Электропривод с двигателями постоянного тока

Переходные процессы в системе П-Д при наличии момента нагрузки Мс. на валу ДПТ подробно рассмотрены в [34].

14. Оптимизация динамических режимов электропривода по принципу подчиненного регулирования координат

Эффективным средством формирования переходных процессов с заданным качеством является принцип подчиненного регулирования координат электропривода Его сущность состоит в том, что для регулирования каждой координаты электропривода используется отдельный регулятор (см. рис. 29) и соответствующая жесткая отрицательная обратная связь Контуры регулирования координат образуют при этом концентрическую систему, в которой каждый внутренний контур управляется сигналом от внешнего контура, т. е. является подчиненным по отношению к нему. Такое построение позволяет произвести оптимальную настройку с заданным качеством каждого контура и одновременно подчинить работу всех внутренних контуров регулированию основной выходной координаты системы.

В общем случае настройка контуров и выбор параметров регуляторов координат производятся по техническому (модульному) или симметричному оптимуму

При техническом оптимуме с помощью регулятора обеспечивается следующая желаемая передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура:

(3.146)

где Тм - некоторая постоянная времени контура; kо,с - коэффициент обратной связи

При реализации такой передаточной функции переходный процесс в контуре отображается кривой рис 2.10 и характеризуется перерегулированием Х=4,3 °/о и временем регулирования t1=4,1Tм.

Настройка на технический оптимум системы производится исходя из того условия, что постоянные времени каждого последующего контура больше предыдущего в 2 раза, т е. Тмi/Tмi-1=2,где i - номер контура. Такая настройка обеспечивает следующие показатели переходного процесса: при i=2 X=8 %, t1=7Tм; при i=3 X=6,2 %, t1=13,6 Tм.

При настройке контура на симметричный оптимум передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура имеет вид

(3.147)



Такая настройка в электроприводе обеспечивает астатическое регулирование координат и высокое быстродействие при отработке возмущающих воздействий, но переходные процессы при скачкообразных изменениях управляющих воздействий происходят с большим перерегулированием, доходящим до 55 %.

В системах автоматизированного электропривода постоянного и переменного тока в общем случае осуществляется регулирование тока, момента, напряжения, ЭДС, магнитного потока, скорости и положения как по техническому, так и по симметричному оптимумам. Здесь рассматриваются принципы построения и расчета электропривода по системе тиристорный преобразователь - ДПТ независимого возбуждения (ТП-ДПТ НВ), в котором осуществляется регулирование скорости по принципу подчиненного регулирования с настройкой контуров на технический оптимум.

в) Система регулирования скорости

Упрощенная структурная схема системы ТП-ДПТ НВ представлена на рис 3.66, а, где элементы привода - преобразователь П и ДПТ М - представлены своими передаточными функциями, kп и Tп - коэффициент усиления и постоянная времени преобразователя; Tя и Тм - постоянные времени соответственно цепи ДПТ и механической части привода.

Расчет и проектирование схемы управления электроприводом по принципу последовательной коррекции начинают с построения контура тока. Для этого в цепь управления вводится регулятор тока РТ (рис. 3 66, б) с неизвестной пока передаточной функцией Wp,т, на вход которого подаются сигналы задающей Uз,т и отрицательной обратной связи до току Uo,т=kтI.

Искомая передаточная функция регулятора тока Wp,т ищется путем приравнивания желаемой передаточной функции разомкнутого оптимизированного контура (3.146) и передаточной функции Wраз,т, образованной регулятором тока РТ, преобразователем II и якорем ЦЯ (П и ЦЯ образуют объект регулирования для контура тока с передаточной функцией Wо,т),

(3.148)

откуда получаем (3.149)

Обычно принимают постоянную времени контура тока Тм равной небольшой (около 0,01 с) постоянной времени преобразователя Тп.

Тогда передаточная функция регулятора тока принимает вид

(3.150)

где Ти=kтkп2Тп/Rя - постоянная времени регулятора.

Из (3.150) видно, что регулятор тока для рассматриваемого случая представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор.

Передаточная функция замкнутого контура тока определится как

(3.151)

т. е. замкнутый контур представляет собой систему второго порядка с малой постоянной времени Тп. Другими словами, введение регулятора тока с передаточной функцией вида (3.150) позволило скомпенсировать большую постоянную времени цепи якоря Тя и обеспечить оптимальный характер переходных процессов с отмеченными ранее показателями (см. рис. 2.10).

После расчета контура тока производится расчет и построение контура скорости. Для этого в систему вводятся регулятор скорости PC с неизвестной пока передаточной функцией Wp,c и отрицательная обратная связь по скорости с коэффициентом kc (рис. 3.66, в). После образования контура скорости контур тока, представленный на рис. 3.65, в передаточной функцией Wзам,т, оказался внутренним (подчиненным) для контура скорости, так как управляющий сигнал Uз,т на регулятор тока поступает с выхода регулятора скорости.

Передаточную функцию регулятора скорости определяют, как и для регулятора тока, по передаточной функции объекта регулирования скорости Wo,с, состоящему из контура тока и механической части привода, и желаемой передаточной функции разомкнутой системы регулирования скорости Wpаз,c.

Если пренебречь в (3.151) членом второго порядка 2Т2пр2, то передаточная функция Wo,с примет вид

(3.152)

Желаемая передаточная функция разомкнутой системы Wpaз,c определяется выражением (3.146) при подстановке в него ko,c=kc и Тм=2Тп

(3.153)

Разделив выражение (3.153) на (3.152), получим искомую передаточную функцию регулятора скорости Wр,с

(3.154)

Из (3.154) следует, что регулятор скорости представляет собой пропорциональный (П) регулятор, при включении которого оказывается скомпенсирована другая значительная постоянная времени электропривода Tм.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид

(3.155)

т. е. вся система электропривода представляет собой колебательное звено второго порядка, и в ней за счет настройки регуляторов тока и скорости в соответствии с их передаточными функциями обеспечивается оптимальное регулирование тока и скорости.

Рассмотрим статические характеристики электропривода, построенного по принципу подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией.

Большое достоинство систем с подчиненным регулированием состоит в простоте ограничения координат электропривода. Так, для ограничения тока якоря ДПТ и, следовательно, его момента необходимо ограничить на соответствующем уровне выходное напряжение регулятора скорости Uз,т. Для этого статическая характеристика регулятора скорости PC должна иметь ограничение, как показано на рис. 3.66, в. В результате этого обеспечивается участок I статических характеристик электропривода, показанных на рис. 3.67.

Выражение для участка II статической механической характеристики ДПТ может быть получено из условия равенства нулю напряжения управления на входе регулятора тока. При этом после несложных преобразований можно получить следующее выражение:

(3.156)

Статические механические характеристики электропривода, построенные по (3.156) для разных соотношений Tп и Tм, показаны на рис. 3.67. Так как параметры регуляторов выбираются из условия обеспечения заданного качества переходного процесса, то жесткость механических характеристик на участке II оказывается неконтролируемой и обычно невысокой. Отметим, что при симметричном оптимуме статические характеристики привода на участке II горизонтальны, т. е. электропривод является астатической системой по скорости.

б) Техническая реализация систем подчиненного регулирования

Широкому распространению систем подчиненного регулирования способствует помимо отмеченных достоинств выпуск промышленностью унифицированной блочной системы регуляторов (УБСР).

Эта система имеет несколько ветвей: аналоговую, выполняемую на обычных элементах электроники УБСР-А и на интегральных микросхемах УБСР-АИ, и цифровую - на обычных элементах УБСР-Д и на интегральных микросхемах УБСР-ДИ.

Аналоговая ветвь УБСР-А состоит из небольшого количества элементов - транзисторных усилителей постоянного тока, датчиков регулируемых параметров и командных задающих устройств, функциональных преобразователей и источников питания. В системе принят электрический сигнал постоянного тока напряжением 0±24 В, 0±10 мА, что позволяет собирать элементы системы в разных сочетаниях и выполнять их на базе серийных транзисторов общего назначения.

Основным элементом системы, с помощью которого выполняются схемы различных регуляторе электропривода, служит операционный усилитель постоянного тока УПТ-3 с высоким коэффициентом усиления (более 1000) и относительно малым дрейфом нуля.

Вторым типом усилителя системы УБСР-А является усилитель мощности УПТ 5, предназначенный для работы с внешними исполнительными устройствами с параметрами входных сигналов, отличающимися от принятых в системе. Кроме того, усилитель УПТ-5 можно использовать в качестве операционного.

При введении соответствующих обратных связей операционный усилитель может обеспечивать масштабное преобразование (усиление или ослабление) входной величины, ее интегрирование или дифференцирование, а также осуществлять пропорционально-интегральный (ПИ) и интегрально-пропорционально-дифференциальный (ИПД) законы управления электроприводом.

Для примера на рис. 3.68 показаны схемы П - и ПИ-регуляторов, собранных на базе операционного усилителя ОУ. Сигнал на выходе П-регулятора (рис. 3.68, а) пропорционален входному, т. е. Uвых=kUвх, где k=Ro,c/R1, откуда передаточная функция П-регулятора

(3.157)

Сигнал на выходе ПИ-регулятора (рис. 3.68, б) пропорционален входному сигналу и интегралу от входного сигнала, т. е.

(3.158)

гдеT0=Rо,сС, k=Rо,с/R1.

Передаточная функция ПИ-регулятора, соответствующая выражению (3.158), имеет вид

(3.159)

где Tи=T0/k=R1C.

Рассмотрим порядок расчета параметров регуляторов системы с подчиненным регулированием координат, реализуемых на базе операционных усилителей. Основой этого расчета является условие эквивалентности требуемых передаточных функций регуляторов тока (3.150) и скорости (3.154) и передаточных функций ПИ-регулятора (3.159) и П регулятора (3.157). Для реализации передаточной функции регулятора тока вида (3.150) параметры ПИ-регулятора (рис. 3.68, 6) должны удовлетворять следующим условиям:



(3.160)

которые после несложных преобразований можно представить в виде

(3.161)

Для реализации передаточной функции регулятора скорости вида (3.154) параметры П-регулятора (рис. 3.68, а) должны удовлетворять следующим условиям:

(3.162)

Пример расчета параметров регуляторов системы с подчиненным регулированием координат приведен в [13].

На рис. 3.68, в приведена структурная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат. Двигатель М получает питание от управляемого вентильного преобразователя УП. На валу ДПТ установлен тахогенератор BR, вырабатывающий сигнал обратной связи по скорости Uo,c=kc. Этот сигнал поступает на вход регулятора скорости PC вместе с сигналом задания скорости Uз,c.

