А. П. ЕПИФАНОВ - Библиотека сегодняlibrary.psu.kz/fulltext/buuk/b1077.pdf · 2014-04-17 · ных машин с постоянными магнитами

А. П. ЕПИФАНОВ

основыЭЛЕКТРОПРИВОДА

Издание второе, стереотипное

v ' ДОПУЩВНО. . . -

Учебно-методическим объединением ву.юе по агроинженерному образованию

е качестве учебного пособил для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по специальности 110302 - .Электрификация и автоматизация сельского хозяйства•

hЛАНЬ®

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ* МОСКВА • КРАСНОДА Р 2009

£Л-82> ( о * £ . 8 )

ББК 31.261

Е 67

Епифанов А. П.

Е67 Основы электропривода: Учебное пособие. 2-е изд.,

стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2009. — 192 с.: ил. —

(Учебники для вузов. Специальная литература).

ISBN 978-5-8114-0770-5

В пособии рассмотрены следующие вопросы: механика электропривода; электроприводы с двигателям и постоянного тока, асинхронными, синхронными, линейными, вентильными; энергетика электроприводов в установившихся и динамических режимах; выбор электродвигателя по мощности.

Учебное пособие предназначено для студентов аграрных высших учебных заведений, обучающихся по специальности 110302 — «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». Может быть рекомендовано студентам специальности 140106 — «Энергообеспечение предприятий». Будет полезно для изучающих электропривод в рамках подготовки бакалавров по направлению электромеханика и элек- тротехпо логи и.

Рецензенты: декан факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства ФГОУ ВПО «БГАУ», профессор кафедры «Электрические машины и электрооборудование» Р. С. АИПОВ; доцент кафедры ПЭЭСХ Челябинского ГАУ. к. т. н. Г. М. ГРАЧЕВ.

Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части

запрещается без письменного разрешения издателя. Любые попытки нарушения закона

будут преследоваться в судебном порядке.

ББК 31.261

атындагы ПМУ-д1н гкадемик С-Бейсембаев

атындагы былыми

К1ТАПХАНАСЫОбложка

А. 10. ЛАПШИН

© Издательство «Лань», 2009 © А. П. Епифанов, 2009 © Издательство «Лань»,

художественное оформление, 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с программой общего курса «Электрический привод» для студентов специальности «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». В нем изложены основные вопросы теории электропривода, его свойства и характеристики, способы регулирования скорости и момента, энергетические показатели и пути их повышения, выбор электродвигателя для основных номинальных режимов — SI, S2, S3.

При написании пособия были использованы учебники по электроприводу М. Г. Чиликина и А. С. Сандлера, В. В. Москаленко, Ю. А. Сабинина и С. А. Ковчина, Н. Ф. Ильинского, И. Я. Браславского, справочники по электроприводу, учебники и статьи по электрическим машинам А. И. Вольдека, М. П. Костенко, А. И. Важнова, Б. В. Сидельникова и др., а также работы автора по линейным асинхронным машинам.

Последовательность изложения материала мало отличается от принятой в учебниках. С учетом развития приводной техники больше внимания уделено частотно-регулируемому асинхронному приводу, линейному и вентильному. При этом использовались материалы по оборудованию фирм SEW, ABB, HITACHI, Триол и др., материалы ежегодной выставки «Электротехника и энергетика» (Санкт-Петербург), публикаций в технических журналах.

Приводятся примеры решения некоторых задач, справочные данные о преобразователях частоты фирмы SEW и iGBT- транзисторах. В приложениях приведены некоторые данные по физическим свойствам материалов.

Все замечания и пожелания по содержанию пособия будут с благодарностью приняты по адресу: 196608, СПб. — Пушкин, Петербургское шоссе, 2. СПбГАУ.

ВВЕДЕНИЕ

Уровень развития промышленности, сельского хозяйства, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства во многом определяется степенью использования современных систем электропривода. При этом применение регулируемых автоматизированных приводов обеспечивает не только преобразование электрической энергии в механическую, но и управление технологическими процессами.

В настоящее время электроприводы потребляют до 70% всей вырабатываемой электроэнергии, поэтому в этой сфере заложен основной потенциал энергосбережения. Вопросы экономного расходования топливно-энергетических ресурсов, снижения энергоемкости продукции становятся все более актуальными для развития мировой экономики в связи с ростом цен на энергоносители и опережающим ростом энергопотребления. Известно, что энергосбережение путем внедрения новейших оборудования и технологий является и наиболее экономичным, и экологически безопасным способом решения проблем энергоснабжения, так как затраты на экономию 1 кВт мощности в 3 + 4 раза меньше затрат на вновь вводимый 1 к Вт мощности.

Создание современных электроприводов базируется на использовании достижений силовой электротехники и, прежде всего, полностью управляемых полупроводниковых приборов-транзисторов, микроэлектроники и компьютерной техники. Массовый выпуск силовых транзисторов (iG ВТ, MOSFET и др.) позволил создать надежные и относительно дешевые регулируемые электроприводы переменного тока (асинхронные

ВВЕДЕНИЕ 5

и вентильные) мощностью от нескольких ватт до тысяч киловатт, обладающие высокими регулировочными, энергетическими и динамическими характеристиками. Такие системы в развитых странах выпускаются десятками миллионов экземпляров и являются стандартным промышленным оборудованием.

Во всем мире наблюдается явная тенденция роста доли частотно-регулируемого асинхронного привода на основе дешевых и надежных короткозамкнутых двигателей в диапазоне мощностей до 100 кВт. При больших значениях мощности альтернатива этому — вентильный привод на базе синхронных машин с постоянными магнитами. Диапазон малых мощностей (до сотен ватт), что характерно для бортовых электрических машин автомобилей, самолетов, аудио- и видеотехники, также занят в основном вентильными приводами. Они позволили существенно повысить надежность (отсутствие скользящего контакта), энергетические и массогабаритные характеристики.

Механизмы сельскохозяйственного производства отличаются широким диапазоном изменения приводных характеристик: технологических, энергетических, механических, инерционных; режимов работы и нагрузочных диаграмм. Поэтому здесь используются различные системы электроприводов постоянного и переменного тока, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям по характеристикам. Кроме того, электроприводы в сельском хозяйстве зачастую работают в помещениях с высокой влажностью, запыленностью и содержанием химически активных веществ. При этом питание иногда осуществляется от маломощных источников электроснабжения (слабые протяженные сети, автономные электростанции) , что особенно влияет на работу асинхронных двигателей — снижаются пусковой и максимальный моменты, что может привести к невозможности прямого пуска двигателя.

Вопросы электропривода сельскохозяйственных машин и механизмов рассматриваются в основном в специальной литературе. Можно констатировать, что в этой сфере растет использование автоматизированного привода, в основном частотнорегулируемого асинхронного. Это позволит снизить долю ручного труда и повысить конкурентоспособность продукции.

IlHIIIIOIHHniHHIHIHIIIHHIHIIIIIilHHIIIiltlHIIHtiKlllHfflllfllHHIIHillllllinilRRHIIIIIIIBniieilllHIIIIRIIIflllHillOlllllffllRRIIItllfltllllllfllfllltiniillinmiHlllflll

ГЛАВА 1

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

i . i .ЭЛЕКТРОПРИВОД.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Под электроприводом понимают электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. Иными словами, электропривод — это управляемое электромеханическое преобразование энергии [1,2,3,4,5].

Основным элементом электропривода является электродвигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую (в тормозных режимах наоборот — механическую в электрическую). Управление электроприводом с целью обеспечения требуемого характера движения в оптимальных режимах работы машин по производительности, точности, экономичности осуществляется с помощью соответствующих преобразовательных и управляющих устройств, определяющих работу непосредственно электродвигателя.

Структурная схема автоматизированного электропривода приведена на рисунке 1.1 [4J. Основные элементы этой схемы:

ИЭЭ — источник электрической энергии (ЭЭ), сеть переменного или постоянного тока, автономный источник электроэнергии— дизель-генератор, аккумуляторная батарея и т. д.;

ПУ — преобразовательное устройство, предназначено для питания двигателя электроэнергией с различными параметрами (напряжение U и частота/при переменном токе, напряжение U — при постоянном). На практике используются: выпрямители, управляемые и неуправляемые; широтно-импульсные преобразователи; тиристорные регуляторы напряжения (ТРН);

ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА 7

ЭЭ■=. иээ

ЭЭ

п у ZZZZ у у --------

СУ

I/,

<2.эд

мэМПУ

мэио

Рис. 1.1 Структурная схема

автоматизированного электропривода

преобразователи частоты (ПЧ)

для питания асинхронных и

синхронных двигателей и др.;

ЭД — электрический двигатель постоянного или пере

менного (асинхронный, син

хронный) тока; вращающийся,

шаговый, линейный, электро

магнитный; преобразует элек

трическую энергию в механи

ческую (МЭ);

УУ — управляющее устройство, управляет работой П У по

командным сигналам задающего устройства (ЗУ) и обратных

связей о состоянии электропривода и технологического про

цесса. В УУ сигналы обратных связей сравниваются с задан

ными и при наличии рассогласования вырабатывается сиг

нал, воздействующий на преобразователь ПУ, электродвига

тель ЭД, устраняя таким образом рассогласование.

Перечисленные элементы относятся к электрической части привода (ЭЧ).

Механическая часть (МЧ) привода включает в себя: сам

рабочий механизм (РМ) или исполнительный орган (ИО),

который приводится в движение электродвигателем через ме

ханическое передаточное устройство (МПУ). МПУ может

изменять вид движения, например вращательное в поступа

тельное или возвратно-поступательное (пара «винт-гайка»,

кривошипно-шатунный механизм), изменять скорость и мо

мент (редуктор, ременная, цепная и другого вида передача)

и т. д. Отметим, что ротор двигателя относится и к механи

ческой части, и учитывается при расчетах моментов и сил

инерции.

Электроприводы классифицируются по различным при

знакам: по способу распределения механической энергии; по

роду тока, то есть типу электродвигателя; по уровню автома

тизации; по роду передаточного устройства (МПУ); по степени управляемости; по виду движения.

По способу распределения механической энергии электроприводы делят на три типа: групповой, индивидуальный и взаимосвязанный.

8 А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

С г О с| г |

эп Групповой привод обеспечивает движение нескольких исполнительных органов машин с помощью одной или нескольких трансмиссий. В настоящее время практически не

используется.

Рис. 1.2 Схема многодвигательного

электропривода

Индивидуальный привод,

самый распространенный, об

ладает целым рядом преиму

ществ по сравнению с группо

вым по управляемости, экономичности, ремонтопригодности,

взаимозаменяемости, комплексной автоматизации технологических процессов.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или не

сколько электрически или механически связанных между собой электродвигательныхустройств (ЭП), при работе которых поддерживается заданное соотношение скоростей, нагрузок,

положения исполнительных органов. В качестве примера на рисунке 1.2 представлен привод цепного конвейера. Здесь двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость. Такой привод может быть назван и многодвигательным, он позволяет

равномернее распределить статические и динамические нагрузки при работе.

По роду тока различают электроприводы постоянного и

переменного тока (или с двигателями постоянного или пере

менного тока).

По степени управляемости электропривод может быть:

нерегулируемым, когда скорость не регулируется и может из

меняться лишь под действием нагрузки, и регулируемым,

когда в процессе работы скорость изменяется по сигналам управляющего устройства или поддерживается постоянной

(режим стабилизации скорости).

По роду передаточного устройства (МГ1У) привод может быть редукторным и безредукторным.

По уровню автоматизации различают привод неавтоматизированный, автоматизированный, автоматический. На

практике в большинстве случаев применяются автоматизиро

ванный и автоматический электроприводы.


1.2-ПРИВЕДЕНИЕ МОМЕНТОВ И СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ,

ИНЕРЦИОННЫХ МАСС И МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ

Электродвигатель приводит в действие производственный

механизм, как правило, через систему передач, отдельные эле

менты которой движутся с различными скоростями (рис. 1.3) [6]. При этом одни элементы могут совершать вращательное дви

жение, другие — поступательное (рис. 1.3, в, г, д), причем они

часто связаны упругими звеньями — канатами, цепями, рем

нями, длинными валами, а в соединениях звеньев имеются

воздушные зазоры. С учетом указанных факторов расчетная

- й

т - Ф = Ш SAL 1 2

Р Во ©4

к

‘ ) i1 1

ПN /

ПТ'Hr i-*■-

-г= я

п_ и ' I

Г м:У" ъUJ

-J?2

Рис. 1.3Кинематические схемы электроприводов:

а, б — с вращательным движением исполнительного органа; в, г, д — с поступательным движением исполнительного органа.


ш, М

эд

А

J , М '

электропривода:

а — реальная; б — приведенная расчетная. гио, F„„ — скорость и сила сопротивления

исполнительного органа.

схема механической части привода представляется весьма сложной, особенно для расчета динамики системы.

Для инженерных расчетов в большинстве практических случаев пренебрегают упругостью звеньев и зазорами, представляя механические связи абсолютно жесткими. При этом допущении движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных звеньев, поэтому сложную расчетную схему механической части привода можно свести к одному обобщенному жесткому звену (одномассовая система) типа (рис. 1.3, а). В качестве заданного звена принимают обычно вал двигателя. Такая система (рис. 1.4) имеет эквивалентную массу т или момент инерции J, на нее действует электромагнитный

момент двигателя Мяв и суммарный приведенный к валу двига

теля момент сопротивления Мс, включающий все механические потери, в том числе и механические потери в двигателе.

Сами моменты сопротивления делят на две категории:1 ) реактивные моменты;2 ) активные или потенциальные моменты.Реактивные — это моменты от трения, препятствующие

движению привода и изменяющие свой знак при изменении направления движения.

Активные — это моменты от силы тяжести, сжатия, растяжения и кручения упругих тел. Потенциальными их называют потому, что они связаны с изменением запаса потенциальной энергии отдельных элементов привода. Они сохраняют свой знак при изменении направления движения, могут быть как тормозными, так и движущими.


О С Н О В Н Ы Е С О О Т Н О Ш ЕН И Я М ЕХА НИ К И

Для установившегося поступательного движения — работа (энергия) силы на пути dx за время dt

dA = Fdx. (1-1)

Развиваемая силой /^мощность

p = dA_^Fcb=Fu (1.2):dt dt v '

Для вращательного движения

dA = Frda. = Mda, (1-3)

p = dA = Mda = M(a ( 1.4 )dt dt

где а —угол поворота; г — радиус; М = Fr — момент; (о — угловая скорость.

При ускорении или замедлении привода имеют место избыточные (динамические) момент или сила, которые определяются по второму закону Ньютона:

/'лин = т а - m—j—. (1 -5)дш dt

Знак силы определяется знаком ускорения — .dt

Энергия, затраченная на преодоление силы Рлт на участке от 0 до х, при достижении скорости v равна запасу кинетической энергии: ,_ _ тп&

W =W - ти и а\ККДНН КККИН 2 ’ ( l.b)

Аналогично при вращательном движении

Mwu=je = jj± , (1-7)

^ = ^ = 4 - (1-8>

где J = \r2dm— момент инерции тела массой т.т

В таблице 1,1 приведены расчетные формулы для определения моментов инерции часто встречающихся вращающихся тел.

12 Л. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Т а б л и ц а 1.1

Моменты инерции типичных вращающихся тел

Тело Расположение оси вращения

Момент инерции J

Круглое кольцо, тонкое. Полый цилнндр, тонкостенный

Перпендикулярно плоскости кольца

J = пи2

Сплошной цилиндр Продольная ось Я ^ Л И -2

Полый цилиндр, толстостенный Продольная ось +»#)

Круглый диск Перпендикулярно плоскости диска J ~\пиЛ

Круглый диск Ось симметрии в плоскости диска

J = 1 / ^ 4

Шар Через центр ш 2 О/ =—тг- 0

Сфера Через центр/ = 1 инЛ

Стержень, тонкий (длина 1)

Перпендикулярно стержню, в середине / = А Ы 2

Если ось вращения не проходит через центр тяжести тела

(рис. 1.5), то момент инерции

относительно оси Л определяет

ся по формуле

Ja-Js + o2™’ 0-9)где Js — момент инерции отно

сительно оси S; а. — расстояние

между параллельными осями.

Приведение моментов сопротивления к валу двигателя про

изводится на основе энергетического баланса. При этом потери

мощности в промежуточных звеньях (зубчатые или другого

типа передачи) учитываются введением в расчеты соответст

вующего КПД (табл. 1.2).

На основе баланса мощностей получим:1

Рис. 1.5 К определению

м ом ента инерции

ГЛАВА 1: М ЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА 13

откуда . .

М с = М си^ * ~ — = - , (1.10)®ДВ Л» « Ь

где Мс„ — момент сопротивления производственного механиз

ма; Мс — тот же момент, но приведенный к валу двигателя

(к скорости вала двигателя); i = —— — передаточное число;(Ом

т|„ — КПД передачи.

Следовательно, величина Мс может быть как больше Мяв, так и меньше, в зависимости от значения передаточного отно

шения (аналогии: рычаге различными соотношениями плеч;

трансформатор понижающий и повышающий).

При наличии нескольких передач между двигателем и ме

ханизмом (см. рис. 1.3, б) с передаточными числами ц, щ, 13,

..., i„ и КПД Tij, г\2, Лз.....Лп приведенный момент сопротивле

ния будет

Мс = Мем ’■!—:— :--t------ ------. (1 .1 1 )h b h- in Л1 Л2 Лз-Л»

Если вращательное движение двигателя преобразуется в

поступательное движение рабочего механизма, то приведе

ние сил сопротивления производится аналогично (см. рис.

1.3, в, г, д).Таблица 1.2

Значения КПД механических передач

Тип передачи КПД

Зубчатая с цилиндрическими колесами 0,93 + 0,98

Зубчатая с коническими колесами 0,92 + 0,97

Цепная закрытая 0,95 + 0,97

Цепная открытая 0,90 + 0,93

Фрикционная закрытая 0,90 + 0,96

Ременная 0,95 + 0,96

Червячная самотормозящая 0,25 + 0,4

Червячная несамотормозящая при числе заходов червяка

Z= 1 0,65 + 0,70

Z= 2 0,70 + 0,75

Z = 3 0,80 + 0,85

Z = 4 0,85 + 0,90


\Ш =/Гси^--.

Лвгде Fm — сила сопротивления механизма.

Приведенный момент

М. = - ^ ~ . мдвт)п

Если вращательное движение приводится к поступательному, то приведенная сила

Мставг\п

(1.12)

(1.13)

F =■■* гм (1.14)

Приведение моментов инерции к одной оси вращения так

же основано на законе сохранения энергии, а именно: сум

марный запас кинетической энергии движущихся частей, от

несенный к одной оси, остается неизменным. При этом

(1.15)СО?цдв

2 "дв 2 " 1 2 ' 2 ........ 2Отсюда суммарный момент инерции, приведенный к валу

двигателя

СО*,+ /? • ш2

СОя,

2

(1.16)

где /дв — момент инерции ротора двигателя и других элемен

тов, установленных на валу.

При наличии масс, движущихся поступательно (см. рис.1.3, в, г, д), приведение выполняется аналогичным образом

Л®ДВ

J -т-

mv‘

г \2Vпп

(1.17)

При наличии вращающихся и поступательно движущих

ся элементов суммарный приведенный момент определяется на основании (1.16) и (1.17)

/ = / дв+/1 г+/272 12'+^1

3 *2 *2 "" *2h Щ h ‘*2 '*з

+...+тсо„ (1.18)

Таким образом, в результате приведения реальная кине

матическая схема заменяется расчетной энергетически эквивалентной одномассовой схемой (см. рис. 1.4).


1.3.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Работа электропривода часто сопровождается изменени

ем скорости движения его звеньев, что вызывается рядом при

чин: колебаниями механической нагрузки, включением и вы

ключением пусковых и тормозных резисторов, изменениями

напряжения питания, воздействиями со стороны системы

управления и т. д. При этом привод ускоряется или замедля

ется, появляются инерционные (динамические) силы или мо

менты, которые двигатель должен преодолевать, находясь в

переходном режиме. Таким образом, переходный режим — это

режим работы при переходе от одного установившегося со

стояния к другому, когда изменяются скорость, момент, ток и

др. Исследование характера движения рабочего органа про

изводится, как правило, на основе решения уравнения движения. Уравнение движения электропривода должно учиты

вать все силы и моменты, действующие в установившихся и переходных режимах.

