4.5. Контрольные вопросы.

4.5.1. Что представляет собой нагрузочная диаграмма электродвигателя?

4.5.2. В чём состоит метод эквивалентных величин при выборе мощности электродвигателя?

4.5.3. В каком случае этот метод неприменим?

4.5.4. Каковы нежелательные последствия работы электродвигателя при его перегрузке и недогрузке?

5. Лабораторная работа n5. Исследование схемы управления электродвигателем постоянного тока

5.1. Цель работы.

5.1.1. Практически изучить схему автоматического управления электродвигателем постоянного тока независимого возбуждения и приобрести навыки в сборке и регулировке этой схемы.

5.2. Краткие теоретические сведения.

К пуску двигателя предъявляются два основных требования:

обеспечить необходимый для трогания с места и разгона якоря вращающий момент и не допустить при пуске протекания через якорь большого тока, опасного для двигателя. Практически возможны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в первый момент пуска якорь неподвижен (n = 0), то противо-ЭДС отсутствует (Е_пр. = С_е* n*Ф) и пусковой ток якоря можно определить из выражения

I_яп = U_я/R_я.

Так как для двигателей большой мощности R_я = О,02... 1,1Ом, то I_яп = (50...100)I_н, что недопустимо. Поэтому прямой пуск возможен только для двигателей малой мощности, у которых I_яп  (4...6)I_н и разгон двигателя длится менее 1_с.

Пуск при включении пускового реостата R_п последовательно с

якорем обеспечивает пусковой ток равный:

U_я

I_`яп = ---------.

R_я + R_п

Сопротивление R_п = U/I_яп - R_я выбирают таким, чтобы в начальный момент пуска, когда Е_пр = 0, I_яп = (1,4 ... 2,5)I_н. По мере разгона якоря возрастает Е_пр - сопротивление реостата выводится.

Пуск с ограниченным пусковым током возможен при питании якоря двигателя от отдельного источника с регулируемым напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от нуля до требуемого значения. Этот метод находит применение в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока.

Автоматизация пускового процесса значительно облегчает управление электродвигателями, устраняет возможные ошибки при пуске и ведет к повышению производительности механизмов, особенно при повторно-кратковременном режиме работы.

На рис. 5.1. изображена пусковая диаграмма двигателя с тремя ступенями пускового реостата, построенная из условий изменения тока в определенных заданных пределах от I1 до I2. Пуск двигателя согласно этой диаграмме может быть произведен от руки или автоматически. Если пуск производится с помощью ручного реостата, то переключение сопротивлений производится с ориентировкой на показания амперметра и вольтметра в цепи якоря.

Рис. 5.1.

Автоматическое управление позволяет более точно выдержать заданные условия пуска и освобождает человека от выполнения утомительных операций.

Из рассмотрения диаграмм на рис. 5.1. следует, что выключение ступеней сопротивления должно происходить при определенной угловой скорости двигателя (_I = *n/30), определенной величине тока I2 и через определенные промежутки времени (t1, t2, t3). Очевидно, что управление пуском может быть осуществлено:

а) в функции тока;

б) в функции скорости;

в) в функции времени.

Диаграммы, приведенные на рис. 5.1. иллюстрируют процесс пуска при ступенчатом управлении, осуществляемом при помощи релейно-контакторных аппаратов в схемах так называемого разомкнутого цикла управления.

Сопротивления ступеней пускового реостата рассчитываются в следующем порядке:

1. П о паспортным данным ДПТ строится зависимость

С_е*Ф – можно определить из приведенного выражения в номинальном режиме и R_я = U_я/I_яп.

2. Задаются пределы изменения тока якоря при пуске: I1 =1.4-2.5* I_ян, 1.1* I_ян <I2 < I1. Следует учитывать, что при уменьшении разницы I1 и I2 число ступеней реостата возрастает и при неизменном I1 увеличивается темп разгона двигателя. При увеличении разницы I1 и I2 и неизменном I1 число ступеней и темп разгона уменьшаются.

3. Графическим способом определяют необходимое число ступеней пускового реостата рис.5.2. Выполняя эту процедуру не стоит добавлять лишнюю ступень реостата если при переходе на естественную характеристику с последней ступени ток якоря ДПТ незначительно превышает I1.

n

nн

n2

n1

I_ян I2 I1 I_я

Рис.5.2

4. О пределяют суммарное сопротивление пускового реостата

5. О пределяют частоту вращения ДПТ при токе I2 и полностью введенном сопротивлении пускового реостата

6. Определяют сопротивление первой ступени пускового реостата. Для этого вычисляют сопротивление пускового реостата при выведенной первой ступени из условия n=n2, Iя=I1:

тогда сопротивление первой ступени реостата

Аналогично определяют сопротивления следующих ступеней.

При управлении ступенями реостата в функции времени требуется определить необходимые выдержки времени реле. Определим их из уравнений электромеханического равновесия системы, считая что процессы в цепи якоря происходят за пренебрежимо малое время по сравнению с механическими:

Здесь C=30*Се*Ф/π-конструктивная постоянная, J- момент инерции системы, Мс - статический момент,R – полное сопротивление якорной цепи.

В ыразив i из второго уравнения и заменив

Получим:

Р ешение этого уравнения, учитывая что для t=0 =нач, имеет вид:

З ависимость тока в цепи якоря от времени можно определить из условия механического равновесия:

Ic - ток якоря при Мс.

Подставив в последнее уравнение выражение (10) для начальных условий t=0, I=I_нач получим:

(11)

В процессе многоступенчатого пуска ток якоря двигателя колеблется в пределах от I1 до I2. Поэтому :

где tx –время, в течение которого ток двигателя изменяется от I1 до I2, Tмx – электромеханическая постоянная времени для той же ступени (выражение (10)).

Р ешая последнее уравнение относительно времени разгона, находим

Для автоматизации пуска ДПТ в функции времени могут быть применены электромагнитное реле времени либо электронные реле времени.

Узел схемы управления пуском ДПТ в функции времени представлен на р ис. 5.3.

Рис. 5.3.

При нажатии кнопки SB1 контактор КМ1 своим контактом КМ1.1 подключает якорь двигателя к сети, а контактом КМ1.3 отключает питание от катушки реле КТ1. Падение напряжения от пускового тока на сопротивлении R1 вызывает срабатывание реле КТ2, которое размыкает свой контакт. С определенной выдержкой времени замыкается контакт КТ1.1 реле КТ1, и контактор КМ2 контактом КМ2.1 шунтирует ступень R1 вместе с реле КТ2. Последнее опять с выдержкой времени замыкает свой контакт КТ2.1, что приводит к шунтированию ступени R2.

Управление в функции времени получило широкое применение в

современных электроприводах постоянного и переменного тока благодаря своим достоинствам: простоте схемы, надежности и независимости ее работы от колебаний нагрузки или напряжения.

После отключения ДПТ от источника электропитания якорь двигателя некоторое время продолжает вращаться по инерции, за счет запасенной кинетической энергии. Часто требуется быстро и точно остановить вращаемый двигателем механизм или изменить направление его вращения. Торможение электродвигателей может быть произведено как с помощью механических тормозов, так и электрически, что предпочтительнее.

Для быстрого торможения двигателя его переводят в режим, когда электромагнитный момент становится тормозящим для якоря, т.е. когда момент и скорость направлены встречно. При этом механическая энергия вращения преобразуется в электрическую, рассеиваемую в виде теплоты в резисторах цепи якоря, или передается в сеть.

Различают три вида торможения ДПТ:

а) динамическое;

б) рекуперативное;

в) противовключение.

Для динамического торможения вращающийся якорь двигателя отключают от сети и замыкают на реостат Rт. Цепь возбуждения остается включенной в сеть. Получается генератор независимого возбуждения (рис. 5.4). Под воздействием ЭДС ток якоря изменяет направление, и генераторный электромагнитный момент тормозит вращение якоря до остановки. Вместе со снижением скорости уменьшаются ЭДС, ток и момент.

Выражение тормозящего момента получим, подставив в уравнение:

М = См*Ф*Iя

значение тока:

I = Е/(Rя + Rт)

и ЭДС:

Ея = Се*Ф*n

Таким образом

М = К*n,

где К = Сe*Cм*Ф²/(Rя + Rт).

Рис. 5.4.

Процесс перехода ДПТ с естественной характеристики на характеристику динамического торможения показан на (рис. 5.5). Наклон характеристики динамического торможения (линия ОД) определяется суммарным сопротивлением цепи якоря R_я + R_т.

Рис. 5.5

Динамическое торможение отличается простотой, плавностью и

надежностью.

Внешнее сопротивление динамического торможения можно рассчитать по формуле:

Е

R_т = --- - R_я.

I

Здесь при расчетах вместо Е нужно подставить максимально возможную величину Емакс., получаемую в начальный момент торможения, вместо I - допустимый в начале торможения ток Iдоп.

Время торможения может быть определено из решения уравнений описывающих процесс динамического торможения:

Р ешение этого уравнения, учитывая что в начальный момент времени нач = с и имеет вид:

Из последнего выражения при торможении до полной остановки получим: