Шпаргалка по "Теории электропривода"

Изменения частоты тока статора f₁ приводит к пропорциональному изменению величины w₀=2·p·f₁/p_n, но одновременно при U₁=const вызывают обратно пропорциональные изменения потока двигателя Ф_m. Так как в номинальном режиме машина насыщена, при U₁=U_1HOM допустимо только увеличение частоты f₁³f_1ном, что вызывает соответствующее уменьшение потока Ф_m.

Критическое скольжение при этом также  уменьшается, а скорость идеального холостого хода увеличивается, как показано на рис.3.31,г.

7. Электромеханические  свойства синхронных двигателей.

Синхронные двигатели, как правило, исполняются с явнополюсным ротором, на котором размещается обмотка возбуждения. Питание обмотки возбуждения осуществляется через контактные кольца от источника постоянного напряжения, а трехфазная обмотка статора подключается к сети переменного тока, как показано на рис.3.46,a.

Рис.1. Схема включения синхронного  двигателя

 

Уравнение угловой характеристики двухфазного явнополюсного синхронного  двигателя записывается в виде

Уравнение (3.118) свидетельствует  о том, что электромагнитный момент синхронного двигателя состоит из двух составляющих, первая из которых обусловлена взаимодействием вращающегося поля статора с полем возбужденного ротора, а вторая представляет собой реактивный момент, обусловленный явнополюсным исполнением ротора. Вследствие явнополюсности энергия магнитного поля максимальна при любом из двух возможных соосных с полем статора положений ротора, что и определяет зависимость реактивного момента от двойного угла q_эл.

Примерный вид угловой характеристики М=f(q_эл) показан на рис.3.47,а.

Рассматривая ее, можно убедиться, что увеличение угла q_эл вызывает рост электромагнитного момента вначале в зависимости, близкой к линейной. При q_ЭЛ> 45° темп нарастания момента быстро снижается, и после достижения максимума М_mах дальнейшее возрастание угла q влечет за собой уменьшение момента двигателя. Без учета явнополюсности ротора максимум момента наступает при q_ЭЛ=90°.

В номинальном режиме работы, когда двигатель развивает  номинальный электромагнитный момент М_ном, угол q_эл обычно составляет q_ЭЛном=20¸30°. Этим обстоятельством определяется перегрузочная способность синхронного двигателя, которая лежит в пределах l=М_тaх/М_ном=2¸3. Рассмотрение рис.3.47,а,б позволяет заключить, что реактивный момент увеличивает крутизну рабочего участка угловой характеристики и несколько повышает перегрузочную способность двигателя.

При возрастании нагрузки до значений, превышающих М_max=lМ_НОМ, двигатель выпадает из синхронизма. Статическая механическая характеристика синхронного двигателя соответственно имеет вид, показанный на рис.3.47,б (прямая 1).

8. Устойчивость  статического режима электропривода.

Статическому режиму работы соответствует движение всех элементов электромеханической  системы с постоянной и одинаковой приведенной скоростью. Этот режим наступает после затухания свободных составляющих переходного процесса, вызванного изменением управляющего или возмущающих воздействий, и характеризуется равенством электромагнитного момента двигателя суммарному моменту нагрузки.

Для электромеханической системы с упругой связью

откуда

В общем случае момент нагрузки в той или иной степени  зависит от скорости. Зависимость M_c=f(w) или w=f(М_с) является механической характеристикой исполнительного механизма, а так как момент двигателя также в соответствии с его механической характеристикой зависит от скорости, условие статического режима можно записать в таком виде:

где w_с - скорость электропривода в статическом режиме.

Рис.4.13. К анализу статической  устойчивости электропривода

 

Графически условие (4.28) определяется точкой пересечения механической характеристики двигателя w=f(М) с механической характеристикой исполнительного механизма w=f(М_с) (рис.4.13). На этом рисунке в качестве примера представлены механические характеристики 1 и 2 асинхронного двигателя для двух направлений вращения его магнитного поля, а также ряд механических характеристик различных исполнительных механизмов (3-5). Характеристика 3 соответствует механизму с активной полезной нагрузкой, например подъемной лебедке. При w>0, что соответствует подъему груза, пересечение этой характеристики с механической характеристикой двигателя дает точку статического режима w_c1, в которой двигатель, работая в двигательном режиме, преодолевает активный полезный момент и реактивный момент механических потерь. При противоположном направлении вращения (w<0) характеристика 3, пересекаясь с характеристикой двигателя 2, дает точку статического режима w_с2. Здесь двигатель работает в режиме рекуперативного торможения и его тормозной момент совместно с реактивным моментом механических потерь уравновешивает движущий момент полезной нагрузки.