Согласно уравнению равновесия сил и моментов получим для поступательного и вращательного движения [2, 3,4, 5]

где Fc и Мс, m n J — приведенные сила и момент сопротивле-

намические (инерционные) составляющие силы и момента;

F, М — сила, момент двигателя.

Сама электрическая машина (двигатель) в системе приво

да может работать в двигательном (знак «+») итормозном (знак

«-») режимах, поэтому (1.19) в более общем виде запишется

F-Fc=m ^-; с dt

с dt

(1.19)

±F + FCat

±M + MC=±Jat

( 1.20)


Выбор знаков в (1.20) зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления. Из анализа (1.19, 1.20) видно, что при J = const:

1) М > Мс, = е > 0, имеет место разгон (ускорение) при-of

вода, электрическая энергия преобразуется в механическую;

2) если М < Мс, 5^<0, имеем замедление (торможение)at

привода;dm3) при М = Мс, = 0 привод работает в установившемся atрежиме.

Динамический момент проявляется только во время переходных процессов, когда изменяется скорость привода (ана

логия: ЭДС самоиндукции e = L^- будет только при измене

нии тока), он определяется алгебраической суммой моментов двигателя и сопротивления как по величине, так и по знаку.

Интегрированием уравнения (1.19) определяют время переходных процессов при заданных возмущающих воздействиях (изменение Мс, напряжения и др.).

Разделив переменные, получим

J-d(0dt =■М -М с

Время изменения скорости от СО] до (02

Jd o i1.2 -I м- мс

( 1.21)

( 1.22)

Для решения этого уравнения необходимо знать механические характеристики двигателя и механизма, то есть оз(М) и о (Мс). При допущении, что М = - const, Мс = const, J = const

7(0)2-ОН)1\,г -■ (1.23)

Рис. 1.6График пуска- электропривода

м- мсПо этому выражению мож

но определить время пуска двигателя, ПрИНЯВ (0( =0, 0)2 = 0)„, М = М„ = const (рис. 1.6).


Для пуска на холостом ходу Мс = О ((О2 ~ coq) при М„ = const

, _7(Оо

М„(1 .2 4 )

При замедлении привода динамический момент имеет от-

dcoрицательное значение, то есть М -Мс = или же двигаем

тель развивает положительный момент, но по величине меньший момента сопротивления. В этом случае время торможения

Т J “I, _ г /асо _ гh J -1М + МЛ J

Jdw

<01-(М + Мс) J м+м, (1 .2 5 )

“г

В случае М = const, Мс = const получим (рис. 1.7):

Lf-JСО) -0>2

М + М.(1 .2 6 )

Из рисунков 1.6, 1.7 видно, что при принятых допущениях зависимости со(£) являются прямыми, наклон которых зависит от момента (М-Мс) или (М + Мс) и момента инерции.

Если о>(М) и со(Мс) являются сложными функциями, то уравнение движения привода (1 .2 0 ) аналитически не решается. В таких случаях пользуются приближенными графическими или графоаналитическими методами решения [2,3,4,5].

Пример . Оценить время разгона вхолостую асинхронного двигателя, имеющего характеристику со(М), показанную на рисунке 1.8. При этом: соо = = 314 рад/с,М „ = 8 0 Н м макг.и-

Рис. 1.7 График торможения

электропривода

Рис. (.8мальный момент М , = 12 <ffc Норяйгыров момент инерции р этораыА^ае*= 0,2 кгм2. академик С.Бейсе^Щ^Уг" при е 0

Я Ш атындагы гылыми

К1ТАПХАНАСЫ

времени пуска.


Точное определение времени пуска затруднено из-за нелинейной характеристики со(М). Если момент за время пуска усреднить, то есть реальную характеристику заменить прямоугольной, когда М„ = Мср = const, то получим из (1.23,1.24):

Очевидно, что минимум времени разгона имеет место при наибольшем ускорении. Пусть Мс = const, а КПД механической передачи (редуктора) равен единице, тогда (1.19) может быть записано в виде

Отметим, что величина приведенного момента инерции J механизма учитывает и моменты инерции передач — зубчатых колес, валов, промежуточных муфт. Кроме того, (1.29) дает оптимальное передаточное отношение только по максимуму ускорения без учета других факторов.

Если Мс С М, то (1.29) запишется в виде

Из (1.30) очевидно, что чем больше момент инерции производственного механизма по сравнению с Удв, тем выше должно быть передаточное число ip редуктора. Вопрос выбора передаточного числа редуктора особенно важен в приводах, работающих в повторно-кратковрембнных режимах S3.

где

Мср = М*±М *. = 120+ 80 = ЮОН • м= 100Нм.

(1.27)

где Мно — момент нагрузки исполнительного органа. Отсюда ускорение исполнительного органа

_do)uo _ M-iy-Мао£lIO 1. — ж .О ж (1.28)

Максимум ускорения будет при ~гг- = 0. В итоге получимdinр

оптимальное значение передаточного отношения:

(1.29)

(1.30)


1.4.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Механической характеристикой производственного механизма называют зависимость между приведенными к валу дви

гателя угловой скоростью и моментом сопротивления (0(Мс).

Различные механизмы имеют различные механические харак

теристики, однако большинство из них с достаточной точно

стью описывается эмпирической формулой

- Мо + (Мсн - М0) ■со„ (1.31)

где Мо — момент холостого хода механизма; Мс — момент сопротивления при скорости со; Мси — момент сопротивления

(номинальный) при номинальной скорости сон; х — показатель степени, определяющий тип характеристики.

1. При х = 0 момент не зависит от скорости, то есть Мс = const

(рис. 1.9, прямые 1,2). Такой характеристикой обладают подъ

емные механизмы, насосы при постоянстве напора, конвейе

ры при неизменной массе перемещаемого материала и др.

2. Прих= 1 имеем линейно-возрастающую характеристи

ку (прямая 3, рис. 1.9). Такой характеристикой обладает ге

нератор постоянного тока независимого возбуждения при ра

боте на сопротивление R = const при iB = const, со = var.

3. Нелинейно-спадающая характеристика (кривая 4, рис.

1.9) при х - -1, то есть момент сопротивления изменяется об

ратно пропорционально скоро

сти (гиперболическая функция).

При этом мощность Р = Мш ос

тается постоянной.

4. Нелинейно-возрастающая

(параболическая) характеристи

ка (кривая 5, рис. 1.9) при х = 2, когда момент сопротивления пропорционален квадрату скорости,

М sco2. Такой характеристикой Рис. 1.9обладает большинство Турбо- Механические характеристики

J г производственных меха низм овмеханизмов: турбокомпрессоры, (исполнительных органов)


насосы, вентиляторы. При этом

мощность Р = Мо = (О3. Отметим лишь, что указанная зависимость

имеет место в режимах, когда расход Q = со, а напор (давление) Янш 2 [6,41].

Характеристики, показанные

на рисунке 1.9, представляют со

бой некоторые идеализированные,

теоретические зависимости. Ре

альные механические характеристики имеют более сложный вид.

Механическая характеристика вращающегося электродвигателя — это зависимость угловой скорости от вращающего

(электромагнитного) момента, то есть со(Л/). Для машин по

ступательного движения (линейные двигатели) — зависимость скорости от развиваемого усилия — v(F). Большинство электродвигателей обладают спадающей механической характеристикой, когда с увеличением момента скорость убывает

(рис. 1.10).Различают естественную и искусственные механические

характеристики. Естественной называют характеристику, со

ответствующую основной схеме включения при U = U„ и при отсутствии в обмотках (электрических цепях) дополнитель

ных элементов — сопротивлений, индуктивностей, емкостей.

Кривая 4, изображенная на рисунке 1.10, — характеристика

синхронного двигателя, когда (О = const при М = var; 1 — дви

гателя постоянного тока независимого возбуждения; 2 — дви

гателя постоянного тока последовательного возбуждения; 3 —

асинхронного двигателя; 5 — характеристика, при которой

М = const с изменением скорости. Такой характеристикой об

ладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании от источника тока, то есть /а = const.

Искусственные механические характеристики получают

при U Щ U„, fid/н, или введением в цепь обмоток дополнительных элементов. Таких характеристик может быть много. Следует особо отметить, что КПД двигателей, работающих на ес

тественной характеристике, имеет значения т] = (0,8 + 0,98), а на искусственных, в зависимости от способа регулирования,

Рис. 1.10 Естественные механические

характеристики электродвигателей


КПД может быть значительно меньше. Эти дополнительные

потери связаны, как правило, с регулированием.

Для всей системы привода КПД во многом зависит и от типа

механического передающего устройства (МПУ) (см. рис. 1.1)

и в некоторых случаях может быть значительно ниже КПД

двигателя. Например, использование одноступенчатого чер

вячного редуктора для получения низких скоростей снижает

КПД привода до =0,5 и ниже.

Жесткость механической характеристики электроприво

да — это отношение изменения момента к изменению скорости

Отсюда следует, что характеристика синхронного двигате

ля (рис. 1.10, прямая 4) является абсолютно жесткой (Доз = 0,

Р = °°); двигателя постоянного тока независимого возбужде

ния (прямая 1) — жесткой, а с последовательным возбужде

нием (кривая 2) — мягкой; характеристика асинхронного дви

гателя (кривая 3) имеет переменную жесткость, на рабочем

участке она жесткая; характеристика типа 5 — абсолютно мяг

кая, ДА/ = 0, Р = 0.

Таким же образом можно определить и механические ха

рактеристики производственных механизмов (см. рис. 1.9):

прямые 1,2 — абсолютно мягкие; прямые 3,5 — имеют поло

жительную жесткость; прямая 4 — мягкая, с отрицательной

жесткостью.

Совмещение характеристик двигателя и производственно

го механизма (рис. 1 .1 1 ) дает представление об условиях вы

полнимости установившегося ре- ш

о _ <LM _ АМd(o Дш ’

(1.32)

жима, когда М = Мс, = 0. На ш

1

рисунке 1 .1 1 ,а представлены ме

ханические характеристики вен

тилятора (кривая 1) и двигате

ля постоянного тока независи

мого возбуждения (кривая 2). Точка А является точкой устой

чивого установившегося режима,

здесь М = Мс. Устойчивым бу

дет режим, когда привод, будучи

2

0 м ' м ,уст М " м

Рис. 1.11Определение парам етров установившегося режима


выведенным из установившегося режима внешним возмущением, возвращается в эту точку после исчезновения возмущения. Если внешнее воздействие привело к росту скорости до

со7, то момент двигателя снижается до М'. Появился отри

цательный динамический момент Млии <0,

привод тормозится до скорости соуст (точка Л). Если возмуще

ние вызовет снижение скорости до со", момент двигателя возрастает до М", динамический момент Мдин > 0, скорость уве

личится до соус. (точкаЛ). Таким образом, режим работы вточ-

ке А является устойчивым.

Из сказанного выше следует, что необходимым и доста

точным условием устойчивости установившегося режима является

^ - < 0 . (1.33)Асо

Можно воспользоваться понятием жесткости характеристик двигателя и приводного механизма, тогда условие устой

чивой работы

Р - рс < 0 или р < Рс. (1-34)

Для рассмотренного случая Рс > 0 (см. рис. 1.11), поэтому устойчивость определяется знаком жесткости характеристики двигателя.

1.5.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

О РЕГУЛИРОВАНИИ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

При работе электропривода в зависимости от типа произ

водственного механизма (или характера нагрузки), предъяв

ляемых требований по скорости, ускорению, току, моменту

и т. д. функции регулирования движением исполнительного органа возлагаются обычно на электродвигатель и систему

управления. В некоторых случаях используется сочетание электрического и механического (ip = var) способов регули

рования. В теории электропривода механические (со, е, угол поворота ф), электрические и магнитные (U,M,I,P= Мсо, магнитный поток Ф) величины называют координатами, или ре


гулируемыми величинами, переменными. Регулирование координат должно осуществляться как в установившихся, так и в переходных режимах, причем зачастую электропривод дол

жен обеспечивать регулирование одновременно нескольких координат.

Регулирование скорости как основной выходной коорди

наты привода может осуществляться в разомкнутых и замк

нутых автоматизированных системах управления. Отметим,

что под регулированием следует понимать и поддержание ско

рости на заданном уровне (стабилизация) при колебаниях,

например, момента нагрузки.

Высокие качественные показатели регулирования скоро

сти достигаются в замкнутых системах (см. рис. 1.1), в кото

рых воздействие на двигатель осуществляется изменением параметров электроэнергии на выходе преобразовательного

устройства (ПУ): напряжения для двигателей постоянного тока,

напряжения и частоты — для двигателей переменного тока. Для

этого служат различные ПУ: управляемые выпрямители (УВ),

широтно-импульсные преобразователи (ШИП), статические

преобразователи частоты на современных полупроводниковых

приборах (iGBT, например), позволяющие изменять напряжение и частоту. Регулирование скорости характеризуется следующими основными показателями [4, 5, 8].

1 .Диапазон регулирования Д определяется отношением

максимальной и минимальной скоростей Д = — при задан-CQmin

ных пределах изменения нагрузки (момента) на валу двига

теля. На практике работают электроприводы с диапазоном от

Д = 2 -fe 4 до 1000 и более, в зависимости от типа механизма.

2. Направление регулирования определяется расположе

нием получаемых искусственных характеристик относитель

но естественной. Если они находятся выше естественной, го

ворят о регулировании вверх, если ниже — о регулировании

вниз. Если искусственные характеристики располагаются и

выше и ниже естественной, то регулирование называют двухзонным.

3. Плавность регулирования определяется расположени

ем получаемых искусственных характеристик. Оценивается отношением скоростей на двух ближайших характеристиках,


rs Uljпл = ~ • Очевидно, что/Спл зависит от способов регулирова

ния параметров или напряжения на выходе ПУ (см. рис. 1.1).4. Стабильность скорости характеризуется изменением

скорости при изменении момента на валу и определяется величиной жесткости характеристики двигателя (см. п. 1.4).

5. Экономичность регулирования характеризуется затратами на создание (приобретение) привода и его эксплуатацию. Важнейшим показателем здесь являются потери энергии, связанные именно с регулированием, а также КПД привода при работе на разных скоростях

где Ръь APj, tj — полезная мощность, потери и время работы двигателя на i-й скорости; п — число скоростей.

Сюда следует отнести и коэффициент мощности coscp, оп- ределяемый отношением активной Р и полной 5 = + Qz

Для цикла работы рассчитывается средневзвешенный коэффициент мощности

Известно, что более 60% вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую энергию системами электропривода, поэтому снижение потерь энергии здесь является чрезвычайно важной задачей. Актуальность проблемы быстро нарастает в связи с увеличивающимся потреблением энергии вообще, ростом цен на энергоресурсы, экологическими проблемами.

Основным типом электродвигателя в народном хозяйстве при мощностях до 100 кВт является асинхронный коротко

(1.35)

мощностей Р

(1.36)

п

COS(()CB(1.37)

i=1


замкнутый двигатель, который при питании от сети при U = const, по сути, представляет двигатель постоянной скорости. Эти машины потребляют реактивный ток, и коэффициент мощности их в сильной степени зависит от нагрузки. Следовательно, вопросы компенсации реактивной мощности также имеют важное значение.

6. Допустимая нагрузка, двигателя ограничена предельной допустимой температурой изоляции. При работе на естествен

ной характеристике это номинальный момент, номинальные потери и температура не выше нормативной при соответствующих условиях охлаждения. При работе на искусственных характеристиках нагрузка ограничена номинальным током.

Наряду с регулированием скорости часто требуется регулировать ток и момент двигателя (или ограничивать их), чтобы управлять ускорением исполнительного органа. Основным показателем регулирования тока и момента является точность.

1.6.ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ

И ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

1.6.1.ХАРАК ТЕРИСТИК А РЕЖ И М О В РАБОТЫ

ЭЛЕК ТРОПРИВОД А

Из уравнения движения электропривода (см. п. 1.3) сле

дует, что электропривод работает в одном из двух режимов — установившемся или переходном.

Установившийся режим характеризуется тем, что все ме

ханические координаты привода не изменяются во времени. С точки зрения математики это означает равенство нулю всех производных механических координат по времени (движение

с постоянной скоростью, в том числе состояние покоя).Переходные режимы описываются дифференциальными

уравнениями, в результате решения которых получают зависимость изменения переменных во времени. Переходные процессы возникают в результате воздействия на привод различных возмущений: внешних — изменение нагрузки, параметров цепей двигателя, колебаний напряжения и т. д.; внутренних — сигналов управления со стороны управляющего устройства (см. рис. 1.1). Режимы пуска, торможения,

А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

реверса, наброса и сброса нагрузки, регулирование (или стабилизация) скорости являются типовыми переходными процессами электропривода. Определяя изменение координат во времени, находят динамические характеристики привода в отличие от статических в установившихся режимах. На практике встречаются электроприводы, где неустановившиеся режимы являются непрерывными по причине изменения нагрузки (инерционные конвейеры, прессы, поршневые компрессоры, шаровые мельницы, сельскохозяйственные машины для приготовления кормов и многое другое).

Физически причина переходных процессов заключается в том, что процессы накопления и отдачи энергии — электромагнитной и механической — протекают не мгновенно, а в течение определенного времени, то есть они отличаются инерционностью.

В зависимости от вида накопленной или отдаваемой энергии различают электромагнитные, механические и тепловые переходные процессы. В качестве инерционных элементов в них выступают индуктивность L обмоток, масса т или момент инерции J, теплоемкость С = ст.

Тепловые процессы являются самыми медленными из перечисленных, постоянная времени нагрева Т„ для электродвигателей колеблется от десятков минут до нескольких часов, в зависимости от мощности. Поэтому они не оказывают влияния на электромагнитные и механические переходные процессы и их рассматривают отдельно.

Электромагнитная и механическая инерционность также могут существенно различаться. Если электромагнитная постоянная времени Тэм значительно меньше механической постоянной Ту, то электромагнитные процессы, как правило, не учитывают при рассмотрении механических. В случае сопоставимости Тш и 7’м рассматривают электромеханические переходные процессы, что является наиболее общим случаем из-за взаимного влияния электрических и механических величин.

Для анализа переходных процессов должны быть заданы: вид рассматриваемого процесса (пуск, реверс, торможение, сброс нагрузки и т. д.); начальные и конечные значения координат — тока, момента, скорости; параметры электропривода — коэффициенты усиления элементов и их постоянные времени.


Строгое решение уравнений электропривода в переходных

режимах представляет собой сложную задачу. В пособии рас

смотрены лишь вопросы пуска и торможения с позиций потребления энергии (см. гл. 5).

1.6.2.ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Управление координатами привода осуществляется целе

направленным воздействием на. двигатель с помощью систе

мы управления (см. рис. 1.1), содержащей силовой преобра

зователь ПУ и управляющее устройство. При этом ПУ выдает

нужное значение напряжения, или напряжения и частоты для

поддержания заданной величины выходной координаты (ско

рости, тока, момента, ускорения).

Системы управления делятся на неавтоматизированные и автоматизированные. Неавтоматизированные системы управления применяются в основном в нерегулируемых приводах,

операции по управлению осуществляются вручную (прямой пуск асинхронного двигателя при питании от сети, останов

ка). Автоматизированные системы, в которых человек дает

Рис. 1.12Принципы построения разомкнутых и замкнутых систем- управления

электроприводами:

а — схема разомкнутой системы; б — замкнутая система с обратной связью, построенная по принципу компенсации отклонения; в — схема замкнутой системы, построенной по принципу компенсации возмущения; г — комбинированная схема замкнутой системы.


команду только на начало и конец работы, все остальные опе

рации по заданному режиму обеспечивает система управле

ния. Такие системы делятся на разомкнутые (см. рис. 1.12, а)

и замкнутые (рис. 1.12, б, в, г).

