Основы теории электропривода

Размещено на http://allbest.ru

Основы теории электропривода



1. Понятие „электрический привод”

В науке, технике и производстве в области электропривода применяют следующие термины и определения понятий (ГОСТ 16593-79 ).

Электрическим приводом называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

В общем случае электропривод состоит из 4-х устройств ( рис.8.1 ):

1. преобразовательное;

2. электродвигательное;

3. передаточное;

4. управляющее.

Рис. 1. Структурная схема электропривода

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования рода тока, напряжения и частоты тока питающей сети и передачи преобразованных параметров в

электрическую часть электропривода. Поэтому оно включается между питающей сетью и электрической частью электропривода.

В качестве преобразовательных устройств используются:

1. для преобразования рода тока - выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный;

2. для преобразования напряжения - трансформаторы, преобразующие переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения той же частоты;

3. для преобразования частоты тока - преобразователи частоты, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой, регулируемой частоты.

Рассмотрим поочередно преобразовательные устройства.

Выпрямители

На судах выпрямители применяют в электроприводах, использующих в качестве источника механической энергии двигатель постоянного тока. К таким электроприводам относятся:

1. якорно-швартовные - брашпили;

2. грузоподъёмные - грузовые лебёдки и краны;

3. гребные электрические установки, предназначенные для движения судна.

Мощность этих электродвигателей составляет десятки и сотни кВт.

Трансформаторы

Трансформаторы в судовых электроприводах, как правило, не применяются. Однако они нашли самое широкое применение на берегу. Здесь от высоковольтных линий электропередач с напряжениями в сотни киловольт питаются предприятия с электроприводами напряжением 380 и 660 В.

Преобразователи частоты

На судах статические тиристорные преобразователи частоты применяются в электроприводах переменного тока. К таким электроприводам относятся, в основном, грузоподъёмные тяжеловесные устройства и гребные электрические установки.

Электродвигательное устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую или, в некоторых системах судовых электроприводов (система генератор - двигатель ), механической энергии в электрическую.

К электродвигательным устройствам относят электродвигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные ( переменно-постоянного тока ). Последние нашли на судах ограниченное применение, в основном, в электроприводах вентиляторов мощностью до 250…300 Вт.

Передаточное устройство предназначено для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу механизма.

К передаточным устройствам относят механические , гидравлические и другие передачи. Передаточные устройства применяют в грузоподъёмных, якорно-швартовных и рулевых механизмах Например, в электроприводе грузовой лебёдки передаточным устройством является редуктор, расположенный между электродвигателем и грузовым барабаном лебёдки.

Простейшие по устройству электроприводы, например, вентиляторы и центробежные насосы, не имеют передаточного устройства, т.к. у них крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Управляющее устройство предназначено для управления преобразовательным электродвигательным и передаточным устройствами. При помощи управляющего устройства задают необходимый режим работы всего электропривода, например, пуск, остановку, реверс, изменение скорости и др. Например, в электроприводе грузовой лебёдки управляющее устройство состоит из командоконтроллера ( с рукояткой управления ) и станции управления, внутри корпуса которой находятся коммутационные и защитные электрические аппараты - контакторы, реле, предохранители и др.

В сложных современных судовых электроприводах составной частью управляющего устройства являются бортовые компьютеры, которые получают информацию от задатчиков и датчиков обратной связи и вырабатывают сигналы управления в соответствии с заданными алгоритмами ( программами ).

При этом, в качестве задатчиков используются рукоятки управления тремя механизмами крана ( подъём, поворот, стрела ), связанные с потенциометрами, в качестве датчиков - большое количество чувствительных элементов, измеряющих вес груза, давление в системе гидравлики, силу тока, определяющих положение рабочих органов перечисленных механизмов и многое другое.

2. Классификация электроприводов

Электроприводы классифицируются (различаются) по нескольким признакам.

Рассмотрим основные признаки.

По области применения различают 2 вида электроприводов:

1. береговые;

2. судовые.

По роду тока различают 2 вида электроприводов:

1. постоянного тока;

2. переменного тока.

Переход судовых электроприводов на переменный ток завершился в начале 60-х годов 20 столетия. Это стало возможным после начала производства ( в б. СССР ) электрических машин , предназначенных специально для работы на судах. Такие электрические машины называют машинами морского исполнения.

По способу передачи энергии от электродвигателя к механизму различают 3 вида

электроприводов:

1. групповой;

2. одиночный;

3. многодвигательный.

Групповым называют электропривод, в котором один электродвигатель приводит в движение несколько исполнительных механизмов. Пример: токарный станок, в котором электродвигатель вращает патрон с заготовкой и одновременно перемещает суппорт станка с бабкой, в которой зажат резец. Суппорт при этом движется поступательно ( влево - вправо ) вдоль станины станка. На судах групповые приводы применяются крайне редко.

Одиночным называют электропривод, в котором электродвигатель приводит в движение только один исполнительный механизм. Пример: электропривод насоса или вентилятора, в котором крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Многодвигательным называют электропривод, в котором каждый рабочий органмеханизма приводится в движение отдельным электродвигателем. Пример: электропривод грузового крана, имеющий 3 механизма - подъёма груза, поворота и изменения вылета стрелы. Каждый из этих механизмов имеет «свой» электродвигатель.

