Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

вращения якоря 1 , 2 , 3 . Используя кусочно-линейную аппроксимацию кривой намагничивания, показанной на рис. 4.2, зависимости Е f (I я ) приближѐнно линеаризуются, причѐм при I я >> Iгр ЭДС

принимается постоянной. На рис. 4.9 показана также прямая

I я f (Е) Е / Rя .

Известно также, что при самовозбуждении Е f (I я ) I я f (E) , и второе

условие самовозбуждения графически выражается наличием точки пересечения этих характеристик. Это условие на рис. 4.9 выполняется только

при > 1 , причѐм граничное значении скорости гр 2 . Таким образом, самовозбуждение может наступить только после достижения скорости гр , при которой наклон линейной части характеристики

Е f (I я ) совпадает с наклоном прямой I я Е / Rя . Следовательно,

при увеличении сопротивления якорной цепи Rя самовозбуждение наступает при более высоких скоростях гр . Изложенное позволяет

определить форму характеристик динамического торможения, показанных на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электромеханические характеристики ДТ с самовозбуждением ( Rя 1 < Rя 2 )

80

При гр самовозбуждение отсутствует и I я Iв 0

(Ф=0, М=0). При гр двигатель самовозбуждается, ток якоря при

механическая характеристика при аппроксимации имеет вид ломанной. С учѐтом Фост ток I я при гр отклоняется от ломаной, а

реальная форма кривой намагничивания Ф= f (I я ) приводит к допол-

нительным отклонениям характеристики f (I я ) от приближѐнной

кривой.

Динамическое торможение с самовозбуждением электроприводов с ДПТ ПВ применяется в подъѐмно-транспортной технике как ава-

рийное для предварительного снижения скорости до гр с последующим наложением механического тормоза.

4.2. Особенности статических режимов и характеристик электроприводов с двигателями постоянного тока

смешанного возбуждения (ДПТ СВ)

В электроприводах постоянного тока иногда находят применение двигатели смешанного возбуждения, имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых включена последовательно в якорную цепь (ОВП), а другая имеет независимое питание (ОВН) и включается по схеме рис. 4.11,а.

Соответственно магнитный поток двигателя определяется постоянной МДС обмотки независимого возбуждения и пропорциональной току якоря МДС обмотки последовательного возбуждения

Fв Fов н Fов п

или при известном числе витков обмоток

Fв Iн.в.wн.в. I я wп.в. .

81

При токе якоря I я 0

Fв Iн.в.wн.в. .

Рис. 4.11. Схема включения (а) и характеристика намагничивания двигателя смешанного возбуждения (б)

Чтобы размагнитить двигатель (Ф=0), необходимо изменить направление тока возбуждения в обмотке ОВП

Тогда характеристика намагничивания Ф= f (I я ) будет иметь

вид, показанный на рис. 4.11,б.

Вид механической характеристики электропривода существенно зависит от выбора значения МДС при I я 0 , так как соответствую-

Чем больше значение Фн.в. ,тем ближе по свойствам двигатель

смешанного возбуждения к свойствам двигателя независимого возбуждения. Как правило, обмотка независимого возбуждения двигателя рассчи-

Фн.в. Ф0 (0,7 0,85)Фн . При этом скорость идеального холостого хода составит

Уравнение электромеханической и механической характеристик совпадают с соответствующими уравнениями для двигателя последовательного возбуждения

эту кривую с представленной на рис. 4.2, можно установить, что добавление МДС I н.в. wн.в. смещает кривую Ф(I я ) по оси абсцисс на отре-

зок Iн.в. wн.в. / wп.в. . Соответственно естественная электромеханиче-

ская характеристика ДПТ СВ повторяет форму характеристики ДПТ ПВ, если ось ординат сместить на значение этого тока влево от оси ординат.

Рис. 4.12. Статические естественные характеристики ЭП с ДПТ СВ

83

При токе I я 0 , 0 и при изменении нагрузки в двигатель-

ном режиме от 0 до М н скорость изменяется в более широких преде-

лах, чем у двигателей независимого возбуждения. При переводе двигателя в режим рекуперативного торможения изменение знака МДС обмотки последовательного возбуждения приводит к быстрому снижению

потока (рис. 4.11,б), который при I я Iн.в. (wн.в. / wп.в. ) становится равным нулю. Этому значению тока якоря соответствует новая асимптота, к которой стремится f (I я ) .

Естественная механическая характеристика f (М ) (рис. 4.12,б) по форме отличается от электромеханической характеристики. Так как при I я Iн.в. (wн.в. / wп.в. ) поток стремится к нулю, зависимость f (М ) в генераторном режиме имеет максимум и при

дальнейшем возрастании скорости асимптотически приближается к оси ординат слева. Эффективность рекуперативного торможения из-за размагничивающего действия последовательной обмотки возбуждения существенно снижается. В связи с этим при переводе электропривода с ДПТ СВ последовательная обмотка отключается и торможение происходит также, как у двигателей независимого возбуждения.

Торможение противовключением осуществляется по схеме двигателя независимого возбуждения с отключением последовательной обмотки.

