Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Глава 3. Регулирование скорости в электроприводах

Основные понятия

В современном агропромышленном комплексе используется большое количество машин, агрегатов и поточных линий, работающих с различной изменяющейся скоростью. К этой группе относятся машины для приготовления и раздачи кормов, зерноочистительно-сушильные пункты, вентиляционно-отопительные установки животноводческих помещений и плодоовощехранилищ, стенды для обкатки и испытания автотракторных двигателей, металло- и деревообрабатывающие станки, машины для первичной обработки мяса и молока и др.

Так, в металлорежущих станках скорость электропривода должна регулироваться в зависимости от рода обрабатываемого металла, качества резца, размеров обрабатываемых изделий и других факторов. В обкаточных стендах для обеспечения высококачественной обкатки ремонтируемых автотракторных двигателей привод должен обеспечивать плавное регулирование частоты вращения в широких пределах, обладать достаточным моментом при трогании ДВС и обеспечивать режим горячей обкатки. Скоростной режим вентиляционно-отопительных систем в животноводческих помещениях в основном зависит от температуры и влажности воздуха помещения.

Во всех этих установках, как и во многих других, для обеспечения технологического процесса, достижения высокой производительности и требуемого качества необходимо осуществлять регулирование скорости.

Регулирование скорости можно осуществлять механическим и электрическим способами. В настоящее время электрическому регулированию отдается предпочтение, т.к. оно имеет ряд преимуществ по сравнению с механическим регулированием. При электрическом регулировании упрощается кинематическая схема рабочей машины, улучшаются ее технико-экономические показатели.

Регулированием скорости называется принудительное изменение скорости электропривода в зависимости от требований технологического процесса. Понятие регулирования скорости не следует смешивать с естественным изменением скорости, возникающим в электроприводах в силу изменения нагрузки на валу работающей машины. Регулирование скорости осуществляется дополнительным воздействием на приводной двигатель; оно может быть произведено человеком или специальным автоматическим устройством.

Основными критериями, которыми руководствуются при выборе способа регулирования скорости, оценке и сравнении регулировочных свойств электроприводов, являются: 1) диапазон регулирования, 2) плавность, 3) стабильность работы на заданной скорости, 4) направление регулирования скорости (уменьшение или увеличение скорости относительно основной), 5) экономичность, 6) допустимая нагрузка при различных скоростях.

Диапазон регулирования скорости определяется отношением максимальной скорости вращения двигателя w_max к минимально возможной скорости w_min при заданных номинальных значениях тока или момента, или мощности двигателя:

. (3.1)

Обычно диапазон регулирования выражается в числах в виде отношений, например, 2:1; 4:1; 10:1; 20:1 и т.д. Различные производственные машины требуют разных диапазонов регулирования. Например, токарные станки работают с диапазоном регулирования от 4:1 до 120:1 и выше; вертикально-сверлильные от 2:1 до 12:1, фрезерные от 20:1 до 30:1, стенды обкатки ДВС от 2:1 до 2,5:1 и т.д. Современные системы автоматического регулирования скорости электроприводов позволяют получить Д > 200.

Плавность регулирования характеризуется количеством ступеней скорости внутри диапазона регулирования. Число скоростей, получаемых в данном диапазоне, определяет плавность регулирования. Ее можно оценить коэффициентом плавности регулирования, который определяется как отношение двух соседних значений скоростей при регулировании:

, (3.2)

где - коэффициент плавности регулирования; w_i, w_i-1 - угловые скорости соответственно на i-й и (i-1)-й ступенях регулирования.

Чем ближе значение коэффициента j_пл к единице, тем выше плавность регулирования и больше z - число ступеней регулирования. Если =1, то z= .

Стабильность работы на заданной скорости характеризуется изменением скорости при заданном отклонении момента нагрузки и зависит от жесткости механической характеристики. Чем больше жесткость, тем выше стабильность работы электропривода на заданной скорости.

Направление регулирования скорости, т. е. изменение ее от основной величины в сторону уменьшения или увеличения, зависит от способа регулирования привода. Различают однозонное регулирование вниз от основной скорости, однозонное регулирование вверх от основной скорости и двухзонное регулирование, когда регулирование осуществляется как вниз, так и вверх от основной скорости.

Экономичность регулирования характеризуется капитальными затратами на сооружение электропривода и эксплуатационными расходами. Необходимо отметить, что экономически выгодным оказывается такой регулируемый электропривод, который обеспечивает большую производительность и высокое качество продукции при сравнительно малом сроке окупаемости. При оценке экономичности регулируемого электропривода следует принимать во внимание надежность его в эксплуатации, учитывать дефицитность материалов и оборудования, затрачиваемых на сооружение того или иного привода. Существенное значение имеют потери энергии в процессе регулирования.

Допустимая нагрузка двигателя определяется наибольшим значением момента, который двигатель способен развивать длительно при работе на регулировочных характеристиках; зависит она от нагрева двигателя.

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Параметры, которые позволяют регулировать скорость двигателя постоянного тока независимого возбуждения, можно определить из (2.3) через выражение

, (3.3)

которое показывает, что регулирование скорости двигателя можно осуществить тремя способами (параметрами):

- введением добавочного сопротивления в цепь якоря R;

- изменением магнитного потока двигателя Ф;

- изменением подводимого к якорю двигателя напряжения U.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя переводит его работу на искусственную характеристику, которая имеет больший наклон. При этом способе регулирования уменьшается жесткость механической характеристики, следовательно, и стабильность работы двигателя на соответствующей скорости. Регулирование скорости осуществляется в сторону ее уменьшения от номинальной. Плавность регулирования при этом зависит от числа ступеней регулировочного устройства. Из-за смягчения механических характеристик двигателя любое изменение нагрузки на валу сопровождается более значительными колебаниями скорости, создавая нестабильную работу двигателя (рис.3.1). При изменении момента на величину ΔМ изменение скорости будет большим на искусственной характеристике (Δω₂>Δω_1, рис.3.1). Работа двигателя с добавочным сопротивлением в цепи якоря сопровождается значительными потерями энергии на дополнительное сопротивление, в связи с чем данный способ является неэкономичным. Снижение жесткости характеристик и увеличение потерь ограничивают диапазон регулирования данным способом до 2,5:1.

Рис.3.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при регулировании скорости изменением сопротивления якорной цепи, где ω_Е, ω_И – угловая скорость соответственно на естественной и искусственной характеристиках

Изменение магнитного потока в двигателе производится током в обмотке возбуждения. Этим способом можно регулировать скорость вращения двигателя с высокой плавностью и экономичностью, т.к. регулировочные сопротивления, включаемые в цепь возбуждения, потребляют незначительную мощность (2,0…2,5% от Р_н) и выполнение их с большим числом ступеней переключения не представляет затруднений.

Принципиальные схемы электропривода при регулировании тока возбуждения показаны на рис.3.2. Ток возбуждения регулируется с помощью реостата R_в (рис.3.2 а) у двигателей малой мощности или посредством регулятора напряжения (РН) у двигателей большой мощности (рис.3.2 б). На рис.3.3 приведены механические характеристики двигателя при регулировании скорости изменением тока возбуждения. Анализ механических характеристик на рис. 3.3 показывает, что ослабление магнитного потока вызывает увеличение скорости, т.е. регулирование осуществляется «вверх» от номинальной величины.

Верхний предел скорости ограничивается в основном условиями коммутации и механической прочностью якоря. В результате этого диапазон регулирования скорости двигателей данным способом находится в пределах от 2:1 до 5:1, а в ряде случаев до (8..10):1.

Изменением подводимого к якорю напряжения можно регулировать скорость вращения двигателя в специальных системах электропривода. Рассмотрим одну из таких систем – систему «генератор - двигатель» (Г-Д). Принципиальная схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по системе «Г-Д» представлена на рис.3.4. Система «Г-Д» состоит из асинхронного двигателя М1, который вращает генератор постоянного тока М2, и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением М3, получающего питание непосредственно от генератора М2. Напряжение генератора регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора (ОВГ). Обмотки возбуждения двигателя ОВД и ОВГ получают питание от независимого источника постоянного тока (=U) на рис.3.4.

Согласно схеме у системы “Г-Д” величина напряжения на зажимах двигателя М3

U=E_Г -IR_ЯГ=kФ_Гω_АД -IR_яГ , (3.4)

где Е_Г – ЭДС генератора; R_ЯГ – сопротивление якоря генератора; Ф_Г – магнитный поток возбуждения генератора; ω_АД – угловая скорость вращения асинхронного двигателя и генератора М2.

Рис.3.4. Схема включения двигателя постоянного тока M3 независимого возбуждения по системе «Г-Д» при регулировании скорости двигателя изменением подводимого к его якорю напряжения или изменением его магнитного потока

Основным достоинством этой системы является плавность регулирования скорости двигателя М3, которая достигается воздействием на возбуждение генератора М2. Система «Г-Д» может обеспечить двухзонное регулирование скорости: вниз от основной скорости за счет изменением ЭДС генератора при постоянном магнитном потоке двигателя и вверх от основной величины скорости - регулированием тока возбуждения двигателя М3 при постоянной, равной номинальному значению, ЭДС генератора М2. Кроме того, в системе «Г-Д» удобно и просто осуществляются пуск, торможение и реверс двигателя М3.

Механические характеристики двигателя М3 при регулировании скорости вращения по системе «Г-Д» с поддержанием постоянной заданной скорости вращения рабочей машины РМ представлены на рис.3.5.

При изменении момента сопротивления в пределах М_с±ΔМ скорость двигателя остается постоянной благодаря переходу двигателя на искусственные механические характеристики за счет изменения напряжения на якоре двигателя.

Рис.3.5. Механические характеристики двигателя М3 при регулировании скорости по системе «Г-Д» с поддержанием постоянной заданной скорости у рабочей машины

Применение комбинированного регулирования скорости двигателя изменением напряжения и магнитного потока позволяет расширить диапазон регулирования до 30:1.

Благодаря широкому диапазону, высокой плавности и экономичности регулирования скорости, система «Г-Д» получила распространение в электроприводе металлорежущих станков, подъемных установок и др.

К недостаткам системы «Г-Д» относятся:

1) необходимость в трехкратном преобразовании энергии (электрическая энергия переменного тока преобразуется в механическую, механическая вновь в электрическую постоянного тока, и эта электрическая – в механическую), что приводит к значительному снижению общего КПД системы;

2) наличие трех электрических машин в системе;

3) значительные габариты и масса установки, необходимость в фундаменте для преобразовательного агрегата;

4) высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы.