Электропривод на базе коллекторных двигателей постоянного тока

При достижении установившегося режима добавочное пусковое сопротивление закорачивают [10].

Во время пуска цепь обмотки возбуждения ОВ подключается к неподвижной контактной дуге д по которой скользит контакт П (рис.20а), чтобы во время пуска цепь возбуждения все время была под полным напряжением. Это необходимо для того, чтобы I_в и Ф при пуске были максимальными и постоянными, так как при этом при данных значениях I_я развивается наибольший момент М и наибольшее ускорение . С этой же целью регулировочный реостат возбуждения ставится при пуске в положение R_рв = 0 [32].

Если пуск производится вручную, то ступени реостата выводят, ориентируясь на показания амперметра, включенного в цепь якоря. Это возможно, если двигатель нагружен и момент инерции на его валу большой. Если производится пуск ненагруженного двигателя, то уже на первой ступени, т.е. при максимальном пусковом сопротивлении, он достигает скорости, близкой к режиму холостого хода, и дальнейшее выведение ступеней реостата мало влияет на ток двигателя [34].

Пуск ДПТ по схеме, изображенной на рис 20а, сложно автоматизировать. В автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рис.20в), которые поочередно шунтируются контактами К1, К2, К3 автоматически работающих контакторов [14].

В двигателях большой мощности вывод ступеней реостата производится под контролем токового реле: уменьшение сопротивления производится в тот момент, когда ток двигателя уменьшается до значения, соответствующего минимальному моменту М_мин [34].

Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1--2 ступени) [14].

Для поддержания постоянного ускорения привода следует постепенно уменьшать добавочное сопротивление таким образом, чтобы на всех стадиях пуска разность между моментом двигателя и моментом нагрузки (заштриховано на рис.21) находилась в определенных пределах и была достаточно велика.

Количество ступеней пускового реостата и величины их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при выбранных интервалах времени переключения ступеней максимальные и минимальные значения I_я на всех ступенях получились одинаковыми (рис.21) [14].

По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.

Пуск при пониженном напряжении

В процессе пуска (с увеличением скорости) напряжение должно повышаться с пускового значения до номинального. ОВ при этом нужно питать от источника с полным напряжением [14].

В качестве регулятора напряжения может выступать:

- отдельный генератор постоянного тока [14];

- управляемый выпрямитель [14];

- импульсный статический преобразователь (наиболее предпочтительный вариант).

В последнем случае ток в процессе пуска ограничивается на заданном предельном уровне, а регулирование напряжения осуществляется автоматически исходя из сравнения текущего и предельного значения тока (запуск с токоограничением). Посредством схемы управления задается так называемый токовый коридор. Между источником питания и ДПТ устанавливается силовой ключ, управляемый схемой ограничения тока. При достижении током предельного значения силовой ключ отключает обмотку, ток в ней спадает до нижнего граничного значения токового коридора, при котором ключ снова включается. Тем самым регулируется среднее значение напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Процесс повторяется до тех пор, пока ток превышает нижний порог ограничения. Далее разгон продолжается по естественной характеристике, и ток уменьшается до наступления установившегося режима [16].

1.15 Реверсирование

Для изменения направления вращения ДПТ (как и любого другого двигателя) необходимо изменить знак создаваемого двигателем электромагнитного момента. Согласно (3) М=c₀ФI_я.

Таким образом, изменение направления вращения в ДПТ может быть выполнено:

- путем изменения направления потока возбуждения Ф за счет изменения тока возбуждения I_в, что достигается изменением полярности напряжения U_в, подаваемого на ОВ, при использовании независимой ОВ;

- путем изменения полярности напряжения U, подаваемого на ОЯ. Изменение полярности производится при выключенном двигателе.

Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно заключается в переключении обмотки якоря [27].

При использовании ДПТ с последовательным возбуждением изменение знака напряжения U, прикладываемого к двигателю, не приводит к изменению направления его вращения, так как при этом одновременно меняет направление и ток якоря I_я, и поток возбуждения Ф.

Вследствие этого, для обеспечения возможности реверсирования двигатели выполняются с двумя ОВ. Обмотки наматываются в противоположные стороны и путем подключения той или иной обмотки можно задать различное направление МДС ОВ, что эквивалентно изменению направления тока ОВ. Таким образом, из двух имеющихся ОВ в каждый момент времени работает только одна.

При сравнительно небольшой мощности электродвигателей, применяемых в авиации, увеличение их габаритов вследствие наличия второй ОВ компенсируется уменьшением числа контакторов, повышением простоты и надежности схемы управления.

1.16 Регулирование частоты вращения ДПТ

Регулирование не следует смешивать с самопроизвольным изменением угловой скорости при изменении нагрузки (момента) на валу.

Особенности способов регулирования частоты вращения рассмотрим для ДПТ с НВ и ДПТ с ПВ. Скорость вращения двигателей смешанного возбуждения обычно регулируется так же, как и в двигателях параллельного возбуждения, хотя в принципе можно использовать также способы, применяемые в двигателях последовательного возбуждения [39].

При рассмотрении способов регулирования скорости вращения необходимо учитывать, что при изменении скорости вращения двигателя меняются условия охлаждения его частей, что особенно сильно проявляется в самовентилируемых двигателях, в которых при уменьшении скорости вращения необходимо снижать длительную мощность с целью избегания недопустимого перегрева.

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением сопротивления цепи якоря R_я.ц=R_я+R_доб (резистивное, реостатное управление)

Независимое и параллельное возбуждение ДПТ.

Осуществляется путем введения в цепь якоря добавочных активных сопротивлений R_доб (резисторов) при U = U_н, Ф = Ф_н.

Отметим, что для ДПТ с ПарВ цепь возбуждения должна быть включена на полное напряжение U (рис.23б) [32].

Характерные особенности регулирования:

1) Скорость идеального холостого хода =U/(с₀Ф) не меняется. То есть при М_с=0 (в режиме холостого хода) резистивное управление невозможно.

2) Регулирование однозонное, вниз от номинального значения скорости. При постоянной нагрузке на валу двигателя увеличение сопротивления в цепи якоря приводит к уменьшению скорости вращения ЭД.

3) Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления цепи якоря:

=М/= (с₀Ф)²/(R_я+R_доб) (29)

Это приводит к тому, что с увеличением R_доб способность «держать» заданную скорость при изменении момента нагрузки М_с уменьшается. Небольшое случайное изменение М_с на низких скоростях приводит к значительному изменению скорости . Это ограничивает диапазон регулирования _max/_min величиной допустимого изменения скорости при изменении момента нагрузки.

При номинальном моменте диапазон регулирования составляет от 3 до 4 (2...2,5 - [5,40]; не более 2 [10, 31]).

5) При уменьшении момента нагрузки уменьшается возможный диапазон регулирования скорости.

6) Введение дополнительных сопротивлений R_доб уменьшает пусковой момент М_п=с₀ФU/(R_я+R_доб) и ток короткого замыкания I_к.з=U/(R_я+R_доб). Это свойство используется при пуске двигателя для ограничения пусковых токов.

7) Значение сопротивления R_доб, которое необходимо включить в цепь якоря, чтобы получить угловую скорость показывает регулировочная характеристика (R_доб) (рис.25)

Недостатки.

а) Реостаты имеют большие габариты и массу.

Сопротивление R_доб должно быть рассчитано на длительную работу (в отличие от пускового сопротивления).

б) Низкая энергетическая эффективность.

Выражение для тепловых потерь в цепи якоря двигателя можно записать в виде

ДР=М(₀-)=М²(R_я+R_доб)/(с₀Ф)²

С увеличением сопротивления R_доб потери линейно растут и тем значительнее, чем более нагружен двигатель.

При уменьшении угловой скорости вдвое в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря [14].

Следует также отметить, что с уменьшением угловой скорости при самовентиляции ухудшается охлаждение двигателя.

в) Увеличение сопротивления цепи якоря приводит к увеличению электромеханической постоянной времени (Т_м = J_дв(R_я+R_доб)/(с₀Ф)²), что замедляет переходные процессы в ЭД, то есть увеличивает время выхода на установившийся режим.

г) Регулирование частоты вращения при реостатном регулировании - ступенчатое, что обуславливается дискретным изменением сопротивления. Получение большого числа ступеней затруднено, так как требует большого количества коммутирующих аппаратов (контакторов) [40].

д) Большие броски потребляемого тока при переключении ступеней резисторов в случае релейно-контакторной системы управления, что вредно для питающей сети [26].

е) Сложность автоматизации [34].

Преимущества:

а) Простота технической реализации.

б) Основные потери выделяются в регулировочном сопротивлении, которое вынесено за пределы машины.

Область применения

Способ регулирования применяется лишь в двигателях малой мощности для привода исполнительных механизмов, где потери энергии не вызывают особых проблем с теплоотводом [15].

Особенности регулирования для ДПТ с последовательным возбуждением.

При регулировании скорости вращения ДПТ с последовательным возбуждением путем изменения сопротивления в цепи статора поток Ф не остается постоянным.

Регулирование целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления [31].

Диапазон регулирования для ДПТ с последовательным или смешанным возбуждением 1:4 [26], обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки [31].

Область применения

Этот способ регулирования нашел широкое применение в крановых и тяговых электроприводах [31].

Регулирование скорости вращения ДПТ изменением потока (тока) возбуждения.

ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

Особенности регулирования:

1) Регулирование скорости осуществляется только при снижении потока возбуждения Ф (ослаблении магнитного поля).

2) Регулирование однозонное вверх от номинальной скорости.

3) С уменьшением потока возбуждения Ф возрастает скорость идеального холостого хода ₀ = U/(с₀Ф).

4) С уменьшением потока возбуждения Ф ток короткого замыкания I_якз=U_я/R_я остается постоянным, а момент короткого замыкания М_кз=с₀ФI_кз снижается.

5) С уменьшением потока возбуждения Ф жесткость механических характеристик уменьшается: =М/= (с₀Ф)²/R_яц

Тем не менее с учетом большого значения I_к.з = (20-50)I_н характеристики достаточно жесткие, и стабильность скорости относительно высокая [40].

6) Диапазон регулирования скорости при изменении потока возбуждения обычно не превышает 2,5 (не более 3 [10], не превышает 2-3 [16]; 3-4 [40]; для двигателей специального исполнения может достигать 10, но обычно составляет 2 [31]).

Нижний предел скорости (верхний предел потока) ограничивается насыщением магнитной цепи. На практике нижней границей диапазона регулирования обычно является номинальная скорость вращения.

Верхний предел скорости ограничивается [32]:

- механической прочностью машины;

- условиями устойчивости;

- увеличением искажающего действия реакции якоря;

- условиями коммутации:

- ростом вибрации щеточно-коллекторного узла;

- ростом реактивной ЭДС и увеличением искрения на коллекторе.

- вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря.

Преодоление ограничений (специальное исполнение ДПТ):

Если двигатель с параллельным возбуждением предназначается для широких пределов регулирования скорости вращения (например, 4:1) путем изменения тока возбуждения, то при ослабленном поле возбуждения реакция якоря может оказаться слишком сильной. Тогда необходимо для уменьшения реакции якоря выполнить двигатель с увеличенным воздушным зазором. Такие двигатели стоят дороже, чем нормальные двигатели с пределами регулирования скорости вращения примерно 1:1,5 [33].

Другой вариант используется в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря - раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют I_в = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов I_в и поток уменьшают. Искажающее влияние поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из ЭДС секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным [14].

7) Ток якоря не может длительно превышать номинального значения, на который рассчитаны обмотки. В связи с тем, что регулирование скорости достигается уменьшением магнитного потока, с увеличением скорости должен уменьшаться допустимый момент нагрузки: M_доп=с₀ФI_ном<М_ном (штриховая линия на рис.29а).

Из уравнения (4), при

I_я = I_доп = I_ном следует:

с₀Ф = U_ном-I_номR_я/

и М_доп= (U_ном-I_номR_я/)*I_ном

или Р_доп= М_доп= U_ном I_ном- I_ном²R_я = const.

то есть при данном способе регулирования неизменна допустимая мощность, снимаемая с вала машины.

При регулировании с Р=const при прочих равных условиях достижимый диапазон регулирования будет тем меньше, чем больше высота оси вращения и выше номинальная скорость.

В ряде случаев повышение скорости вращения может быть обеспечено только при снижении мощности двигателя ниже номинальной [22].

Регулировочная характеристика

Достоинства:

1) Малая мощность управления, так как мощность цепи возбуждения намного меньше мощности двигателя (как правило, она составляет 2-5% мощности двигателя).

КПД двигателя остается высоким. Например, при реостатном управлении потери в регулировочном реостате незначительны, так как ток возбуждения составляет небольшую долю номинального тока якоря. К тому же при уменьшении I_в мощность возбуждения U_вI_в уменьшается [14].

2) Регулирование скорости плавное, можно получить характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу [40].

3) Простота реализации рассматриваемого способа регулирования и отсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии [40].

Недостатки:

1) Невозможность уменьшения скорости вращения ниже номинальной.

Это существенно ограничивает область применения данного способа регулирования. Способ обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной [40].

2) Нелинейность регулировочной характеристики.

3) Неоднозначность регулировочной характеристики при определенных значениях момента [28].

4) Непостоянная жесткость механических характеристик при различных значениях потока [28].

Способы реализации:

1) Реостатно-контакторное управление (рис). Ток возбуждения изменяется путем ступенчатого регулирования сопротивления в цепи возбуждения. Этот способ менее надежен. Как и во всяких контактных системах в данном случае требуются профилактика и ремонты [19].

2) Использование управляемого полупроводникового выпрямителя [19].

3) Импульсное управление.

В электрооборудовании ЛА этот способ применяют для стабилизации угловой скорости электромашинных преобразователей рода тока. Рекомендуется использовать при >_ном при двухзонном регулировании в сочетании с якорным управлением [15].

ДПТ с последовательным возбуждением

Изменение величины потока возбуждения в ДПТ с ПВ возможно следующими способами:

- шунтирование обмотки возбуждения реостатом (рис.32а). Изменение сопротивления R_ш будет влиять на ток возбуждения I_в= I_я - I_ш [31].

- уменьшение числа включенных в цепь питания витков обмотки возбуждения. В этом случае предусматриваются соответствующие выводы из обмотки возбуждения [14].

- шунтирование обмотки якоря реостатом R_ш.а. При уменьшении R_ш.а ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения на R_в мало и поэтому можно принять R_в = 0, то сопротивление R_ш.а практически находится под полным напряжением сети, его величина должна быть значительной, потери в нем будут велики и КПД сильно уменьшится. Кроме того, шунтирование якоря эффективно только тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко [14].

Остановимся на первом способе.

С уменьшением величины R_ш увеличивается ток I_ш, уменьшается ток I_в , уменьшается поток Ф, увеличивается угловая скорость (рис.32б).

