Механические характеристики двигателя независимого возбуждения в тормозных режимах.

Очень часто в современных электроприводах необходимо быстро и точно остановить механизм или изменить направление его вращения. Скорость и точность, с которыми будут произведены эти действия, во многом определяют производительность механизма, а также качество изготавливаемого изделия.

Во время остановки или перемены направления движения электродвигатель работает в тормозном режиме на одной из характеристик, соответствующих осуществляемому способу торможения.

 

 

Рис. 2-1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения в различных режимах работы.

 

На рисунке показаны механические характеристики двигателя, характеризующие три возможных способа торможения:

1. генераторное торможение с отдачей энергии в сеть,

2. динамическое торможение,

3. торможение противовключением.

 

2.1. Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается больше скорости идеального холостого хода

,

а его ЭДС Е больше приложенного напряжения U.

Двигатель при этом работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдаёт электрическую энергию. Направление тока при этом изменяется на противоположное:

.

Момент также изменяет своё направление действия:

.

Обозначим тормозной момент и перепишем уравнение механической характеристики двигателя:

.

При — скорость идеального холостого хода.

(Аналогично: , , k — наклон линии.)

Таким образом, наклон механической характеристики в режиме генераторного торможения с отдачей энергии в сеть будет таким же, как и в двигательном режиме, то есть механическая характеристика в таком режиме будет продолжением механической характеристики двигательного режима во II квадранте.

Этот способ торможения возможен, к примеру, при спуске груза и при некоторых способах регулирования.

Такой способ торможения весьма экономичен, но его применение возможно лишь в узких пределах ограничения скорости.

2.2. Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя и переключении его на сопротивление (реостатное торможение).

 

 

Рис. 2-2. Схема включения двигателя при динамическом торможении.

 

Режим динамического торможения также соответствует работе машины в качестве генератора. Однако этот режим отличается от приведённого выше тем, что вся кинетическая энергия запасённая и преобразованная двигателем в электрическую, не отдаётся обратно в сеть, а выделяется в виде тепла на сопротивлении R. ЭДС в этом случае сохраняет тот же знак, что и в двигательном режиме. Ток якоря:

,

где — сопротивление якорной цепи.

Тормозной момент при динамическом торможении может быть выражен равенством:

.

В то же время из формулы

, так как напряжение извне не прикладывается, то ,

поэтому

, тогда

при Ф = const.

То есть

.

При динамическом торможении механическая характеристика двигателя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Семейство характеристик динамического торможения при различных сопротивлениях якорной цепи () расположены во II квадранте системы координат. Жёсткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи.

 

2.3. Торможение противовключениемосуществляется в двух случаях:

· когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешних сил вращается в противоположную сторону;

· при переключении обмотки якоря для быстрой остановки двигателя или изменения направления его вращения.

В первом случае

1) двигательный режим: (точка 1);

2) двигатель остановлен: , (точка 2);

3) двигатель вращается в противоположном направлении: (точка 3).

Значительно чаще режим противовключения имеет место, когда изменяется полярность напряжения, подводимого к якорю электродвигателя при его вращении. ЭДС в этом случае направлена согласно с напряжением сети, а момент двигателя направлен против вращения якоря.

 

3. регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

 

Из уравнения следует, что возможны три принципиально различных способа регулирования скорости вращения двигателя:

1. регулирование изменением тока возбуждения двигателя;

2. регулирование изменением сопротивления в цепи якоря;

3. регулирование изменением подводимого к двигателю напряжения.

 

3.1. Регулирование изменением тока возбуждения двигателя.

 

Регулирование скорости вращения двигателя изменением тока возбуждения является одним из наиболее простых и экономичных способов и находит широкое применение на практике.

Допустимая мощность двигателя при таком способе регулирования остаётся неизменной.

 

 

Рис. 3-1. Скоростные характеристики двигателя постоянного тока НВ при регулировании скорости изменением тока возбуждения.

 

При , откуда —

при любом значении тока возбуждения и при скорости вращения, равной нулю, ток якорной цепи равен току короткого замыкания двигателя.

Рис. 3-2. Механические характеристики двигателя постоянного тока НВ при регулировании скорости изменением тока возбуждения.

 

Механические характеристики имеют те же значения скоростей идеального холостого хода (),что и для скоростных характеристик.

Эти характеристики не пересекаются в одной точке, как скоростные, так как по мере уменьшения потока уменьшается и момент короткого замыкания, определяемый по формуле:

.