Динамическое торможение производится, как правило, по схеме двигателя независимого возбуждения, в аварийных случаях по схеме с самовозбуждением.

Таким образом, характеристики электропривода с ДПТ СВ занимают промежуточное положение между характеристиками электроприводов с ДПТ НВ и ДПТ ПВ.

84

ГЛАВА ПЯТАЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ С АСИНХРОННЫМИ И СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

5.1. Принцип действия асинхронного электропривода.

Схемы включения

Электроприводы с асинхронными двигателями получили в промышленности весьма широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей.

Асинхронный двигатель прост и надѐжен в эксплуатации, так как не имеет коллектора; требует для изготовления меньше цветных и чѐрных металлов, что делает его самым дешѐвым двигателем; значительно легче других двигателей, т.е. обладает меньшим моментом инерции при одной и той же мощности, а значит, более быстродействующий. Различают два исполнения асинхронных двигателей – с короткозамкнутым ротором и фазным ротором ( см. рис. 5.1).

Принцип действия асинхронной машины в общем случае состоит в том, что неподвижная часть (статор) с расположенной на нѐм обмоткой служит для создания движущегося с определѐнной скоростью магнитного поля, а во вращающейся части (роторе) в пассивных замкнутых проводниках наводятся ЭДС, вызывающие протекание токов и образование сил (моментов) при их взаимодействии с потоком. Всѐ это имеет место только при несинхронном - асинхронным движением ротора относительно поля, что и определяет название асинхронная машина.

В трѐхфазном асинхронном двигателе в пазах статора расположены три фазных обмотки. A-X, B-Y, C-Z, сдвинутые в пространстве на

120˚ ( см. рис. 5.1 и 5.2).

85

Рис. 5.1. Схема включения АД и принцип получения вращающегося магнитного поля статора

По обмоткам протекают синусоидальные токи

(5.1)

где I1m - амплитудное значение тока статора;

0э 2 f1 - электрическая угловая частота напряжения питания;

f1 - частота питающего напряжения, Гц.

Ротор асинхронного двигателя выполняется в двух вариантах: «беличья клетка» (короткозамкнутый ротор) в виде стержней, уложенных в пазы, и заваренных кольцами по торцам; либо с фазной обмоткой, кон-

86

цы которой выведены на кольца, расположенные на валу, и с помощью скользящих по ним щѐток могут быть замкнуты на внешние резисторы или другие цепи.

При протекании токов по фазным обмоткам статора создаѐтся маг-

нитное поле, вектор МДС которого вращается (см. рис. 5.1) в пространстве в общем случае со скоростью

где p – число пар полюсов (p=1,2,3…), т.е. скорость поля статора отличается от угловой частоты питающего напряжения и составляет

0 0э / p .

Для частоты вращения n0 , (об/мин), будет иметь

т.е. при питании от сети f1 =50Гц синхронная частота вращения может быть n0 =3000, 1500, 1000, 750… об /мин.

Выражения (5.2), (5.3) имеют принципиальный характер: они показывают, что для данного двигателя имеется лишь одна возможность

изменить скорость поля – изменить частоту источника питания f1 . Вращающийся магнитный поток статора Ф при скорости ротора

0 наводит в проводниках обмотки ротора ЭДС , под действием

которой в них протекает ток . Взаимодействие тока ротора с магнитным потоком определяет электромагнитный момент двигателя

где k – коэффициент пропорциональности;

I2а - активная составляющая тока ротора;

2 - угол между векторами и .

87

Рис. 5.2. Схемы включения обмоток и векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя

Рассмотрим вначале физические процессы в асинхронном электроприводе при 0 , когда проводники обмотки ротора двигателя не пересекают силовых линий магнитного потока. В этом случае обмотку статора можно представить как идеальную катушку ( R1 0 ), к ко-

торой приложено переменное напряжение U1 U1m sin 0t .

Приложенное напряжение уравновесится (рис. 5.3,а, б)

где w1 - число витков обмотки статора;

Kоб -коэффициент, зависящий от конкретного выполнения обмот-

ки.

Тогда магнитный поток статора определяется приложенным на-

Ток в обмотке (фазе) статора – ток намагничивания - определяется при этом магнитным потоком и характеристикой намагничивания машины (рис. 5.3,в).

Рис. 5.3. Модель асинхронной машины при 0 (а), векторная диаграмма (б) и кривая намагничивания (в)

В серийных двигателях 4А, 4МТ, 4МТК при U1 U1н , f1 f1н , т.е. при номинальном магнитном потоке, ток холостого хода составляет 30-70% от номинального тока I1н .

В роторной обмотке (фазной обмотке для двигателей с фазным ротором, в стержнях обмотки короткозамкнутого двигателя) наводится ЭДС

в которой штрихом здесь и далее отмечены приведѐнные величины, учитывающие неодинаковость обмоток статора и ротора. При выполнении расчѐтов обычно роторная обмотка «приводится» к статору так, чтобы числа их витков были одинаковы. Операция приведения не должна отражаться на работе статора, для чего необходимо и достаточно, чтобы МДС и главный поток, связывающий статорную и роторную обмотки, в ре-

89