а)	б)
Рис. 32. Схема (а) и механические характеристики ДПТ (б) с посл.возбуждением при регулировании путем изменения потока (Rш1> Rш2) [25,31]

Данный способ регулирования является достаточно экономичным: сопротивление последовательной обмотки возбуждения мало, поэтому сопротивление R_ш также выбирается малым. Потери в сопротивлении R_ш поэтому тоже малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого КПД двигателя остается высоким [14]. Потери энергии примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения [31].

Диапазон регулирования, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке [31].

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках [31].

Регулирование угловой скорости ДПТ изменением питающего напряжения (якорное управление).

ДПТ независимого возбуждения

Рис. 34. Механическая (а) и регулировочная(б) характеристика ДПТс независимым возбуждением [37].

Особенности регулирования

1) Регулирование однозонное. Регулирование возможно только при уменьшении напряжения вниз от номинального значения. При этом скорость вращения изменяется вниз от номинального значения.

2) При уменьшении напряжения питания скорость идеального холостого хода _ихх=U/(с₀Ф) уменьшается.

3) Жесткость характеристики в=dM/d=(с₀Ф)²/R_я.ц не зависит от напряжения и достаточна высока. Как следствие, достаточно высокая стабильность скорости.

Отметим, что жесткость получаемых механических характеристик ниже, чем у естественной характеристики двигателя, поскольку R_я.ц = R_я + R_п , где R_п - сопротивление преобразователя (статического или якоря генератора, см.далее) [40].

4) Регулирование скорости может быть реализовано при постоянном моменте сопротивления: М_доп=const.

Следует отметить, что понижение скорости в машинах с самовентиляцией сопровождается ухудшением охлаждения. При этом при продолжительном режиме работы на пониженной скорости нагрузочный момент должен быть ниже номинального [22].

5) Диапазон регулирования в разомкнутой структуре составляет 10...12; 8...10 [10].

Достоинства:

1) Линейность регулировочных характеристик (при отсутствии нелинейности в характере нагрузки) - одно из важнейших достоинств коллекторных ДПТ [23].

2) Большой диапазон регулирования.

3) Регулирование плавное [40].

4) Способ экономичен в эксплуатации, поскольку не используются дополнительные резисторы, рассеивающие энергию [40].

Капитальные затраты определяются типом используемого УП. Следует отметить, что при управлении напряжением отпадает необходимость в пусковых и тормозных резисторах с соответствующей коммутационной аппаратурой [40].

Способ часто используется в сочетании с ослаблением поля и является основным при построении замкнутых структур электропривода [40].

ДПТ последовательного возбуждения

Рис. 35. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики ДПТ с последовательным возбуждением (без учета насыщения) (U₃<U₂<U₁) [31].

а)***	б)***

Регулировочные характеристики в отличие от случая с независимым возбуждением не параллельны, а представляют собой пучок прямых линий, исходящих из точки с указанными координатами.

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше [31].

Достоинством способа является высокий КПД [31].

Данный способ регулирования ДПТ с ПВ широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного подключения к источнику напряжения на последовательное (т.е. ступенчатое уменьшение напряжения) [32].

Способы реализации.

1) Электромеханический способ, при котором изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя, может осуществляться генератором постоянного тока независимого возбуждения. Такая система получила название "генератор-двигатель" - Г-Д (рис. 31) (иногда можно встретить название "агрегат Леонарда" [14]).

Достоинства [40]:

- двусторонняя проводимость генератора, т.е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах;

- отсутствие искажений питающей сети;

- высокий коэффициент мощности.

- регулирование скорости вращения двигателя в широких пределах производится управлением сравнительно небольшой мощности, в 50-100 раз меньшей, чем на выходе генератора;

- способ регулирования позволяет реализовать динамическое и генераторное торможение двигателя, а также осуществить реверс (путем изменения направления тока в ОВ генератора).

Недостатки:

- большая масса, габаритные размеры и стоимость [34];

- невысокий КПД системы (трехкратное преобразование энергии): примерно 0,6 ...0,7 [34];

- необходимость обслуживать генератор;

- инерционность цепи управления.

Область применения

Данный вариант не применяли в электроприводах малой мощности [16], обычно применялся при значительных мощностях (сотни кВт и выше), например, в металлургии, мощных экскаваторах [40].

В настоящее время применяется ограниченно.

2) Электрический способ, при котором изменение напряжения питания ДПТ осуществляется с помощью управляемого статического преобразователя (система УП-Д, рис.32).

Рис.37. Система УП-Д [40]

2.1) Использование в качестве УП управляемого выпрямителя (УВ) (рис.38).

Тиристоры УВ включаются схемой управления с задержкой на угол б по отношению к моменту естественного включения.

Достоинства:

- отсутствие вращающихся машин;

- высокий КПД, за счет низкого падения напряжения в тиристорах [43];

- не требуют обслуживания;

- имеют высокое быстродействие.

Способы регулирования скважности ф/Т [43]:

1) При T=const (f=const) и регулировании времени включения ключа ф. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а ИРН - широтно-импульсным преобразователем (ШИП).

2) При ф=const и регулировании частоты импульсов f (периода Т). ИРН в этом случае называют частотно-импульсным преобразователем (ЧИП).

3) При изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния ключа. ИРН называт в этом случае широтно-частотный импульсный преобразователь (ШЧИП).

Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование скорости вращения.

При изменении момента нагрузки ДПТ степень изменения скорости зависит от жесткости механической характеристики.

Если для качественной работы приводимого в движение агрегата требуется поддерживать скорость постоянной (а жесткость характеристик в разомкнутой системе УП-Д оказывается недостаточной), применяют замкнутые системы по скорости, т.е. вводят отрицательную обратную связь по скорости [40].

Для этого необходимо включить в систему измерительный орган (датчик скорости), в качестве которого на рис.44 приведен тахогенератор ТГ. Сигнал с выхода тахогенератора Е_ТГ=k сравнивается с задающим сигналом U'з (соответствующим заданной скорости), а разность U'_з - k подается на вход управляемого преобразователя УП (отрицательная обратная связь по скорости). Исходя из сигнала рассогласования U_вх=U'_з - k формируется сигнал управления УП и на выходе УП (входе ДПТ) формируется требуемое напряжение Е_п [40].

Пусть привод был нагружен моментом М_с1 и работал в т.1 (рис. 45). Затем момент сопротивления увеличился до значения М_с2. В разомкнутой схеме этому изменению соответствовала бы точка 2', так как изменение М_с не приводило бы к изменению выходного напряжения преобразователя Е_п [40].

В замкнутой системе уменьшение скорости повлечет за собой рост входного сигнала U_вх=U'з-k, а значит и Е_п. Следовательно, при М_с2 привод перейдет на характеристику, соответствующую Е_п2>Е_п1 и будет работать в точке 2. В рассматриваемой схеме ₂<₁, так как увеличение U_вх, а значит и Е_п возможно лишь за счет некоторого уменьшения . Такие системы называют статическими, в отличие от астатических, где =0 [40].

Стабилизация (ограничение) момента ДПТ

Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, некоторой предельной величины М_пред.. В системе УП-Д эту задачу можно решить, снижая ЭДС преобразователя при достижении моментом величины М_пред. Эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном случае целесообразно использовать обратную связь по моменту или по току, который ему пропорционален (при Ф = const), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током некоторого заданного значения. Такие обратные связи называют нелинейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УП-Д с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис.46 [40].

На вход управляемого преобразователя УП при I<I_пред поступает лишь сигнал задания, поскольку сигнал обратной связи по току заперт вентилем В (IR_ос<U_оп). При достижении моментом величины М_пред отрицательная обратная связь по току начинает действовать, т.е.U_вх = U_з - бI. Снижается Е_п и рост момента ограничивается. Изменением U_з можно установить требуемую характеристику (рис. 47), а изменением U_оп - задать нужный предельный момент [40].

1.18 Замкнутые системы управления электроприводами

Наибольшее применение в электроприводах нашел принцип подчиненного управления. Электроприводы с системой управления, построенной по подчиненному принципу, имеют, как правило, два контура регулирования: контур тока и контур скорости (рис.48).

Подчиненное регулирование основано на том, что внешний контур вырабатывает сигнал задания для внутреннего контура. Внутренний контур является звеном внешнего контура и его параметры учитываются при оптимизации последнего.

Структурная схема тиристорного электропривода с двухконтурным подчиненным регулированием скорости.

В качестве регулятора тока РТ и регулятора скорости РС может использоваться, например, пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор

Устойчивой работы привода можно достичь и при пропорциональном регуляторе скорости. Однако при этом в контуре появляется статическая ошибка, то есть в установившемся состоянии скорость двигателя будет отличаться от заданного значения. Особенно это отличие будет проявляться при нагруженном двигателе.

Задающим сигналом для второго внешнего контура является сигнал задания угловой скорости U_ЗС, а для первого - сигнал с выхода регулятора скорости PC - U_ЗТ.

Настройку каждого контура производят так, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс, например, чтобы время выхода на установившийся режим t₁ было минимальным при условии, что перерегулирование не будет превышать 4...10%.

В результате реализации системы подчиненного регулирования ДПТ утрачивает свои естественные свойства. Процесс пуска протекает в системе следующим образом. Контур регулирования тока первоначально вынуждает ток ДПТ следовать задающему сигналу, угловая скорость же вращения ДПТ устанавливается в соответствии с нагрузкой. Внешний контур осуществляет регулирование согласно заданному значению и, исходя из ошибки регулирования Д, вырабатывает сигнал задания тока U_ЗТ, в соответствии с которым устанавливается ток ДПТ.

Ограничение заданного тока приводит к ограничению тока двигателя. Если заданная изменяется скачком на значительную величину, то возникает такая ошибка регулирования, что вступает в действие ограничение задания тока. ДПТ разгоняется при одновременном ограничении тока, пока ошибка регулирования не уменьшится настолько, что значение тока станет меньше предельно допустимого значения. В связи с этим становится возможным прямой пуск ДПТ без проявлений недопустимых перегрузок привода. Однако при работе токоограничения фактически размыкается контур регулирования скорости и разгон (торможение) идет с постоянным ускорением, что затягивает переходные процессы.

