Назад: 2.2 Управление током

2.3 Управление скоростью электропривода

Электрическим приводом называется часть производственного агрегата, предназначенная для приведения в действие рабочей машины. Он состоит из электродвигателя, механической передачи от двигателя к исполнительному механизму и аппаратуры для управления двигателем. Работа электропривода может происходить при двух характерных скоростных режимах.

Первый режим характеризуется постоянством скорости и нагрузки. При этом режиме в течение определенного промежутка времени, обусловленного особенностью технологического процесса, скорость движения привода и его нагрузка остаются неизменными. Этот режим называют установившимся.

Второй режим называется переходным. Он характеризуется изменением скорости привода. Сюда относятся случаи пуска машины в ход, ее остановки, случаи изменения скорости в связи с изменением нагрузки, а также другие случаи перехода привода от одной установившейся скорости к другой при ее регулировании и отработке возмущений.

При работе электропривода с постоянной скоростью в нем проявляются два вида сил:

1) силы, развиваемые электродвигателем за счет электрической энергии, потребляемой им из сети;

2) силы, возникающие в рабочей машине.

Последние обычно называются статическими силами и в зависимости от назначения рабочей машины обусловлены, например, силами тяжести груза, сжатия воздуха, резания металла, трения и прочее.

В переходных режимах электропривода, кроме усилия электродвигателя и статических сил машины, действуют еще инерционные силы, обусловленные изменением скорости всех движущихся масс, включая и массу вращающихся частей самого двигателя.

Для электродвигателя и большинства рабочих машин характерно вращательное движение их отдельных частей, поэтому при анализе работы привода рассматривают не действие указанных сил, а действие моментов этих сил.

В электроприводе рассматривают вращающий момент, развиваемый двигателем на валу ротора (момент двигателя), статический момент, приложенный к валу двигателя со стороны рабочей машины (статический момент нагрузки), и динамический момент, действующий на вал двигателя при ускорениях.

Вращающий момент двигателя обусловлен электромагнитными силами, которые возникают благодаря взаимодействию тока, протекающего по каждому проводнику ротора, с магнитным потоком электродвигателя. По характеру действия вращающий момент может быть либо движущим, либо тормозящим.

Для большинства случаев работы электропривода вращающий момент двигателя является движущим моментом, под действием которого происходит вращение вала двигателя и сочлененного с ним вала машины. Такой режим работы привода является основным и называется двигательным.

Тормозной режим привода часто применяют в подъемных установках для спуска, например, тяжелых грузов. В этом случае двигатель включают на вращение в сторону подъема груза, но под действием силы тяжести груза вал двигателя будет вращаться в сторону спуска, оказывая тормозящее действие.

Статические моменты рабочей машины по характеру действия разделяются на реактивные и активные. К реактивным моментам относятся моменты, создаваемые силами трения, сжатия, растяжения и скручивания неупругих тел. Эти моменты всегда противодействуют вращению электропривода. При изменении направления вращения рабочей машины ее реактивный момент также изменяет направление действия, являясь, таким образом, только моментом сил сопротивления движению.

Рабочие машины с реактивным статическим моментом имеют наибольшее распространение в промышленном, технологическом оборудовании.

Направление действия динамического момента, который учитывает инерционность движущихся масс, зависит от характера изменения скорости привода. При ускорении привода динамический момент всегда направлен против движения, а при замедлении поддерживает его.

Вращающий, или движущий, момент (М), статический (М_ст) и динамический (М_дн) проявляют себя таким образом, что в любой период движения агрегата движущий момент уравновешивается моментом сил сопротивления. Эту связь между моментами записывают в виде уравнения движения привода:

М = М_ст + М_дн.

При различных режимах работы агрегата моменты могут иметь различное направление действия. В практике моменты рассматриваются как величины алгебраические, а уравнение движения привода записывают в виде

М_дн= М – М_ст.

Знаки моментов М и М_ст условно принимают положительными, если направление действия моментов совпадает с направлением вращения привода. В противном случае знаки моментов считаются отрицательными. В установившемся режиме динамический момент равен нулю, и уравнение движения принимает вид

М = М_ст.

Особое значение для привода имеет процесс пуска в ход агрегата с реактивной характеристикой статического момента. При пуске в ход всем движущимся частям под действием момента двигателя сообщается ускорение. Появляются силы инерции, создающие динамический момент, направленный против вращения. Поэтому двигатель при пуске должен развивать так называемый пусковой вращающий момент (М_п), достаточный для преодоления не только реактивного статического момента М_ст, но и динамического М_дн. Следовательно, уравнение движения при пуске двигателя будет иметь вид

М_п = М_ст + М_дн. (2.1)

Для оценки электромеханических свойств электродвигателей и диапазона регулирования большое значение имеют их механические характеристики, которые отражают зависимость скорости вращения n двигателя от момента М на его валу: n = f(M). Различают механические характеристики естественные и искусственные. Естественной механической характеристикой называют зависимость n = f(M) при номинальных параметрах питающей сети, соответствующих номинальным параметрам двигателя при отсутствии добавочных R в его цепи.

Искусственная механическая характеристика двигателя – зависимость n = f(M) при питании двигателя от сети, параметры которой отличаются от номинальных параметров двигателя при наличии добавочных сопротивлений в его цепи или при включении двигателя по специальным схемам.

Механические характеристики различаются по степени изменения скорости двигателя при увеличении момента нагрузки. Наиболее часто для оценки характеристик используют критерий, называемый жесткостью, который равен отношению a = ∆M/∆n, По этому критерию все механические характеристики делят на группы (рис.2.8):

Рис. 2.8. Механические характеристики электродвигателей:

1 – синхронного; 2 – постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения; 3 – постоянного тока последовательного возбуждения; 4 – асинхронного

1 – абсолютно жесткие со строго постоянной скоростью вращения, например характеристика синхронного двигателя; жесткость этих характеристик составляет a = ∞;

2 – жесткие характеристики со сравнительно небольшим падением скорости при возрастании момента; жесткость таких характеристик составляет a = 40-10. К этой группе относятся двигатели постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения, асинхронные двигатели и некоторые коллекторные;

3 – мягкие характеристики с большим относительным падением скорости при увеличении момента. Жесткость этих характеристик может быть от α = 10 и менее. Мягкими характеристиками обладают: двигатели постоянного тока последовательного возбуждения; некоторые коллекторные двигатели переменного тока; двигатели постоянного тока независимого возбуждения с большим R в цепи якоря; асинхронные с фазным ротором с большим добавочным сопротивлением;

4 – асинхронная характеристика до точки перегиба (рабочая часть характеристики) обладает жесткостью a = 92-90; от точки перегиба до остановки и далее в сторону отрицательной скорости – характеристика мягкая.

Естественное изменение скорости вращения двигателя, возникающее в электроприводах в силу изменения нагрузки на валу работающей машины, не следует смешивать с понятием «регулирование скорости вращения электродвигателей». Это понятие (при неавтоматическом регулировании) относится к принудительному изменению скорости вращения электродвигателя в зависимости от требований технологического процесса.

Основными показателями, характеризующими качество различных способов регулирования скорости электродвигателей, являются:

· пределы или диапазон регулирования, т.е. отношение наибольшей скорости вращения к наименьшей при номинальном токе;

· экономичность регулирования, которая будет тем выше, чем меньше потери мощности в регулировочных устройствах и затраты на их приобретение, монтаж и эксплуатацию;

· плавность регулирования, под которой понимается величина скачка скорости при переходе с одной ступени регулирования на следующую ступень; плавность тем выше, чем меньше этот скачок;

· направление регулирования скорости вращения, т.е. возможность увеличения или уменьшения ее по отношению к номинальной скорости.

Регулирование скорости электродвигателей может осуществляться различными методами, которые принято объединять в две основные группы:

а) параметрические методы;

б) методы, связанные с питанием электродвигателей от отдельного регулируемого источника энергии.

Далее рассмотрены схемы регулирования скорости двигателя с независимой и последовательной обмоткой возбуждения.

Далее: 2.4 Регулирование двигателем с независимым возбуждением