По степени автоматизации различают 3 вида электроприводов:

1. неавтоматизированные;

2. автоматизированные;

3. автоматические.

В неавтоматизированном электроприводе человек участвует на всех стадиях управления электроприводом. Пример: электропривод вентилятора, управляемый при помощи поста управления с двумя кнопками «Пуск» и «Стоп». Оба действия - пуск и остановка, выполняет человек путём нажатия соответствующей кнопки.

В автоматизированном электроприводе функции управления разделены между человеком и управляющим устройством. Обычно человек задаёт программу работы электропривода, остальное же выполняет управляющее устройство.

Пример: электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями. Пусть оператор (лебёдчик) резко перевёл рукоятку командоконтроллера из нулевого положения сразу в 3-е в направлении «Подъём». Двигатель при этом включится не на 3-й скорости, а на 1-й, что позволит избежать поломки редуктора, а далее разгон электродвигателя произойдёт постепенно, с задержкой при переходе с 1-й скорости на 2-й, а затем со 2-й к 3-ю. Эту задержку обеспечивают два реле времени, входящие в состав управляющего устройства.

В автоматическом электроприводе роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электропривода.

Пример: автоматический рулевой. На начальном этапе участие человека заключается в подаче питания на рулевой электропривод ( электромеханик ) и в выведении судна на требуемый курс, например, при помощи штурвала ( рулевой матрос или вахтенный помощник ). После этого на тумбе управления рулевым электроприводом ( мостик ) переключатель видов управления устанавливают в положение «Автомат». В зависимости от условий плавания, такой режим может длиться от нескольких часов до нескольких десятков суток.

По возможности изменения скорости различают 2 вида электроприводов:

1. нерегулируемый, не предусматривающий изменение скорости;

2. регулируемый, имеющий 2 и более скоростей.

Пример нерегулируемого электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а скорость не регулируется.

Примеры регулируемого электропривода: 1. электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями ; 2. электропривод якорно-швартовного устройства с 6-ю скоростями.

По возможности изменения направления вращения различают 2 вида электроприводов:

1. нереверсивный;

2. реверсивный.

Пример нереверсивного электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а направление вращения не изменяется.

Примеры реверсивного электропривода: 1. электропривод грузовой лебёдки с 2-мя режимами: «подъём» и «спуск» ; 2. электропривод якорно-швартовного устройства с 2-мя режимами: «травить» и «выбирать».

По назначению различают 5 видов судовых электроприводов:

1. рулевые;

2. якорно-швартовные ( брашпили и шпили );

3. грузоподъёмные ( грузовые лебёдки и краны, лифты );

4. электроприводы судовых нагнетателей ( насосы, вентиляторы, компрессоры );

5. механизмов специального назначения.

К последней группе относят электроприводы:

1. подруливающих устройств;

2. систем кренования и дифферента;

3. успокоителей качки;

4. систем откренивания судов;

5. автоматические швартовные лебедки.

Подруливающие устройства предназначены для повышения манёвренности судов. С их помощью судно может перемещаться лагом ( бортом ) и даже совершать полный оборот на месте. Такие устройства применяют на обычных транспортных судах, а также на судах - паромах, предназначенных для перевозки колёсной техники.

Системы кренования и дифферента применяют на ледокольных судах, для освобождения судна, зажатого во льдах и придания корпусу судна необходимой осадки.

Системы успокоителей качки применяют , в основном, на пассажирских судах и морских паромах, в условиях, когда качка достигает 35…40?. С помощью успокоителей Удается уменьшить амплитуду качки до 5…7?.

Системы откренивания судна применяют на судах с горизонтальным способом погрузки ( суда типа ро-ро ) для выравнивания крена. Применение этих систем повышает безопасность грузовых операций и обеспечивает надёжность работы въездной аппарели.

Автоматические швартовные лебедки применяют на судах с целью поддержания постоянного усилия в швартовном канате при стоянке судна в порту или на рейде. При увеличении натяжения каната лебедка включается и потравливает канат до тех пор, пока усилие в канате не уменьшится до заданного. При уменьшении натяжения каната лебедка включается и набивает канат до заранее заданного усилия.

3. Силы и моменты, действующие в системе электропривода

Статические моменты

Определение «статический момент»

В состав каждого электропривода входит рабочая машина, например, насос, грузовая лебедка, рулевая машина и т.п.

Каждая такая машина имеет рабочий орган, предназначенный для выполнения полезной работы. К рабочим органам относят: у насоса - крыльчатку , у грузовой лебедки - крюк для подвески груза ( гак ), у рулевого устройства - перо руля и т.п.

Таким образом, к валу электродвигателя электропривода приложены два момента:

электромагнитный момент самого двигателя и момент, создаваемый рабочей машиной и передачей если она есть ). Последний называется статическим моментом.

Важно подчеркнуть, что статический момент имеет чисто механический характер.

Направление действия статических моментов

В зависимости от выполняемой электроприводом операции каждый из них может быть как движущим, так и тормозным.

Движущими или положительными называют моменты, направленные в сторону движения и вызывающие или способствующие ему.

Тормозные или отрицательные моменты направлены навстречу движению и препятствуют ему.

4. Виды статических моментов

Различают два вида статических моментов: активные ( потенциальные ) и реактивные.

Активным называют момент, который вне зависимости от направления движения всегда действует в одну сторону. Такой момент создают, например, масса поднятого груза, силы упругости предварительного сжатых, растянутых или скрученных упругих тел и др.

В системе координат щ ( М ) связь угловой скорости щ и статического момента М показана при помощи вертикальной линии, проходящей через 1-й и 4-й квадранты ( рис.2, а ).

Рис. 2. Активный ( а ) и реактивный ( б ) статический моменты



Действительно, если считать, что активный момент создан подвешенным грузом, то статический момент М= G*R = const ( G - вес груза, R - радиус барабана лебедки ).Он имеет одно и то же значение при любой скорости, в том числе при скорости, равной нулю. Кроме того, направление этого момента не зависит от направления перемещения груза (вверх или вниз), что объясняется тем, что действие силы тяжести груза также не зависит от того, поднимают или опускают груз. Как известно, сила тяжести всегда направлена к центру Земли.

Реактивным называют момент, возникающий как реакция среды на движение электромеханической системы. Поэтому он действует только во время движения и всегда навстречу ему. Поэтому при изменении направления движения реактивный момент изменяет направление действия и во всех случаях будет тормозным ( отрицательным ).

Такой момент создают силы трения, например, трение крыльчатки вентилятора о воздух, трение шестерней в редукторе и т.п.

В системе координат щ ( М ) связь угловой скорости щ и статического момента М показана при помощи вертикальных линий, проходящих через 1-й и 3-й квадранты ( рис..2, б ).

В общем случае статический момент представляет собой алгебраическую сумму моментов во всех частях рабочей машины.

Если в электроприводе вентилятора статический момент создается только в результате трения крыльчатки о воздух и имеет реактивный характер, то в электроприводе лебедки действую одновременно два момента - активный, созданный подвешенным грузом, и реактивный, созданный силами трения в редукторе и в самом двигателе.

Поэтому в общем случае статический момент механизма находится как алгебраическая сумма реактивного и активного моментов, т.е.

М= ±М± М( 8.1 ).



5. Приведение статических моментов к валу электродвигателя

В простых по устройству механизмах рабочий орган соединен с электродвигателем непосредственно (напрямую ).

Например, в электроприводе насоса его крыльчатка закреплена непосредственно на валу электродвигателя.

В этом случае статический момент , созданный крыльчаткой насоса, равен полезному моменту на валу электродвигателя.

Иначе говоря, передача энергии от электродвигателя к насосу происходит без потерь энергии.

В более сложных по устройству механизмах, например, лебедках, брашпилях и т.п. используют передачи (редукторы ). В этом случае в передаче возникают потери энергии, в результате чего статический момент механизма и полезный момент двигателя неодинаковы ( больше полезный момент двигателя ) .

Между тем, для того, чтобы подобрать электродвигатель под механизм, надо предварительно рассчитать полезный момент двигателя по заранее заданным параметрам параметрам механизма и передачи.

Такой расчет полезного момента двигателя по заданным параметрам механизма и передачи называют приведением статического момента (механизма ) к валу электродвигателя.

Рассмотрим такой расчёт на примере упрощенного электропривода лебёдки, состоящего из электродвигателя М, одноступенчатого редуктора Р и грузового барабана Б ( рис.3 ).



Рис. 3. Кинематическая схема электропривода лебёдки: М - электродвигатель, Р - редуктор, Б - грузовой барабан

Пусть предварительно заданы параметры механизма и передачи, а именно: статический момент механизма М, а также коэффициент полезного действия передачи з и её передаточное число Я.

Далее рассуждаем так.

Мощность на валу электродвигателя

Р = щ * М( 1 )

Мощность на валу механизма

Р= щ* М( 2 )

Мощности Р и Рсвязаны через коэффициент полезного действия передачи:

з = Р / Р ( 3 )

Подставим в формулу ( 3 ) правые части формул ( 1 ) и ( 2 ):

з = щ * М / щ * М ( 4 )



Из формулы ( 4 ) найдем момент на валу электродвигателя

М= (щ * М ) / ( з* щ ) = М / ( з*Я )( 5 ),

где: Я = щ / щ - передаточное число передачи ( редуктора ).

Анализ формулы приведенного момента

Момент на валу электродвигателя тем больше, чем больше статический момент М и чем меньше кпд з и передаточное число Я передачи.

6. Режимы работы электроприводов

В зависимости от изменения скорости электропривода, различают два режима его работы

1. установившийся или статический режим, при котором скорость не изменяется;

2. переходный или динамический режим, при котором скорость изменяется.

Переходный режим может возникнуть в таких случаях:

1. при изменении параметров двигателя, например, при регулировании скорости изменением сопротивления в цепи обмотки якоря;

2. при изменении параметров механизма, например, при изменении подачи насоса;

3. при изменении параметров судовой сети, например, при колебаниях напряжения.

В динамическом режиме, в дополнение к ранее рассмотренным электромагнитному моменту двигателя М и статическому моменту механизма М, на валу двигателя возникает дополнительный, т.к. называемый динамический момент М.

Появление этого момента объясняется действием сил инерции всех без исключения движущихся частей электропривода. Например, в электроприводе лебедки динамический момент появляется вследствие инерции якоря электродвигателя, шестерней редуктора, грузового барабана и самого груза.

Динамический момент, возникающий под действинм сил инерции, увеличивает время переходных процессов, например, время пуска и остановки электропривода.

Для уменьшения динамического момента в двигателях специального исполнения уменьшают диаметр ротора и одновременно, для сохранения мощности двигателя, увеличивают его длину. Такие двигатели применяют в электроприводах грузоподъемных механизмов. Их применение позволяет сократить время пуска и остановки электропривода, а значит, повысить производительность грузовых лебедок и кранов.

Серии таких электродвигателей называются крановыми ( от грузового крана ).

7. Механические характеристики электродвигателей

двигатель электропривод саморегулирование

Понятие «механическая характеристика электродвигателя» было приведено выше.

Повторим и разовьем это понятие.

Механической характеристикой двигателя, независимо от рода тока, называют зависимость угловой скорости вала двигателя щ ( далее - двигателя ) от электромагнитного момента двигателя М, т.е зависимость щ (М).

Здесь следует сделать важное замечание: в соответствии с уравнением моментов М = М, в установившемся режиме электромагнитный момент двигателя определяется величиной статического момента механизма. Это означает, что величина электромагнитного момента двигателя полностью зависит от момента механизма - чем больше тормозной момент механизма, тем больше вращающий момент двигателя, и наоборот. Иначе говоря, для любого двигателя входной величиной является момент механизма, а выходной - его скорость.

Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателей.

Естественная механическая характеристика - это зависимость щ ( М ), снятая при нормальных условиях работы двигателя, т.е. при номинальных параметрах питающей сети и отсутствии добавочных резисторов в цепях обмоток двигателей.

К параметрам питающей сети относят:: на постоянном токе - напряжение, на переменном - напряжение и частота тока.

Характеристики, снятые при условиях, отличных от нормальных, называют искусственными.

Искусственные характеристики можно получить путем изменения параметров самого двигателя, например, путем введения резисторов в цепь обмотки якоря двигателя постоянного тока или в цепь обмотки статора асинхронного двигателя, либо изменением параметров питающей сети, т.е. напряжения и частоты переменного тока.

Каждый электродвигатель имеет одну естественную и множество искусственных характеристик. Число последних зависит от числа ступеней регулирующего элемента, например, числа ступеней регулировочного реостата в цепи обмотки якоря двигателя постоянного тока. Если у двигателя таких ступеней - пять, то такой двигатель имеет шесть характеристик - пять искусственных и одну естественную.

Искусственные механические характеристики применяются для получения таких режимов работы двигателя, как регулирование скорости, реверс, электрическое торможение, и др.

Рассмотрим естественные механические характеристики двигателей разных типов.



Рис. 4. Естественная механическая (а) и угловая (б) характеристики синхронного двигателя; и - угол отставания оси ротора от оси магнитного поля обмотки статора

Естественная механическая характеристика синхронного двигателя ( рис. 1, а ) - абсолютно жесткая, потому что ее жесткость

в = ДМ / Дщ = ДМ / 0 = ?.

Иначе говоря, при изменении электромагнитного момента М двигателя в широких пределах скорость двигателя не изменяется.

Cтабильность скорости ротора синхронного двигателя объясняется при помощи угловой характеристики синхронного двигателя и ( М ) следующим образом ( рис. 14, б ).

Если механическая нагрузка к ротору не приложена, то оси ротора и вращающегося магнитного поля обмотки статора совпадают, т.е. и = 0° ( точка 0 на рис. 14, б ). Электромагнитный момент двигателя М = 0, двигатель работает в режиме холостого хода.

Если приложить к валу двигателя механическую нагрузку и увеличивать ее, то ротор под действием механической нагрузки станет отставать от магнитного поля обмотки статора на все больший угол и. Чем больше механическая нагрузка на валу, тем больше этот угол и тем больше вращающий электромагнитный момент двигателя.

Такое одновременное увеличение вращающего момента двигателя, вызываемое увеличением тормозного момента механизма как раз и обеспечивает стабильность скорости двигателя ( на рис. 8.4, а участок характеристики от М = 0 до М = М).

Однако постоянство скорости двигателя сохраняется до тех пор, пока угол и?90°. При и = 90° двигатель развивает критический ( максимальный ) момент М( точка А на рис. 8.4, а ).

Если при и = 90° вновь увеличить механическую нагрузку ( и > 90° ), электромагнитный момент двигателя станет уменьшаться ( отрезок АВ угловой характеристики ), т.е этот момент окажется меньше тормозного момента механизма. В результате скорость ротора двигателя станет уменьшаться, и в конце концов ротор остановится.

Поскольку при этом скорость ротора меньше скорости вращающегося магнитного поля обмотки статора, говорят, что двигатель выпал из синхронизма.

Как следует из угловой характеристики двигателя, условие выпадения двигателя из синхронизма такое: : и?90°. На практике номинальный угол и= 20…40°.

Область применения синхронных двигателей: на судах - в качестве гребных электродвигателей, вращающих винты; на берегу - для привода мощных механизмов, например, компрессоров на газоперекачивающих станциях.