1.19 Тормозные режимы работы ДПТ

Тормозные режимы используются для осуществления быстрой остановки двигателя.

Особенности:

- электромагнитный момент и скорость вращения направлены противоположно.

- тормозные режимы - самые тяжелые с точки зрения нагрева частей электрической машины, поэтому большинство двигателей рассчитано лишь на кратковременную работу в тормозных режимах.

При рассмотрении тормозных режимов работы ДПТ имеет значение характер момента нагрузки (сопротивления). Его можно разделить на два вида:

- реактивный момент нагрузки (его знак определяется направлением вращения ДПТ)

- потенциальный (активный) момент нагрузки (его знак не зависит от направления вращения ДПТ).

Генераторное (рекуперативное) торможение.

На механических характеристиках (рис.50) рекуперативному торможению соответствуют участки ab и a'b'.

ДПТ переходит в режим рекуперативного торможения, когда угловая скорость двигателя становится больше угловой скорости идеального холостого хода _0.

Если якорь ДПТ начнет вращаться со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода, то ЭДС двигателя Е=с₀Ф будет больше приложенного напряжения U=с₀Ф₀, в результате чего ток в якоре двигателя I_я=(U-E)/R_яц и момент М=с₀ФI_я изменят свой знак. Механическая (кинетическая) энергия, запасенная ДПТ, преобразуется в электрическую и за вычетом потерь в двигателе рекуперируется в сеть.

Реализация

ДПТ с независимым и параллельным возбуждением

Переход в режим рекуперативного торможения возможен, если момент сопротивления М_с будет направлен в ту же сторону, что и вращающий момент М, т.е. будет движущим и помогать вращению.

Данный режим возникает в приводе грузовой лебедки с двигателем параллельного возбуждения при опускании груза. Груз создает потенциальный момент, который совпадает по направлению со скоростью вращения. В результате этого скорость становится больше скорости идеального холостого хода. В отличие от случая свободно движущегося груза под действием силы тяжести, в случае работы привода в режиме генераторного торможения груз движется с неизменной ограниченной скоростью [2].

Рекуперативное торможение при импульсном регулировании [34].

Возможно осуществление при ЭДС двигателя, меньшей напряжения сети. В связи с этим рекуперативное торможение может осуществляться почти до полной остановки.

По мере снижения частоты вращения n и ЭДС Е для поддержания требуемого значения тока I_acp увеличивают частоту тока при частотно-импульсном регулировании или длительность импульса t_и. при широтно-импульсном. При малой частоте вращения, когда г растет до единицы, якорь машины остается все время замкнутым накоротко и отдача энергии в сеть прекращается. Однако ток I_acp проходит через якорь и режим торможения осуществляется практически до полной остановки.

Частота вращения n_кр, при которой прекращается рекуперативное торможение,

n_кр = (I_acpR_сум+R_и.п)/(с₀Ф)

где R_и.п -- сопротивление элементов импульсного прерывателя (тиристоров и индуктивности L), по которым замыкается ток i_a.

Достоинство:

Режим торможения является экономичным, так как электроэнергия возвращается частично в сеть [2].

Рекуперативное торможение ДПТ с последовательным возбуждением

Не могут работать в режиме рекуперативного торможения.

При повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит (механическая характеристика оси ординат не пересекает). Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно изменяться на обратное, а направление ЭДС Е и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения [41].

Если необходимо иметь рекуперативное торможение, схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением [34].

Область применения

Рекуперативное торможение широко применяется на электрифицированных железных дорогах и является важным источником экономии электроэнергии [39].

Торможение противовключением

Этот режим имеет место тогда, когда обмотки двигателя включены для вращения в одну сторону, но под действием внешнего момента или сил инерции ротор вращается в противоположную сторону [31].

Двигатель переходит в режим торможения противовключением в двух случаях:

- когда изменяется знак скорости двигателя при сохранении знака момента (рис.41, 4-й квадрант, участок cd);

- когда изменяется знак момента двигателя при сохранении знака скорости (рис.41, 2-й квадрант, участок c'd').

2.1. Первый случай имеет место, когда момент сопротивления М_с превысит момент короткого замыкания М_кз (это возможно, если момент сопротивления - потенциальный).

При этом сначала двигатель начнет тормозиться, а затем, под влиянием М_c изменит направление вращения и начнет разгоняться в направлении, противоположном действию момента двигателя.

При новом направлении вращения ЭДС двигателя Е совпадет по знаку с приложенным к якорю напряжением U. Ток якоря станет больше пускового тока:

I_я=(U-(-E))/R_яц > I_яп=U/R_яц ,

а момент М будет превышать пусковой момент М_п (рис.50, участок cd). Установившийся режим наступит при М=М_с.

Реализация

Переход ДПТ в режим торможения противовключением может, например, произойти после введения в цепь якоря большого добавочного сопротивления R_доб. Ток якоря I_я в этом случае уменьшится, момент двигателя М станет меньше статического момента нагрузки М_c.