Регулирование является экономичным при постоянной мощности, полному использованию двигателя (наиболее экономичный режим) соответствуют точки, находящиеся на линии номинального тока . Этому соответствуют точки, лежащие на гиперболической кривой момента сопротивления .

При работе на скоростях, соответствующих точкам, лежащим левее указанной кривой момента , двигатель будет недогружен. Напротив, работа на скоростях правее этой кривой приведёт к перегрузке двигателя.

При постоянном моменте сопротивления () и длительной нагрузке двигатель нужно выбирать так, чтобы при наибольшей скорости двигателя ток в цепи якоря не превышал номинального.

 

3.2. Регулирование скорости изменением сопротивления якорной цепи.

 

При таком способе регулирования двигатель будет работать на одной из реостатных характеристик в зависимости от величины включенного в цепь якоря сопротивления.

Регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительную работу с полным током нагрузки, поскольку его сопротивление оказывается включенным не только кратковременно во время пуска, но и во время работы двигателя на заданной скорости.

При таком способе регулирования изменяется жёсткость характеристики, а с ней и стабильность работы на заданной скорости. Полное использование двигателя по току достигается при регулировании с постоянным моментом.

При регулировании скорости вращения введением сопротивления в цепь якоря потери мощности в этих цепях изменяются пропорционально перепаду скорости.

Для двигателя постоянного тока потребляемая мощность в цепи якоря:

или , отсюда , или, обозначив , получим

.

КПД привода при реостатном регулировании может быть ориентировочно определён по формуле:

.

 

4. Механические характеристики асинхронных электродвигателей.

4.1. Общие сведения

Упрощенная классификация электроприводов переменного тока.

1) На базе синхронных двигателей

а) СД с электромагнитным возбуждением

б) СД с возбуждением от постоянных магнитов

2) На базе асинхронных двигателей с КЗ ротором

а) Трёхфазный АД

б) Двухфазный АД

3) На базе асинхронных двигателей с фазным ротором.

Асинхронные бесколлекторные электродвигатели из-за простоты конструкции, надёжности, высокого КПД и сравнительно низкой стоимости получили самое широкое распространение в промышленности и сельском хозяйстве. Также асинхронные двигатели значительно легче двигателей постоянного тока.

 

4.2. Уравнение механической характеристики. схема замещения одной фазы.

 

В отличие от двигателей постоянного тока магнитный поток возбуждения трёхфазного двигателя создаётся переменным током обмоток и является вращающимся. Появление в обмотке ротора ЭДС и тока, а следовательно, и вращающего момента на валу возможно, как известно, только при наличии разности между скоростью вращения поля и скоростью вращения ротора, называемой скольжением

где ω – скорость вращения ротора.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя строят в виде зависимости скольжения от развиваемого двигателем момента s=f(M) при постоянной величине напряжения и частоты питающей сети.

Для получения аналитического выражения механической характеристики трёхфазного двигателя используется эквивалентная схема одной фазы двигателя при соединении обмоток статора и ротора в «звезду». На эквивалентной схеме (рисунок 5.2) магнитная связь между обмотками статора и ротора заменена электрической, а ток намагничивания и соответствующие ему индуктивное и активное сопротивления представлены в виде независимого контура, включенного на напряжение сети.

X0

R0

~Uф

Рис. 5.2. Эквивалентная схема одной фазы двигателя.

Для данного рисунка

Uф – первичное фазное напряжение;

I₁ – фазный ток статора;

I₂^/ – приведённый ток ротора;

Х₁ и Х₂^/ – первичное и вторичное приведённое реактивные сопротивления рассеяния;

R₀ и Х₀ – активное и реактивное сопротивления контура намагничивания;

s – скольжение двигателя;

– синхронная угловая скорость двигателя, ;

R₁ и R₂^/ – первичное и приведённое вторичное активные сопротивления;

f₁ – частота сети,

р – число пар полюсов.

Параметры обмотки ротора (индуктивное, активное сопротивления и ток ротора I₂ ) приведены к виткам обмотки статора и к режиму при неподвижном роторе. Кроме того, эквивалентная схема рассматривается при условии, что параметры всех цепей являются постоянными, а магнитная цепь ненасыщенной.

В соответствии с приведённой схемой замещения можно получить выражение для вторичного тока:

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть определён из выражения потерь

, откуда

Подставляя значение тока I₂^/ в это выражение, получим: