книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

рис. 4-45, б. В обоих случаях механические характери­ стики при у = const аналогичны характеристикам указан­ ных двигателей при реостатном регулировании скорости. Следует отметить, что при у = 1 механические характе­ ристики не совпадают с естественными. Это объясняется тем, что реальный тиристорный ключ в замкнутом состоя­ нии в отличие от идеального обладает конечным сопро­ тивлением. На форме характеристик асинхронного дви­ гателя сказывается также искажение формы тока ротора, вызванное наличием выпрямителя в его цепы.

Г л а в а п я т а я

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ИЗМЕНЕНИЕМ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

5-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Регулирование угловой скорости двигателей путем изменения напряжения на зажимах источника питания в принципе применимо для электроприводов с любыми двигателями постоянного тока и с асинхронными двига­ телями. Это положение следует из анализа выражений механических характеристик указанных двигателей (2-9), (2-35), (2-54) и (2-55). Практически такой способ регули­ рования скорости для двигателей постоянного тока исполь­ зуется главным образом при независимом возбуждении.

Для реализации рассматриваемого способа регулиро­ вания необходимо иметь источник питания, напряжение на зажимах которого может изменяться в широких преде­ лах. Для электродвигателей постоянного тока в качестве таких источников используются различного рода управляе­ мые преобразователи электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашиныые и вен­ тильные преобразователи. Электромашинный преобразо­ ватель представляет собой генератор постоянного тока, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. Изменение напряжения на зажимах генера­ тора производится за счет изменения его потока возбуж­ дения. В этих преобразователях осуществляется дву­ кратное преобразование энергии: электрической перемен­ ного тока в механическую и механической в электрическую постоянного тока.

220

Следует заметить, что для привода электромашинных преобразователей могут использоваться и другие типы двигателей. В частности, для этой цели на передвижных агрегатах и других установках, не связанных с электриче­ скими сетями, применяются двигатели внутреннего сгора­ ния, обычно дизельные. На промышленных предприятиях такие установки практически не находят применения.

Регулирование напряжения на зажимах вентильных преобразователей может осуществляться изменением угла открывания вентилей в случае управляемого или измене­ нием переменного напряжения в случае неуправляемого преобразователя. В последнем случае для регулирования напряжения используются автотрансформаторы и тран­ сформаторы с переменным коэффициентом трансформации, а также магнитные усилители.

Кроме указанных выше способов, возможен также им­ пульсный способ регулирования напряжения, когда'якорь двигателя периодически подключается к источнику с неиз­ менным напряжением и отключается от него. Регулирова­ ние напряжения в этом случае осуществляется путем изменения относительной длительности включения якоря на зажимы источника питания.

Общим для всех рассматриваемых способов регулиро­ вания является наличие преобразователя, расчетная мощ­ ность которого должна быть равна или несколько большей номинальной потребляемой мощности двигателя. В связи с этим внутреннее сопротивление преобразователя обычно сопоставимо с сопротивлением якоря двигателя. В соот­ ветствии со сказанным на эквивалентной схеме, приве­ денной на рис. 5-1, я, регулируемый преобразователь мо­ жет быть представлен источником э . д . с . Епр, величина которой изменяется в процессе регулирования скорости, и эквивалентным сопротивлением R„p. На эквивалентной схеме показаны также сопротивление R c соединительных проводов и контактных соединений между якорем двига­ теля и зажимами • преобразователя н сопротивленце R n цепи якоря двигателя.

Для рассматриваемой эквивалентной схемы главной цепи электропривода в соответствии со вторым законом Кирхгофа может быть записано следующее уравнение:

где

Дя s =Дцр Ч-Дс~Ь Дя*

221

Отсюда аналогично (2-7) и (2-9) могут быть записаны уравнения скоростной и механической характеристик

Из приведенных уравнений следует, что с изменением i?np осуществляется регулирование только скорости идеаль­ ного холостого хода

тогда как жесткость механических характеристик при неизменных параметрах цепи якоря в соответствии

Рнс. 5-1. Эквивалентная схема (а) электропривода постоянного тока с регулируемым источником напряжения и соответствующие механические характеристики (б).

с (2-16) сохраняется. При этом механические характери­ стики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых, показанных на рис. 5-1, б, каждая из кото­ рых отсекает на оси ординат отрезок со0Р;- = ЕпУ]/кФн. Модуль жесткости механических характеристик меньше, чем модуль жесткости естественной характеристики. В ча-

по сравнению с Параметрическими методами, описанными в гл. 4, в этом случае при регулировании в зоне низких скоростей модуль жесткости характеристик оказывается значительно большим, что дает возможность существенно расширить диапазон регулирования скорости.

222

Другим достоинством рассматриваемых здесь электро­ приводов постоянного тока является то, что для измене­ ния э. д. с. преобразователя необходимо воздействие не на главные цепи, а да цепи управляющих устройств — возбуждения в электромашинных преобразователях, регу­ лирования угла включения вентилей в управляемых вен­ тильных преобразователях и т. п. Мощпости этих цепей во много раз меньше мощности регулируемого двигателя и соответственно главной цепи преобразователя, в связи с чем просто решается вопрос об увеличении числа ступе­ ней, а значит, и плавности регулирования скорости. По той же причине для таких электроприводов оказывается относительно несложной техническая реализация и дру­ гой проблемы: формирования специального вида стати­ ческих характеристик.

Регулирование скорости в рассматриваемом случае осуществляется при номинальном потоке двигателя по­ стоянного тока Ф = Ф„. Вследствие этого область допу­ стимых нагрузок при регулировании, соответствующих номинальному току якоря двигателя, ограничивается но­ минальным значением момента, т. е. в данном случае М яоп (со) = М дВн = const. Напряжение на зажимах якоря двигателя не должно превышать номинальное значение. Следовательно, в процессе регулирования Епр^ ^ и яв_Н1 соответственно со0Р;- ^ соое. Значит, в данном случае воз­ можно регулирование скорости вниз от основной.

В ряде случаев с целью расширения диапазона регули­ рования скорости в системе регулируемый преобразова­ тель — двигатель используют ослабление потока возбуж­ дения двигателя. Однако одновременно изменять напря­ жение и поток возбуждения нецелесообразно, так как при этом снижаются величина допустимого момента Мяои и модуль жесткости механических характеристик. Поэтому регулирование скорости от нуля до основной осуществ­ ляется за счет изменения э. д. с. преобразователя в преде­ лах Епр = 0-т- и и при полном потоке двигателя Ф = Фн и, следовательно, при Мяоп = М н, а регулирование выше

ществляется двухзонное регулирование угловой скорости. При этом для второй зоны регулирования (2?пр = UH= = const; Ф = var) справедливы выводы и положения, при­ веденные в § 4-5.

223

5-2. РЕГУЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМЕ ГЕНЕРАТОР — ДВИГАТЕЛЬ

Система электропривода, в которой для питания цепи якоря двигателя постоянного тока используется отдельный электромашинный генератор, обеспечивающий возмож­ ность изменения э. д. с. в широких пределах, называется системой генератор — двигатель или сокращенно Г — Д. Принципиальная схема системы Г — Д показана на рис. 5-2. Якорь двигателя Д , скорость которого необхо­ димо регулировать, подключен непосредственно к зажимам

+0— а

ив

- 0—

Рис. 5-2. Принципиальная схема системы генератор — дви­ гатель (Г — Д).

якоря генератора Г. Последний приводится во вращение с помощью двигателя переменного тока ДГ, в качестве которого может быть использован асинхронный или син­ хронный двигатель.

Обмотки возбуждеппя двигателя и генератора полу­ чают питалие от сети с неизменным напряжением UB. В тех случаях, когда нет сети постоянного тока, для питания цепей возбуждения используется отдельный гене­ ратор-возбудитель В, который приводится во вращение двигателем Д Г основного генератора. В ряде случаев обмотки возбуждения генератора и двигателя имеют от­ дельные источники питания.

Для э. д. с. генератора аналогично (2-4) можно записать: (5-5)

224

Здесь используются те же обозначения, что и в (2-4), а индекс «г» означает принадлежность соответствующего параметра генератору.

Из приведенного выражения следует, что для измене­ ния Ег необходимо изменять поток возбуждения генера­ тора Фг. Поток в свою очередь определяется намагничи­ вающей силой ДВ-Г, создаваемой обмоткой возбуждения генератора, а значит, и током в этой обмотке / в г. Таким образом, для изменения Ег необходимо осуществлять изме­ нение / в г. С целью регулирования Ег в широких пределах необходимо, чтобы в цепи обмотки возбуждения генера­ тора было предусмотрено устройство, обеспечивающее из­ менение. / в р от нуля до номинального значения. Кроме того, обычно бывает необходимо изменять полярность э. д. с. генератора, что позволяет осуществить реверс двигателя Д, не прибегая к переключениям в цепи яко­ рей. В связи с этим предусматривается.возможность изме­ нения направления тока в ОВГ. На рис. 5-2 показана про­ стейшая схема включения ОВГ, в которой с помощью потенциометра R u в г осуществляется регулирование тока

возбуждения генератора о т /в г= 0 до/„ Р. маКс = UB/R 0,Kr, а для изменения направления / вг служит реверсивный контактный мостик, состоящий из контакторов В и Н.

В соответствии с (5-2) и (5-3) уравпения скоростной и механической характеристик двигателя в системе Г — Д

R n z — Л я . г + Я я . д + Д с ;

Яя.д — сопротивление цепи якоря двигателя, опреде­ ляемое сопротивлениями обмоток собственно якоря, дополнительных полюсов и компенса­ ционной, а также щеточных контактов;

R B г — то же для генератора;

Д0 — сопротивление соединительных проводов. Скорость идеального холостого хода двигателя

®0 Г -Д = Е?/кФв

сучетом (5-5) выражается в виде

А,,<в,.Фг

(5-6)

“ "--д^НЕФ Т

При анализе характеристик системы Г — Д скорость генератора обычно принимается неизменной, что справед­ ливо в случае использования в качестве Д Г синхронного двигателя. В случае же использования в качестве Д Г асинхронного двигателя с изменением нагрузки скорость генератора, как правило, изменяется на незначительную

Рис. 5-3. Скоростные (о) и мехаппческпе (б) характеристики сис­ темы Г — Д при cor = coast — | Фг.„ | > | ФГ1 | > | ФГ2 |.

величину, которой практически часто можно пренебречь. С учетом принятого допущения сог = const

Из полученных выражений следует, что скоростные и механические характеристики двигателя в системе Г — Д представляют собой семейства параллельных друг другу прямых, отсекающих на оси ординат отрезки соог.д, про­ порциональные потоку генератора Фг. Эти характеристики приведены на рис. 5-3.

226

Модуль жесткости механических характеристик элект­ ропривода в системе Г — Д не зависит от регулируемой скорости и меньше соответствующего значения для естест­ венной характеристики. Действительно,

Если положить, что в качестве генератора используется электрическая машина с такими же параметрами, что и двигатель, т. е. Rn д = Ия г, и пренебречь сопротивлением соединительных проводов, то модуль жесткости характе­ ристик в системе Г — Д снижается вдвое по сравнению с модулем жесткости естественной характеристики

I Рг_д | ^ 0,5 | Ре |.

В тех случаях, когда в качестве Д Г используется асинх­ ронный двигатель, жесткость механических характери­ стик (з)г_ц{М) на самом деле не остается постоянной прп разных потоках возбуждения генератора. Это связано с тем, что с изменением загрузки генератора его скорость, строго говоря, не остается постоянной. Если положить, что при любых изменениях нагрузки системы Г — Д режим работы асинхронного двигателя ДГ соответствует линейной части его механической характеристики, то в соответст­ вии с (2-57а)

■ ^ д .г

С0Г — Ш д.г — ®ОД.Г | р | •

Момент на валу ДГ определяется механическими поте­ рями вращающегося агрегата ДГ — Г АМме% = const, моментом, создаваемым возбудителем (если он есть)

Слагаемое j — - в коэффициенте при М выра­

жения механической характеристики представляет собой как бы добавочное сопротивление в цепи якоря, эквива­ лентное снижению э. д. с. генератора, связанному с его падением скорости при росте нагрузки.

Анализ полученного выражения позволяет сделать вы­ вод о том, что скорость холостого хода двигателя опре­

растет со снижением Фг, а значит, и с уменьшением соог_д. В связи с отмеченным обстоятельством для рассматри­ ваемого случая механические характеристики представ­ ляют собой семейство прямых, наклон которых умень­ шается, а соответственно модуль жесткости увеличивается при снижении потока генератора, как показано на рис. 5-4. Очевидпо, что наибольшую жесткость будет иметь харак­ теристика при Фг = 0, которая соответствует режиму

динамического торможения двигателя.

228

Из полученного выражения механической характери­ стики следует, что различие в наклоне механических ха­ рактеристик привода в системе Г — Д уменьшается по мере роста | рд г |. В частности при | (Зд г | оо, когда в качестве Д Г используется синхронный двигатель; полу­ ченное выражение механических характеристик вырож­ дается в (5-8), т. е. соответствует семейству параллельных

а значит, и Ег — 0. Соответствующая этому режиму ха­ рактеристика проходит через начало координат и пока­ зана на рис. 5-3.

Торможению противовключением соответствует оди­ наковое направление э. д. с. Д и Г. В этом случае при (Од г_д ф 0 знаки <о0 г_ д и со будут разными. Соответствую­ щие режиму торможения противовключением зоны лежат между осью абсцисс и характеристикой динамического торможения. На рис. 5-3 они отмечены наклонной штри­ ховкой.

Режим рекуперативного торможения осуществляется при условии Дд > Ег или со > соог_д. Характерной осо­ бенностью рассматриваемой системы является возмож­ ность рекуперации энергии при относительно низкой угло­ вой скорости двигателя, что, например, позволяет осущест­

229