромеханической постоянной времени Тм будем понимать время, в течение которого электропривод, обладающий моментом инер­ции J, разгоняется без нагрузки из неподвижного состояния до скоро­сти идеального холостого хода <jo0 пРи неизменном токе якоря, равном току короткого замыкания. В соответствие с определением электроме­ханической постоянной времени электропривод должен разгоняться потраектории, отмеченной на статических электромеханических характе­ристиках пунктиром.

со = ооу + (сонач - соу) • е м. (3.53)

В частном случае, когда пуск двигателя происходит из неподвиж­ного состояния (оонач = 0) без нагрузки, до скорости идеального холо­стого хода со о переходный процесс определяется уравнением

со = со0 • (1 — є Тм ). (3.54)

График переходного процесса, рассчитанный по (3.53), приведен на рис 3.25.

Теоретически переходный процесс, рассчитанный по (3.54), закан­чивается за бесконечно большое время, однако в электроприводе пере­ходный процесс считается законченным, когда график переходного процесса входит в 5%-ю зону. В данном случае это происходит при t = 3-ТМ. Если бы пуск двигателя происходил при неизменном токе яко­ря, равном току короткого замыкания /кз, то скорость двигателя изме­нялась бы в соответствие с ломаной линией 2. Начальный участок ло­манной линии 2 является касательной к экспоненциальной кривой 1. Этим свойством пользуются при экспериментальном определении элек­тромеханической постоянной времени Тм, при снятии осциллограмм

переходных процессов пуска двигателя.

Построенные по (3.62) зависимости приведены на рис. 3.26.

Переходный процесс тока при принятых допущениях определяется экспоненциальной зависимостью и заканчивается в то же время, что и переходный процесс скорости.

Полученные аналитические уравнения (3.53) и (3.61) позволяют произвести анализ влияния на вид и характер переходных процессов различных параметров электропривода. Так, например, увеличение мо­мента инерции J электропривода приводит к возрастанию электроме­ханической постоянной времени Тм и, следовательно, к затягиванию переходного процесса - он закончится за большее время. Можно пока­зать, что увеличение нагрузки на валу двигателя не влияет на время пе­реходного процесса, однако установившиеся значения скорости и тока будут другими, в соответствие со статическими электромеханическими характеристиками.

Уравнения (3.53) и (3.61) могут использоваться для расчета и ана­лиза переходных процессов пуска, реверса, торможения двигателя, а также при изменении нагрузки на его валу. При расчете по ним необхо­димо в каждом конкретном случае определить начальные и установив­шиеся значения координат электропривода сонач, о)у, /нач, /у, а также

постоянную времени Тм.

Пример 3.3. Для двигателя постоянного тока независимого возбу­ждения построить статические электромеханические характеристики реостатного пуска в две ступени пусковых сопротивлений, записать уравнения для расчета переходных процессов скорости и тока для каж­дого из участков пуска, а также изобразить графики переходных про­цессов. Основные параметры двигателя приведены в примере 3.1.

Переходные процессы построить при нагрузке на валу двигателя, не равной нулю.

Решение. В соответствие с условиями задачи схема силовых цепей двигателя должна иметь вид, приведенный на рис. 3.27.

В рассматриваемом электроприводе обмотка возбуждения LM двигателя включена независимо от его обмотки якоря М. В процессе пуска двигателя вначале запитывается обмотка возбуждения LM, затем, когда переходный процесс нарастания тока в обмотке возбуждения за­кончится и поток двигателя Ф станет равным номинальному, замыкает­ся контактор КМ. Обмотка якоря двигателя подключается к источнику ПОСТОЯННОГО напряжения U через пусковые сопротивления Л’д! И і? д2 .

По мере разгона двигателя пусковые сопротивления і? д1 и і? д2 последо­вательно выводятся из цепи обмотки якоря путем закорачивания их за­мыкающими контактами КМ и КМ2 .

Электромеханические характеристики электропривода при пуске двигателя в две ступени пусковых сопротивлений приведены на рис. 3.28.

Порядок построения характеристик следующий:

• строится естественная характеристика 3 (порядок расчета ес­тественной электромеханической характеристики рассмотрен в при­мере 3.1;

• строится первая пусковая электромеханическая характеристи­ка 1. Характеристика 1 проходит через две точки: скорости идеального холостого хода при токе якоря, равном нулю (со0, / = 0), и допустимого тока /доп при скорости, равной нулю (со = 0). Значение допустимого то - ка /доп обычно определяется из условия удовлетворительной коммута­ции

(3.63)

где Xj - перегрузочная способность двигателя по току;

• определяется ток переключения /пер, который принимается равным

(3.64)

• в точке с координатами (/пер, соп1) происходит закорачивание первого пускового сопротивления Л’ді (замыкается контакт КМ 1) и двигатель переходит на пусковую характеристику 2. Таким образом, ха­рактеристика 2 проходит через две точки: скорости идеального холосто­го хода со0 при токе якоря, равном нулю (1 = 0), и допустимого тока

/доп при скорости, равной соп1.

Закорачивание второго пускового сопротивления /?д2 также необ­ходимо производить при токе переключения /пер. Бросок тока при пе­реходе двигателя на естественную характеристику должен быть равен допустимому току /доп. Если это не происходит, то ток переключения

/пер необходимо поменять, соответственно несколько увеличив или уменьшив его, однако если ток переключения становиться меньше

1,1 • /н, то необходимо увеличить число пусковых сопротивлений. Ко­нечный график пусковых статических характеристик должен выглядеть так, как показано на рис. 3.28, в этом случае при заданном числе пуско­вых ступеней переходный процесс будет протекать за меньшее время по сравнению с другими вариантами построения электромеханических ха­рактеристик.

Переходные процессы скорости и тока при пуске двигателя по пер­вой пусковой характеристике стремятся попасть в точку установившей­ся работы с координатами соу1 , /с, однако при достижении скорости

со п | происходит закорачивание первого пускового сопротивления и двигатель переходит на вторую пусковую характеристику - 2.

Переходные процессы скорости и тока при пуске двигателя по вто­рой пусковой характеристике стремятся попасть в точку установившей­ся работы с координатами <joy2 , /с, однако при достижении скорости

юп2 происходит закорачивание второго пускового сопротивления Rn2 и двигатель переходит на естественную характеристику - 3.

По уравнениям (3.67) - (3.72) для численных значений параметров скорости сонач, о)у и тока /нач, /устроятся графики переходных про­цессов со = f(t) и / = f(t) (рис. 3.29).

Анализ графиков рис. 3.29 показывает, что по мере разгона двига­теля при переходе с одной ступени на другую электромеханическая по­стоянная времени Тм электропривода уменьшается, а переходные про­цессы протекают быстрее.

Автоматизация процесса пуска двигателя значительно облегчает управление электроприводами, предотвращает возможные ошибки при пуске двигателя и ведет к повышению производительности механизмов.

На рис. 3.29 приведены графики переходных процессов скорости и тока при пуске двигателя постоянного тока независимого возбуждения в две ступени пусковых сопротивлений.

Анализ этих графиков показывает, что автоматическое выключение пусковых сопротивлений должно производиться в определенные мо­менты времени (ti и t2), при определенных скоростях (ооп1 и ооп2) и оп­ределенном токе /пер. Очевидно, что управление пуском двигателя мо­жет осуществляться по принципам времени, скорости и тока.

Принцип времени предполагает, что в электрической схеме имеют­ся контролирующие время аппараты, которые в заданные моменты вре­мени ^ и /2 формируют сигналы на закорачивание пусковых сопротив­лений Д j и Яд2 .

Принципы скорости и тока предполагают, что электрическая схе­ма электропривода автоматически контролирует соответственно ско­рость двигателя и его ток и при заданных значениях переменных фор­мирует сигналы на закорачивание пусковых сопротивлений.

Кроме этих трех принципов на практике получили распространение управления по принципу пути, мощности, счета операций и т. д.

В релейно-контакторных электроприводах наиболее распростра­ненными датчиками времени, скорости и тока являются соответствую­щие реле или контакторы. Так, наиболее распространенным датчиком времени является реле времени, в качестве датчика тока чаще всего ис­пользуют реле тока, обмотка которого непосредственно включается в якорную цепь двигателя. Датчиком скорости в релейно-контакторных схемах управления электроприводами служит непосредственно сама обмотка якоря двигателя, ЭДС которой при постоянном потоке двигате­ля пропорциональна скорости вращения (Е = с • со). Контролирующими же ЭДС двигателя аппаратами являются силовые контакторы.