Характеристика 4 пересекается с механической характеристикой  двигателя в двух точках, чему соответствуют две скорости w_с3 и w_с4, при которых выполняется условие статического равновесия (4.28). Однако устойчивым это равновесие является только при скорости w_с3. Незначительное отклонение скорости от w_с4 вниз дает уменьшение момента двигателя, и появляется динамический момент отрицательного знака, вызывающий дальнейшее снижение скорости. Аналогичное отклонение скорости вверх от w_с4 приводит, напротив, к увеличению момента двигателя и появлению положительного динамического момента, что вызывает дальнейшее возрастание скорости вплоть до w=w_с3. При этом значении скорости динамические моменты, возникающие при любом малом отклонении скорости, направлены на уменьшение возникшего отклонения скорости и возвращают электропривод в точку устойчивого равновесия. Увеличение момента нагрузки вплоть до значения, соответствующего критическому моменту двигателя, приводит к слиянию точек устойчивого и неустойчивого равновесия в одну точку неустойчивого равновесия w=w_к=w₀(1-s_k), поэтому участок механической характеристики асинхронного двигателя при w<w_к обычно называют неустойчивым.

Условия возникновения динамического момента при отклонениях от точки статического равновесия зависят как от формы характеристики двигателя, так и от вида характеристики исполнительного механизма. На рис.4.13 показана механическая характеристика вентилятора 5, пересекающая характеристику двигателя в точке w_с4. Путем аналогичного анализа можно установить, что благодаря более значительным изменениям момента нагрузки, чем момента двигателя, возникающие при отклонениях скорости от w_с4 динамические моменты возвращают систему к скорости w_с4 и равновесие становится устойчивым.

Из изложенного следует, что при М_с=const устойчивость статического режима работы зависит от знака жесткости статической механической характеристики двигателя. Условие устойчивости: b_ст=dM/dw<0. Если момент механизма зависит от скорости, то его механическая характеристика также обладает определенной жесткостью b_мех=dM_c/dw, при этом условие статической устойчивости принимает вид

Следует иметь в виду, что приведенные рассуждения  и полученные условия устойчивости статического режима работы справедливы только для электроприводов, у которых статическая и динамическая механические характеристики совпадают. В общем случае устойчивость статического режима работы электропривода определяется динамической жесткостью механической характеристики и параметрами механической части привода, поэтому она должна устанавливаться на основании анализа корней характеристического уравнения системы или частотными методами теории автоматического регулирования.

9. Тормозные  режимы двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Рассмотрим выражение  тока якоря, полученное из уравнения  равновесия напряжений цепи якоря

В двигательном режиме, см. ниже рисунок б., напряжение сети U меньше по величине, чем ЭДС якоря Е  и ток якоря положительный, имеет положительное направление. Характеристики располагаются в I квадранте, рис. а. Если скорость двигателя станет равной ω0, ЭДС якоря сравняется с напряжением сети, а ток якоря станет равным нулю, что соответствует режиму идеального холостого хода. При превышении скорости идеального холостого хода ЭДС якоря становится больше напряжения сети, ток якоря изменяет направление, характеристики располагаются во II квадранте, рис. а., возникает тормозной режим, в котором ток идет в сеть, то есть осуществляется рекуперация энергии, рис. в.

Рис. Электромеханические  характеристики ДПТНВ (а.) и электрические  принципиальные схемы ДПТНВ в  двигательном режиме и при генераторном рекуперативном торможении (б., в.)

 

Специальной формулы  для описания характеристик в режиме рекуперативного торможения не требуется. Эти характеристики являются продолжением во второй квадрант известных характеристик двигательного режима при увеличении скорости больше скорости идеального холостого хода.

При динамическом торможении обмотка якоря отсоединяется от сети и включается на тормозное сопротивление. В этом режиме двигатель работает как автономный генератор, см. схему ниже.