Рис. 5. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения



Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока паралельного возбуждения (рис. 5 ) - жесткая, потому что ее жесткость

в = ДМ / Дщ ? 10%.

Это означает, что при изменении электромагнитного момента двигателя в широких пределах его скорость достаточна стабильна (т.е. изменяется незначительно ).

Такие двигатели применяются там, где при изменении нагрузки механизма в широких пределах скорость двигателя не должна изменяться резко - в электроприводах насосов, вентиляторов и т.п.

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения ( рис. 8.6 ) - мягкая, потому что ее жесткость

в = ДМ / Дщ > 10%.

Это означает, что при изменении электромагнитного момента двигателя даже в небольших пределах его скорость изменяется значительно.

Рис. 6. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Напомним две характерные особенности этого двигателя:

1. при уменьшении механической нагрузки на валу или ее отсутствии ( М = М) скорость двигателя резко увеличивается, двигатель «идет вразнос». Поэтому этот двигатель нельзя оставлять без нагрузки на валу;

2. При пуске двигатель развивает пусковые моменты Мгораздо большие, чем у двигателей других типов.

Эти двигатели не применяются на судах, но применяются на берегу, например, в электротранспорте, в частности, в троллейбусах, где они не остаются без нагрузки на валу и где нужны большие пусковые моменты ( при трогании троллейбуса с места ).

Рис. 7. Естественные механическиея характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения:

1- с параллельно-последовательным возбуждением;

2 - с последовательно- параллельным возбуждением

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока смешанного возбуждения является промежуточной между характеристиками двигателей паралельного и последовательного возбуждения, т.к. магнитный поток возбуждения создается совместным действием обеих обмоток - параллельной и последовательной.

Различают два вида двигателей смешанного возбуждения:

1. с параллельно-последовательным возбуждением, у которых основную часть результирующего магнитного потока создает параллельная обмотка (до 70%, остальные 30% - последовательная );

2. с последовательно- параллельным возбуждением, у которых основную часть результирующего магнитного потока создает последовательная обмотка ( до 70%, остальные 30% - параллельная ).

Поэтому график механической характеристики двигателя первого вида более жесткий, чем у двигателя второго вида.

Обе механические характеристики - мягкие, потому что их жесткость

в = ДМ / Дщ = ДМ / 0 > 10%.

На судах двигатели смешанного возбуждения применяются в регулируемых электроприводах - лебедках, кранах, брашпилях и шпилях.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя имеет два участка - нерабочий (разгонный ) АВ и рабочий ВСD ( рис. 8 ).

Рис. 8. Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

При пуске двигатель развивает пусковой момент М( отрезок ОА ), после чего разгоняется по траектории АВС до точки С. При этом на участке АВ одновременно увеличиваются как скорость, так и момент, в точке В двигатель развивает максимальный момент М. На участке ВС скорость продолжает увеличиваться, а момент уменьшается, вплоть до номинального (точка С ). На участке BC двигатель перегружен, т.к. в любой точке этого участка электромагнитный момент двигателя больше номинального ( М > > М).

В нормальних условиях двигатель работает на участке СD, жесткость которого

в = ДМ / Дщ < 10%.

Это означает, что при изменении момента в широких пределах скорость двигателя изменяется незначительно.

Асинхронные двигатели нашли самое широкое применение на судах с электростанцией на переменном токе.

Промышленность выпускает специально для судов асинхронные двигатели разных серий, например, 4А…ОМ2 ( четвертая серия асинхронных двигателей ), МАП (морской асинхронный полюсопереключаемый ), МТF ( c фазным ротором ) и др.

При этом двигатели серии 4А - односкоростные, серии МАП - двух- и трехскоростные, серии МТF - число скоростей определяется схемой управления ( до 5 скоростей ).

8. Механические характеристики исполнительных механизмов

Если для любого электродвигателя входной величиной является статический момент механизма, а выходной - его скорость, то для механизмов, наоборот, входной величиной является скорость щ (от двигателя), а выходной - статический момент механизма М.

Это означает, что при любом изменении скорости механизма (двигателя ) будет изменяться его статический момент М.

Зависимость статического момента механизма Мот его угловой скорости щ называется механической характеристикой механизма - М( щ ).

Таким образом, система координат для изображения механических характеристик механизмов - это М( щ ).

Различают два вида механических характеристик:

1. крановые, когда при изменении скорости в широких пределах статический момент не изменяется (рис. 9, характеристика 1 ).

Такая характеристика описывается уравнением

М= сonst ( 6 ),

т.е. момент не зависит от скорости.

2. вентиляторные, у которых статический момент пропорционален квадрату скорости ( рис.9, характеристика 2 ).

Такая характеристика описывается уравнением

М= М+ ДМ ( 7 ),

где М- момент холостого хода;

ДМ = сщ- момент, создаваемый рабочим органом механизма при выполнении полезной работы (с - постоянный коэффициент, щ - угловая скорость вала механизма ).

Рис. 9. Механические характеристики механизмов: а - в системе координат М( щ ); б - в системе координат щ (М)



Крановые характеристики имеют механизмы грузовых кранов, лебедок, брашпилей, т.е. механизмов, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести.

Статический момент таких механизмов

М= GD/2 = const( 8 ),

где G - вес груза ( у брашпилей - весом якоря с якорь-цепью );

D - диаметр грузового ( у брашпилей - якорного ) барабана.

Вентиляторные характеристики имеют центробежные вентиляторы, насосы и др. У таких механизмов условия пуска - легкие, т.к. при пуске на валу механизма есть небольшой момент холостого хода М, создаваемый силами трения в элементах привода.

Однако по мере разгона статический момент механизма резко увеличивается за счет того, что к моменту холостого хода добавляется момент ДМ = сщ, создаваемый силами трения рабочего органа ( крыльчатки ) о среду ( у вентиляторов - воздух, у насосов - перекачиваемая жидкость ).

Таким образом, для изображения механических характеристик двигателей применяют систему координат щ (М), механических характеристик механизмов - «перевернутую» систему М( щ ).

Применение разных систем координат для двигателей и механизмов создает трудности при рассмотрении электромеханических свойств электропривода в целом, состоящего из электродвигателя и механизма.

Поэтому на практике для изображения механических характеристик двигателей и механизмов принята единая система координат щ (М), т.е система, принятая для механических характеристик электродвигателей.

В этой системе координат механические характеристики механизмов показаны на рис. 19, б.



9. Изменение скорости электродвигателей

Различают два вида изменения скорости электродвигателя:

1. естественное;

2. искусственное.

Под естественным понимают изменение скорости электродвигателя, возникшее врезультате изменения статического момента механизма.

При естественном изменении скорости электродвигатель работает на своей естественной механической характеристике.

Под искусственным понимают изменение скорости электродвигателя, возникшее врезультате изменения параметров питающей сети или самого электродвигателя при помощи схемы управления электродвигателя.

Под параметрами сети понимают:

1. на постоянном токе - напряжение питающей сети;

2. на переменном токе - напряжение и частота питающей сети.

Под параметрами электродвигателя понимают:

1. на постоянном токе - изменение сопротивления цепи обмотки якоря или параллельной ( независимой ) обмотки возбуждения;

2. на переменном токе - изменение сопротивления цепи обмотки статора или обмотки фазного ротора.

Если многоскоростной асинхронный двигатель имеет на статоре несколько обмоток ( обычно 2….3 ) с разным числом пар электромагнитных полюсов, то механические характеристики, соответствующие работе двигателя на каждой скорости, являются естественными.

При искусственным изменении скорости электродвигатель работает на искусственной механической характеристике.

Искусственные механические характеристики предназначены для изменения (регулирования ) скорости электродвигателя в соответствии с технологическими особенностями работы механизма. Например, электроприводы грузовых лебедок на постоянном токе могут иметь до 6 скоростей, на переменном токе - обычно 3 скорости.

Следует сделать важное замечание: при работе двигателя на искусственной характеристике одновременно может происходить и естественное изменение скорости электродвигателя вследствие изменения статического момента механизма.

Например, при выбирании якоря при помощи ЯШУ скорость электродвигателя, работающего на искусственной характеристике вначале может быть большой, а затем, по мере увеличения натяжения якорь-цепи, будет постепенно уменьшаться, вплоть до полной остановки электродвигателя с его переходом в режим стоянки под током.

При естественном изменении скорости возникает процесс саморегулирования элекродвигателей постоянного и переменного тока.

10. Саморегулирование электродвигателей

Любое изменение статического момента механизма (т.е. механической нагрузки на валу рабочего органа электропривода ) автоматически приводит к такому же изменению электромагнитного момента двигателя в результате возникающего при этом процесса саморегулирования электродвигателя.

Под саморегулированием понимают автоматическое изменение электромагнитного момента двигателя вследствие изменения момента механизма.

Рассмотрим процесс саморегулирования двигателя постоянного тока при помощи логической цепочки:

М ^> щv> Е= с щФv> М= = с IФ^( 9 )



Словами: при увеличении механической нагрузки на валу ( механического момента ) скорость электродвигателя щ, а значит, значение противоэлектродвижущей силы обмотки якоря двигателя Е= с щФ уменьшаются, что приводит к увеличению тока якоря двигателя I= ( U - E ) / Rи его электромагнитного момента

М= с IФ.

Сравнивая начало логической цепочки (увеличение механического момента ) и её конец ( увеличение электромагнитного момента двигателя ), можно сделать вывод:

увеличение механического момента на валу автоматически привело к увеличению электромагнитного момента двигателя.

При этом скорость электродвигателя уменьшилась, а ток увеличился.

Аналогичную цепочку можно записать и для саморегулирования асинхронного двигателя переменного тока.

Такая взаимосвязь механической нагрузки на валу и электромагнитного момента двигателя объясняется действием закона сохранения энергии - чем больше нагрузка механизма, тем больше нагрузка электродвигателя.

11. Устойчивость работы электропривода

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, которая должна работать устойчиво.

Электропривод работает устойчиво в установившемся режиме.

Напомним, что установившимся режимом электропривода называется такой, при котором скорость привода не изменяется, потому что вращающий электромагнитный момент двигателя механизма равен тормозному моменту механизма: М = М.

Поясним это на примере (рис.10,а).

Рис. 10. Совмещенные механические характеристики электродвигателя и механизмов

На рис. 10, а изображены механические характеристики: электродвигателя 1; лебедки ( крана ) 2; центробежного насоса 3.

Точка пересечения механических характеристик электродвигателя и механизма как раз и соответствует установившемуся режиму работы привода, потому что именно в этой точке угловая скорость электродвигателя равна угловой скорости механизма, и, аналогично, вращающий электромагнитный момент двигателя равен тормозному моменту механизма.

Пусть один и тот же электродвигатель, имея механическую характеристику 1, поочередно используется в электроприводе крана ( характеристика 2 ), а затем - насоса ( характеристика 3 ).

Тогда двигатель будет работать устойчиво либо со скоростью щ( кран ), либо со скоростью щ( насос ).

Для проверки устойчивости систему надо перевести из статического режима работы в динамический, создав внешнее возмущающее воздействие.

Таким воздействием может служить: для лебедки скачкообразное увеличение веса груза, для насоса - скачкообразное изменение степени открытия клапана.

Напомним, что систему называют устойчивой, если она, будучи выведена из состояния равновесия и предоставлена самой себе, с течением времени вернется к старому установившемуся состоянию или перейдет в новое такое состояние.

На устойчивость электроприводов влияет множество факторов, к основным из которых относятся:

1. эксплуатационные характеристики электродвигателей;

2. изменение параметров питающей сети и самого двигателя.

Рассмотрим поочередно действие каждого из перечисленных факторов на устойчивость работы электропривода

12. Влияние на устойчивость работы электродвигателя его эксплуатационных характеристик

В качестве примера рассмотрим основную эксплуатационную характеристику асинхронного электродвигателя - механическую щ ( М ), т.е. зависимость угловой скорости двигателя от его электромагнитного момента ( рис. 10, б).

На этой характеристике выделим два участка - рабочий 9-3 и нерабочий 3-6.

На участке 9-3 двигатель работает устойчиво, на участке 3-6 - неустойчиво.

Объясним сказанное более подробно.

Вначале рассмотрим участок 9-3.

Пусть двигатель устойчиво работает в точке 4, т.е. со скоростью щи электромагнитным моментом М = М.

Внесем в работу двигателя внешнее возмущение, а именно: с помощью сторонних (например, механических ) сил разгоним двигатель до точки 7, после чего уберем эти силы.

Как после этого поведет себя двигатель?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо сравнить величину двух моментов - вращающего электромагнитного двигателя М и тормозного статического механизма М.

Если в точке 4 оба момента были одинаковы ( это обеспечивало установившийся режим работы привода с постоянной скоростью ), то в точке 7 электромагнитный момент М двигателя уменьшился, а тормозной статический Мне изменился.

Иначе говоря, в точке 7 тормозной момент М оказался больше вращающего М.

В результате двигатель начнет тормозиться по участку 7-4, причем по мере приближения к точке 4 электромагнитный момент двигателя возрастает и в точке 4 снова уравняется со статическим.

В точке 4 вновь наступит установившийся режим.

Таким образом, на участке 4-7 двигатель, выведенный внешним возмущением из установившегося режима, вернулся в прежнее состояние после прекращения действия внешнего возмущения.

Значит, на участке 4-7 асинхронный двигатель работает устойчиво.

Рассуждая аналогично, можно показать, что так же устойчиво двигатель работает на участке 4-8. На этом участке сторонними силами надо тормозить ротор двигателя до точки 8, в которой момент двигателя М станет больше статического М. В результате, после прекращения действия внешнего возмущения, двигатель станет разгоняться и вернется в точку 4.

Теперь рассмотрим работу двигателя на участке 3-6.

Пусть двигатель устойчиво работает в точке 1, т.е. со скоростью щ'и электромагнитным моментом М = М.

Внесем в работу двигателя внешнее возмущение, а именно: с помощью сторонних (например, механических ) сил разгоним двигатель до точки 2, после чего уберем эти силы.

Сравним в точке 2 величину двух моментов - вращающего электромагнитного двигателя М и тормозного статического механизма М.

В этой точке электромагнитный момент М двигателя увеличился, а тормозной статический Мне изменился.

Иначе говоря, в точке 2 вращающий момент М оказался больше тормозного момента М.

В результате двигатель начнет разгоняться по участку 2-3-8-4 до точки 4, в которой наступит установившийся режим.

Таким образом, в результате действия внешнего возмущения двигатель не вернулся в старое, исходное состояние ( точка 1 ), а перешел в новое установившееся ( точка 4 ).

Значит, работа двигателя на участке 1-3 - неустойчива.

Рассуждая аналогично, можно показать, что так же не устойчиво двигатель работает на участке 1-6.

Если двигатель перевести из точки 1 в точку 5, принудительно затормозив ротор сторонними силами, то в точке 5 электромагнитный момент двигателя станет меньше статического. Поэтому, если убрать внешние силы, двигатель станет тормозиться и остановится в точке 6. В этой точке наступит установившийся режим стоянки под током.

Таким образом, в результате действия внешнего возмущения двигатель не вернулся в старое, исходное состояние ( точка 1 ), а перешел в новое установившееся ( точка 6 ).

Значит, работа двигателя на участке 1-6 - неустойчива.

Получим условие устойчивой и неустойчивой работы асинхронного двигателя.