Сигнал обратной связи по току Uо,т=kтI вырабатывает датчик тока ДТ, который, в свою очередь, получает сигнал с резистора Rш, включенного в цепь якоря ДПТ. Сигнал Uo,т поступает на вход регулятора тока вместе с сигналом задания тока Uз,т, снимаемого с выхода PC. Выходной сигнал РТ Uу, поступает в СИФУ преобразователем, которая осуществляет управление его вентилями.

Ограничение тока якоря обеспечивается стабилитронами VI, V2. Задающее напряжение сигнала скорости Uз,с может поступать на вход системы от задатчика интенсивности или другого источника задающего сигнала.

в) Пример электропривода, построенного по принципу подчиненного регулирования координат

Рассмотрим схему комплектного электропривода серии БУ 3608, построенного по принципу подчиненного регулирования координат. Устройства этой серии предназначены для создания на базе малоинерционных ДПТ - типа ПГТ, 2П и ПБСТ быстродействующих реверсивных электроприводов мощностью от 0,5 до 18,5 кВт с широким диапазоном регулирования скорости (до 10000: 1).

Эти устройства используют в электроприводах подач высокоточных копировальных станков, универсальных станков типа «обрабатывающий центр», станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и в других производственных механизмах. Для работы от системы ЧПУ предусмотрены специальные панели связи, преобразующие импульсные сигналы на выходе системы ЧПУ в аналоговые, подаваемые на вход регулятора скорости.

На рис. 3.69 показана упрощенная (без блоков питания, связи, логики, дополнительного токоограничения и некоторых других элементов) схема комплектного электропривода серии БУ 3608.

Силовая часть схемы образована трехфазным управляемым мостовым выпрямителем (преобразователем), собранным на тиристорах VS1 - VS6. Цепочки RC, включенные параллельно тиристорам, служат для их защиты от коммутационных перенапряжений. Реверс ДПТ осуществляется с помощью тиристорного коммутатора, собранного на тиристорах VS7 - VS10. При включении тиристоров VS7 и VS10 ДПТ вращается в одном направлении, при включении VS8 и VS9 полярность напряжения на якоре ДПТ изменяется и он реверсируется.

Для сглаживания пульсаций тока в якорную цепь включен дроссель L. С помощью вольтметра PV и амперметра РА, работающего от шунта RS, контролируют напряжение и ток ДПТ.

Напряжение на вход преобразователя поступает со вторичных обмоток трансформатора Т через рубильник Q. Другой комплект вторичных обмоток этого трансформатора предназначен для питания обмотки возбуждения ДПТ ОВ через неуправляемый выпрямитель VD1.

Импульсы управления поступают на тиристоры VS1 - VS10 от устройства ввода VS, один из каналов которого показан на рис. 3.69. В схему управления тиристорами входят также панель управляющего органа ПУО и панель формирования импульсов ПФИ, которые обеспечивают фазовый сдвиг управляющих импульсов в зависимости от выходного сигнала Uр,т регулятора тока РТ и формирование этих импульсов.

Регулятор тока РТ выполнен на базе операционного усилителя (см. рис. 3.68, б) по схеме ПИ-регулятора Требуемая передаточная функция регулятора, имеющая вид выражения (3.150), обеспечивается включением в цепь обратной связи операционного усилителя резистора R2 и конденсатора С2. Сигнал обратной связи по току Uo,т поступает на вход РТ с выхода неуправляемого выпрямителя VD2, который питается от трансформаторов тока ТA1 - ТАЗ, измеряющих ток в силовой цепи электропривода.

На второй вход регулятора тока поступает сигнал Up,с от регулятора скорости PC, собранный в этом устройстве также по схеме ПИ-регулятора на базе операционного усилителя. Применение ПИ-регулятора, а не рассмотренного ранее П-регулятора скорости позволяет в данном устройстве управления получить абсолютно жесткую механическую характеристику электропривода и реализовать построение системы по симметричному оптимуму.

Сигнал обратной связи по скорости ДПТ Uо,c вырабатывается тахогенератором BR, расположенным на валу ДПТ Задающее напряжение системы Uз,с устанавливают с помощью потенциометра RPI, получающего питание от источника напряжения ±10 В через контакты управляющих реле К1 и К2. Включение этих реле производят с помощью кнопок управления SB1 и SB2, а отключение - кнопкой SB3.

Основные панели данного устройства управления выполнены с применением интегральных микросхем. Комплектное устройство имеет открытое исполнение с возможностью монтажа в нормализованных шкафах, используемых в крупноблочных устройствах управления электроприводами.

15. Схема включения. Статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Схема включения ДПТ последовательного возбуждения приведена на рис. 3.70, а. На этой схеме приняты те же обозначения, что и на схеме включения ДПТ независимого возбуждения (см. рис. 3.1, a).

Основной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является включение его обмотки возбуждения OB последовательно с обмоткой якоря, вследствие чего ток якоря одновременно является и током возбуждения.

При получении выражений для статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения используем те же допущения, что и для ДПТ независимого возбуждения, и исходные формулы (3.1) - (3.3), в которых принято R=Rя+Rо,в+Rд. Согласно (3.1) - (3.3) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ последовательного возбуждения выражаются формулами

(3.163)

(3.164)

Магнитный поток Ф и ток I якоря связаны между собой кривой намагничивания, которая показана на рис. 3.70, б сплошной линией. В общем случае эта кривая не имеет точного аналитического выражения, поэтому нельзя получить и точных выражений для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. Тем не менее можно представить эту кривую с помощью какого-либо приближенного аналитического выражения, что позволит проанализировать вид характеристик ДПТ последовательного возбуждения.

В простейшем случае можно представить кривую намагничивания прямой линией, как это показано штриховой линией на рис. 3.70, б. Такая аппроксимация означает пренебрежение насыщением магнитной системы ДПТ последовательного возбуждения и позволяет выразить зависимость потока от тока следующим образом:

(3.165)

где б=tgц(см рис. 3.70, б).

При принятой аппроксимации момент ДПТ является квадратичной функцией тока

(3.166)

Подстановка (3.165) в (3.163) приводит к следующему выражению для электромеханической характеристики ДПТ последовательного возбуждения:

(3.167)

Если теперь в (3.167) с помощью выражения (3.166) выразить ток через момент, то получится следующее выражение для механической характеристики;

(3.168)

Для графического изображения характеристик ДПТ последовательного возбуждения отметим следующие положения, вытекающие из анализа выражений (3.167) и (3.168):

1. При I>0, M>0 >?, т. е. ось скорости является вертикальной асимптотой для характеристик ДПТ последовательного возбуждения.

2. При I>?, М>? >-R/(kб), т. е. прямая с ординатой =-R/(kб) является горизонтальной асимптотой характеристик ДПТ.

3. Зависимости (I) и (М) имеют гиперболический характер. Выполненный анализ позволяет представить характеристики ДПТ в виде кривых, показанных на рис. 3.71. Рассмотрим с их помощью энергетические режимы работы ДПТ последовательного возбуждения

Особенностью такого ДПТ является отсутствие у него генераторного режима работы параллельно с сетью (режима рекуперативного торможения). Характеристики ДПТ не пересекают ось скорости и не переходят во второй квадрант. Для ДПТ последовательного возбуждения не может быть однозначно определена скорость идеального холостого хода 0, так как теоретически при I>0, М>0 Ф>0 и 0>?. Отметим, что из-за наличия потока остаточного намагничивания Фост практически такая скорость может существовать. В этом случае она определяется выражением

(3.169)

Остальные режимы работы ДПТ последовательного возбуждения аналогичны режимам работы ДПТ независимого возбуждения, а именно: двигательный режим, имеющий место при 0<<?, режим короткого замыкания при =0 и режим генератора последовательно с сетью (режим торможения противовключением), имеющий место в четвертом квадранте при <0. Кроме названных, для ДПТ последовательного возбуждения существует также генераторный режим работы независимо от сети (режим динамического торможения), который рассмотрен в § 3.19.

Регулирование координат ДПТ последовательного возбуждения может осуществляться теми же способами, что и ДПТ независимого возбуждения, - путем изменения сопротивления добавочного резистора Rд в цепи якоря, магнитного потока Ф, подводимого к ДПТ напряжения U. Кроме этих основных способов, практическое распространение получили импульсные способы, а также регулирование в схеме с шунтированием якоря.

Полученные выражения (3.167) и (3.168) дают лишь общее представление о характеристиках ДПТ последовательного возбуждения и не могут быть использованы для инженерных расчетов. Причина этого заключается в принятой линейной аппроксимации кривой намагничивания, в то время как выпускаемые промышленностью ДПТ последовательного возбуждения работают на колене кривой намагничивания или даже в области насыщения магнитной системы.



Для получения реальных естественных характеристик ДПТ последовательного возбуждения в практических расчетах используются так называемые универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения. Эти характеристики представляют собой зависимости относительных значений скорости ДПТ *=/ном и момента M=M/Mном от относительного тока I*=I/Iном. Универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения приведены на рис. 3.72.

Пример 3.4. Рассчитать и построить естественные характеристики ДПТ последовательного возбуждения, имеющего следующие данные: Рном=3 кВт; ппом=960 об/мин; Uном=220 В; Iном=19 А; зном=0,89.

1. Определяем номинальные угловую скорость ном и момент Мном

ном=2рпном/60=23,14960/60=100 рад/с;

Мном=Pном/ном=3000/100=30 Нм.

2. Воспользуемся универсальными характеристиками ДПТ последовательного возбуждения рис. 3.72 и составим таблицу для расчетов,

1	I	0,4	0,8	1,2	1,6	2
2	M	0,3	0,8	1,25	1,7	2,38
3		2,1	1,2	0,9	0,7	0,6
4	= ном	210	120	90	70	60
5	M= M Mном	9	24	36	48	60
6	I =I Iном	7,6	15,2	22,8	30,4	38

Первые три строки таблицы заполняются с помощью характеристик рис. 3.72. Данные строк 4 - 6 получаются умножением относительных значений величин на номинальные значения соответствующих координат ДПТ. По данным строк 4 и 6 таблицы на рис. 3.73, а построена естественная электромеханическая, а по данным строк 4 и 5 - естественная механическая характеристики ДПТ (рис. 3.73, б).

16. Регулирование скорости, тока и момента дпт последовательного возбуждения с помощью резисторов в цепи якоря

Схема для реализации этого способа регулирования соответствует рис. 3.70, а, а искусственные характеристики описываются выражениями (3.163) и (3.164).

Для построения семейства реостатных характеристик отметим следующее:

1. При I>0, М>0 Ф>0, >?, т. е. для всех реостатных характеристик ось скорости является вертикальной асимптотой.

2. При фиксированных токе и моменте увеличение Rд ведет к снижению скорости.

