3.2 Моделирование электромеханических преобразователей

3.2.1 Моделирование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

В теории и инженерной практике электропривода широко используются понятия статических характеристик. Статической характеристикой называют геометрическое место точек в конкретной системе координат, выражающее установившуюся скорость движения электрической машины в двигательном или тормозных режимах работы электропривода как функцию величины и характера статического момента на валу электродвигателя (ЭД).

Статический момент со стороны рабочей машины (РМ) в установившемся режиме движения ( ) может противодействовать движению системы «ЭП-РМ», а может и поддерживать движение. В том и другом случае статический момент и механический момент на валу, развиваемый со стороны электрической машины уравновешены: .

Как известно, по характеру статические моменты рабочих машин подразделяют на два вида:

- реактивные , которые при любом направлении движения противодействуют движению, то есть всегда представляют собой статическую нагрузку на двигатель;

- активные , которые противодействуют движению механической системы только в направлении увеличения запаса потенциальной энергии, то есть осуществляют реактивную функцию, например, при подъёме груза; в обратном же направлении движения системы, когда снижается запас потенциальной энергии, поддерживают движение, то есть становятся действительно активными – движущими; не меняя знака момента изменяют своё отношение к направлению движения, рисунок 3.18.

Рис. 3.18

При реактивном, всегда противодействующем движению, электрическая машина обеспечивает движение в двигательном режиме работы. Если же активный обеспечивает движение, то электрическая машина работает в одном из тормозных режимов.

Нагрузка ЭД или ЭП может выражаться не только моментом на валу , но и электромагнитным моментом , а также величинами токов в главных цепях ( , , – машин постоянного и переменного тока).

Решение разнообразных задач электрического привода связано с рассмотрением электромеханических процессов энергопреобразования внутри электрических машин, имеющих место как в установившихся, так и в неустановившихся режимах движения. При этом используются понятия электромагнитной мощности и электромагнитного момента , которые развиваются внутри машины и физически определяются электрическими переменными и параметрами её электрических цепей. Здесь сразу следует обратить внимание на то, что баланс в двигателях постоянного тока и в асинхронных двигателях неодинаковый из-за принципиального отличия в физике их действия:

,

где		–	постоянные потери холостого хода;
	– механическая мощность на валу.

где	– синхронная скорость вращения магнитного поля;
	– мощность потерь на нагревание цепи ротора;
	– механическая мощность на валу.

Поскольку мощность на валу названных типов двигателей выражается одинаково, то, например, для двигательного установившегося режима можно записать:

- для АД,

, (3.45)

- для ДПТ вместо берется ,

, (3.46)

а покрытие берёт на себя электрическая машина или рабочая машина, – все определяется стороной, обеспечивающей движение системе «ЭП – РМ».

Движение может характеризоваться угловой скоростью вращения двигателя , рад/с, или числом оборотов в минуту n, об/мин. При теоретических исследованиях обычно используют понятие угловой скорости , рад/с, в практических задачах используют понятие частоты вращения n, выраженной через число оборотов в минуту, что допускает ГОСТ. Частота вращения указывается в каталогах и на паспортных табличках электрических машин. Соотношение угловой скорости и частоты вращения следующее:

, (3.47)

, (3.48)

В асинхронных электроприводах часто используют вместо и n понятие скольжения s:

(3.49)

где	и	–	соответственно, синхронные угловая скорость и частота вращения магнитного поля;
	и	–	соответственно, угловая скорость и частота вращения ротора.

Статические характеристики двигателей электроприводов различных типов могут быть представлены следующими зависимостями:

или ,

а также или ,

которые называют механическими характеристиками.

Статическую нагрузку на двигатель отражают и так называемые электромеханические характеристики:

или – электромеханические характеристики машины постоянного тока, где – величина тока в цепи якоря;

, или , – электромеханические характеристики в функции токов статора и ротора асинхронных машин переменного тока.

Статические характеристики изображаются в четырёх квадрантах системы координат, что создаёт удобство их восприятия как относительно направления движения, так и режима работы электропривода. В качестве примера на рисунке 3.19 показаны упрощенные характеристики РМ: и .

Различают статические характеристики рабочих машин (РМ), которые отличаются своей мягкостью, и статические характеристики двигателей электроприводов (ЭД или ЭП). Характеристики ЭП представлены далее в тексте пособия.

Статические характеристики ЭД подразделяют на следующие разновидности:

- естественные, когда электрическая машина непосредственно связана с электрической сетью и основные, когда она получает электроэнергию через преобразователь; на естественной и основной характеристиках располагаются координаты номинального режима;

- искусственные, соответствующие тем или иным параметрам источ-ника электроэнергии и параметрам электрических цепей машины;

- граничные, характеризующие идеализированную машину постоян-ного тока, отражающие её электромагнитное состояние.

К слову, электромагнитное состояние асинхронных машин характеризует вид статической механической характеристики, а в синхронных на электромагнитное состояние позволяет влиять обмотка возбуждения постоянного тока, расположенная на полюсах ротора.

Вид статических характеристик определяется типом электропривода, параметрами его электрических цепей и источника электрической энергии. По виду статических характеристик можно оценить электромеханические свойства и энергетику электропривода, как в двигательном, так и в различных тормозных режимах.