Рис. Электромеханические  характеристики ДПТНВ (а.) и электрические  принципиальные схемы ДПТНВ в  двигательном режиме и при динамическом торможении (б., в.)

 

При торможении противовключением  якорь двигателя вращается в  направлении, противоположном тому, в котором он должен был бы вращаться в соответствии с электрической схемой включения. Режим противовключения может быть сформирован двумя методами. При первом направление вращения вала изменяется механически за счет активного момента нагрузки.

Вторым способом противовключения является изменение полярности питающего напряжения на вращающемся двигателе. Во всех случаях противовключения ток в якоре создается под действием суммы напряжения сети и ЭДС двигателя

и поэтому, во избежание  больших аварийных токов, в цепь якоря обязательно необходимо включать добавочные сопротивления.

Рис. Механические характеристики ДПТ НВ в режиме противовключения за счет изменения направления вращения вала (а.) и за счет изменения полярности питающей сети

 

10. Тормозные режимы двигателя постоянного  тока последовательного возбуждения.

Для двигателя последовательного  возбуждения возможны лишь два режима электрического торможения: противовключением и динамическое. Режима рекуперативного торможения у двигателей этого типа нет, так как э.д.с. не может быть выше напряжения сети в связи с тем, что скорость идеального холостого хода не имеет конечной величины.

Динамическое торможение может быть осуществлено двумя способами: с самовозбуждением (рис.а) и с  независимым возбуждением (рис.б). При  торможении с самовозбуждением необходимо сохранить направление тока возбуждения таким же, как при нормальной работе двигателя. Без этого машина размагнитится, и торможения не получится.

 

Механические характеристики режима динамического торможения (см. рис, четыре засечки) нелинейны вследствие непостоянного магнитного потока. В  области, обозначенной пунктирными линиями, торможение практически отсутствует. Рассмотренный режим используют редко, в основном как аварийный при исчезновении напряжения сети.

Механические характеристики динамического торможения с независимым  возбуждением аналогичны соответствующим характеристикам двигателя параллельного возбуждения (см. рис., две засечки). Такой способ торможения нашел широкое применение в приводе рудничных электровозов, ходового механизма роторных экскаваторов и др.

Торможение противовключением  осуществляется, как и у двигателей параллельного возбуждения, двумя способами: включением в цепь якоря реостата с большим сопротивлением и изменением полярности обмотки якоря.

При первом способе механическая характеристика будет продолжением характеристики двигательного режима (см. рис., три засечки в квадранте IV). При торможении противовключением по второму способу характеристика располагается в квадранте II (линия с тремя засечками).

11. Тормозные режимы двигателя постоянного  тока смешанного возбуждения.

Двигатели смешанного возбуждения применяются в установках, где требуются большой пусковой момент и работа при малых моментах нагрузки с возможностью регулирования частоты вращения в широких пределах (например, в приводах насосов, компрессоров, строгальных станков, прокатных станов и в электротяге). Это основные  двигатели на электровозах, электропоездах с моторными вагонами и тепловозах. Их вспомогательная параллельная обмотка возбуждения позволяет осуществлять генераторное (рекуперативное) торможение с возвратом электроэнергии в сеть на длинных спусках дорог, особенно в горной местности. Регулирование частоты вращения двигателей производится с помощью регулировочного реостата R_рег в параллельной цепи возбуждения, реверсирование — изменением направления тока якоря.

Двигатели со смешанным возбуждением допускают все три режима электрического торможения: рекуперативное с отдачей энергии в сеть, динамическое и противовключением. (См. вопрос 9 и 10)

12. Тормозные режимы асинхронных двигателей.

При работе многих производственных механизмов возникает необходимость в быстрой остановке (торможении) двигателя. Для этой цели широко используются механические тормоза, но асинхронная машина может сама выполнять функции тормозного устройства, работая в одном из тормозных режимов. При этом механические тормоза используются как запасные или аварийные, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии.

Различают следующие  тормозные режимы асинхронных машин:

генераторное торможение;

динамическое торможение;

торможение противовключением.

Генераторное торможение

Машина переходит в  режим генератора, если n > n₀, т.е. если ротор вращается быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты источника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля.