Вращения электродвигателей

 

4.1. Реверсирование электродвигателей постоянного и переменного токов

 

Реверсированием называется процесс изменения направления вращения на ходу двигателя без предварительной его остановки, при котором вращающий момент двигателя и скорость вращения меняют знак. По существу реверсирование состоит из следующих друг за другом процессов торможения противотоком и последующего пуска в обратном направлении.

Для двигателя постоянного тока возможны два варианта реверсирования: изменение полярности напряжения на зажимах якоря или изменении полярности напряжения на зажимах обмотки возбуждения (табл.4.1), что вытекает из выражения Мдв = кФIя. В обоих случаях изменение полярности напряжения в начале наступает торможение противотоком, а затем пуск в обратную сторону.

 

Таблица 4.1. Знак момента двигателя постоянного тока при изменении полярности напряжения

Знак полярности напряжения	Знак момента Мдв = кФIя
якоря	обмотки возбуждения
+ – – +	+ – + –	+ + – –

 

Второй вариант для шунтового двигателя практически не используется ввиду необходимости перемагничивания магнитной цепи двигателя, что связано с относительно длительным переходным процессом. Для сериесного и компаудного двигателя постоянного тока реверсирование осуществляется путем изменения полярности на зажимах якоря или на зажимах обмотки возбуждения.

Реверсирование двигателей переменного тока осуществляется путем переключения на ходу двигателя двух любых фаз обмотки статора. Ротор двигателя сначала тормозится при режиме противовключения, останавливается, а затем пускается в обратную сторону. При этом знаки момента двигателя и скорости вращения меняются на обратное по сравнению с предыдущем двигательном режимом.

4.2. Основные показатели регулирования

 

Регулирование скорости движения рабочего органа позволяет наиболее рационально использовать производственные механизмы, обеспечить оптимальные режимы их работы и, как правило, уменьшить расход энергии. Для регулирования скорости в принципе имеется три возможности: изменение скорости вращения приводного электродвигателя; изменение передаточного отношения передач, установленных между двигателем и производственным механизмом; воздействием на двигатель и механическую передачу одновременно. Второй вариант имеет недостатки: затруднено получение плавного регулирования, в некоторых случаях получаются относительно сложные и недостаточно ненадежные конструкции передач, возникают сложности автоматизации технологических процессов и малая экономичность. Третий вариант – комбинированный – находит ограниченное применение в основном в электроприводе металлорежущих станков. По этим причинам в настоящее время регулирование скорости движения рабочих органов решается путем регулирования скорости вращения основного источника механической энергии – электродвигателя. Первый вариант предусматривает воздействие на двигатель при неизменных параметрах механической передачи. Этот способ нашел основное применение в современном электроприводе вследствие его широких регулировочных возможностей, простоты и удобства использования в общей схеме автоматизации технологических процессов и экономичности.

Под регулированием скорости вращения электродвигателя понимается целенаправленное ее изменение независимо от момента в соответствии с требованиями технологического процесса. Для оценки свойств регулируемого электропривода вводится ряд показателей: диапазоны регулирования скорости, стабильность скорости, плавность регулирования скорости, направление регулирования скорости, допустимая нагрузка двигателя, экономичность регулирования.

Диапазон регулирования скорости – отношение максимальной скорости вращения ω_макс. к минимальной ω_мин

(4.1)

Обычно диапазон регулирования выражается в числах в виде отношения, например 2:1, 4:1, 10:1, 20:1, …10000:1 и так далее. Часто возникает задача расширения зоны регулирования скорости вращения и тем самым увеличения Д, однако это расширение не безгранично. Увеличение верхнего предела ω_макс. ограничено механической прочностью вращающихся частей и коммутационной способностью коллектора для двигателя постоянного тока. Нижний предел ω_мин ограничивается необходимой точностью поддержания заданной скорости вращения при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя, а иногда и габаритами, например для асинхронных двигателей с синхронной скоростью n_О = 375 об/мин.

Стабильность скорости характеризуется изменение скорости при возможных колебаниях момента на валу двигателя и определяется жесткостью механических характеристик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагрузки и наоборот.

Важным показателем качества регулирования скорости вращения является плавность регулирования, характеризуемая разностью двух последовательных соседних значений скорости вращения. Ее оценивают коэффициентом плавности регулирования, который находится как отношение соседних значений скоростей вращения при регулировании

, (4.2)

где ω_i, ω_i-1 – значения скорости вращения на i – й и i – 1 ступенях регулирования, причем ω_i > ω_i-1.

Наиболее плавное регулирования будет иметь место при φ_ωa1.

Направление регулирования скорости определяется в зависимостях от способа воздействия на двигатель и получение искусственных механических характеристик. Если скорость при данном моменте нагрузки увеличивается по сравнению с работой на естественной механической характеристике, то это регулирование вверх от основной, если скорость уменьшается – регулирование скорости вниз.

Допустимая нагрузка двигателя, то есть наибольшее значение момента, который двигатель способен развивать длительно при работе на регулируемых характеристиках, определяется нормативным нагревом двигателя и тем самым расчетным сроком его службы (12…20 лет). Для разных способов регулирования она будет различной. При правильном выборе способа регулирования скорости двигатель полностью используется по своим энергетическим показателям. По признаку допустимой нагрузки имеются механизмы при постоянном моменте и при постоянной мощности двигателя.

Экономичность регулирования скорости характеризуется затратами на сооружение и эксплуатацию электропривода. Экономически выгодным оказывается такой регулируемый электропривод, который обеспечивает большую производительность приводимого в действие механизма при высоком качестве технологического процесса сравнительно быстро окупается.

 

4.3. Регулирование скорости вращения электродвигателей постоянного тока.

 

Регулирование скорости вращения электродвигателей постоянного тока рассматривается на примере шунтового двигателя, однако названные способы регулирования применимы и для сериесных и компаудных двигателей.

Из уравнения скоростных характеристик двигателя

(4.3)

следует, что возможны три принципиально различных регулирования скорости вращения двигателя (рис.4.1):

– изменением подводимого к якорю двигателя напряжения U;

– изменением сопротивления цепи якоря посредством R_д.я резисторов (реостатные);

– изменением магнитного потока Ф (тока возбуждения).

 

Рис. 4.1. Регулировочные механические характеристики шунтового двигателя при изменении U,R_д.я,Ф

 

Так же будет рассматривается отдельным вопросом принцип импульсного регулирования скорости изменением параметров (напряжения и сопротивления) для двигателей постоянного и параллельного токов.

Необходимо отметить, что при изменении одного из параметров (U,R_д.я,Ф) воздействия на двигатель, два других остаются постоянными.

Регулирование скорости вращения изменением напряжения подводимого к якорю от отдельного источника. Напряжение можно изменять только в сторону уменьшения от номинального, так как значительное повышение напряжения нарушает условия коммутации и механической прочности вращающихся частей.

Особенности данного способа регулирования: при изменении напряжения механические характеристики сохраняют жесткость, что определяет относительно высокую стабильность скорости вращения; допустимый момент со снижением скорости вращения остается постоянным, так как допустимый ток якоря равен номинальному, а магнитный поток остается неизменным (номинальным); относительный перепад скорости вращения растет со снижением напряжения, что ограничивает диапазон регулирования 8…10:1 в системах привода без обратных связей, а в замкнутых системах достигает 1000:1 и выше; модуль жесткости механических характеристик в зоне низких скоростей значительно больше, чем при изменении сопротивления цепи якоря и магнитного потока, что расширяет существенно диапазон регулирования; плавность регулирования скорости вращения определяется плавностью изменения напряжения питания, φ_ωa1; для изменения ЭДС питания необходимо воздействие не на главные цепи, а на цепи управляющих устройств и так как этих цепей во много раз меньше мощности регулируемого двигателя, то способ регулирования скорости являются экономичным.

Указанный способ регулирования возможен при использовании соответствующего преобразователя с регулируемым напряжением постоянного тока на выходе, например, в электромагнитной системе генератор – двигатель (Г-Д) или управляемый выпрямитель (в основном тиристорный преобразователь) – двигатель (УВ-Д).

Регулирование скорости вращения изменением сопротивления в цепи якоря осуществляется путем введения сопротивления добавочных резисторов.

Особенности данного способа регулирования: регулирование скорости выполняется вниз от основной; механическая характеристика делается более мягкой, поэтому получаемая скорость зависит от величины момента нагрузки; диапазон регулирования ограничен, при допуске перепада скорости в 25% и изменении момента нагрузки на ±25% номинального, диапазон регулирования составляет 2…2,5:1; модуль жесткости механических характеристик уменьшается при снижении скорости вращения, то есть скорость охлаждения двигателя ухудшается, вследствие чего статическая нагрузка должна быть снижена; возникают существенные дополнительные потери энергии, так как при определенном токе якоря или момента двигателя величина снижения скорости пропорциональна R_д.я, а доля падения напряжения I_я R_д.я по отношению к U есть доля потери мощности.

Этот способ регулирования в силу свойственных ему недостатков применяется редко.

Регулирование скорости вращения изменением тока возбуждения осуществляется путем ввода в цепь возбуждения машин малой мощности, иногда и средней, резисторов, а для мощных машин – специальных преобразователей (регуляторов напряжения, генераторов, электромашинных и магнитных усилителей, вентильных преобразователей). Так как по условиям нормальной работы обмотки возбуждения ток в ней не может длительно превосходить номинальную величину и кроме того магнитные цепи уже при номинальном потоке близки к насыщению, то магнитный поток можно только ослаблять. Это ведет к повышению скорости вращения выше номинальной. Уменьшение потока возбуждения и верхнего предела скорости определяются условиями коммутации и механической прочностью вращающихся частей. Обычно регулируемые двигатели имеют диапазон регулирования от 2:1 до 8…10:1. С уменьшением потока возбуждения увеличивается скорость вращения идеального холостого хода ω_о = U_н/сФ, остается неизменным ток короткого замыкания Iк.з. = U_н/R_я, снижается момент короткого замыкания М к.з. = сФIк.з. и модуль жесткости механических характеристик β = сФ²/R_я, ограничивающей диапазоны скорости вращения.

Особенности данного способа регулирования скорости: возможно только вверх в сторону повышения от номинальной мощности; механическая характеристика остается жесткой с некоторым увеличением ее наклона; допустимая мощность на валу двигателя, определяемая из условия постоянства тока якоря, является постоянной; нет существенных потерь энергии, так как мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, составляет 2..5% мощности двигателя из-за малого тока возбуждения I_в=(2…3)% общего тока.

Данный способ регулирования скорости вращения являются одним из наиболее простых и экономичных.

 

4.4. Регулирование скорости вращения электродвигателей по системе генератор-двигатель

 

Принципиальная схема включения шунтового двигателя постоянного тока по системе генератор – двигатель (Г-Д) приведена на рис.4.2.

Генератор G с постоянной скоростью ω приводится во вращение асинхронным или синхронным двигателем М1. Питание цепей возбуж-дения генератора G и исполнительного двигателя М2 осуществляется от независимого источника постоянного тока (генератор-возбудитель, тиристорный, электромашинный или магнитный усилители). Якорь двигателя М1 присоединяется к якорю генератора G непосредственно. Для изменения направления вращения двигателя М2 необходимо изменить ЭДС генератора Е2 путем изменения магнитного потока генератора или путем изменения полярности напряжения и направления тока в обмотке возбуждения генератора.

При оценке экономичности регулирования следует иметь в виду, что системе Г-Д осуществляется трехкратное преобразование энергии. Каждая из ступеней преобразования сопровождается потерями энергии, поэтому общий КПД системы

η_г-д = η_м1η_гη_м2, (4.4)

где η_м1,η_г,η_м2 – соответственно КПД приводного первичного двигателя М₁ , генератора, исполнительного двигателя М₂.

 

Рис. 4.2. Принципиальная схема включения шунтового двигателя по системе Г-Д

 

Результирующий КПД особенно низок для электроприводов малой мощности и достигает 75…80% электроприводов средней и большой мощности.

Уравнение равновесия ЭДС имеет вид

Е₂ – Е = I_я(R_г + R_дв), (4.5.)

где Е₂, Е – соответственно ЭДС генератора и ЭДС двигателя;

I_я – ток в якорной цепи генератора и двигателя;

R_Г, R_дв – соответственно сопротивление якоря генератора и двигателя М₂.

Отсюда угловая скорость двигателя М₂

, (4.6.)

где ω_о – скорость вращения идеального холостого хода;

– величина постоянная

Из выражения (4.7.) момент двигателя М_дв2 при неизменном и изменном потоке Ф

(4.7.)

Уравнение (4.7.) в развернутом виде определяет семейство линейных механических характеристик, наклон которых остается постоянным и определяется общим сопротивлением якорной цепи.

Рис. 4.3. Механические характеристики шунтового двигателя постоянного тока для двигательного режима в системе Г-Д

 

Скорость вращения двигателя М₂ регулируется ниже основной изменением ЭДС генератора Е₂ при номинальном потоке двигателя (зона 1), а выше основной – уменьшением магнитного потока двигателя Ф при номинальной ЭДС генератора (зона 2) (рис.4.3.), что видно из выражения для ω_о = Е₂/сФ.

Достоинством системы Г-Д является плавность регулирования, а недостатками, высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Регулирование скорости вращения шунтового двигателя по системе управляемый выпрямитель – двигатель (УВ-Д) широко используется для регулирования любых координат электропривода при высоких требованиях к показателям качества регулирования. Этот способ по этой причине являются основным при создании автоматизированных электроприводов постоянного тока.

Реализация способа предусматривает питания якоря шунтового двигателя от преобразователя, выходное напряжение которого регулируется по величине и по полярности. Так как основным источником питания электропривода служит сеть переменного тока, то таким преобразователем должен быть управляемый выпрямитель, чаще всего тиристорный преобразователь.

Схема электропривода при питании от УВ, получившая название система УВ-Д, показана на рис 4.4., где Е_п – ЭДС УВ, R_n – его внутреннее сопротивление, К_n = Е_n/U – коэффициент усиления УВ, U_у – входной сигнал управления. Напряжение на выходе УВ вследствие наличия его внутреннего сопротивления R_в определяется

U = E_n – IR_в (4.8.)

 

Рис. 4.4. Схема включения шунтового двигателя кУВ

Рис. 4.5. Механические характеристики шунтового двигателя при регулировании напряжения в двигательном режиме

 

Обмотка возбуждения двигателя питается от отдельного источника постоянного тока, например, неуправляемого выпрямителя.

Выражения для скорости ω и момента двигателя М_дв согласно формулы (4.7.) имеем вид

; (4.9.)

откуда

(4.10.)

Из (4.9.) и (4.10.) видно, что при изменении Е_n пропорционально изменяются скорость идеального холостого хода ω_о, а искусственные механические характеристики, оставаясь линейными и параллельными друг другу, имеют по сравнению с естественной механической характеристикой шунтового двигателя больший наклон из-за сопротивления R_n в выражение для перепада скорости ∆ω. Естественная механическая характеристика получена при питании двигателя от источника бесконечно большой мощности или по другому, от источника с нулевым внутренним сопротивлением. Характеристики построены соответственно при следующих значениях ЭДС УВ

К достоинствам системы УВД, например, тиристорный преобразователь-двигатель относятся: плавность и значительный диапазон регулирования Д=10:1 и более; большая жесткость получаемых искусственных механических характеристик; высокий КПД электропривода, определяемый КПД трансформатора (0,93…0,98) и УВ(0,9…0,92); бесшумность в работе, простота в обслуживании и эксплуатации. К недостаткам системы УВД следует отнести: преобразователь имеет одностороннюю проводимость; для получения механических характеристик во всех квадрантах необходимо использовать реверсивный двухкомплектный преобразователь; напряжение на якоре и ток имеют пульсирующий характер; вентильный электропривод вносит искажения в форму тока и напряжения источника питания; тиристорные преобразователи имеют невысокую помехозащищенность и малую перегрузочную способность по току и напряжению.

Несмотря на отмеченные недостатки, система ТП-Д является основным видом высокоэффективного регулируемого электропривода постоянного тока.