Семейства искусственных реостатных характеристик ДПТ последовательного возбуждения представлены на рис. 3.74, а, б. Эти характеристики используются для регулирования скорости, тока и момента ДПТ последовательного возбуждения в установившемся и переходном режимах Регулирование координат этим способом характеризуется такими же количественными и качественными показателями, что и для ДПТ независимого возбуждения (см. § 32).

Для построения реостатных характеристик при известном Rд, удобно пользоваться следующим методом.

Запишем уравнения естественной и реостатной электромеханических характеристик в следующем виде:

(3.170)

(3.171)

Найдем отношение скоростей ДПТ последовательного возбуждения на естественной ei и искусственной иi характеристиках при фиксированном токе Ii, и выразим с его помощью скорость иi как

(3.172)

Порядок построения реостатных характеристик следующий:

1. Задаемся рядом значений тока ДПТ I1, I2… (см. рис. 3.74, а);

2. По имеющейся естественной электромеханической характеристике для этих значений тока определяются скорости e1, e2…

3. По (3.172) для данного Rд1 рассчитываются скорости и1, и2... и строится электромеханическая реостатная характеристика.

4. Для построения реостатной механической характеристики используются универсальные характеристики рис. 3.72, с помощью которых для токов I1, I2… определяются моменты М1, М2... Далее на плоскости (, М) (см. рис. 3.74,6) наносятся точки с координатами (и1, M1), (и2, М2)… и по ним строится характеристика.

Отметим, что необходимые для расчета значения Rя и Ro,в могут быть найдены по справочным данным, экспериментально или по следующей приближенной формуле:

(3.173)

Обратная задача, когда по заданной искусственной характеристике ДПТ или по отдельной ее точке находится соответствующее сопротивление резистора Rд, может быть решена двумя путями.

Первый из них - аналитический - предусматривает использование выражения (3.171). Если выразить из него Rд как искомую величину, то может быть получено следующее соотношение:

(3.174)

Если известны координаты (и,i, Ii) хотя бы одной точки заданной реостатной характеристики, то, определяя для тока Ii скорость ei на естественной характеристике, по (3.174) рассчитывается Rд.

В том случае, когда задана механическая реостатная характеристика или одна ее точка с координатами (иi, Мi,), вначале с помощью универсальных характеристик (3.72) по моменту Mi определяется ток, а затем повторяется вышеизложенный порядок расчета

Второй, графоаналитический способ расчета Rд рассмотрим на примере построения пусковой диаграммы для ДПТ последовательного возбуждения.

Пример 3.5. Для ДПТ последовательного возбуждения, технические данные которого приведены в примере 3.4, рассчитать и построить пусковую диаграмму при пуске в две ступени при моменте нагрузки Mс=25 Нм.

Построение пусковой диаграммы иллюстрирует рис. 3.75, а расчет ее проводится в следующем порядке:

1. В первом квадранте строим естественную характеристику ДПТ (I).

2. Задаемся максимальным током при пуске Il=2,5Iнoм=2,519=47,5 А, током переключения I2=1,2Ic=1,215,8=19 А и проводим вертикальные линии, соответствующие этим токам, до пересечения с естественной характеристикой.

3 По (3.173) определяем Rя+Rо,в=0,75(1-0,89)220/19=0,96 Ом. Во втором квадранте проводим вертикальную линию hf на расстоянии Rя+Rо,в=0,96 Ом от начала координат.

4. Проводим через точки 1 и 2 горизонтальные прямые до пересечения с линией hf в точках е и f.

5. Откладываем от начала координат отрезки 0a=R1=220/47,5=4,6 Ом и 0g=R2=220/19=11,6 Ом

6. Соединяем точки а и е, g и f и получаем две прямые, которые отражают линейную зависимость между скоростью ДПТ и сопротивлением якорной цепи при неизменном токе якоря. Последнее следует из выражения = (Uном-IR)/(kФ)=A-BR, где B=const при I=const.

7. Через точку а проводим вертикальную линию до пересечения с прямой gf в точке b, затем через точку b проводим горизонтальную линию до пересечения с прямой ае в точке с. Аналогично строим отрезки cd и de.

Из построения следует, что отрезок ос соответствует первой ступени пускового резистора Rд1, а отрезок de - второй ступени Rд2.

Действительно, в момент пуска (=0) ток в якоре I1=47,5 A, a сопротивление всей якорной цепи R1=Uном/I1=Rя+Rо,в+Rд1+Rд2=4,6 Ом. При разгоне ДПТ до скорости 1 ток в якоре снижается до I2. Происходит закорачивание первой ступени пускового резистора Rд1, ток вновь возрастает до значения I1, но ДПТ продолжает разбег уже по другой реостатной характеристике. При скорости 2 закорачивается вторая ступень Rд2 и ДПТ выходит на естественную характеристику.

Построение диаграммы считается правильным в том случае, когда отрезок de будет находиться на горизонтальной линии, проходящей через точку 1. Если это не произойдет, то построение следует повторить, варьируя токи I1 и I2.

Отметим, что построение реостатных характеристик на рис. 3.75 выполняется изложенным выше способом

17. Регулирование координат дпт последовательного возбуждения изменением магнитного потока и напряжения

Изменение магнитного потока используется главным образом для регулирования скорости ДПТ последовательного возбуждения. Схема, в которой осуществляется регулирование этим способом, приведена на рис. 3.76, а. В этой схеме параллельно обмотке возбуждения ОВ включен шунтирующий резистор Rш, при изменении сопротивления которого будут изменяться ток в обмотке возбуждения и магнитный поток ДПТ.

Механические характеристики ДПТ последовательного возбуждения при изменении магнитного потока показаны на рис 3.76, б. При Rш=? ДПТ последовательного возбуждения включен по своей основной схеме и имеет естественную характеристику.

При фиксированном моменте и, следовательно, токе якоря ДПТ уменьшение Rш приводит к уменьшению Iв, Ф, что, в свою очередь, в соответствии с (3.163) и (3.164) вызывает увеличение скорости ДПТ.



Поэтому искусственные характеристики ДПТ располагаются выше естественной, как это и показано на рисунке При I>0 M>0, Ф>0, >?, т. е. и в этом случае ось скорости является асимптотой для всех механических характеристик.

Показатели регулирования скорости этим способом для ДПТ последовательного возбуждения аналогичны таковым для ДПТ независимого возбуждения, рассмотренным в гл.3.

Регулирование координат ДПТ последовательного возбуждения изменением напряжения осуществляется в схеме рис. 3 77, а, в которой для этого используется источник регулируемого напряжения (преобразователь) П. Выходное напряжение преобразователя U регулируется в соответствии с изменением входного управляющего сигнала Uу. Механические характеристики ДПТ последовательного возбуждения при различных выходных напряжениях преобразователя показаны на рис 3.77, б. При U=Uном и пренебрежимо малом внутреннем сопротивлении преобразователя П ДПТ имеет естественную характеристику. При снижении напряжения в соответствии с (3.163) и (3.164) скорость ДПТ снижается и характеристики располагаются ниже естественной Существенно отметить, что жесткость характеристик не изменяется При I0, М0, Ф0, 0, т. е. ось скорости является асимптотой характеристик ДПТ.

Показатели регулирования координат путем изменения напряжения в основном соответствуют таковым для электропривода с ДПТ независимого возбуждения.

Некоторое практическое распространение получила реализация этого способа регулирования скорости применительно к многодвигательному электроприводу с ДПТ последовательного возбуждения, когда два одинаковых ДПТ работают на общий вал. Такая система электропривода находит применение в электрическом транспорте, на мощных разливочных кранах, в доменных подъемниках и т.д. Изменение подводимого к ДПТ напряжения в этом случае достигается путем их последовательного или параллельного включения. При включении ДПТ параллельно, как это показано на рис. 3.78, к ДПТ подводится полное (номинальное) напряжение сети и они вращаются с большой скоростью. При переключении их на последовательное соединение к каждому ДПТ подведено половинное напряжение сети и они вдвое снизят свою скорость Как видно, этот способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости.



18. Регулирование скорости дпт последовательного возбуждения в схемах с шунтированием якоря

На практике применяется схема с шунтированием якоря, показанная на рис. 3.79. Характеристики ДПТ последовательного возбуждения в этой схеме получим, проведя следующий качественный анализ.

Шунтирующий Rш и последовательный Rп, резисторы вместе с обмоткой возбуждения образуют делитель напряжения. За счет этого к якорю ДПТ подводится пониженное напряжение, и его характеристики располагаются ниже естественной.

При токе якоря I=0 ток возбуждения Iв=Iп за счет наличия шунтового резистора Rш не равен нулю. Поэтому отличен от нуля и магнитный поток и двигатель имеет определенную конечную скорость идеального холостого хода 0.

При скорости ДПТ большей 0 ток в якоре меняет свое направление, и ток возбуждения Iв=Iп по мере роста скорости уменьшается При стремлении тока якоря к значению I=?U/Rш ток возбуждения и магнитный поток стремятся к нулю, а скорость ДПТ - к бесконечности, т.е. вертикальная линия с абсциссой I=?U/Rш является асимптотой электромеханической характеристики, которая на основании проведенного анализа изображена на рис 3 80, а.

Для изображения участка механической характеристики во втором квадранте обратимся к формуле для электромагнитного момента ДПТ (3.3). При =0 I=0 и М=0, а при I ?U/Rш Ф0 и М0 Другими словами, ось скорости является асимптотой участка механической характеристики ДПТ во втором квадранте. Момент ДПТ, равный нулю при 0 и , в промежуточном интервале имеет максимум Мmax, что и отражено в механической характеристике рис. 3.80, б.

Схемы с шунтированием якоря ДПТ последовательного возбуждения применяются для обеспечения низких скоростей движения, а также получения определенной скорости идеального холостого хода ДПТ последовательного возбуждения. Такие схемы нашли применение в электрическом транспорте, электроприводе грузоподъемных машин и ряде других случаев.

19. Торможение дпт последовательного возбуждения

Для ДПТ последовательного возбуждения возможны два варианта тормозного режима: при его работе генератором последовательно с сетью (режим торможения противовключением) и независимо от сети (режим динамического торможения).

Торможение противовключением ДПТ последовательного возбуждения, как и для ДПТ независимого возбуждения, может быть осуществлено двумя путями. Один из них связан с изменением полярности напряжения на обмотке якоря при сохранении того же направления тока в обмотке возбуждения. Одновременно с этим для ограничения переходного тока в цепь якоря ДПТ вводится дополнительный резистор Rд.

В результате выполнения этих операций ДПТ (рис. 381) перейдет с естественной характеристики 1 на характеристику 2, участок bс которой соответствует режиму торможения противовключением.

Торможение противовключением также реализуется в том случае, когда ДПТ последовательного возбуждения будет нагружен активным моментом Мс, превышающим момент короткого замыкания Мк,з. Рассмотрим этот способ с помощью рис. 3.81.

Допустим, что ДПТ в исходном режиме работает в точке а на характеристике 1, преодолевая активный момент нагрузки Мс. Если теперь, не изменяя полярность напряжения на ДПТ, ввести в его якорную цепь дополнительный резистор Rд, то ДПТ будет иметь характеристику вида 3. Так как момент ДПТ при этом стал меньше момента нагрузки, то он начнет вначале тормозиться, а затем и разгоняться в противоположном направлении, пока в точке d моменты нагрузки Мс и ДПТ не сравняются. Двигатель при этом будет работать в режиме торможения противовключением.



Динамическое торможение ДПТ последовательного возбуждения реализуется в двух схемах его включения.

В первой схеме (рис. 3 82, а) обмотка возбуждения ОД через дополнительный резистор Rв подключается к источнику постоянного тока, а обмотка якоря замыкается на резистор Rд. Получается схема, типичная для ДПТ независимого возбуждения, в которой ДПТ последовательного возбуждения имеет характеристики, изображенные на рис. 3.82, б.

Специфичным для ДПТ последовательного возбуждения является динамическое торможение с самовозбуждением, которое реализуется по схеме рис. 3.83. Для возникновения и существования режима самовозбуждения необходимо выполнение следующих условий: 1) наличие остаточного магнитного потока в ДПТ Фост; 2) совпадение по направлению Фост и магнитного потока Ф, создаваемого током возбуждения; 3) замкнутая цепь якоря; 4) скорость ДПТ должна быть отличной от нуля;

5) наводимая в якоре ЭДС должна быть равна суммарному падений напряжения в резисторах якорной цепи, т.е. E=IR.

При выполнении этих условий торможение самовозбуждением происходит следующим образом Вследствие наличия остаточного магнитного поля при вращении якоря в нем наводится ЭДС, под действием которой по якорю и обмотке возбуждения ДПТ протекает ток. Этот ток создает основной магнитный поток Ф, который, совпадая по направлению с остаточным потоком Фост, приведет к увеличению ЭДС. Это, в свою очередь, повлечет за собой увеличение тока в ДПТ, и такой процесс самовозбуждения ДПТ будет продолжаться до тех пор, пока ЭДС не станет равной суммарному падению напряжения в цепи якоря.

Статические характеристики ДПТ последовательного возбуждения в этом режиме можно получить графоаналитическим способом, использовав условие E=IR. Для этого на одной плоскости (рис. 3.84, а) совмещаются характеристики холостого хода Е(I), представляющие собой зависимость ЭДС машины от тока возбуждения при фиксированной скорости якоря =const, и вольт-амперная характеристика цепи якоря IR(I).

Точки пересечения этих характеристик соответствуют установившемуся режиму при данных параметрах цепи якоря ДПТ и его скорости. Так, при суммарном сопротивлении цепи якоря R1 точками установившегося режима являются точки 1 2 и 3, а при другом, большем сопротивлении цепи якоря R2>R1 - точки 4 и 5.

Если теперь использовать координаты этих точек установившегося режима, а именно значения скорости и тока, то можно получить искомые статические электромеханические характеристики ДПТ. На рис. 3.84, б выполнено это построение, в результате которого получены электромеханические характеристики для двух принятых значений суммарного сопротивления цепи якоря R1 и R2. Механические характеристики ДПТ последовательного возбуждения могут быть получены из электромеханических характеристик при использовании универсальных характеристик.

Отметим, что для режима торможения с самовозбуждением существует определенное критическое сочетание параметров, соответствующее границе этого режима. Такому критическому сочетанию на рис. 3.84, а при сопротивлении цепи якоря R1 соответствует скорость 4=кр1 (при сопротивлении R2-скорость 3=кр2). При меньших скоростях самовозбуждение ДПТ не наступает.

Режим торможения с самовозбуждением используется для интенсивного электрического торможения в электроприводах транспортных в грузоподъемных машин.

20. Схема управления ДПТ последовательного возбуждения

Релейно-контакторные схемы управления ДПТ последовательного возбуждения при пуске, реверсе и торможении выполняются по тем же принципам времени, скорости (ЭДС), тока и пути, что и для других видов ДПТ. Многие типовые узлы, которые были рассмотрены ранее, могут быть использованы в электроприводе с ДПТ последовательного возбуждения,

Рассмотрим схему управления ДПТ последовательного возбуждения, показанную на рис. 3.85 Эта схема обеспечивает пуск ДПТ в две ступени по принципу времени и реверс или торможение противовключением по принципу ЭДС. Схема включает в себя пять однополюсных контакторов КМ, КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4; два контактора ускорения КМ5 и КМ6, контактор противовключения КМ7; реле противовключения KVI и KV2; реле времени КТ1 и КТ2; выключатели QF1 и QF2.

Органом управления в схеме является командоконтроллер SA, имеющий три положения: нулевое, «Вперед» и «Назад». Защиту электропривода обеспечивают максимальные реле КА1, КА2, реле напряжения KV и предохранители FA. Реле противовключения KVI и KV2 настраиваются таким же образом, что и в схеме рис 3 45, а.

Пуск ДПТ, например, в условном направлении «Вперед» осуществляется переводом командоконтроллера SA в положение «Вперед» Если защита находится в исходном положении, то это приведет к срабатыванию аппаратов КМ, КМ1, КМ2 и подключению ДПТ к сети Возникшее за счет пускового тока падение напряжения на резисторах Rп и Rд1 вызовет включение реле КТ1 и КТ2, которые разомкнут свои контакты в цепи аппаратов КМ5 и КМ6.

Одновременно с этим сработает реле KVI и своим контактом подаст питание на контактор КМ7. Последний, сработав, закоротит ступень противовключения Rп и одновременно катушку реле КТ1, которое, потеряв питание, начнет отсчет выдержки времени. Далее в порядке, рассмотренном выше для аналогичных схем, в функции времени произойдет последовательное закорачивание ступеней пускового резистора Rд1 и Rд2.

Для реверса командоконтроллер SA переставляется в положение «Назад». При его переходе в это положение отключаются аппараты КМ1, КМ2, КМ7, КМ5, КМ6, вводя в цепь якоря резисторы Rп, Rд1, Rд2 и подготавливая тем самым ДПТ к реверсу или торможению



При последующем включении аппаратов КМ, КМ2, КМ4 изменяется полярность напряжения на якоре ДПТ, и он переходит в режим торможения противовключением. В соответствии со своей настройкой реле KV2, несмотря на замыкание контакта КМ3 в своей цепи питания, не срабатывает, вследствие чего контакторы КМ7, КМ5 и КМ6 лишены питания и торможение происходит при полностью введенных в цепь якоря резисторах Rп+Rд1+Rд2.

По мере снижения скорости растет напряжение на катушке реле КV2 (см рис 346, б), и при скорости, близкой к нулю, произойдет его срабатывание. Если при этом контроллер остается в положении «Назад», то начинается процесс разбега ДПТ в этом направлении с рассмотренным выше порядком работы схемы.

Если при достижении нулевой скорости переместить контроллер в среднее положение, то ДПТ будет отключен от сети и схема вернется в исходное положение.

В общем случае точный анализ переходных процессов в электроприводе с ДПТ последовательного возбуждения и получение зависимостей изменения координат во времени являются сложными задачами. Это определяется тем, что дифференциальные уравнения для якорной цепи двигателя и механической части привода являются нелинейными из-за наличия в них произведения двух переменных - тока и магнитного потока для момента и скорости и потока для ЭДС. Дополнительное усложнение исследования связано с нелинейной зависимостью магнитного потока от тока, выражаемой кривой намагничивания, а также нелинейностью характеристик ДПТ. В связи с этим точное исследование Переходных процессов в электроприводе возможно только с помощью вычислительных машин. В практических инженерных расчетах, как правило, пользуются различными приближенными способами получения кривых переходного процесса



21. Схема включения и характеристики дпт смешанного возбуждения

Основная схема включения ДПТ смешанного возбуждения приведена на рис 3.86, а. Двигатель имеет две обмотки возбуждения - последовательную ОВП, включенную последовательно с якорем, и независимую ОВН. Магнитный поток ДПТ вследствие этого представляет собой сумму двух составляющих - потока Фо,в,н, создаваемого ОВН, и потока Фо,в,п, создаваемого ОВП.

Зависимость обеих составляющих и суммарного потока ДПТ Ф в функции тока показана на рис 3.86, б соответственно в виде штриховых линий 1 и 2 и сплошной линии 3. Важно отметить, что при токе якоря, стремящемся к значению - I1, магнитный поток Ф стремится к нулю, т.е. ДПТ размагничивается.

Электромеханическая и механическая характеристики ДПТ смешанного возбуждения выражаются соответственно формулами (3.163) и (3.164), в которых магнитный поток Ф также есть функция тока.

Для получения участков характеристик при >0 (второй квадрант) проведем следующий дополнительный анализ.

1 При I-I1 (см рис 3.86, б) магнитный поток Ф0 и согласно (3.163) . Таким образом, вертикальная линия, соответствующая значению тока I=-I1, является асимптотой электромеханической характеристики, вид которой показан на рис 3.87, а.

2 Механическую характеристику ДПТ смешанного возбуждения во втором квадранте можно получить из рассмотрения формулы электромагнитного момента ДПТ постоянного тока (3.3) Из нее следует, что когда I-I1 Ф0 и , момент ДПТ стремится к нулю. Другими словами, ось скорости является асимптотой механической характеристики Так как при =0 М=0, то на интервале скорости 0<< момент принимает экстремальное значение Мтах, а механическая характеристика имеет вид кривой, показанной на рис. 3.87, б.

Двигатель смешанного возбуждения, имея две обмотки возбуждения, сочетает в себе свойства как ДПТ независимого возбуждения, так и ДПТ последовательного возбуждения.

Двигатель смешанного возбуждения может работать во всех возможных режимах, а именно двигателем, генератором параллельно, последовательно и независимо от сети, а также в режимах холостого хода и короткого замыкания.

Регулирование координат ДПТ смешанного возбуждения может осуществляться всеми характерными для ДПТ способами, связанными с изменением магнитного потока, напряжения и сопротивления резистора в цепи якоря.

Управление ДПТ смешанного возбуждения осуществляется с помощью схем, рассмотренных применительно к ДПТ независимого и последовательного возбуждения.

Отметим, что из-за относительно невысоких технико-экономических показателей ДПТ смешанного возбуждения (высокая стоимость, повышенные масса, габариты и расход материалов) электропривод с ДПТ смешанного возбуждения применяется сравнительно редко.

Размещено на Allbest.ru