Режим торможения, описанный в п.2.1, широко применяется в грузоподъемных механизмах для опускания грузов и называется в таком случае тормозным спуском [31].

2.2. Второй случай имеет место, когда при реактивном моменте сопротивления М_c изменяется полярность напряжения на зажимах якоря U. В этом случае ток якоря изменит свое направление: I_я=(-U-E)/R_яц и момент двигателя М=с₀ФI_я станет тормозным (направленным встречно инерционному вращению двигателя) и превышающим по модулю пусковой момент (рис.50, c'd', второй квадрант). Двигатель начинает интенсивно тормозиться, рабочая точка смещается в точку c', соответствующей остановке двигателя. Если в этот момент времени не отключить двигатель от сети, то он начнет вращаться в другую сторону. При реактивном моменте сопротивления новый установившийся двигательный режим наступит в третьем квадранте (в точке М=М_с). Если момент сопротивления потенциальный - в четвертом квадранте (в точке М=М_с) [2].

Особенности торможения противовключением у ДПТ с последовательным возбуждением

2.1. Торможение противовключением ДПТ с ПВ в случае, когда потенциальный момент сопротивления М_с превысит момент короткого замыкания М_кз. осуществляется так же, как и в ДПТ с НВ (рис.44в)

2.2. Торможение противовключением ДПТ с ПВ при изменении полярности.

При реактивном моменте сопротивления у ДПТ с ПВ наряду с изменением полярности напряжения на обмотке якоря на противоположную необходимо одновременно переключить концы последовательной обмотки возбуждения. В этом случае ток якоря изменит свое направление, а направление (знак) потока останется прежним. Как и в случае с ДПТ с НВ создастся тормозной момент, рабочая точка перейдет во второй квадрант (рис.54б) [31].

При этом происходит интенсивное торможение и угловая скорость вращения двигателя падает до нуля (точки N рис.54б). Если в этот момент времени не отключить двигатель от сети, то направление вращения изменится на противоположное, т.е. двигатель реверсируется. Это, безусловно, накладывает ограничения на применимость данного способа торможения.

При потенциальном моменте сопротивления М_с описанный перевод ДПТ с ПВ в режим торможения простивовключением недопустим, так как привод неограниченно увеличит скорость (асимптотически приближаясь к оси ординат в направлении вниз, рис.54б) [2].

В режиме торможения противовключением энергия поступает в привод и со стороны механизма, и от сети и рассеивается в сопротивлениях якорной цепи [40].

Режимы торможения противовключением характеризуются резким увеличением тока якоря. Для ограничения токов иногда в цепь якоря включают добавочные резисторы R_д, однако, эффективность торможения при этом снижается, так как уменьшаются тормозные моменты [2].

Достоинство:

- самый эффективный вид электрического торможения [2].

Недостаток:

- не экономичный способ с энергетической точки зрения. Большое количество энергии выделяется на добавочном сопротивлении, которое необходимо включить в якорную цепь для ограничения бросков тормозного тока [31]

При U_я=0 ток якоря спадет до нуля, а потом изменит свое направление:

I_я.д.т=-Е/R_яц =-с₀Ф/R_яц

и будет протекать под действием противоЭДС.

Ток I_я.д.т будет превосходить I_я.ном, поэтому необходимо ограничивать величину максимального тормозного тока в момент переключения [31].

Изменение направления тока вызовет появление тормозного момента

М_т=с₀ФI_я=-(с₀Ф)²/R_яц.

Двигатель начнет работать как генератор постоянного тока, потребляя запасенную кинетическую (механическую) энергию вращающегося по инерции ротора (что и вызывает торможение) и генерируя электрическую энергию, расходуемую на нагрев резистора R_т.

Достоинство:

- достаточно высокая экономичность: двигатель работает генератором на постоянную нагрузку, потребляя из сети энергию только на электромагнитное возбуждение [31].

Недостаток:

- снижение эффективности торможения с уменьшением скорости вращения, т. к. тормозной момент М_т прямо пропорционален [31].

Динамическое торможение ДПТ с последовательным возбуждением.

Применяется реже, чем торможение противовключением [39].

1) Динамическое торможение при переводе ДПТ на независимое возбуждение.

2) Динамическое торможение ДПТ в режиме самовозбуждения

В случае с ДПТ с ПВ отключаются от источника напряжения и замыкаются на внешний резистор и обмотка якоря и обмотка возбуждения.

Если это будет сделано так, как показано на рис.59а, токи якоря и возбуждения сначала спадут до нуля. Далее под действием потока остаточного магнетизма Ф_ост в проводниках якоря возникает некоторая ЭДС Е_ост. Эта ЭДС создаст токи якоря и возбуждения, которые будут протекать по сравнению с двигательным режимом в обратном направлении. Ток возбуждения такого направления размагнитит машину (Ф = 0). Тормозного момента создано не будет [40].

Перевод ДПТ с ПВ в режим динамического торможения

Для создания тормозного момента ток возбуждения, созданный (как и ток якоря) остаточной ЭДС Е_ост, должен протекать в том же, что и раньше, направлении, усиливая магнитный поток [40]. Такой процесс называют самовозбуждение двигателя.

Итак, для этого остаточный магнитный поток Ф_ост должен быть такого знака, чтобы при данном направлении вращения ЭДС Е_ост, наводимая остаточным магнитным потоком, вызывала ток возбуждения, увеличивающий магнитный поток [13].

Это условие выполнится, если при переходе на режим торможения переключить обмотку возбуждения так, как показано на рис.59б [40]. Другой вариант - переключение ОЯ [13].

Ток, создаваемый увеличивающейся ЭДС, изменит знак, момент будет направлен против движения, т.е. станет тормозным (второй квадрант) [40].

При этом вначале происходит интенсивное самовозбуждение, которое ведет к скачку тормозного момента. Такое ударное, а не "вязкое" торможение для ряда механизмов бывает неприемлемым и это ограничивает применимость данного способа торможения [31].

Также ДПТ самовозбудится, при изменении направления вращения, например, за счет внешнего момента, т.е. при Щ<0 (четвертый квадрант) [13].

Работа машины постоянного тока с самовозбуждением возможна лишь при определенных условиях, а именно при таких значениях скорости Щ и сопротивления цепи якоря R_яц=R_я+R_в+R_т, чтобы имело место равенство Е=I_яR_яц.

Существованию этого равенства отвечает наличие точки пересечения кривых Е=с₀ФЩ=f(I) (при данной скорости) и прямой I_яR_яц = f(I) (рис.60). Очевидно, что чем больше R_яц, тем при большей скорости произойдет самовозбуждение машины .

Достоинством торможения с самовозбуждением является его экономичность. Двигатель в этом случае не потребляет энергию из сети [31].

Сравнение энергетических показателей динамического торможения и торможения противовключением показывает, что потери электроэнергии в якорной цепи в режиме противовключением относятся к потерям при динамическом торможении, как 3:1, а при реверсе - 4:1 [5].

1.20 Номинальные и допустимые данные ДПТ [40]

Номинальные данные указываются на заводском шильдике (или в паспорте).

Для двигателей, предназначенных для работы в продолжительном режиме, к ним относятся:

- напряжение U_ном, В;

- ток I_ном, А;

- мощность на валу Р_ном, кВт;

- частота вращения n_н, об/мин;

- КПД з_ном;

- напряжение возбуждения U_в.ном, В (для двигателей независимого возбуждения);

- ток возбуждения I_в.ном, А (для двигателей независимого возбуждения);

- момент инерции J_н, кг?м²,

- исполнение двигателя IP.

Номинальные данные соответствуют одной точке в плоскости -М. В действительности электропривод работает в любых точках и совсем не при номинальных данных. Определим допустимые значений основных координат - тока, момента, скорости.

Напряжение ограничивается номинальным значением U?U_ном. В реверсивных электроприводах допускается на время реверса (кратковременно) двукратное превышение номинального значения.

Магнитный поток также ограничен номинальной величиной Ф?Ф_ном, поскольку при ее длительном превышении ток возбуждения, превышающий номинальный, может вызвать недопустимый перегрев обмоток. Кратковременное (до минуты) двукратное увеличение тока возбуждения, используемое, например, в электроприводах с питанием якорной цепи от источника тока, допустимо, однако вследствие насыщения магнитный поток при этом увеличивается незначительно.

При форсировках - ускоренном нарастании магнитного потока - допустимо кратковременное 2-3 - кратное превышение номинального напряжения возбуждения.

Скорость по условиям механической прочности ограничена номинальным значением с небольшим 20-30% допустимым превышением; специальные двигатели, предназначенные для работы с ослабленным полем, допускают 3-4-кратное превышение номинальной скорости.

1.21 Примеры областей применения КДПТ на ЛА

электропривод двигатель постоянный ток

Электродвигатели постоянного тока, применяемые для привода исполнительных механизмов на ЛА, принципиально ничем не отличаются от электродвигателей, применяемых в наземных установках.

Коллекторные ДПТ (КДПТ) с напряжением питания 27 В используются, например, в электромеханизмах (ОАО «Электромашиностроительный завод» «Лепсе», г.Киров) для выпуска и уборки предкрылков МВД25Д25М, механизме привода закрылков МПЗ-18А-5, механизме управления стабилизатором МУС-3, механизме для дистанционного управления закрылками УЗ-1АМ [13].

Широко используются коллекторные ДПТ для привода маломощных электромеханизмов мощностью до 100 Вт. Практически все ДПТ высокоскоростные (до 25000 об/мин), реверсивные (94%), повторно-кратковременного (65%) и кратковременного (19%) режимов работы, кратность пускового момента не ниже 3,5-4,0. Для 15% ДПТ предусмотрено регулирование частоты вращения (диапазон 1:10). Для обеспечения эффективного торможения, фиксации и исключения «самохода» ротора в отключенном состоянии около 70% всех ДПТ выполнены с встроенной электромагнитной фрикционной муфтой торможения. Кроме того, авиационные ДПТ снабжены устройствами защиты от перегрузок. Для исключения нежелательных перегрузок в системе управления используются контактные концевые выключатели [21].

Размещено на Allbest.ru