На участке 9-3 (устойчивая работа ) жесткость механической характеристики



б = < 0,

т.е. при увеличении момента М ( ДМ > 0 ), например, при переходе из точки 7 в точку 4, скорость падает ( Дщ < 0 ), и наоборот.

На участке 3-6 ( неустойчивая работа ) жесткость механической характеристики

б = > 0,

т.е. при увеличении момента М ( ДМ > 0 ), например, при переходе из точки 1 в точку 2 скорость также увеличивается, ( Дщ > 0 ), и наоборот.

Таким образом, двигатель работает устойчиво на участке механической характеристики, где жесткость отрицательна (б < 0 ) и неустойчиво на участке, где жесткость положительна ( б > 0 ).

13. Влияние на устойчивость электропривода напряжения сети. Опрокидывание эектродвигателя

Рассмотрим влияние напряжения сетина устойчивость электропривода переменного тока.

При глубоких провалах напряжения сети работа асинхронного двигателя становится неустойчивой - двигатель может опрокинуться.

Под опрокидыванием понимают аварийный режим асинхронного двигателя; при котором он останавливается или реверсирует. Условие опрокидывания такое:

М' < М,



где М'- критический момент двигателя при пониженном напряжении;

М- статический момент механизма.

Иначе говоря, опрокидывание наступит, если критический момент двигателя станет меньше статического момента механизма.

Напомним, что критический момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения:

М= с,

где U и f- соответственно напряжение и частота тока питающей сети.

Отсюда следует, что при допускаемом Правилами Регистра провале напряжения сети, равном 15% ( U' = 0,85U) , новое, пониженное значение критического момента составит

М'= М= ( 0,85 ) М= 0,7225 М? 0,7 М.

Последствия опрокидывания зависят от характера статического момента механизма, а именно:

1. при реактивном статическом моменте двигатель останавливается и переходит в режим стоянки под током ( насосы, вентиляторы );

2. при активном статическом моменте двигатель вначале останавливается, затем реверсирует и под действием веса начинает разгоняться в направлении на спуск с возрастающей скоростью ( грузоподъемные механизмы и якорно-швартовные устройства ).



Рис.11. Переходные процессы при опрокидывании двигателя: а - при реактивном статическом моменте ( насос, вентилятор ); б - при активном статическом моменте ( лебедка, брашпиль )

Рассмотрим процесс опрокидывания двигателя при реактивном моменте механизма ( рис. 11, а ).

До провала напряжения двигатель работает на естественной механической характеристике ( ЕМХ ) в точке А с постоянной скоростью щ_сm

При провале напряжения двигатель переходит из точки А на ЕМХ в точку В на искусственной механической характеристике ( ИМХ ). Скорость электродвигателя не успевает измениться вследствие инерции движущихся частей электропривода, поэтому в точке В скорость такая же, как и в точке А.

Поскольку в точке В момент двигателя Мменьше момента механизма М, двигатель начинает уменьшать скорость до точки С. В этой точке критический ( максимальный ) момент двигателя М' < М, поэтому двигатель продолжит уменьшать скорость до точки Д.

В этой точке двигатель остановится и будет стоять под током с моментом короткого замыкания М до тех. пор, пока не сработает тепловая защита.

Механизмы с активным статическим моментам ( грузовые лебёдки, брашпили) при опрокидывании реверсируют под действием веса груза или якоря.(рис. 11, б ).

Переходный процесс при провале напряжения сначала протекает так же, как в предыдущем случае.

Однако после перехода двигателя в точку Д, двигатель не остановится, а сразу же реверсирует и станет разгоняться в обратном направлении ( точки F, F, F ). Поскольку знак электромагнитного момента двигателя не изменился, т.е. направлен в сторону подъёма груза, двигатель перейдёт в режим тормозного спуска и будет стараться уменьшить скорость спуска груза

Однако при этом скорость спуска груза будет непрерывно увеличиваться. Это объясняется тем, что величина тормозного момента двигателя по мере перехода из точки Fв точку Fи далее в точку Fнепрерывно уменьшается ( М< М< М).

Если электродвигатель своевременно не отключить от сети и не затормозить механическим тормозом, это приведёт к аварии.

14. Способы повышения динамической устойчивости САЭП

Для повышения динамической устойчивости САЭП применяют такие способы:

1. использование быстродействующих автоматических выключателей и предохранителей, практически мгновенно отключающих цепи при коротком замыкании в них;

2. использование быстродействующих автоматических регуляторов напряжения, которые практически мгновенно устраняют провалы напряжения и тем самым предотвращают массовое отключение электродвигателей устройствами нулевой защиты (по снижению напряжения);

3. использование вместо нулевой защиты по напряжению (с кнопками «Пуск» и «Стоп» ) минимальной, допускающей автоматическое повторное включение двигателя после восстановления напряжения до номинального;

4. использование в схемах электроприводов электрических и механических блокировок, исключающих возникновение неноминальных (аварийных) режимов (например, блокировка по весу груза в электроприводах ГПМ, отключающая схему управления при попытке подъема груза, большего номинального, и др.);

5. использование в судовых электроприводах электродвигателей с повышенными пусковыми моментами - с двумя обмотками на роторе (двухклеточных), с фазным ротором и т.п.

Размещено на Allbest.ru