В разомкнутой системе изменение внешних возмущений

хВОзм (нагрузки и др.) сказывается на выходной величине хВЪ1Х

(например, скорости со, связанной с моментом механической

характеристикой со(Л/)). Такая система не обеспечивает регу

лирование выходной величины при хВ03м = var, так как инфор

мация о ее значении не поступает на вход системы. Эю являет

ся наиболее существенным недостатком таких систем, но из-за

простоты, дешевизны и надежности они широко используются

при автоматизации процессов пуска, торможения, реверса

электроприводов.

В замкнутых системах, или системах с обратной связью,

влияние возмущающего воздействия хвози на выходную коор

динату хвых частично или полностью устраняется путем пода

чи с выхода на вход информации о величине агвых (система с

обратной связью, кос, хос, рис. 1.12, б) или компенсацией воз

мущающего воздействия (рис. 1.12, в), или в комбинирован

ной системе (рис. 1.12, г).

Системы с обратной связью, работающие по отклонению,

применяются наиболее широко, сигнал хос, пропорциональ

ный выходному сигналу хвых, сравнивается с сигналом зада

ния х3 (складывается или вычитается), а результирующий сиг

нал х с выхода сумматора является входным управляющим

сигналом для электропривода. Этот сигнал называют рассо

гласованием. В итоге напряжение с выхода ПУ (см. рис. 1.1)

изменяется в ту или иную сторону, изменяя выходную вели

чину в нужном направлении. Например, для двигателя посто

янного тока увеличение момента нагрузки приводит к сниже

нию скорости, сигнал отрицательной обратной связи умень

шается, повышая напряжение преобразователя (УВ, ШИП),

а с ним и скорость двигателя, восстанавливая с определенной

точностью заданный режим.По величине установившегося рассогласования различа

ют системы статические, когда х Ф 0, и астатические, когда х = 0.

Системы привода со структурой, показанные на рисун

ке 1.12, в, реализуют принцип компенсации возмущающего


воздействия. Здесь на сумматор подаются задающий сигнал х3

и пропорциональный возмущению ха. Для работы таких сис

тем нужны датчики, в частности, нагрузки. Если же возму

щающих воздействий несколько, то столько же нужно и дат

чиков. Поэтому они применяются редко. Возможны системы

комбинированные (рис. 1.12, г), когда основное воздействие

компенсируется по возмущению, а все остальные — по откло

нению.

Многообразие автоматизированных систем управления

электроприводами характеризуется типом обратных связей —

положительными и отрицательными, жесткими и гибкими,

линейными и нелинейными; количеством регулируемых ко

ординат и структурными схемами — с общим суммирующим

усилителем, с общим усилителем и нелинейными обратными

связями (отсечками); с подчиненным регулированием коор

динат, когда количество усилителей и замкнутых контуров

соответствует числу регулируемых координат. Такое построе

ние системы (подчиненное) позволяет осуществить раздель

ное регулирование координат и раздельную настройку про

цесса регулирования [6,8,12].

На современном этапе развития техники и технологий в

управлении технологическими процессами широко исполь

зуются ЭВМ. Их использование позволяет быстро обрабаты

вать большие объемы информации, усложняя сами законы

управления, находить и принимать оптимальные решения с

учетом большого числа факторов, значительно повышая про

изводительность труда, качество продукции и надежность ра

бота оборудования.

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

2. 1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О ДВИГАТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА.ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Двигатели постоянного тока долгое время применялись практически во всех регулируемых приводах. Однако, начиная с 60-х гг. XX в. в связи с созданием управляемых полупроводниковых вентилей-тиристоров, а с 1980-х гг. и полностью управляемых силовых транзисторов на ведущие позиции выходит электропривод переменного тока с асинхронными и вентильными двигателями.

В стране в силу сложившихся традиций и др. причин на данный момент существует ряд сфер экономики, где приводы с двигателями постоянного тока занимают доминирующее положение [33].

Прежде всего, это тяговый привод для электрифицированного транспорта, начиная от электропогрузчиков, получающих питание от аккумуляторной батареи, и заканчивая магистральными электровозами, питающимися от контактной сети постоянного тока напряжением 3000 В или однофазной переменного тока 25 000 В. В последнем случае двигатели запитываются через понижающий трансформатор и выпрямитель.

Промышленность выпускает тяговые двигатели для привода: трамваев мощностью 50 кВт при напряжении 275 В; вагонов метрополитена мощностью 110 кВт при напряжении 375 В; пригородных электропоездов мощностью 250 кВт при напряжении 750 В; магистральных электровозов мощностью до 1000 кВт при постоянном напряжении 1500 В и выпрямленном 800 В. В тепловозах, большегрузных самосвалах, на судах, где используется электропередача по схеме: первичный

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 31

двигатель (дизель, газовая или паровая турбина) —> синхронный генератор —» выпрямитель —» тяговый двигатель, также применяются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При этом мощности: для тепловозов до 400 кВт на ось; самосвалов — до 600 кВт на колесо (двигатели типа мотор-колесо с планетарным редуктором); гребные двигатели для судов до нескольких тысяч киловатт при низких частотах вращения. Например, для атомного ледокола «Ленин» был создан двигатель мощностью 19 600 кВт в двухъякорном исполнении.

Для привода прокатных станов, где большие (до четырехкратных) кратковременные перегрузки по току, частые реверсы, также используются одноякорные двигатели постоянного тока мощностью до 14 000 кВт и двухъякорные мощностью 25 000 кВт при частоте вращения до 100 об/мин.

Двигатели серии 4П мощностью от 132 до 1000 кВт применяются в приводах, где требуется регулирование частоты вращения в широких пределах. Напряжение от 440 до 930 В, частота вращения от 350 до 2000 об/мин. Возбуждение — независимое, вентиляция — принудительная.

Можно также отметить двигатели типов 4ПП, 4ПС, 4ПМ для буровых установок мощностью от 750 до 1000 кВт, напряжением 800 В при частотах вращения 1000 + 1500 об/мин.

Для шагающих экскаваторов выпускаются двигатели для привода механизмов поворота, тяги и шагания типов МПЭ, ГПЭ мощностью от 90 до 1250 кВт [23, 37].

Машины меньшей мощности серии 4П, 2ПФ общепромышленного назначения допускают регулирование скорости в диапазоне до 5:1, большие кратковременные перегрузки по току при максимальной частоте вращения до 4000 об/мин.

Кроме перечисленных областей применения приводов постоянного тока существуют и другие, о чем подробно в 15, 12, 37].

Если сравнивать машины постоянного тока с машинами переменного тока, то у первых обычно отмечают их высокие перегрузочную способность и регулировочные свойства. В то же время они более дорогие — примерно в 2 раза дороже асинхронных такой же мощности, у них выше материалоемкость, габариты, эксплуатационные расходы.

32А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.2.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

В электроприводах постоянного тока применяются электродвигатели независимого (параллельного), последовательного и, в меньшей степени, смешанного возбуждения. Схемы включения их показаны на рисунке 2.1, при этом добавочное сопротивление в цепи обмотки якоря Я„д показано регулируе- мым, то есть Rw Если Я „ =0, [/=£/„, i,= i„„ тохарактеристики называются естественными, а при Яад 10, или U Ц* ^ вн ~ искусственными. В режиме двигателя электрическая энергия потребляется из сети, преобразуется в механическую, мощность которой Р = о)М. Зависимость между моментом М и скоростью ш есть механическая характеристика двигателя (см. п. 1.4).

Основные соотношения для двигателей постоянного тока.Уравнение напряжений для цепи якоря по второму зако

ну Кирхгофа

(2.1)

‘ 34 +1

и б

Рис. 2.1Схемы включения (kiu.ame.ieii:

R,

w " •• w U(4 | \щвозбуждения; сплошные стрелки - направления ховые - в двигательном.

fl - независимого возбуждения; б -последовательного возбуждения;аынюо возоуждения; в - смешанного токов в генераторном режиме, штри*


ЭДС обмотки якоря и момент

Еа = СФш, М • СФ1а. (2.2)

Уравнение электромеханической характеристики

/г v U ЛЧЛФДа)<е(1 в ) = с ^ Ф ~ с ф = ю ° ~ А ( й ( 2 3 )

Уравнение механической характеристики

и ^ • (Д .+ Д .д )

-----(сГф)2 =Ю°~Дт (2-4)В формулах (2.1-2.4) обозначены: Ra — сопротивление

самой обмотки якоря относительно внешних зажимов; Raa — добавочное сопротивление в цепи якоря; 1а — ток обмотки яко

ря (рис. 2 .1 ); ^ ' = ' 2 ---- постоянная для конкретной ма

шины; р — число пар полюсов; N — число эффективных про

водников обмотки якоря; со — угловая скорость; Ф — магнит

ный поток в зазоре, Ф = a^Bîla; 0С5 — коэффициент полюсной

71* D aдуги, cxg = 0,6 + 0,75; т — полюсное деление, т = " 2р~’ > К —

диаметр и длина якоря соответственно; В$ — индукция в зазо

ре, В&= (0,7 + 1,0) Тл; соо — скорость идеального холостого

U *хода, Юо = — —; Лев — снижение скорости под влиянием на

грузки.

Из (2.3,2.4) видно, что для двигателя независимого возбуждения при неизменных U, Ф, Яаа характеристики представ

ляются прямыми линиями, а их жесткость зависит от сопро

тивления якорной цепи /?ад + и потока Ф. Следовательно,

изменяя указанные параметры (U, Ф, /?ад), можно регулиро

вать скорость электропривода.

На рисунке 2.2 представлены механические характери

стики двигателя независимого возбуждения в различных ре

жимах работы при /?„„ = var (/?„д1, /?ад2, /?адз). При = Ra (ЯаД1 = 0 ) характеристика называется естественной, а осталь

ные — искусственные (/?од*0 ). Естественная характеристи

ка является жесткой, относительный статический перепад ско-

[ рости Д о* = — —— =0,02+0,08. При £/= const, Ф = const,COq

2— 1832

34'■ " ЕПИФАНОВ- “ НОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Двигательныйрежим

П1Двига

тельныйрежим Генера

торныйрежим

R a — var все характеристики выходят из одной точки на оси ординат — oio, скорости идеального холостого хода, когда 1а = О, U = E . Из графика же следуют и режимы работы (рис. 2.3).

I к в а д р а н т . Двигательный режим, электрическая энер

гия потребляется из сети и преобразуется в механическую,

лл п тт ~> F I = (рис. 2.3, б).Д / > 0 , и а > Е а , l a R a + R a a ^

deusnn характеристики двигателя постоянного т ок а

независимого возбуждения в различны х режим ах

Рис. 2.3Энергетические режимы ДПТ независимого возбуждения:

а холостой ход; б — двигательный; в — генераторный параллельно с сетью; г — короткое замыкание; д— генераторный последовательно с сетью; е — генераторный независимо от сети.

U = Е

/ = О


Пквадрант . Генераторный режим, энергия (механическая) поступаете вала и преобразуется в электрическую. При этом она может отдаваться в сеть (рекуперация) при со > о)о или рассеиваться в реостатах (динамическое или реостатное торможение) (рис. 2.3, в, е). В режиме рекуперации М < О,

Е -UaUа < Еа, 1а = 'р2— о2-- При динамическом торможении Ua = О,

Еток /в = D 0 р , М< 0. Практически, якорь отключается от

па. + Ксети и замыкается на сопротивление R (рис. 2.3, е).

III квадрант. Режим двигателя, обратное вращение,

М<0,(о<0 ,Р = М(й > 0, /а = ~ г-=:а-.

IV квадрант. Режим генератора или противовключе- ния, энергия поступает как из сети (электрическая), так и с вала (механическая) и полностью рассеивается в сопротивле-

U +Ении якорной цепи. Ток 1а ="ёг— необходимо ограничи-

•“а ' * *вдвать выбором сопротивления Яал (рис. 2.3, д).

В генераторном режиме электромагнитный момент имеет тормозной характер, поэтому такой режим используется для торможения транспортных средств, лифтов, при опускании груза и т. д. Для получения режима противовключения обычно переключают полярность напряжения, подводимого к якорю. В некоторых случаях требуется постоянство замедления, например, в пассажирском транспорте. Для этого используют все три вида торможения: при высокой скорости обеспечива

ется условие Z?,, > Uа (рекуперация), а величину момента (тока) можно регулировать изменением потока; затем переходят на реостатное торможение, регулируя момент изменением величины сопротивления Яаа при уменьшающейся ЭДС Еа\ при низкой скорости используют противовключение, вплоть до остановки при замкнутой накоротко обмотке якоря.

На практике чаще используются динамическое торможение и противовключение. С точки зрения экономичности самым рациональным является рекуперация, однако этот режим не всегда осуществим (по скорости) и по возможности использования отдаваемой энергии.


Характеристики двигателей последовательного возбуждения также описываются уравнениям и (2.1 -2.4). Основной же особенностью этих машин является то, что магнитный поток зависит от тока нагрузки 1а (см. рис. 2.1, б). Следовательно, для этих машин не существует понятия скорости идеального холостого хода (00. Более того, при малых загрузках (/„ ^ 0,21а„) скорость двигателя резко увеличивается из-за снижения магнитного потока. По этой причине двигатели последовательного возбуждения запрещено запускать на холостом ходу.

Если допустить, что магнитная система машины не насыщена, то поток Ф = kla, момент М =СФ1а =Ск!\, уравнения электромеханической и механической характеристик будут

Ш )=Л__ R° Щт (2.5)Ща1 Ск1а Ск - ' '

to(M) = - f£= - - | . (2.6)yjCkM Ск

В подтверждение сказанного выше отметим:1. При 1а—> 0, М —» 0, (0 —»<», то есть ось ординат со являет

ся асимптотой для характеристик (2.5, 2.6).D

2. При /а — М — о — , то есть горизонтальнаяС/СD

прямая с ординатой со0 = также является асимптотой (горизонтальной).

Зависимости со(/а) и со(М) имеют гиперболический вид.Отсюда следует, что эта машина не имеет генераторного

режима работы параллельно с сетью.Режим торможения противовключением возможен и осу

ществляется так же, как и у двигателя с независимым возбуждением.

Динамическое (реостатное) торможение такого двигателя чаще реализуется по схеме с независимым возбуждением (см. рис. 2.3).

Реально, магнитная система насыщена, характеристики не имеют гиперболической зависимости (рис. 2.4), но характеристику называют мягкой, с переменной жесткостью. Тем не менее, при общей для двигателей постоянного тока пе

регрузочной способности потоку к/ - ^тах =(2-8-3) двигатели


Рис. 2.4 Характеристики

дви гателя постоянного тока, последовательного

возбуждения:

а — электромеханические; б — механические; в — зависимость

момента и угловой скорости от тока якоря (в относительных единицах).

последовательного возбуждения имеют существенно большую

перегрузочную способность по моменту км — — (3 + 4,5).м а

Именно это свойство их используется в тяговом приводе, а также при резко изменяющемся моменте сопротивления.

Двигатель смешанного возбуждения (см. рис. 2.1, в) имеет две обмотки возбуждения — независимую и последовательную, поэтому его механические характеристики занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей независимого и последовательного возбуждения. Здесь скорость идеального холостого хода определяется магнитным потоком независимой (шунтовой) обмотки возбуждения,

Uа>о =

СФ„

Соотношения НС обмоток возбуждения определяются требованиями по регулировочным характеристикам, перегрузочной способности по моменту и др. Характеристики двигателя (см. рис. 2.5) имеют переменную жесткость. Возможны три


Ом

способа электрического торможения: рекуперативное, динамическое и противовключени- ем (см. рис. 2.2, I I и IVквадран

ты). При этом во избежание размагничивающего действия

последовательной обмотки (ток

в якоре изменяет направление)

ее шунтируют, тормозные режимы осуществляются практи

чески при включении только

независимой обмотки, поэтому

и сами характеристики имеют

вид прямых.П р и м е р 2.1. Рассчитать естественные электромехани

ческую (о(/а) и механическую характеристики двигателя по

стоянного тока независимого возбуждения по паспортным данным: Рн = 2,2 кВт; U„ = 220 В; 1ан = 12 А; п„ = 1000 об/мин; ц„ = 0,77; iBU = 0,73 A; ROB = 300 Ом.

Для построения характеристик необходимо рассчитать координаты двух точек: номинального режима и идеального

холостого хода.1. Для точки номинального режима:

Рис. 2.5Естественн ые м еханические характеристики двигателей:

1 — независимого возбуждения; 2 — последовательного возбуждения; 3 — смешанного возбуждения.

0)„ =2п-па 2п1000

60 60= 105 рад/с.

Номинальный момент

Mh= ^ l= ^ ^ = 21Нм. о)н 10о

Номинальный ток якоря /ан = 13 А.

Номинальное сопротивление двигателя

Ии = = 17 Ом.*аи

2. Для режима идеального холостого хода:Сопротивление якорной цепи, по приближенной формуле

Ra = 0,5 • - -(1 - Пн) = 0,5/?и (1—т|н) = 0,5-17 - (1—0,77) = 2 Ом.*ан


Скорость идеального холостого хода

_ Ущ . _ t/н ~ _ Еа„ _ 220 —13• 2 _ | В-с СФ ’ сон о)н 105 ’ рад"

Й Я 220 Й 1“ “= с Ф :=щ “ Ш рад/с-Найденные значения а>0, /а, М„, сон позволяют построить

искомые характеристики.

2.3.РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ,

ТОКА И МОМЕНТА С ПОМОЩЬЮ РЕЗИСТОРОВ

В ЦЕПИ ЯКОРЯ

Этот способ, называемый реостатным, является самым простым по реализации, поэтому применяется для регулирования скорости, тока и момента, но по отношению к току и моменту более правильно говорить об их ограничении.

Варьируя сопротивление добавочного резистора Яаа в цепи якоря (см. рис. 2.1), получают семейство искусственных характеристик (см. рис. 2.2,2.4). При этом величина (Оо не зависит от сопротивления Raa при независимом возбуждении

Шо =const = ——,СФ

при последовательном ось (о является асимптотой для всех характеристик. Наклон характеристик, определяемый перепадом скорости , „ . ___ „

_4(Д .+^д)_^(Д»+ Д»д)СФ (СФ)2

при конкретных значениях тока /а и момента М, пропорционален сопротивлению цепи якоря (R = Ra + Raa). Поэтому с увеличением Raa характеристики становятся более мягкими, А(о увеличивается. По выражению для До) строят реостатные характеристики двигателя независимого возбуждения по известным соо, со„, Д(Он, М (см. рис. 2.6). Момент короткого замыкания (точка пересечения с осью абсцисс)

Мкз = СФ/акз,

где /окз = ^ ---ток короткого замыкания, 1аю < (2 + 3)/ан.Ra +Raa


Оценка реостатного способа регулирования скорости по основным показателям (см. п. 1.5).

1. Диапазон регулирования Д < (2 + 3). Причина низкого значения Д заключается в снижении жесткости, значительных потерях и низкой стабильности скорости.

2. Направление регулирования — вниз от естественной (однозонное).

3. Плавность регулирования определяется плавностью регулирования Rax Обычно это делают ступенями, а с рос

том числа ступеней возрастает количество аппаратуры и усложняется управление.

4. Стабильность скорости невысокая и снижается по мере роста диапазона регулирования.

5. Экономичность регулирования оценивают по капитальным затратам на реализацию способа и стоимости потерь энергии при регулировании. Здесь следует говорить в основном о потерях мощности, особенно в настоящее время, когда цены на энергоресурсы неуклонно растут и принята Государственная программа по энергосбережению.

Потери мощности в ДПТ независимого возбуждения

ДЯ = Я, - Р2 = UIa - Мсо д; Р iAo)‘, (2.7)

, . (On — О) Aft) •» где Дог =—-- =---- относительный перепад скорости.

О)о 0)оВидно, что при снижении скорости, например, в 2 раза,

то есть Да>* = 0,5 и Д = 2, половина мощности теряется в цепи якоря, и КПД привода не превышает 50% (при КПД самой машины f] ^ 0,8 + 0,9). Очевидно, что такой способ регулирования может быть рациональным только в маломощных приводах, когда удельный вес стоимости электроэнергии невелик.

Рис. 2.6 Естественная (R/ = R J

и сем ейство реостатных (Rg-Rs) механических характеристик

двигателя неза висимого возбуждения


6. Допустимая нагрузка (момент на валу) по условиям

нагрева А/доп = СФн/ан = Мн (2.8)

равна номинальному моменту, если условия охлаждения такие же, как и в номинальном режиме, например, независимая вентиляция.

Уравнения естественной и реостатных электромеханических характеристик

= (2.9)СФ СФ v '

Отсюда скорость на искусственной характеристике при

токе/“ м , о 1тU-IaiЯ ' ( ^

По (2.10) строят реостатные характеристики, задаваясь значениями Iai для конкретных Raai.

Обратная задача — когда по заданной искусственной характеристике или отдельной ее точке находится соответствующее сопротивление резистора /?ад из соотношения

f п \Д.д =

I СО,,,

Щ» - Г - *■* ni

(2.11)

Искусственные реостатные характеристики используются для ограничения тока и момента двигателей постоянного тока в переходных процессах и, в первую очередь, при пуске. В первый момент пуска двигатель находится в режиме короткого замыкания (о) = 0, Еа = 0) и ток по естественной характеристике при этом

1а =-7Г- = (10+ 50) •/(,„,

так как

— fjsliaL—(0,02+0,1).Uau

Допустимый же ток по условиям на коллекторе /одоп = = (2 + 3)/д„ для двигателей общепромышленного назначения (для тяговых машин, например, допускаются кратковременные перегрузки потоку до (4 + 5)/вн). Следовательно, ток (и момент) необходимо ограничивать, что и достигается введением


резисторов Яал в цепь якоря. Пуск обычно осуществляют ступенчато, шунтируя по мере разгона сопротивления контакторами (рис. 2.7). При этом ток и момент не остаются постоянными (рис. 2.7). Для достижения высокой плавности пуска используют импульсное регулирование пускового сопротивления, изменяя соотношение продолжительности открытого

и закрытого состояния тиристора (см. рис. 3.2, г). Установив

шиеся значения тока (/уст) и скорости (сОуСТ) определяются величиной момента нагрузки.

SB2 SB1 КМ 1

н н ^ г с н

КМ 1КМ 1 КТ

D -КМ2сн

SB2

— * г

SB 1

W ~ J

км

■ С НРис. 2.7

ПускДПТ независимого возбуждения:

а — в одну ступень; б — в две ступени.


а+

Рис. 2.8Схема управления пуском ДПТ в зависимости- от времени, реверсом

и торможением пропшвовключением в зависимости от ЭДС(а); характеристики ДПТ независимого возбуждения при пуске и реверсе (б)

Необходимость введения добавочного сопротивления /?ад в цепь якоря возникает также в режимах реверса и торможения противовключением (рис. 2.8). При этом пуск начинается при токе у

Ra + Ran

в одну ступень. Разгон идет по характеристике 2 до значения тока /2, затем резистор /?ад шунтируется и рабочая точка переходит на естественную характеристику 1, а ток изменяется до 1\.

Для осуществления режима противовключения необходимо изменить полярность напряжения на якоре и ввести до-

[ полнительно к Raa\ резистор Дад2 для ограничения тока. Рабочая точка переходит из Юо (ось ординат) на характеристику 3. При этом ток

I и + ЕRa ^ Д|д1 ^ Дя.д2


Далее двигатель тормозится, ток уменьшается, так как уменьшается ЭДС Еа. При достижении скорости о> = 0 процесс торможения заканчивается, ток

/= _____ %_____ .fta ^ Я»д2

Если требуется после остановки запустить двигатель в обратную сторону, то переходят на характеристику 4 (реостатную), а затем на естественную (назад). Следовательно, реверс включает в себя торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. На практике управление пуском, реверсом и торможением осуществляется в функции времени, тока, используя релейно-контакторные схемы [3,4,33].

На рисунке 2.8, а приведена схема управления пуском, реверсом и торможением в зависимости от времени (пуск) и ЭДС. Главные контакты линейных контакторов КМ\, КМ2 образуют реверсивный мостик, обеспечивают изменение полярности напряжения на якоре. В якорную цепь, кроме пускового резистора Ra\, включен резистор противовключения /?д2 для ограничения тока. Пуск двигателя осуществляется в одну ступень (резистор /?Д|) с использованием реле времени КТ. Управление осуществляется нажатием кнопокSB\ (пуск),5Я2 (торможение).

2.4.РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ

ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ИЗМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Из (2.3-2.4) следует, что изменением магнитного потока можно регулировать скорость путем изменения скорости идеального холостого хода ■ U

СФ’Этот способ широко применяется на практике вследствие простоты его реализации и экономичности как в двигателях независимого, так и последовательного возбуждения.

Регулирование потока производится только в сторону его снижения (ослабление поля) путем уменьшения тока возбуждения iB, так как магнитная система обычно насыщена и увеличение потока требует непропорционально большего


Ряс. 2.9 Регулирование скорости ДПТ

независимого возбужде ния изменением

магнитного потока:

а, б — схемы включения

обмотки возбуждения; в — электромеханические и ме

ханические характеристи

ки; г - механические ха

рактеристики при Ut = var.

тока iB. Следовательно, регулирование — однозонное, вверх

от номинальной.

Регулирование тока возбуждения двигателя независимо

го возбуждения осуществляется по схемам, представленным

на рисунке 2.9: с помощью резистора (рис. 2.9, а), при незна

чительных мощностях; питание от управляемого выпрямите

ля (рис. 2.9, б); по схеме «автотрансформатор-неуправляемый

выпрямитель». Номинальному значению тока возбуждения

соответствуют естественные характеристки, а при ослаблен

ном поле — искусственные (o)o i, Ш02)-

В двигателях последовательного возбуждения регулиро

вание осуществляется шунтированием обмотки возбуждения


3 Рис. 2.10Регулирование скорости ДПТ последовательного возбуждения

шунпшрованием. обмотки возбуждения:

а — схема включения; б — механические характеристики.

резистором Rm (рис. 2.10, а). Изменяя сопротивление ре

зистора, изменяют ток возбуждения. Величина тока якоря

К - h + Аш отношение /в:/а называют степенью ослабления поля. В тяговых двигателях степень ослабления поля может

быть до 0,33, при этом диапазон изменения скорости

д = Wmax_^3 0)н

Характеристики двигателей постоянного тока в режиме ослабления поля приведены на рисунках 2.9, в и 2.10, б. Видно,

что электромеханические характеристики двигателя независимого возбуждения пересекают ось токов в одной точке, так как ток короткого замыкания

Механические характеристики имеют разные значения момен

та короткого замыкания Мкз = СФ/КЗ, так как при /кз = const с уменьшением потока уменьшается и момент.

Допустимая нагрузка (момент) при ослаблении поля определяется допустимым током, то есть /адоп = /он.

Млоп | СФ„1ан, (2.12)

где Ф„ — магнитный поток на искусственной характеристике. Так как Ф„ < Ф н, то МаоП < М„.

При условии, что ЭДС якоря на естественной и искусственной характеристиках примерно равны, следует

Е,» = СФа)н = UH- raHRa;

Еаи = СФшИ = U„- IaHRa.


При принятом допущении (Еае = Еа„)

(2.13)

где (0„ — скорость на искусственной характеристике при 1а = /ан.

Используя (2.13) и (2.2), получим:

Таким образом, на искусственных характеристиках дви

гатель может быть нагружен на номинальную мощность.

Отметим одну важную особенность. При работе тяговых

двигателей при питании от контактной сети возможны кратко

временные отрывы токоприемника. Затем питание восстанав

ливается на вращающийся с той же скоростью двигатель, но

при /„ = 0. Если обмотка возбуждения шунтирована только активным сопротивлением, то из-за большой индуктивности об

мотки возбуждения ток пойдет в первый момент восстановле

ния контакта с сетью только по шунту Rm. При этом ЭДСД, < Еан

и ток включения может значительно превышать допустимое

значение. Чтобы избежать этого, шунт делают активно-индук

тивным, а индуктивность выбирают так, чтобы распределение токов было таким же, как и в рабочих режимах.


ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ИЗМЕНЕНИЕМ ПОДВОДИМОГО

К ЯКОРЮ НАПРЯЖЕНИЯ

2.5.1.ЭЛЕКТРОПРИВОД

ПО СИСТЕМЕ ГЕНЕРАТОР-ДВИГАТЕЛЬ

Регулирование скорости данным способом осуществляет

ся по схеме, изображенной на рисунке 2.11, когда якорь питается от управляемого источника постоянного тока (преобра

зователь П) по системе преобразователь-двигатель (П-Д).

В качестве преобразователя используются электромашинные

(система генератор-двигатель, Г-Д), управляемые выпрями

тели (УВ) и широтно-импульсные преобразователи (ШИП).При этом обмотка возбуждения двигателя независимого

возбуждения питается от отдельного источника постоянного

тока, например от неуправляемого выпрямителя.

доп и Мн0)н Рп Const. (2.14)


Рис. 2.11Регулирование скорости ДГГГ независимого возбуждения изменением

подводимого к якорю напряжения:а — схема включения; 6 — характеристики.

Схема включения (а) и характеристики (б) ДПТ последовательного возбуждения при питании от упра-вляемого преобразователя

Сам преобразователь, в общем случае, характеризуется ЭДС Е„, внутренним сопротивлением R„, коэффициентом усиления

где иу — входной управляющий сигнал.Напряжение на выходе преобразователя по внешней ха

рактеристикеU = E a - IR„. (2 .15)

Следовательно, формулы (2.3, 2.4) для электромеханической и механической характеристик будут иметь вид

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМ И ПОСТОЯ ИНОГО ТОКА 49

(2 .16)

На рисунках 2.11, 2.12 приведены схемы и механические характеристики двигателей постоянного тока, работающих по системе П -Д . Из рисунка 2.11, б видно, что изменением ЭДС Е„ пропорционально изменяется и скорость идеального холостого хода соо на искусственных характеристиках, а сами характеристики имеют меньшую жесткость (больший наклон) из-за наличия сопротивления R„. Таким образом, перепад скорости Да) увеличился. Естественная характеристика получена при /?„ = О, то есть при питании от источника напряжения. При этом I и II квадранты соответствуют режимам двигателя и генератора при прямом вращении, а III и IV — соответственно, при обратном. При Е„ = О ДПТ работает в режиме динамического торможения.

Приведенные на рисунках 2.11, б, 2.12, б характеристики соответствуют использованию схемы Г -Д (рис. 2 .13). Генератор постоянного тока приводится во вращение асинхронным двигателем (0r = const, а напряжение на якоре ДПТ регулируется изменением тока возбуждения генератора iBr. Якорь генератора (сопротивления обмотки Rar —> R„) непосредственно электрически соединяется с якорем двигателя (электрический вал). Регулирование скорости изменением ЭДС Ет может сочетаться с ослаблением поля двигателя, что обеспечивает

Схема электропривода по системе

генератор-двигатель

Рис. 2.13

5 0 А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

двухзонное регулирование: от нуля до номинальной — изменением Ег, выше номинальной — изменением тока возбуждения 1„д.

Основные достоинства системы генератор-двигатель (Г -Д ) : большой диапазон и плавность регулирования скорости ДПТ, высокая жесткость характеристик, реализация всех энергетических режимов работы ДПТ.

Основной недостаток — утроенная установленная мощность электрических машин, следовательно, снижение КПД, инерционность регулирования и высокая стоимость.

Подобная схема используется в качестве электротрансмиссии на тепловозах, судах, большегрузных самосвалах и др., где в качестве источника механической энергии применяются тепловые двигатели — дизели, паровые или газовые турбины. Генераторы постоянного тока уступили место синхронным генераторам, работающим через неуправляемый выпрямитель на двигатели постоянного тока.

2.5.2.ЭЛ ЕК ТРО П РИ ВО Д ПО СИ СТЕМ Е

У П РА В Л Я ЕМ Ы Й В Ы П Р Я М И Т Е Л Ь -Д В И Г А Т Е Л Ь

Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время в регулируемом электроприводе постоянного тока, являются полупроводниковые управляемые выпрямители (УВ) и широтно-импульсные преобразователи (ШИП).

Схемы электроприводов (У В -Д ) (рис. 2.14) собраны на управляемых полупроводниковых приборах (V 1-V 6), могут быть нереверсивными и реверсивными, однофазными и трехфазными, собранными по нулевой или мостовой схемам. Чаще используются трехфазные схемы, в качестве полупроводниковых приборов — тиристоры, а в последние годы — транзисторы (например, iGBT). УВ обеспечивает регулирование напряжения на ДПТ за счет изменения среднего значения ЭДС преобразователя Е„. Достигается это регулированием угла управления транзисторов а , то есть задержкой их открытия (рис. 2.15).

При а = 0 преобразователь работает как неуправляемый выпрямитель, к двигателю приложено полное выпрямленное напряжение. Если импульсы от системы управления (СУ)

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С Д ВИ ГАТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА 51

Рис. 2 .14Схема электропривода по системе управ

ляемый выпрямитель—двигатель (У В -Д ):а — нереверсивная; б — реверсивная.

О В

k l l ^ 1^1

- k l ,,Г 1

k lя

I v iЛ 1 r1^ p

П

L СLI (

k 7 +I f ) > OB

1 Й

Рис. 2 .15Регулирование

напряжения с помощью управляемого выпрямителя:

а ~ схема выпрямления; б —диаграмма напряжений; в _диаграмма тонов.

6

-U .

U2а Ud *vi

■Ви и igV2

I *С У

U = v a r


будут подаваться со сдвигом на угол а * 0, то ЭДС Е„ снизится, а ее величина определяется как

(2.17)с* ft yJ2Em « я nК о - " а - ------- sin— co sa = £cDocosa,r я m vгде £ Cp0 — среднее значение выпрямленной ЭДС при холостом ходе выпрямителя и a = 0; Е — действующее значение переменной фазной ЭДС; т — число фаз выпрямителя.

В таблице 2.1 приведены основные соотношения для различных схем выпрямления (рис. 2.16) [6].

ЭДС преобразователя имеет пульсирующий характер (см. рис. 2 .15), а пульсации тока зависят от количества фаз и индуктивности якорной цепи. В трехфазных схемах пульсации ЭДС меньше, а в цепь якоря включают еще дополнительно индуктивность L (см. рис. 2 .14).

Уравнения электромеханической и механической характеристик ДПТ, питаемого от вентильного преобразователя, имеют вид

'а д ) = g g g g - >■ = со, - Асо;СФ СФ

^cpocosa M(Ra +Ra) .^мЩ сф- - - - - - ~ С ф Г ^ = Щ ~ А(й-

(2-18)

Здесь R„ — эквивалентное сопротивление преобразователя, включающее: приведенные к вторичной обмотке активное и индуктивное сопротивления фазы трансформатора; сопротив-

Та блица 2 .1Основные соотношения для различных схем выпрямления

Названиесхемы

Л«рисунка

Выпрямленная ЭДС

Среднийток

вентиля

Типовая мощность транс

форматора S ,

Однофазнаямостовая 2.16, a 0 ,9 ft , 0.5/, 1,11 Р„

Трехф азнаямостовая 2.16,6 1,3 f t , 0,33 ld 1,045Р„

Однофазная двух- полупериодная со средней точкой

2.16, в 0,9 f t , 0,51, 1,34 Р„

Трехф азная со средней точкой 2.16, г 1 .17ft, 0,33/, 1,35 Р„

Примечание. Ij, P j — ток и мощ ность на заж им ах выпрямителя.

Г Л А В А 2. ЭЛЕКТРО П РИ ВОД Ы С Д ВИ ГА ТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА 5 3

а 1|

V2И

, ^ , к зЛ »

И ™

—

у * л

] ----------------

А О'V АЕV I

V3

V2

V4

А? ВVIИ 1

с »

V4И

И ™м

1 1 V51ч1 И 1,2

______ 1------1

*■ 14}

А В С О Е,,

VI

у - у - ; z

V2 V3

Рис. 2.16Схемы соединений преобразователей напряжения (выпрямителей): а — мостовые однофазные; б — мостовые трехфазные; в, г — однофазная и трехфазная со средней точкой.

ление сглаживающего дросселя L; сопротивления самих вентилей, обусловленные как процессом коммутации, так и прямым падением напряжения.

Характеристики по (2 .18) приведены на рисунке 2.17. Особенностью их является наличие зоны прерывистых токов в области малых нагрузок и, особенно, больших углах а .

Величина /?„, как и в системе Г -Д , приводит к уменьше

нию жесткости характеристик. При характеристики соответствуют двигательному режиму; при а = 90°, Еп = 0 —

режим динамического торможения; при а > - привод работает в генераторном режиме (торможение) с отдачей энергии в сеть, а преобразователь — в режиме инвертора.


Рие. 2.17Характеристики нереверсивного (а) и реверсивного электропри водов

при совместном линейном управлении (б)

Для получения характеристик во всех четырех квадрантах (рис. 2.17, б) используют реверсивные У В, построенные из двух комплектов нереверсивных (см. рис. 2.14), или обеспечивают изменение направления тока возбуждения двигателя в схеме с нереверсивным УВ. В приводе по схеме 2.14, б управление обоими мостами (выпрямителем GCj и инвертором а 2) осуществляется так, что + а 2 = п (см. рис. 2.17, б) (совместное линейное согласование углов управления). При этом at = я - а 2, крайние характеристики (вверх и вниз) соответствуют (Х 2 т а х , ОЦпмп И ®2min> ® 1тах-

Достоинства системы привода У В -Д .1. Высокая плавность регулирования.2. Большой диапазон регулирования: в разомкнутых сис

темах — до 10, в замкнутых системах за счет уменьшения значения a)rain — до 1000 и более.

3. Высокий КПД электропривода в целом, учитывая высокие значения КПД трансформатора (до 0,98) и выпрямителя (0,9 + 0 ,95). Здесь важно отметить, что суммарная доля потерь, сопутствующих регулированию скорости, равна сумме потерь в выпрямителе и в двигателе (A/JyB + A/Ja), остается неизменной и не зависит от диапазона регулирования (при конкретном токе /„).

Следовательно,Р-l ________М(о

I _____ />2 + Д Я Мш + АРуь+АРа' (2 -19)

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 5 5

Очевидно, что со снижением скорости КПД установки снижается, что является общим свойством всех регулируемых приводов.

4. Бесшумность работы, простота обслуживания при эксплуатации.

Недостатки системы У В -Д .1. Пульсации напряжения, тока и момента Д П Т требуют

применения сглаживающего дросселя.2. В режиме прерывистых токов резко падает жесткость

характеристик, а сами они нелинейны.3. С ростом диапазона регулирования (увеличение угла а )

снижается коэффициент мощности costp электропривода, coscp = co sa . Отметим, что ср — угол сдвига между синусоидальным напряжением на заж имах трансформатора и первой гармоникой тока.

4. Такой привод вносит искажения в форму тока и напряжения источника, негативно влияет на работу других потребителей.

Кроме того, важное значение имеют вопросы электромагнитной совместимости (соблюдение высоких требований по монтажу).

На практике привод типа У В -Д является основным регулируемым промышленным приводом постоянного тока при мощностях до нескольких тысяч киловатт.

2.5.3.Э Л ЕК Т РО П РИ В О Д ПО СИ СТЕМ Е

Ш И РО ТН О -И М П У Л ЬС Н Ы Й П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Ь -Д В И Г А Т Е Л Ь

Схема включения двигателя постоянного тока и диаграммы напряжения U, тока / и момента М при импульсном регулировании напряжения показаны на рисунке 2 .18 . Основной частью ШИП является полупроводниковый ключ ТК, который периодически подключает источник постоянного напряжения к двигателю (время импульса t\) и отключает (время паузы <г) •

Ранее использовались тиристорные ключи, которые работали при частотах не более 1000 Гц. Кроме того, для запирания тиристора требуется специальная дополнительная схема (искусственная коммутация) [5, 7 ,3 3 ] .


аТК

+0---- & -

и

- о-

‘ уЦ ОВМ

ClItLu

Рис. 2.18Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения по системе

ишротно-импульсный преобразователь-двигатель (Ш ИП-Д):а — схема включения; б — диаграмма напряжений на якоре; в, г, д — диаграммы токов якоря (в), потребляемого из сети (г), обратного диода (д); е — характеристики при

г, +<2различных значениях £=

В настоящее время применяются транзисторные ключи, при частотах до 20 кГц, следовательно, пульсациями тока и момента на работу двигателя можно пренебречь.

Такие системы могут получать питание как от источника постоянного тока (контактная сеть для транспорта, аккумуляторная батарея и др.), так и переменного через неуправляемый выпрямитель.

Из сети потребляется импульсный ток i за время импульса t\, а при закрытом ключе ток в цепи якоря поддерживается за счет ЭДС самоиндукции, он протекает через диод V.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА 5 7

Относительная продолжительность импульсов напряженияу - *1 -*» (2 .20 )

t\ +<2 Тгде Т = + t2 — период коммутации ключа.

Среднее значение напряжения на якоре

Uc9= ± - jU a№ = y U , (2.21)о

где U — напряжение сети.Изменяя плавно величину у

сигналами управления, можно регулировать напряжение на якоре Ucр практически от нуля до Uc. В сочетании с ослаблением поля двигателя возможнодвухзонное регулирование, как в системах Г -Д , У В -Д .

Схема, показанная на рисунке 2.18, не обеспечиваетрежимы реверса, рекуперативного торможения, поэтому в практике она применяется мало. На рисунке 2.19 в качестве примера приведена функциональная схема преобразователя, содержащая четыре ключа Т К 1-Т К 4 с независимыми системами управления, позволяющая осуществить указанные выше режимы [5].

Уравнение механической характеристики для режима непрерывного тока без учета падения напряжения на ключе

В Ml 8 Ш.о т <222)

Форма характеристик не отличается от приведенных на рисунках 2.13, 2.17, но их жесткость в системе Ш И П -Д больше.

Диапазон регулирования в разомкнутых системах ограничен статическим падением скорости Да), обусловленным со-

D /противлением якорной цепи. Поэтому при RH - у ?н = 0 ,05

Д * 20, а при /£ = 0 ,02 Д = 50.В замкнутых системах пределы регулирования скорости

ограничиваются техническими возможностями реализации

Рис. 2.19 Схема реверсивного

электропривода постоянного тока по системе ШИП-Д


Ymax - 0.97 + 0,98 и Ymin = 0.03 + 0,02. Поэтому достижимый диапазон регулирования Д - 50 [5].

Энергетические характеристики регулирования подобны системе У В -Д с той лишь разницей, что здесь при высоких частотах коммутации резко возрастают потери в ключах. Очевидно, что КПД привода зависит от мощности двигателя и чем она больше, тем выше КПД.

2 0АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Ранее (см. п. 1.6, 2.5) было показано, что в разомкнутых системах регулирования из-за значительного перепада скорости Дсо, зависящего от изменения нагрузки, сопротивления якорной цепи двигателя Яа и внутреннего сопротивления преобразователя Я„, не удается получить большого диапазона регулирования скорости и обеспечить высокую точность. Другими словами, в разомкнутых системах недостаточная жесткость механических характеристик.

Для расширения диапазона регулирования и повышения точности используются замкнутые системы (см. п. 1.6). Сама идея (суть) замкнутых систем регулирования сводится к тому, что воздействие возмущающих факторов автоматически компенсируется повышением напряжения U на выходе преобразователя, или ЭДС/?П. Следовательно, информация о значении регулируемой величины должна поступать на вход системы и суммироваться с задающим сигналом. Эту роль выполняют обратные связи, отрицательные и положительные, жесткие и гибкие по скорости, току, моменту, напряжению и др. Как правило, энергии сигнала рассогласования (суммы задающего и обратной связи) недостаточно для воздействия на регулирующий орган (преобразователь), поэтому в системе еще есть усилитель У. Перечисленные элементы в совокупности образуют регулятор, который и осуществляет процесс регулирования.

На рисунке 2.20 приведена структурная схема системы автоматического регулирования (САР) скорости с жесткой отрицательной обратной связью по напряжению Ua на якоре

ГЛАВА 2. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С ДВИ ГА ТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА 5 9

ОВМ

Рис. 2 .20Структурная схема■ системы автоматического регулирования

скорости ДПТ с жесткой отрицат ельной обра тной связью по напряжению (а) и характеристики двигателя (б)

двигателя независимого возбуждения (например, У В -Д , Г -Д , Ш И П -Д ) [ 3 ,4 ,5 ] .

Для установивш егося режима система уравнений элементов:

^вх &Uai, ЕП — kyknUBX, • и а = Е П - 1Ra, Ua = Ea + IaRa, {2.23)

Ea =СФ(£>, M =СФ1 a,

где fey = j r -— коэффициент усиления усилителя; k„ =у^— ^вх Uy

коэффициент усиления преобразователя; иу — напряжение,которое определяет угол регулирования а в У В , ток возбуждения генератора в системе Г -Д , относительную продолжительность импульсов ШИП; Е„п Еа — ЭДС преобразователя и якоря двигателя; R„, Ra — внутреннее сопротивление

60 А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

преобразователя и якорной цепи двигателя; к„ =у^ — коэффициент обратной связи по напряжению.

Уравнение механической характеристики в замкнутой системе

ш(М) = krU, Ra +Ra(i+ a k c) СФ(1+а/сс) *•' СФ2(\ + а/сс) ’

—М (2 .24)

где кс = кук„ — общий коэффициент усиления.В этом уравнении первый член представляет скорость иде

ального холостого хода соо, пропорциональную задающему сигналу U3 (характеристики 3,3' на рис. 2.20, б, соответствующие различным значениям задающего сигнала U3).

Жесткость механической характеристики в такой системе даже при кс —»<» не выше жесткости естественной характери-

и. III лУ п

Y

овм

усо

ОВТГ

и„ < и.

о М(1)Рис. 2.21

Структурная схема системы автоматического регулирования скорости с жесткой отрицательной обратной связью

по скорости (а) и характеристики двигателя (6)

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА 61

стики двигателя при питании от источника напряжения, то есть при Я„ = 0 (характеристика 1 на рис. 2.20, б). Действительно, в данной системе посредством обратной связи компенсируется лишь падение напряжения на внутреннем сопротивлении Я„ источника. Поэтому такая САР не может обеспечить большой диапазон регулирования и не обладает высокой точностью поддержания скорости из-за низкой жесткости характеристики, немногим больше, чем в разомкнутой системе (характеристика 2).

На рисунке 2.21 изображена структурная схема САР скорости с жесткой отрицательной обратной связью по скорости. В качестве датчика обратной связи здесь используется тахоге- нератор GT с электромагнитным возбуясдением (OBGT). Принцип действия такой системы заключается в следующем. С ростом момента на валу двигателя возрастает ток /а, скорость его снижается, так как увеличиваются падения напряжения на сопротивлениях цепи якоря IaRa и преобразователя //?„. При этом уменьшаются ЭДС тахогенератора, сигнал обратной связи уо), увеличивается сигнал рассогласования UBX на входе усилителя (при U3 = const). Следовательно, возрастает ЭДС преобразователя П, что автоматически приводит к компенсации снижения скорости [3 ,4 , 6].

Система уравнений для схемы, показанной на рисунке 2.21:

UBX — U3 — Y'O), Еа ЩЦ ‘UBX, Ua =Ea - l R a,U a =Ea + Ia Ra , (2.25)Еа =С Ф о ), М = С Ф /0,

где (/3 — задающее напряжение в системе с обратной связью,

как и в предыдущем случае; у = ——— коэффициент переда-ю

чи обратной связи по скорости.Выражение для механической характеристики

ВЗЕ1В 1 Г"- = Ы о —АО), <2 -2 6 )1+ук СФРЦ+ук)

где ^ = 7 ф = СФ— коэффициент передачи (усиления) всей

системы; = /?, + /?„ — общее сопротивление якорной цепи.

6 2 А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

При к — const (/су, к„, Ф — постоянные) характеристики линейны. Статизм в такой системе регулирования при М = Мн определится как

я K K iСФ2к и з ' 2 -2 7 ^

Статизмом механической характеристики системы электропривода называется отношение изменения скорости двигателя До), вызванное изменением нагрузки на валу от идеального холостого хода до номинальной, к скорости идеального холостого хода на заданной регулировочной характеристике,

5 = [6].JPop

Отсюда видно, что статизм уменьшается с ростом коэффициента усиления к. В пределе, при к —» «> можно получить абсолютно жесткую характеристику (1, рис. 2 .21 , 6 ). При конечных к характеристики (2 , 2') более жесткие, чем в разомкнутой системе (3, рис. 2 .21 , б).

Увеличение коэффициента усиления в таких САР ограничено их динамической устойчивостью (в переходных режимах) и чувствительностью к помехам. Ограничение на коэффициент усиления системы предопределяет и ограничения на диапазон регулирования. Система автоматического регулирования с обратной связью по скорости реагирует на все возможные внешние возмущения: изменение момента на валу, напряжения питания Ua, магнитного потока Ф, сопротивления цепи. Она обладает лучшей стабильностью среди сущ ествующих систем, диапазон регулирования достигает значения Д = 2000 [ 3 ,4 ,6 ] .

На практике используются САР и с другими обратными связями: системы регулирования момента, скорости и момента, комбинированные и др. (6 , 8 ). При необходимости ограничения тока (момента) используется схема, показанная на рисунке 2.22 .

Схема содержит узел токовой отсечки, имеющий нелинейную характеристику (рис. 2 .22, а). При этом на первом участке (I, рис. 2 .22, б) сигнал обратной связи U„ = 0. При Uoc > Uon (£/„„ — опорное напряжение, оно задается) на вход системы поступает сигнал отрицательной обратной связи 1/ж. Значе

Г Л А В А 2 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д В И Г А Т Е Л Я М И П О С Т О Я И Н О Г О Т О К А 6 3

ние Uon определяется током /, с которого начинается регулирование. Этот ток называется током отсечки / отс. Таким образом на участке I система является разомкнутой ((/„. = 0 ), а при 1 > А»гс — замкнутой, ограничивает ток / и момент М.

Ток / ст при со = 0 называют током стопорения. Приведенные на рисунке 2 .2 2 , б характеристики отличаются значениями сигнала задания U3 по скорости, следовательно, й величинами соо- Точность регулирования (ограничения) тока зависит от общего коэффициента усиления системы — чем он выше, тем больше характеристика на участке II приближается к вертикали.

Рис. 2.22Замкнут ая система регулирования с нелинейной обратной связью

по току (с отсечкой по току, моменту)

1Ш1Ш1ШВ1Ш111Ши1ИУ1Ш11УиШШШН1Ш111!)и0118111НШУ11111й1««111ИН111ЙШ11№йй111Н1Х11В1Н111111Н11111ПВ1йи11Н11ВПЯ11Н81111Ш№В1)11П1111вВШП№Ш118111д1Н1111

Г Л А В А 3

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ

ДВИГАТЕЛЯМИ

3.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ,

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

Асинхронные двигатели (АД) общего назначения мощностью до 400 кВт на напряжение до 1000 В являются в настоящее время самым распространенным видом электродвигателей в промышленности и сельском хозяйстве. Это положение определяется рядом преимуществ АД по сравнению с другими типами двигателей: они более просты и надежны в эксплуатации, имеют меньшие стоимость, массу и габариты при той же мощности, хорошие пусковые и достаточно высокие энергетические характеристики (КПД от 0,7 до 0,96; cos<p от 0,7 до 0,92 в зависимости от мощности и частоты вращения).

Отечественная промышленность выпускает асинхронные короткозамкнутые двигатели общего назначения (основного исполнения) серий 4А и АИР, а также различные модификации: с повышенным пусковым моментом; с повышенным скольжением; многоскоростные; с фазным ротором; встроенным электромагнитным тормозом. Кроме того, выпускаются специализированные исполнения по условиям окружающей среды, в том числе двигатели для сельского хозяйства.

Двигатели предназначены для работы от сети переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц. Допускается эксплуатация при отклонениях напряжения от - 5 до +10% и частоты на ±2,5% номинального значения [6 ,1 1 , 24]. Оговариваются также коэффициенты несимметрии и несинусои- дал ьности [11, 22] -----

и J i wс - бр 100- k - * v /100 (3-1)k нес им “ i t 11/1/, Яцесин “ м 11/1/,

U ном ^ ном

Г Л А В А 3 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И 6 5

где U0бр — напряжение обратной последовательности; Uv — напряжение v -й гармоники.

Г [р И ЭТОМ £цесим ^ 2 % , ^несим ^ 5 % .

На выводах асинхронных двигателей допускаются большие значения коэффициентов несимметрии и несинусоидаль- ности, если нагрев двигателя при данной нагрузке не превышает допустимого.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, поршневые насосы, транспортеры и др.) при синхронных частотах вращения 1 5 0 0 ,1 0 0 0 и 750 об/мин. Двигатели с повышенным скольжением предназначены для привода механизмов с пульсирующей нагрузкой, а также механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме S3.

Многоскоростные АД служат для приводов механизмов, работающих при различных скоростях (регулирование — ступенчатое) . Выпускаются двигатели двух-, трех- и четырехскоростные, например, 5 0 0 /7 5 0 /1 0 0 0 /1 5 0 0 об/мин.

Р яс. 3.1 Э лем ент ы конст рукции

асинхронного дви гат еля: а — пакет статора; 6 — статор с частично уложенной обмоткой; а — фазный ротор; г — короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка»).

3 — 1(32


Двигатели с фазным ротором применяются для приводов с особо тяжелыми условиями пуска (центрифуги, сепараторы), а при незначительных мощностях и для регулирования скорости.

На рисунке 3.1 представлены элементы конструкции асинхронных двигателей. Короткозамкнутая обмотка («беличья клетка») чаще выполняется алюминиевой, заливкой жидким металлом пазов магнитопровода ротора вместе с короткозамы- кающими кольцами. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку с таким же числом полюсов, как и обмотка статора, выполненную изолированным проводом и соединенную в звезду. Начала обмотки выводятся на контактные кольца с наложенными на них щетками, через которые обмотка соединена с трехфазным резистором /?2Д = var.

Трехфазная якорная обмотка укладывается в пазы сердечника статора, соединяется в звезду или треугольник. Начала и концы обмотки выводятся на клеммы. Обмотка потребляет из сети ток 1\, содержащий две составляющие: намагничивающий ток /д и нагрузочный (ток ротора) /2.

Электромагнитные процессы в АД во многом сходны с процессами в трансформаторе [20 , 21 , 22], когда передача и преобразование энергии осуществляется магнитным потоком взаимоиндукции (общим для обмоток статора и ротора потоком в зазоре Ф5).

Токи статорной обмотки создают вращающееся со скоро-2 я/

стью (Оо = ------ магнитное поле В&(х, t) - #5msin(cbf - <хг), ко

торое наводит ЭДС в обмотках статора и ротора. Ток обмотки ротора создает собственное магнитное поле, в результате взаимодействия которого с полем статора и создается электромагнитный момент. Величина вторичной ЭДС Е% = при прочих равных условиях определяется скольжением

s = — ----- или частотой/ 2 = sf\. При неподвижном роторе s = 1,со

/2 = fit такой режим называется коротким замыканием.До недавнего времени (70-е гг. X X в.) АД с короткозамк

нутым ротором применялись в основном в нерегулируемых электроприводах. Однако с разработкой и массовым выпуском полностью управляемых полупроводниковых приборов —

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 67

Рис. 3 .2 Схемы включения

асинхронных двигателей:

а — схема пуска АД с КЗР с помощью магнитного пускателя; б — включение АД с КЗР с использованием системы плавного пуска; в — пуск АД ФР с помощью резисторов в цепи ротора; г — плавный пуск АД ФР с импульсным регулированием сопротивления; д — схема пуска, реверса и торможения противовключением асинхронного двигателя с КЗР.

КМ"\. КМ 1 — главный контактор

FBI I FR1 — Релеперегрузки

Q1 — система плавного пуска

&

qf£4 =£/ >

\d Г \ d W \d г \d 7 \ d 7

КМ2КМ 1 []FA

КК

SB1 КМ 1m КМ2

КМ 1

SB2

учгО-КМ 2

FA

КК

IT

[]


силовых транзисторов (iG BT и др.) и созданием компактных и надежных преобразователей частоты асинхронный регулируемый электропривод стал занимать доминирующие позиции при мощностях до 5 0 -1 0 0 кВт и более.

В настоящее время такие регулируемые приводы используются в различного рода насосных и вентиляторных установках, работающих с переменной подачей, грузоподъемных механизмах, технологических линиях пищевой и перерабатывающей промышленности и многих других.

На рисунке 3.2 представлены схемы включения асинхронных двигателей. Короткозамкнутый АД запускается прямым включением в сеть (рис. 3.2, а) или через устройство плавного пуска (УПП) (рис. 3.2, б), когда необходимо ограничить пусковые токи, динамические нагрузки в системе путем снижения начального напряжения. АД с фазным ротором пускается в ход с помощью реостатов в цепи ротора (рис. 3.2, в, г). При этом регулирование сопротивления R%д может быть ступенчатым (контакторы К 1-К З ) (рис. 3.2, в) или импульсным (плавным) (рис. 3.2, г), когда резистор шунтируется силовым управляемым полупроводниковым вентилем — тиристором или транзистором. Такое импульсное регулирование, по сути, представляет широтно-импульсный преобразователь (см. гл. 2). Частота коммутации/к = 400 + 1000 Гц.

На рисунке 3.2, д изображена схема пуска, реверса и торможения противовключением асинхронного двигателя; реверсивный магнитный пускатель включает в себя два линейных контактора КМ1 и КМ2.

3.2.СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ

И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Эквивалентные схемы замещения, являющиеся электрическим аналогом электромеханических преобразователей энергии (ЭМП), широко используются для анализа работы электрических машин. Такие схемы состоят из пассивных элементов — сопротивлений и индуктивностей, соединенных таким образом, чтобы физические процессы для машины и схемы описывались одинаковыми уравнениями.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМ И 6 9

Асинхронный двигатель, как и любой ЭМП, представляет собой систему токо- и магнитопроводов, то есть совокупность электрических и магнитных цепей. Электрические цепи — это обмотки статора и ротора, а магнитные — ферромагнитные элементы плюс воздушный зазор, по которым замыкается магнитный поток. От степени насыщения стальных участков зависят потокосцепления и индуктивности обмоток, следовательно, режим магнитной цепи (индукция В, поток Ф) во многом определяет параметры электрической цепи, и наоборот.

Активные сопротивления схемы замещения (обмотки статора — R\, и ротора — /?г) считают практически неизменными для рабочих режимов при скольжениях меньших критического (sK). При этом основной магнитный поток в зазоре Ф§ остается постоянным, Фд = const [18, 20, 21]. Следовательно, индуктивности обмоток также практически постоянные.

При расчете пусковых режимов (fy =/1), когда вытеснением тока в обмотке короткозамкнутого ротора и насыщением зубцов от потоков рассеяния пренебречь нельзя, уточняют параметры по разработанным методикам [21].

Сами величины сопротивлений и индуктивностей рассчитывают по геометрическим размерам, физическим характеристикам материалов — удельной электропроводности у и магнитной проницаемости ц [19, 20 , 21].

На рисунке 3.3 представлены: Т-образная схема замещения с приведенными к обмотке статора параметрами вторичной обмотки — Гг, хг (рис. 3.3, а), подобная схеме замещения трансформатора, то есть вращающийся ротор заменен неподвижным (эквивалентным) с соответствующими параметрами; Г-образная схема замещения с вынесенным на зажимы сети намагничивающим контуром (рис. 3.3, б, в), когда при U\ = const ток идеального холостого хода /оо = const.

Приняты следующие обозначения: U\ — первичное фазное напряжение; 1\ — фазный ток статора; r j и Х\ — активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора; /„, хм, гм — ток, индуктивное и активное сопротивления намагничи

вающего контура; = i?2 — ЭДС первичной и приведенной

„ л г£-( 1- s ) вторичнои обмоток; !------- сопротивление, в котором

70 А. П. ЕП И Ф А Н О В. ОСН ОВЫ Э Л ЕК ТРО П Р И В О Д А

Рис. 3.3Схемы замещения асинхронного двигателя:

а — Т-образная; б, в — Г -образные.

при токе /2 и неподвижном роторе выделяется мощностьп - Т Пг .ал - i f ------------- , равная механической мощности машины

Рмех = Mw, Ry = qrf, /?2 = Cj -г2'; Х 2 = cf -z2 — приведенные со

противления обмотки ротора; ct — 1+ — = 1,0 2 + 1,1; s — скользи

СОо , жение, $ = — ----- ; coo— синхронная угловая скорость (ско-0)о

2?t/iрость вращения магнитного поля), (Оо = ——; р — число пар

полюсов;/! — частота питающей сети.Расчеты характеристик АД ведутся, как правило, по схе

ме, изображенной на рисунке 3.3, б, в, поэтому в справочной литературе [23, 24, 43] приводятся параметры Х\, /?2, Х 2 (рис. 3.3, в) в относительных единицах. За базовое принимается номинальное сопротивление фазы обмотки статорау —At — г— . а относительное значение параметра, например,

1н

П* = - - = ХТ1 <и. Для асинхронных машин мощностью от не- скольких киловатт и выше значения параметров [21]:

Г Л А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И 71

а£ = 2 + 4; гм* = 0 ,0 8 + 0 ,3 5 ; Г\ а г2'* = 0,01 + 0,07 ; x f а х? = 0 ,0 8 + 0 ,2 .

На рисунке 3 .4 приведены энергетические диаграммы асинхронной машины для двигательного и генераторного режимов [20 ], которые показывают процесс преобразования энергии и сопутствующие этому потери (р^, р ш, ра, рмх).

Рис. 3.4Энергетические диаграммы асинхронной машины в режимах:

а — двигателя; б — генератора.

Уравнения напряжений для фазы статора и ротора из Т-образной схемы:

U\— —Ё\ + i\-Z\= —Ё\ + Д • Г\ + JX\ • i\; (3 .2)

£2 = Ё \ = /2 -Z z = /2 + /г • s • r2 + j x2 ' /2»

где Ех = 4 ,44 /1 • u v Фт • к^ — ЭДС фазы обмотки;

Фт= 1 -В ъ х1лп— магнитный поток на полюс; В 5 ^ (0,7 + 1,0) Тл — индук-

/ \ я-.Ация в зазоре (амплитуда); т — полюсное деление, ъ = — — ;"Р


— активная длина статора; D\ — внутренний диаметр статора; 2р — число полюсов.

Для Г-образной схемы

1'г = ci Iz'> h = Ах) - Й | оо =И +jx 1 + гн +jxu

Ua/2 = ‘ (3 -3)

Д , + ^ 1 + № + * г )2

где ш Xi, гм, жм, R\, Ri, Х\, Х% — параметры схемы замещения по рисунку 3.3, в.

Подводимая к двигателю электрическая мощность

Р\ = т\ I U\ • 1\- cos<p == л/3 ■ U ■ I • cos<p, Вт, (3.4)

где тп\ = 3 — число фаз; U, I — линейные напряжение и ток.Часть этой мощности расходуется на потери в обмотке ста

тора АРэл1, а вращающийся поток вызывает магнитные потери в стали АРре

[Д/^л, =пц Д2 -/*;[ДРРе = пц-Ig •/■„. ^3-5)

Электромагнитная мощность, передаваемая вращающимся потоком через зазор на ротор

\Р*Н =Р\ -A P Fe =!Щ Г22— ) „•j s (З.о)[Рэы =М- Шо.

Электрические потери в обмотке ротора

Д^эл2 =Щ -1^ ■ri = nvl -I l rz. (3.7)

Полная механическая мощность, развиваемая двигателем

В 4 1 1 - И = ^ / 2'2 9 1 = м -с а (3.8)s

Полезная механическая мощность на валу

Pi = Рмвх ~ АРд, (3.9)

где Ямех, АРд — механическая мощность и добавочные потери соответственно.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМ И 73

Коэффициент полезного действия

Р2 Р21]~ Р х~ Р г + '£ ьР ' (3 1 °)

Коэффициент мощности

А к Р\Г Т » <31, )

Из (3 .6 -3 .8 ) следует, что потери в обмотке ротора

АЯ,л2 = м ■ Юо - М ■ со = | • | з м ; Р м е х = (1 - I ■ U (3 .12)

Следовательно, потери в обмотке ротора пропорциональны величине скольжения и не зависят от причин его изменения.

3.3.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Механическая характеристика асинхронного двигателя — это зависимость угловой скорости от электромагнитного момента со(М) при Щ | const,/) = const, или M(s) при тех же условиях. Момент на валу М2 будет меньше электромагнитного на величину момента холостого хода М0, который обычно включают в момент сопротивления нагрузки.

М = М0 +М2,И М — ■со со

Электромагнитный момент из (3.6), (3.12)

т тЛ'12 ' —М - щ 2 2 - ____ . s . (3.14)

S-COo СОо

Подставив в (3.14) значение тока 12 с учетом I2 = cj •12, й2 =с\-<{ по схеме, показанной на рисунке 3.3, в, получим

7 4 А. II. ЕП ИФ А НО В. ОСН ОВ Ы Э Л Е К Т РО П Р И В О Д А

Видно, что при конкретном скольжении момент пропорционален квадрату напряжения и тем меньше, чем больше R\ и индуктивные сопротивления рассеяния Х\, Х2. Физически это означает: с ростом R\, Х\ увеличивается падение напряжения на них и уменьшается ЭДС Ец с увеличением х2 возрастает угол \|i2 между ЭДС Е2 и током 12, уменьшается активная составляющая вторичного тока. Отметим, что квадратичная зависимость от напряжения сохраняется только при снижении напряжения от номинального. При повышении напряжения больше чем на 10% от номинального резко возрастает намагничивающий ток из-за насыщения магнитной системы.

Исследование (3.15) на экстремум, то есть решение урав-

дает значения максимального момента Мт и соответствующего ему критического скольжения sK

где Хк = Х\ + Х2 — индуктивное сопротивление короткого замыкания; знак «+» относится к двигательному режиму работы, а « -» — к генераторному.

Из (3.16) видно, что величина максимального момента не зависит от сопротивления цепи ротора R2, а скольжение sK пропорционально величине /?2-

В нормальных асинхронных машинах R\ значительно меньше Хк (как правило, R\ составляет 10 + 15% отХк [21, 24 ,25 ]). В этом случае

<3 1 7 >

Отметим еще раз, что R\ = cj • rj здесь общее активное сопротивление фазы, включая и возможное добавочное сопротивление;^ = Ci • Х\,Х2 = cf • х2; R2 = с\-г2 — общее сопротивление фазы ротора (в двигателе с фазным ротором сюда входит и сопротивление /?2д;)•

Мпц • p-U\

(3.16)я 2s — -

ГЛАВА 3 . Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д Ы С АСИ Н ХРО Н Н Ы М И Д В И ГА Т ЕЛ Я М И 75

Значения моментов М„, и скольжений sK приводятся в справочных данных. Для двигателей различного назначения перегрузочная способность

=- = (1 ,8 + 3 ,0 ) , sK = 0 ,0 5 + 0 ,3 .

Более компактная формула момента через известные Мт, sK, R\, Rz получена из (3 .15 , 3 .1 6 ) и носит название формулы Клосса [20, 21]

м 2-M m-( l+ a -sK)

- + ^ - + 2 - a - s K <3 -18)sK s

i iгде a = s — текущее значение скольжения./»2

В машинах без добавочного сопротивления в цепи ротора г, = Гг, значит и = /?2- Поэтому (3 .1 8 ) может быть переписана в виде

М _ 2 ( l + sK]

+ - + 2 s KМт s . , o i (3 .19)SK s

По каталожным данным (Мн, М„„ sH) можно определить sK, а затем рассчитать и характеристику M(s) по (3 .1 9 ).

Если в (3 .19 ) пренебречь слагаемым 2sK в числителе и знаменателе, то получим используемую для приближенных расчетов упрощенную формулу Клосса

М 2Щт J _ + £k. (3 .20 )

*к *В режиме короткого замыкания, при s = 1, двигатель раз

вивает пусковой момент М„, представляющий важную характеристику для электроприводов

р - П Ц - U f -Г2М п = ------г/ : -; ;2 — ■-------ттп- (3 .2 1 )(Оо [(г, +ct -г2)2 +(х, + с, a*) J

При этом предполагается, что параметры схемы зам ещ ения постоянны. Для двигателей различного назначения

= (1,0+2,0) [20, 2 4 ,4 3 ].

7 6 А. П. Е П ИФ А НО В. ОСН ОВ Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

Рис. 3.5Механическая M(s) и электромеханическая I(s) характеристики АД КЗР

Рис. 3.6Механические характеристики АД

ФР при = var

Рис. 3.7Зависимости и>(М) (а) и sM(Pg) АД

КЗР (б)

ГЛ А ВА 3. Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д Ы С А СИ Н ХРОН Н Ы М И Д В И ГА Т Е Л Я М И 7 7

На рисунках 3 .5 -3 .7 представлены механическая и электромеханическая характеристики M\s), I\s) короткозамкнутого двигателя мощностью 15 кВ т (рис. 3 .5 ); механические х а рактеристики со(М) двигателя с фазным ротором (рис. 3 .6 ) и короткозамкнутым (рис. 3 .7 ). На рисунке 3 .7 , б приведены значения номинальных скольжений для короткозамкнутых двигателей различной мощности.

Характерными точками механической характеристики (рис. 3 .5 , 3 .7 ) являю тся следующие:

1. s = 0, а) = coo, М = О, Е2 = 0 , / 2 = 0 — точка идеального холостого хода;

2 .s = 1, со = О,М = Мкз = М„ — точка короткого замыкания, Мп — пусковой момент, 11=1П= (4 ,5 + 7)/„ — пусковой ток для АД с К ЗР ;

3. s = sK, М = М,„ — точка максимальных момента М,„ и скольжения sK. В режиме генератора: -М тт, - s mr;

4. s = s„,M = М„, со = соо(1 - s„) — точка номинального двигательного режима;

5. со = comjn, М = Mmin, s = smin — точка минимального момента. Значение Mmin приводится в справочниках, Мт ;„ ~ ~ (0 ,8 + 0 ,9 ) • Ма.

Минимальный момент обусловлен моментами (тормозными) от высш их гармонических намагничивающей силы, в основном 7-й гармоники. Скольжение

Smin = ! - £ = § = 0 ,857 .

Значение скольжения однозначно определяет и энергетический режим работы АД [20, 2 1 ]:

1 .0 < s < 1 ,0 < со < coo, М > 0 — двигательный режим.2 . -о о < s < 0 , со0 < со< «j, М < 0 — генераторный режим с

отдачей энергии в сеть.3 . s > 1, со< 0 , М < 0 — генераторный (тормозной) режим,

или противовключения, когда ротор и магнитное поле вращ аются в противоположных направлениях.

П р и м е р 3 .1 . Для асинхронного двигателя с фазным ротором 4 А Н К 315510У З : 1) построить естественную механическую характеристику; 2 ) рассчитать сопротивление /?гд добавочного резистора, при включении которого в цепь ротора момент при пуске будет равен максимальному; 3) определить


сопротивление Яад, при котором реостатная (искусственная) характеристика пройдет через точку s = 0,2 при М - Мн.

Паспортные данные двигателя: Рн - 75 кВт;п„ = 573 об/мин; Uu = 380 В; 2?2н = 217 В (при неподвижном и разомкнутом

Мроторе); г] = 0,9; cos<p = 0,8; Л = = МД =1,8; /2н = 221 А; sH = 0,045; як = 0,158.

Относительные сопротивления Г-образной схемы замещения: Rx = 0,036; Rz = 0,052; Хх = 0,14; Х2 = 0 ,19; Х„ = 3,5.

Р е ш е н и е . 1. Построение механической характеристики:1) коэффициент трансформации

2) коэффициент трансформации токов

3) коэффициент приведения

k = ku-ki= 1,75 • 1,4 = 2,45;

4) номинальный ток обмотки статора

/ _ Ргш _ 75 Ю 3 =158А .>l3 UH ri-cos<p V3 380 0,9 0,8

5) номинальное сопротивление двигателя

mU

6) коэффициент

2»=т 1=т11=1'3920м:its loo

С, s i + ^ . * 1 + ^ = 1,04;3,5

7) сопротивленияRi = R fZ „ = 0,036 • 1,392 = 0,052 Ом, Хх =Xi Ztt =0,14 1,392 = 0,195 Ом, Х2 = X }Z n = 0,19 1,392 = 0,264 Ом, /?2 = R&' ZH = 0,052 ■ 1,392 = 0,072 Ом; Х„ ж 4,87, Хк = 0 ,459 Ом;


8 ) критическое скольжение

* - Я£ _ 0,052 ylB f+ X * V0.0362 + 0 ,332

(по каталогу sK = 0 ,158);

9) при R21=4R?Т х 2 скольжение sK = 1. Следовательно,

приведенное Я2г = 0 ,332. Добавочное сопротивление /?2д = = Л и - R2 = 0 ,332 - 0 ,072 = 0,26 Ом.

Реальное сопротивление Я2д (неприведенное)D

Я2п = —^ - = 0 ,098 Ом — ответ на вопрос 2) в условии при- fc-cf

мера.Проверка:

Я2 _ s K _ 0 ,052 _ 0,157 _ 0 Я2г 1 0 ,0332 1

10) максимальный момент через параметры

3 -uiМт= -----------------4--------------

(R i+ jtq + X * )3-2 2 0 2 = 2271 Нм

2 • 62,8 • (0,052 + л/0,0522 + 0 ,4592 )

(по каталогу Л/т = 2251 Нм).В режиме генератора

Мт = --------------------... .......................- — = -2 759 Нм;2-62 ,8 (0 ,0 5 2 -^ 0 ,0522 + 0 ,4592 )

11) уравнение естественной механической характеристики (формула Клосса)

М =2-M m-( l+ a -s K) 2-2271 (1 + 0,109)

— + — + 2 -a -sK + 2-0,109sK s 0,157 s

Задаемся значениями скольжения и находим величину момента.

* 0 0,045 0,09 0,12 0,157 0,30 0,6 1,0

и 0 1250 1986 2198 2271 1890 985 746

8 0 А. П. ЕПИФАНО В. ОСН ОВЫ ЭЛЕК ТРОПР ИВ ОДА

2. Ответом, п. 9.3. При номинальном моменте отношение сопротивлений

роторной цепи будетse /?2 0,045 0,072 „/ n qo г»

= "ТГоТГ = r 2 1 = 0 .3 2 Ом. sa «22 0,20 R21Величина добавочного сопротивления

Ягд = X h - R 2 = 0 ,3 2 -0 ,0 7 2 = 0,248 Ом.Яад _ 0,248

к Щ 2 ,451 ,08щ д = = 0,094 Ом.


АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при работе от сети U = const,/= const является двигателем практически постоянной скорости, поэтому в большинстве нерегулируемых приводов мощностью до 200-400 кВт используются именно такие двигатели.

Начиная с 80-х гг. X X в. в связи с массовым выпуском полностью управляемых силовых полупроводниковых при- боров-транзисторов (iGBT, MOSFET и др.) [16, 38, 39, 40] и на их базе преобразователей частоты (ПЧ), асинхронный привод по схеме ПЧ-АД стал наиболее широко используемым регулируемым электроприводом.

Скорость асинхронного двигателя

to = (1 - s ) -й)о = а)о- s • (Оо = Шо - Да>, (3.22)

гяе 2я-/ где (1)0 = -----—Р

— синхронная скорость; Дсо — изменение (падение) скорости вследствие действия нагрузки. Величина Да) определяет жесткость механической характеристики

р =Ш . (см. п. 1.4).До) ' . 1

Из (3.22) видно, что путей регулирования скорости всего два: 1) о>о = var; 2) Да) = var при а)о = const, что означает изменение скольжения или жесткости характеристики а)(М).

Г Л А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И 8 1

Сразу отметим, что электрические потери в цепи ротора ДРэл2 = sP3M = М ■ Дю ~ s • Р\ (см. п. 3 .2) при прочих равных у словиях пропорциональны величине скольжения, поэтому способы регулирования скорости изменением жесткости характеристики а>(М) по определению являются неэкономичными с точки зрения потерь энергии.

3 .4 .1 .РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЕМ ЖЕСТКОСТИ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Изменение величины Дсо, то есть переход на искусственные характеристики, может быть достигнут регулированием приложенного напряжения U\ = var при/) = const и введением добавочного активного сопротивления /?2д в цепь ротора (только фазного).

Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал управления, и в этом его преимущество перед короткозамкнутым. Искусственные реостатные характеристики (рис. 3.8) получают включением регулируемого сопротивления в цепь ротора.

В зависимости от способа регулирования величины сопротивления — ступенчато или плавно, зависит и плавность регулирования скорости, а само регулирование осущ ествляется вниз от основной скорости (однозонное регулирование) (см. п. 1 .5).

Рис. 3.8Регулирование координат АД ФР с помощью резисторов в цепи ротора:

а — схема; б — механические характеристики.

82 А. П. ЕП И Ф А Н О В. ОСН ОВЫ Э Л Е К ТРО П Р И В О Д А

Диапазон регулированияд = “ ш!« = (1 ,5 + 2 )

®minограничен уменьшением жесткости характеристик to(М) , следовательно, и снижением стабильности регулирования (или точности), определяемой как изменение скорости Дш при изменении момента на валу.

При одном и том же моменте АД для естественной и искусственной характеристик справедливы соотношения [11,20,25]

Зки _ Su _ г2 + Д2д . Дзд _ 5И *ке Pi ’ Ч Se

■4, (3.23)

где s„, se — текущие значения скольжения для искусственной и естественной характеристик.

По (3.23) можно рассчитать величину добавочного сопротивления /?2д для получения нужных искусственных характеристик.

При увеличении скольжения возрастают и потери в цепи ротора, АРэдг = * • Р\- Например, при снижении скорости в два раза потери во вторичной цепи составляют приблизительно 50% от потребляемой мощности, не считая потерь в статоре.

Следовательно, по всем основным показателям и, главное, по потерям энергии этот способ регулирования является неэффективным. Однако из-за простоты реализации применяется в приводах небольшой мощности.

Регулирование напряжения вниз от номинального возможно осуществить введением сопротивления (активного или реактивного) в цепь статора; использованием автотрансформатора; включением двигателя через тиристорный регулятор напряжения (ТРН) (рис. 3.9).

При включении сопротивления в цепь статора напряжение на зажимах двигателя зависит от тока статорной обмоткии, кроме того, потери Z2 • R делают этот способ неэффективным. Использование автотрансформатора требует больших капитальных затрат, процесс регулирования сложно автоматизировать, надежность системы привода снижается.

На практике применяются тиристорные регуляторы напряжения (рис. 3 .9), когда, управляя углом включения тиристоров, можно плавно изменять действующее значение напря-

ГЛАВА 3. ЭЛЕК ТРО П РИ ВО Д Ы С АСИНХРОННЫМИ Д ВИГА ТЕЛ ЯМ И 83

'U с

Рис. 3 .10 Схема CAP скорости

по системе ТРИ-АД (а), механические характеристи

ки (б) и зависимость коэффициента мощности

и costp от скороспш при Мс = Мн (в)

1,0

0,8

0,6

0 ,4

0,2

со

------

------

------

-----

«В-

V

/л .

<//

f /

0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8

жения. На рисунке 3 .10 приведена схема замкнутой системы автоматического регулирования (САР) скорости Т Р Н -А Д и механические характеристики АД при U = var. При этом максимальный момент при пониженном напряжении уменьшается пропорционально квадрату напряжения


М =М1ГЛгпн iV*nЖ

(3.24)

где Мт„ — максимальный момент на искусственной характеристике (пониженное напряжение U); Мт — при номинальном напряжении UH.

Критическое скольжение sK при этом остается неизменным, а регулирование скорости происходит за счет уменьшения жесткости (увеличения скольжения). Изменение скорости осуществляется бесступенчато. Из приведенных на рисунке 3.10, б характеристик видно, что пределы регулирования весьма ограничены даже при вентиляторном характере нагрузки, когда момент сопротивления Мс = ш2. Допустимый момент Л/доп ограничен и потерями в цепи ротора АРэл2 = s ■ Р\, следовательно, с ростом диапазона регулирования КПД привода снижается.

В тепловом отношении необходимо, чтобы потери в роторе на искусственных характеристиках не превышали потери в номинальном режиме, с учетом ухудшения теплоотдачи с понижением скорости, то есть

ЛРэл2 < АРэл2„. (3 .2 5 )

Следует отметить, что с ростом угла управления снижается коэффициент мощности системы Т Р Н -А Д X (рис. 3.10, в), cos Удд, увеличивается потребляемая реактивная мощность, растут потери от высших гармонических тока и напряжения.

Допустимый по нагреву момент двигателя при продолжительном режиме работы будет [ 11]

п я * SH

яоп.1 Ми ^ k ^ -s ' (3 -2 6 >

где s — рабочее скольжение; /сп2 — коэффициент увеличения потерь в цепи ротора от высших гармонических, /сп2 = 1,1.

В таблице 3.1 приведены значения Л/доп в зависимости от скольжения (илио)/сон) [ 11].

Из (3 .26 ), данных рисунка 3 .10, б и таблицы 3.1 следует, что регулирование скорости АД в системе Т Р Н -А Д при Мс = const невозможно из-за резкого снижения максимального момента и роста потерь.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 8 5

Т а б л и ц а 3.1Зави си м ость Afjon от s и ш/со„

ю/ю. 1 0,937 0,833 0,625 0,416 0,208

* 0,04 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80

М*/ндоп 1 0,36 0,182 0,091 0,06 0,045

На практике такие приводы используются для регулирования скорости в небольш их пределах маломощ ных вентиляторов в систем ах обеспечения микроклимата птицеферм, хранилищ.

3.4.2.Р Е Г У Л И Р О В А Н И Е СК О РО СТИ

П Е Р Е К Л Ю Ч Е Н И Е М ЧИ СЛА П А Р П О Л Ю СО В

Из выражения для угловой скорости асинхронного двигателя А г

«Sfito : Й в й )Р

следует, что синхронную скорость А Д можно регулировать изменением числа пар полюсов при заданной частоте f\ и незначительно изменяющемся скольжении s. Такое регулирование является ступенчатым, так как число пар полюсов может быть только целым. Реализуется такой способ регулирования в АД с короткозамкнутым ротором, когда при изменении числа полюсов статора короткозамкнутая обмотка автоматически приспосабливается к любому числу полюсов. Изменение числа пар полюсов достигается:

1) переключением числа пар полюсов одной обмотки, уложенной на статоре (см. рис. 3 .1 1 , а ) ;

2 ) выполнением на статоре двух независимых обмоток;3 ) выполнением двух независимых обмоток, каждая из

которых с переключением полюсов (или одна из двух).Минимальная синхронная частота вращения выпускае

мых многоскоростных двигателей равна 5 0 0 об/м ин, а максимальная — 3 0 0 0 об/м ин при 2р = 2. Диапазон регулирования

f скорости не превышает 6:1 (3 0 0 0 :5 0 0 об/м и н ). Направление регулирования (вверх или вниз от основной скорости) зависит от того, при каком числе полюсов скорость АД принята номинальной.


Рис. 3.11Схемы включения полуобмоток для изменения числа полюсов с соотношением 2:1 (а) и механические характеристики АД

при регулировании с М = const (б) и Р = const (в)

Регулирование (теоретически) возможно при М = const и j при Р = М ■ О) = const (рис. 3 .11 , б, б). Реально получить такие характеристики сложно, можно говорить о некотором приближении к ним. Например, двигатель 4А 160 S 4/2 УЗ является двухскоростным (П] = 1500 и 3 0 0 0 об/мин), мощности Р2 = 11 и 14 к В т соответственно, то есть ближе к Р - const. Двигатель 4А 2 0 0 L 12/8/6/4 УЗ — четырехскоростной (5 0 0 ,7 5 0 ,1 0 0 0 и 1500 об/мин), соответствую щ ие мощности Р2 - 6 ; 10 ; 10 ,5 ;15 кВт, ближе к М = const.

Такой способ регулирования экономичен, характеристики имеют высокую ж есткость. Однако машина услож няется конструктивно, использование активных материалов неодинаково на разных скоростях (по индукции в зазоре Вь и ли нейной токовой нагрузке А ).


Двигатели с переключением полюсов находят достаточно широкое применение там, где не требуется плавного регулирования скорости: некоторые металлорежущие станки, вентиляторы, насосы, цементная и нефтегазовая отрасли, пищевая и перерабатывающая, сельскохозяйственная техника.

Частотный способ регулирования скорости обладает теми же преимуществами, что и регулирование двигателей постоянного тока изменением подведенного к обмотке якоря напряжения. Это касается, в первую очередь, экономичности, диапазона регулирования, плавности и точности при высокой жесткости искусственных механических характеристик. Одновременно с регулированием решается и проблема пуска в приводах с большими моментами инерции и работающих в повторно-кратковременных режимах. Возможность регулирования скорости АД изменением частоты вытекает из выражения синхронной скорости

Уравнения равновесия напряжений при U = var, /t =var

3.5.ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

УГЛОВОЙ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

(см. рис. 3.3) [1 0 ,1 1 ,2 0 ]

tгде ос = -------- относительная частота, у =

Лнное значение напряжения.

Значение магнитного потока из (3.27)

8 8 А. П. Е П И Ф А Н О В. О С Н О ВЫ Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

Из (3 .28) видно, что магнитный поток определяется отно

шением у- и нагрузкой (током 1\). При этом величина Х{ ■ 1\ от частоты не зависит, а влияние падения напряжения на ак-

через ЭДС Е2 = 4 ,44 • w2 ■ Ф§ • к2о&-, Щ — угол сдвига между ЭДС Е2 и током 12.

Момент двигателя при неизменных параметрах определяется потоком в зазоре. Следовательно, для поддержания, например, постоянства момента необходимо иметь Ф§ = const, I2 = const, cos\|/2 = const. Такие соотношения могут быть получены только при Ф§ = const и /2 = const, или, вводя параметр

/,абсолютного скольжения, p = -i=- = const. Очевидно, что при

f i Низменении потока Ф§ и М = const изменится ток 12, скольжение Р, cos\j/2. Подтверждением сказанного служит регулирование скорости АД в системе ТРИ — АД (см. рис. 3 .9 , 3 .1 0 ), когда при / t = const снижение напряжения означает уменьшение магнитного потока.

В 1925 г. М. П. Костенко сформулировал основной закон регулирования [20 ], который записывается следующим образом:

где Мф Мс/с — моменты нагрузки при скоростях двигателя, соответствующих частотам/*,/k при фазных напряжениях £/,, [4 .

Соотношение (3 .30) получено при допущении r t = 0 и постоянстве перегрузочной способности двигателя. В этом слу-

Uчае поток в зазоре определяется только отношением -т , то есть

тивном сопротивлении (член --1\) усиливается с уменьше

нием частоты и при а —» 0 , величина —-1\ —>°°.а

Момент асинхронного двигателя [2 0 ,2 1 ]

М = Ст ■ Ф5 • / 2 • COSV2, (3 .29)

(3 .30)

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 89

не учитывается влияние нагрузки (слагаемое • 1\ и падение напряжения / t • r t). Из (3 .30) получены частные законы из-

Uменения — при различных механических характеристиках

производственных механизмов.При постоянном моменте нагрузки Мс = const

— = const.

Для вентиляторного характера нагрузки, Мс = ш2

U/2

■=const.

(3 .3 1 )

(3 .3 2 )

Здесь следует отметить, что зависимость (3 .3 2 ) относится к вентилятору (насосу), работающему на постоянное аэродинамическое (гидравлическое) сопротивление. При этом напор пропорционален второй степени скорости, а расход — первой степени, мощность — третьей степени скорости, Р = со3. Многие приводы насосов работают по замкнутой схеме со стабилизацией напора при переменном расходе. В этом случае

М = const и закон регулирования по (3 .3 1 ) , то есть у - = const.

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном ск орости ж г

- = = const. (3 .3 3 )

В таблице 3.2 приведены правила частотного регулирования по (3.30) для различных типов нагрузки.

Т а б л и ц а 3.2Правила частотного регулирования

тъ

Параметры ММ.

ии»

рРн

фф

/г»

Постоянная мощность

М = М&-к

1const I ] я

Постоянный момент М = Мы = const const /

к/ const const

Вентиляционный закон

|ш §§ в //и

//а

90 А П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

б U,

0 ,5

I fflj “ 1

(0, - 0 ,7 5 b1<D, - 0 ,5 ; '------«

(0, = 0 ,2 5

?0 ,5 L 1 ,5 2 M *

CD, = 1

0 ,75

ш, =j 0 ,5

<0, - I 0 ,25 I

0 ,5 1 1 ,5 2 M *

Рис. 3 .(2М еханические характеристики АД

при частотном регулировании:а — у - = const; б, в — при const и с

/ х /?- компенсацией.

В аж н о отметить, что доп ущ ение Г\ = 0 м ало ск а зы в а ет ся при вы соки х частотах, б л и зки х к ном инальны м , но при н и зки х частотах р езко сн и ж ается значение м акси м альн ого м омента (рис. 3 .1 2 , а ) [4 , 5 ] .

П ричина этого зак л ю ч ается в ум ен ьш ен и и магнитного

потока при -^ - = co n st и з-за вли ян и я слагаем ого (3 .2 8 ) .

Д ля поддерж ания Мт = co n st при пониж ении частоты напряж ен и е следует ум еньш ать в меньш ей мере, чем по соотнош ению (3 .3 1 ) (рис. 3 .1 2 , б) зави си м ость U .

Современные преобразователи частоты (П Ч ), оборудованные м икропроцессорами [ 3 9 , 4 0 ] , вы п ол н яю тся с учетом этого влияния, то есть с/ х/ ?-ком п ен сац и ей . На рис. 3 .1 2 , в представлен ы характеристики M (f), P (f) асинхронного дви гателя при пропорциональном уп равлении и с / х /?-компенсацией. При частотах от 0 до /н скор ость, н апряж ен и е и мощ ность и зм ен яю тся по линейном у зако н у при М = con st, а п ри />/н напряж ение U = con st, то есть наблю дается реж им ослабленного поля. На этом участке м аксим альны й момент пропорционален 1//.

Частотное управление асинхронными двигателями нашло ш ирокое применение в приводах с изм еняю щ ей ся нагруз-

ГЛ А ВА 3 . Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д Ы С АСИ Н ХРОН Н Ы М И Д В И ГА Т ЕЛ Я М И 91

кой — насосы и вентиляторы с переменным расходом, транспортеры, грузоподъемные механизмы и лифты, бесступенчатые коробки передач в металлорежущ их станках, в технологических линиях пищ евой и перерабатывающей промыш ленности и др. Такой привод является мощным энерго- и ресурсосберегающим средством. На рисунке 3 .13 , я представлена схема насосного агрегата при стабилизации давления (напора) и переменном расходе. На рисунке 3 .13 , б показаны характеристики насоса при различных скоростях со< > (Ог > соз (кривые Г , 2 ', 3') и сопротивлениях системы (кривые 1 ,2 ,3 ).

Закрыта Напорная Открыта

Рис. 3 .13Схема насосного агрегата при стабилизации напора (Н = const) uQ = var

(замкнутая система) (а); характеристики насоса при различных скоростях (б); зависимости потребляемой приводом мощности

при различных способах регулирования расхода (в)

92 А. II. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

Если расход изменяется от QA до Qg и Qc, то рабочая точка H-Q при регулировании скорости перемещается по искусственным характеристикам насоса из А в С, сохранив постоянный напор Н3. При регулировании расхода дросселированием скорость со = о>1 = const, рабочая точка перемещается по характеристике Г насоса в С". В этом случае излишки напора ДН = Н'с ~Нз, а потерянная гидравлическая мощность насоса ДР = ДН ■ Q. Очевидно, что экономичность подобного регулируемого привода будет возрастать с увеличением неравномерности расхода. На рисунке 3.13, в приведены зависимости потребляемой приводом насоса мощности от относительного расхода при регулировании дросселированием (со = const) и при стабилизации напора путем регулирования угловой скорости электродвигателя (рис. 3.13, а, б). Если учесть, что в реальных системах водоснабжения, очистных сооружениях, теплоснабжении расход колеблется в пределах (0,2 + 1,0 ) • (?ном в течение суток, то эффективность замкнутых систем регулирования очевидна.

Кроме экономии электроэнергии, сберегается ресурс двигателя и насоса из-за снижения скорости, сокращаются потери воды в трубопроводах.

Компенсация падения напряжения на активных сопротивлениях обмотки статора устраняет снижение главного потока с понижением частоты (I ■ /?-компенсация), но не устраняет снижение потока с ростом нагрузки из-за падения напряжения на индуктивных сопротивлениях (слагаемое в (3 .28)). Поэтому на практике используются и другие законы управления, например, управление при постоянстве главного потокосцепления, то есть с компенсацией падения напряжения 2n-f\- La\ • /j. В этом случае ЭДС фазных обмоток будут постоянными, независимо от нагрузки (тока 1\). При таком управлении основной поток двигателя становится несколько

больше, чем при —т = const и с /х Я-компенсацией, остается

постоянным при всех частотах и моментах нагрузки. При таком управлении возрастает перегрузочная способность двигателя за счет увеличения максимального момента при s a sK,

Н'а само скольжение будет sK - —у- вместо (3 .17), напряжениех 2

Г Л А В А 3 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И 93

увеличивается на величину j-I\-x^ , характеристики становятся более жесткими, повышаются энергетические показатели.

Возможности современных ПЧ позволяют, кроме сказанного выше, поддерживать постоянство полного потокосцеп- ления ротора, независимо от частоты и нагрузки. При этом обеспечивается компенсация падения напряжения на полном сопротивлении обмотки статора (r\ + jx\) и индуктивном ротора, поддерживается постоянство угла \|/г = const (например, \у2 = V2hom) • В этом случае перегрузочная способность двигателя неограниченна (теоретически) и достигается путем регулирования напряжения. Практически ограничение момента обусловлено насыщением магнитной системы и тепловым состоянием двигателя.

3 6П РЕО БРА ЗО ВА ТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Для осуществления частотного способа регулирования скорости АД необходимо иметь преобразователь частоты ( П Ч ), на выходе которого по требуемому закону могут изменяться как частота, так и напряжение.

Преобразователи частоты по типу связи с питающей сетью делятся на непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. В современных приводах применяются в основном

IGBT-Дроссель Выпрямитель преобразователь Датчики

Рис. 3 .14Структурная схема частотно-регулируемого асинхронного привода

с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АИН)


преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (см. рис. 3 .14 ), основными звеньями которого являются выпрямитель, фильтр звена постоянного тока и автономный инвертор. Напомним, что инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой частоты.

По типу инвертора преобразователи подразделяются на два класса: с автономным инвертором напряжения (АИН) и с автономным инвертором тока (АИТ).

ПЧ с АИН обеспечивает заданную форму выходного напряжения, а ПЧ с АИТ — заданную форму выходного тока независимо от параметров нагрузки. При этом форма тока в ПЧ с АИН и напряжения в ПЧ с АИТ определяется как самим выходным сигналом, так и параметрами (характером) нагрузки.а

Рис. 3 .15Форма кривых напряжения, ЭДС и тока в фазах обмотки статора-

асинхронного двигателя:а — при питании от тиристорного преобразователя частоты; б — при питании от ПЧ е широтно-импульсным регулированием напряжения.


Наибольшее применение в регулируемых асинхронных электроприводах получили преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения (см. рис. 3 .14).

ПЧ получает питание от трехфазной сети переменного тока, напряжение через дроссель подается на вход выпрямителя. Дроссель служит для защиты ПЧ от кратковременных скачков напряжения. В ПЧ мощностью до 2 кВт питание возможно и от однофазной сети.

Выпрямитель может быть как управляемым, так и неуправляемым (см. п. 2 .5). Если амплитуда выходного переменного напряжения регулируется в звене постоянного тока, то выпрямитель — управляемый (У В ). В этом случае ПЧ называют ПЧс амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), формы кривых U\(t), ii(t) представлены на рисунке3.15, а.

В случае неуправляемого выпрямителя (Н У В) регулирование выходного напряжения осуществляется в звене переменного тока широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (рис. 3.15, б). При этом частота импульсов, промодулирован- ных на полупериоде основной частоты по синусоидальному закону, достигает (4 + 16) кГц. Современные силовые транзисторы типа iG BT, на которых выполняются инверторы, могут работать при частотах до 50 кГц [1 3 ,1 6 ,4 0 ]. Большинство современных ПЧ строятся по схеме: НУВ — АНН с ШИМ. Принцип работы АИН поясняется изображенной на рисунке 3.16, а условной схемой однофазного инвертора напряжения, работающего на активно-индуктивную нагрузку.

Вентили V I - V 4 включаются и выключаются попарно (V 1 -V 3 и V 2 -V 4 ) по управляющим сигналам, работают в ключевом режиме (открыт-закрыт). Следовательно, источник постоянного напряжения Е подключается к нагрузке с разной полярностью (см. рис. 3.16, а), формируя переменное напряжение прямоугольной формы (рис. 3.16, в). Кривая тока при этом будет состоять из отрезков экспонент. При коммутации вентилей ток в индуктивности не может измениться мгновенно и замыкается через обратные диоды V D 1-V D 4 до значения i„ = 0. Затем вступает в работу очередная пара транзисторов и ток потребляется от источника. Выход выпрямителя (источник) шунтируется конденсатором Со, который будет заряжаться, когда ток протекает от инвертора к источнику,


Рис. 3.16Условные схемы однофазных инверторов напряжения (а) и тока■ (6)

и их диаграммы токов и напряжений (в, г) соответственно (id ~ ток, потребляемый ив сети)

и разряжаться, когда ток потребляется от источника. Емкость этого конденсатора зависит от частоты переключения вентилей. В ПЧ на тиристорах (по схеме, показаной на рис. 3 .1 6 ) при частотах до (1 0 0 + 3 0 0 ) Гц величина емкости составляла до 5 0 0 мкФ и занимала значительное место по объему, массе и стоимости. В ПЧ на транзисторах при несущей частоте до16 кГц (см. рис. 3 .1 4 ) величина емкости невелика (1 0 мкФ).

Таким образом, основная особенность АИ Н состоит в том, что независимость напряжения на нагрузке от ее характера достигается введением в схему обратных диодов V D 1-V D 4, предназначенных для пропускания индуктивного тока нагрузки (рис. 3 .1 6 ) , и включением параллельно источнику конденсатора Со, на который этот ток замыкается.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С А СИ НХРОН НЫ М И Д В И Г А Т Е Л Я М И 97

Автономные инверторы тока (А И Т ) обладаю т св о й ств ам и источника тока, для чего на вы ходе вы прямителя у ст а н а в л и вается дроссель с больш ой индуктивностью (р и с. 3 .1 6 , б). П ри этом ток на вы ходе имеет прямоугольную ф орм у, а н ап р я ж ение определяется характером нагрузки (р и с. 3 .1 6 , г).

На рисунке 3 .1 7 изображ ены усл овн ая сх е м а м о стового трехфазного инвертора (а.) и диаграммы ф азн ы х и л и н ей н ы х напряжений (б, в) при у гл ах проводимости вентилей X = 1 8 0 ° (б) и X = 1 2 0 ° (в ). При этом в каж ды й момент врем ени о к а зы ваются включенными три вентиля из ш ести и за врем я п ер и о да имеется ш есть различны х сочетаний откры ты х и зак р ы ты х состояний (рис. 3 .1 7 , б, в). В каж дом из эти х и нтервалов н а напряжение источника вклю чаю тся все три ф азы : две п ар ал лельно + одна последовательно (см . ри с. 3 .1 8 ) .

а+о-

\7 3'3J l sJ l

V 4\7

‘O - iРис. 3.17

Условная схема мостового трехфазного инвертора (а)

и диаграммы выводных напряжений

при углах проводимости вентилей 180° (б) и 120° (в)

if I юI I

&

тН I СМI I I<0 | тНI I I

1 ч

СМ I 1 1

н I

соI

см

ч*1

СО

ю1

ч* 5-6

t- fi

-l см

1

* ' ^

со1

см

* ч\

4S*

> ✓ i)Е*Л -

'Ч

S

у

Vч

V Vч

ч

Ч И4 — 1832

98

Характеристики высоковольтиьи

А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТРОПРИВОДА

Модель

Предельные условия эксплуатации Электричеет

а

а*<

Р, В

т

при Тагр,х= 25°С

е

ё

Sа

- е

sн

Я35

12

Высоковольтные IGBT модули на 1700 В

CM600DY-34H 1700 600 6200 2,75 3,58 70

CM600E2Y-34H 1700 600 6200 2,75 3,58 70

CM800DZ-34H 1700 800 5000 2,8 3,64 72

СМ800НА-34Н 1700 800 8300 2,75 3,58 93

СМ1200НА-34Н 1700 1200 12 500 2,75 3,58 140


CM400DY-50H 2500 400 3400 3,2 4,16 40

СМ800НА-50Н 2500 800 6900 3,2 4,16 80

СМ800НВ-50Н 2500 800 10400 2,8 3,64 120

СМ1200НА-50Н 2500 1200 10400 3,2 4,16 120

СМ1200НВ-50Н 2500 1200 15 600 2,8 3,64 180


CM400DY-66H 3300 400 3400 4,4 5,72 40

CM800E2Z-66H 3300 800 10400 3,8 4,94 120

СМ800НА-66Н 3300 800 6900 4,4 5,72 80

СМ800НВ-66Н 3300 800 10400 3,8 4,94 120

СМ1200НА-66Н 3300 1200 10400 4,4 5,72 120

СМ1200НВ-66Н 3300 1200 15 600 3,8 4,94 180

СМ1200НС-66Н 3300 1200 12 500 3,3 4,29 180

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 9 9

Т а б л и ц а 3.3I шовых транзисторов

I рактеристики Параметры диода

е

ЛgО

SEd

©

=L \о , эо5ояа

Максимальное время переключения

а

5?оS

533

SB1

ь

к \о |

5* вСО 5

в)

н *?|

I SX и CQ а

о

5 2

* “ к а

95т— о £ ^

— ° 2 5 я -5 sМ. ®

s 5 я —

В =-е Я2 3= н 2 х (• =z s а

10 3 ,8 1 ,2 1 ,5 2 0 ,6 2 ,4 10 0 2

10 3 ,8 1 ,2 1 ,5 2 0 ,6 2 ,4 10 0 2

9 3 ,6 1 ,6 2 2 ,7 0 ,8 2 ,6 1 5 0 2 ,7

1 3 ,3 5 ,1 1 ,2 1 ,5 2 0 ,6 2 ,4 1 3 5 2

2 0 7 ,6 1 ,2 1 ,5 2 0 ,6 2 ,4 2 0 0 2

4 ,4 1 ,3 1 2 2 1 2 ,9 8 5 1,2

8 3 2 ,7 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,9 1 7 0 1 ,2

13 ,2 4 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,5 2 3 0 1 ,2

1 3 ,2 4 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,9 2 5 0 1 ,2

1 9 ,8 6 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,5 3 5 0 1,2

4 1 ,2 1 2 2 1 3 ,3 1 0 0 1 ,2

12 3 ,6 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,8 2 7 0 1,4

2 ,4 3 ,8 1 ,6 2 2 ,5 1 3 ,3 2 0 0 1 ,2

12 3 ,6 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,8 2 7 0 1,4

12 3 ,6 1 ,6 2 2 ,5 1 3 ,3 3 0 0 1,2

18 5 ,4 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,8 4 0 0 1 ,4

18 5 ,4 1 ,6 2 2 ,5 1 2 ,8 4 0 0 1,4

100 А. П. ЕПИФАНОВ. ОСН ОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

a Z.f - C Z H Zb z A г О п r - d b Zc

z c o r — ' О z c Z„ o ' ------

. Еа j v 2 Еа 1 1 < 2 £ 0 i Ео 1 1 <L Е0 ЬL 2Е0

Рис. 3 .18Схемы соединения фаз нагрузки (ZA, ZH, Zc)

для трех интервалов времени за один полупериод

Рис. 3 .19Схема силовых цепей, системы привода ПЧ-АД сАИН

и широтно-импульснымрегулированием

Очевидно, что при прямоугольно-ступенчатой форме напряжения кривые токов далеки от синусоиды (см. рис. 3.15, а), что вызывает в АД дополнительные потери и тормозные моменты. При этом КПДдвигателей может снижаться на (2 + 5 )% по сравнению с питанием от источника синусоидального напряжения [33].

Широтно-импульсная модуляция позволяет получить практически синусоидальную форму тока (см. рис. 3 .15, б) и незначительное увеличение потерь.

Г Л АВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ Д В И ГА ТЕЛ ЯМ И 101

В общем случае питание от ПЧ привносит следующие явления.

1. Дополнительные потери, снижение КПД.2. Электромагнитная совместимость.3. Ухудшение условий работы изоляции двигателя.Электромагнитная совместимость узлов установки и всей

системы (уровень помех, шумы, помехоустойчивость) достигается выполнением требований к монтажу: сетевые фильтры, экранированные провода, заземления.

При работе АД от ПЧ требования к изоляции двигателя повышаются до 2 МОм. Это связано с диэлектрическими потерями при высокой частоте напряжения и крутых фронтах, перенапряжениями на зажимах статора вследствие волновых

Т а б л и ц а 3.4 Характеристики преобразователей частоты фирмы SEW

ПоказательМощность двигателя

1,1 кВт | 2,2 кВт 4,0 кВт 5,5 кВт 15 кВт 30 кВт I

В х о д

Напряжение сети, Uc Трехфазная сеть 3 х 380 В

Частота сети,/. 50/60 Гц

Номинальный ток сети, /с j 2,8 А 5,0 А 8,6 А 11,3 А 28,8 А 54 А I

В ы х о д

Выходноенапряжение 3 x 0 + 380 В, — = const с / х Я-компенсацией

Выходная частота 0 + 400 Гц 1Выходной ток, /„ 3,1 А 1 5,5 А 9,5 А 12,5 А 32 А 60 А 1Частота ШИМ 4/8/12/16 кГцРазрешение по частоте 0,005 Гц 1Потери мощности при /„ 58 Вт | 97 Вт 155 Вт 220 Вт 550 Вт 950 Вт 1Ограничение тока 125% /н в продол»кительном режиме, 150% и До 60 с!Время пуска 0 + 999 г.Масса 2,0 кг | 2,5 кг j 2,5 кг | 5 кг | 15 кг ПЧ


процессов (из-за крутизны фронтов). Поэтому длина кабелей должна быть минимальной и по существующим оценкам [15, 39] не должна превышать 15 м.

Используемые в отечественной промышленности и сельском хозяйстве ПЧ являются, как правило, импортными, или собраны в РФ на импортной элементной базе (транзисторах). На рисунке 3.19 представлена принципиальная схема ПЧ со звеном постоянного тока, с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения. Поставками частотно-регулируемых приводов, их адаптацией и сервисным обслуживанием занимаются фирмы: A BB, SE W , HITACHI, SIEM E N S, DAN F O SS и др.

В таблицах 3.3 (с. 9 8 -9 9 ) и 3.4 приведены некоторые технические данные современных высоковольтных модулей IG BT и преобразователей частоты фирмы SE W .

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ

ДВИГАТЕЛЕЙ

1111М1111111111111111№111111Ш1НН

Г Л А В А 4

4.1.ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

С СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Синхронные двигатели (СД) нашли широкое распространение в нерегулируемых электроприводах мощных центробежных и поршневых насосов и компрессоров, вентиляторов, газо- и воздуходувок, мельниц, дробилок и др. благодаря высоким технико-экономическим показателям.

1. СД позволяют регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения и могут работать при coscp = 1, что приводит к снижению потерь в самой машине и линиях электроснабжения. На практике приводы большой мощности работают, как правило, с опережающим coscp = (0,8 * 0,9), отдают в сеть реактивную мощность, улучшая режим ее работы.

2. КПД современных синхронных двигателей составляет0,90 + 0,98, что выше, чем у асинхронных двигателей тех же габаритов, из-за отсутствия потерь скольжения ( А р * • Рэ» У АД).

3. Момент СД зависит от напряжения в первой степени (у асинхронного М Щ V2), поэтому он менее чувствителен к колебаниям напряжения сети.

4. Максимальный момент, следовательно, и перегрузочную способность СД можно регулировать изменением тока возбуждения (основной ЭДС£<))-

5. Абсолютно жесткая механическая характеристика, возможность изготовления двигателей на очень большие мощности (до 100 МВт) при низких частотах вращения (до 125 об/мин).

Практика показывает, что при нечастых пусках синхронные двигатели экономически выгодны по сравнению с асинхронными при мощностях Р 200 кВт, несмотря на большую стоимость.

104 А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТРОПРИВОДА

Разработка и массовый выпуск недорогих высокоэнерге- тичных постоянных магнитов N d -F e -B позволили строить синхронные двигатели без обмотки возбуждения (магнитоэлектрические машины), что дает еще большие преимущества с точки зрения экономичности, надежности и управляемости.

4 .1 .1 .КОНСТРУКЦИЯ, СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Конструктивно синхронные машины с электромагнитным возбуждением выполняются двух типов: с явнополю сным ротором (рис. 4 .1 ) и с неявнополюсным (полнополюсным) (рис. 4 .2 ) [2 2 ,2 6 ] . Обмотка возбуждения располагается на роторе и питается постоянным током через щетки и кольца. Двигатели выполняются, как правило, явнополюсными при частотах вращения п < 1500 об/мин и полнополюсными при п = 1500 об/мин и 3000 об/мин.

Двигатели с постоянными магнитами могут быть и дисковой конструкции (рис. 4 .3 ), используются в специальных приводах, когда необходимо сократить аксиальные размеры машины при некотором увеличении момента инерции.

Устройство синхронной машины с явнополюсным ротором :

1 — якорь (статор); 2 — обмотка якоря; 3 — полюс индуктора (ротора); 4 — обмотка возбуждения; 5 — ярмо индуктора; 6 — вал.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ ДВИГАТЕЛЕЙ 1 0 5

Рис. 4 .2 ° °Устройство синхронной машины с неявнополюсным

(полнополюсным) ротором:I — якорь; 2 — обмотка якоря; 3 — зубцы ротора (индуктора); 4 — обмотка позбужде- ния; 5 — ярмо индуктора; 6 — вал.

Р ис. 4 .3Устройство синхронной машины цилиндрического типа:

I — якорь; 2, 3 — зубцы (полю са) якоря; 4 — катушка обмотки якоря; 5, 6 — полюса ротора (постоянные магниты); 7 — подшипник; 8 — корпус.

Известно, что синхронный двигатель сам по себе при питании от сети не имеет пускового момента. На практике в большинстве случаев используется асинхронный пуск СД. Для этого на роторе двигателя заклады вается дополнительная

1 0 6 А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Рис. 4.4Демпферные (пусковые) обмотки синхронных машин

короткозамкнутая пусковая обмотка (рис. 4.4), а пуск СД проводится прямым включением в сеть.

По достижении частоты вращения близкой к «о включается ток возбуждения и двигатель «втягивается в синхронизм» [20]. Операции по пуску синхронных приводов, как правило, автоматизированы.

Основной характеристикой СД является угловая характеристика, то есть зависимость электромагнитного момента М (или мощности Ры) от внутреннего угла 0 , представляющего собой угол сдвига между ЭДС обмотки статора Е0 и напряжением сети U, или, что то же самое, между осями результирующего магнитного потока в зазоре Ф5 и полюсов (продольная ось d, поток Фо).

Уравнение равновесия напряжений синхронного двигателя (для фазы)

U = E0 + r J + У Ё I jxdi d, , (4.1)

где / — ток обмотки статора; /?, Ij — составляющие тока по поперечной (q) и продольной (d) осям; xq, x,j — индуктивные сопротивления машины по осям q и d соответственно [21].

Уравнению (4.1) соответствует изображенная на рисунке 4.5 векторная диаграмма. Электромагнитный момент синхронного двигателя

(OoXrf 2 Wo_L_JL sin20 , (4 2 )

где первый член выражения определяет основную составляющую момента(активную)

л. mUE0 ■ ъ //Мх = ------- - s in 0 , (4.3)u*0xd

которая зависит как от напряжения, так и от тока возбуждения или ЭДС Е0.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ ДВИГАТЕЛЕЙ 1 0 7

Рис. 4.5Векторная диаграмма синхронной машины

Угловая характеристика синхронного двигателя

Второй член выражения (4.2) определяет дополнительную составляющую момента, свойственную реактивным двигателям, и не зависит оттока возбуждения

М ,= тU22(Оо

sin 2 0 . (4.4)1____1_

*Е(1V 7---Таким образом, явнополюсная машина развивает момент

и при Ео = 0 , то есть поток реакции якоря стремится пройти через ротор по продольной оси d. Момент М2 имеет наиболь-

■тушее значение при 0 = —. Для полнополюсного двигателя ха- рактерен момент только по (4 .3), так как здесьд:^ = xq и вторая составляющая М2 = 0 .

Из (4 .2 ) -(4 .4 ) следует, что при Q - —, s in 0 = 1, s in 2 0 = 0

и Ео = const момент принимает наибольшее значение. Зависимость момента синхронного двигателя от внутреннего угла 0 представлена на рисунке 4.6.

Следовательно, устойчивая работа двигателя будет при

О < 0 < —, а при 0 > ~ двигатель выпадает из синхронизма.

Отношение -тгЧ как и в других приводах, называют перегру-iWji

зочной способностью. Обычно -гг~ - 2 + 2,5, а угол 0 в номи-АГН

нальном режиме 0„ = 25 + 30°.Из (4.2) также видно, что изменением напряжения и основ

ной ЭДС Ео (или тока возбуждения if) возможно регулировать


максимальный моментМт, то есть перегрузочную способность двигателя. Отметим еще раз, что момент СД зависит от напряжения в первой степени, поэтому он менее чувствителен по сравнению с асинхронным к колебаниям напряжения сети.

При работе двигателя с переменным моментом нагрузки средняя скорость его остается неизменной, равной с% но в некоторых пределах ±Д© изменяется угол 0 . При этом пусковая обмотка выполняет роль демпферной (успокоительной) и обеспечивает быстрое затухание колебаний.

Синхронный двигатель может работать и в режиме генератора параллельно с сетью при синхронной угловой скорости, тогда угол 0 принимает отрицательные значения, ротор становится ведущим звеном, а поле статора— ведомым [21, 22]. Очевидно, что такой режим для торможения практического значения не имеет, так как coo = const.

Для торможения СД чаще используется динамический режим, когда двигатель отключается от сети и работает на резистор, как автономный генератор (рис. 4.7)

4.1.2.Р Е Г У Л И Р О В А Н И Е

Р Е А К Т И В Н О Й М О Щ Н О С ТИ С И Н Х Р О Н Н Ы Х Д В И Г А Т Е Л Е Й

Возможность регулирования коэффициента мощности является одним из основных достоинств синхронных двигателей.

Работа систем электроснабжения характеризуется потреблением реактивной мощности в основном асинхронными электродвигателями. Это вызывает дополнительные потери энергии в звеньях системы, необходимо иметь повышенную пропускную способность подстанций и распределительных сетей (см. гл. 5). В связи с этим для повышения технико-экономических показателей системы электроснабжения производят компенсацию реактивной мощности.

Коэффициент мощности СД при конкретной нагрузке зависит от установленного тока возбуждения. Можно установить такой ток возбуждения if, чтобы coscp = 1 при определен

Рие. 4.7 Схема включения

синхронного двигателя при динамическом торможении

ГЛАВА 4. Э Л ЕКТРОПРИ ВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ Д В И ГАТЕЛ ЕЙ 1 0 9

ной мощности. Тогда при снижении нагрузки двигатель будет работать с опережающимcos<p, а при увеличении — с отстающим. На практике мощные двигатели работают в режиме автоматического регулирования соэф при изменении нагрузки. Необходимо отметить, что при М = const и if = var изменяется и ток обмотки статора, что в целом определяется

ьРис. 4.8

U-образные характеристики синхронной машины при разных

зна чениях мощност и

iZ-образными характеристиками, приведенными на рисунке 4.8 для различных значений активной мощности (кривые 1,2, 3).

Используя СД в качестве источника реактивной мощности, необходимо обеспечивать повышенные токи обмоток возбуждения и якоря, следовательно, увеличивать полную мощность машины. Вопрос «на сколько?» является основным при экономическом обосновании способа компенсации.

Отношение полной мощности к активной [3]

где S = mUI, Q = mCJIsmq), Р = mUIcosy.Например, требуется, чтобы реактивная опережающая

мощность составляла 40% активной составляющей, то есть

то есть генерирование указанной реактивной мощности потребует увеличения полной мощности всего на 8%.

Системы управления электроприводами с СД в общем случае должны обеспечивать пуск и синхронизацию СД с сетью, регулирование скорости и торможение, регулирование тока возбуждения с целью изменения максимального момента и коэффициента мощности.

(4.5)

4 .1 .3 .У П Р А В Л Е Н И Е

С И Н Х Р О Н Н Ы М И Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А М И


При неизменной или медленно меняющейся нагрузке (насосы, вентиляторы и др.) СД должны иметь кратность пускового момента

-^ 2- = 0 ,4 + 0 ,6 ,М и

входного момента (при скорости ш = 0,95(Оо)

4 = 0 ,8+ 1 ,2 Мн

и перегрузочную способность

т г - =1>5 * 2 -МаПри пульсирующей нагрузке (станки-качалки в нефтедобыче, поршневые компрессоры и др.) требования к СД практически не отличаются от перечисленных выше.

Особые требования предъявляются к двигателям для приводов дробилок, прокатных станов. В таких системах

^ * - = 1,2+2, ^ - = 2 ,5 + 3 ,5 .М н Мн

Для улучшения показателей работы сети и обеспечения устойчивости СД в электроприводах этого класса осуществляется регулирование тока возбуждения, как правило, автоматическое (А РВ). Общие требования к системе А РВ следующие [3]:

1. Обеспечение устойчивой работы СД при заданных режимах нагрузки.

2. Поддержание напряжения в узле нагрузки, к которому подключены СД.

3. Обеспечение min потерь энергии в системе электроснабжения и самом двигателе.

4. Возможность выдачи повышенной реактивной мощности за счет форсировок возбуждения при кратковременных снижениях напряжения.

Автоматическое регулирование возбуждения СД может осуществляться в статических и динамических режимах по различным законам. Для статических режимов чаще используется регулирование при постоянстве созф; постоянстве вы рабатываемой реактивной мощности; постоянстве напряжения или costp в узле нагрузки; минимуме потерь энергии.

Закон регулирования, обеспечивающий coscp = const СД, целесообразен для приводов средней и большой мощности с

плавно изменяющейся нагрузкой при незначительных колебаниях напряжения в сети. При costp = 1 обеспечивается и минимум потерь в СД и питающей сети.

При значительных колебаниях напряжения в узлах нагрузки используется закон регулирования возбуждения на поддержание постоянства напряжения. При этом должно быть предусмотрено ограничение тока возбуждения снизу по условиям устойчивости (ограничение момента снизу) и сверху по условиям нагревания СД.

Задачи АРВ в динамических режимах работы электропривода заключаются в повышении динамической устойчивости СД при изменениях нагрузки на валу. Здесь основное требование к системе А РВ сводится к обеспечению высокого быстродействия. Это качество достигается за счет повы ш ения кратности форсировки тока возбуждения, использования малоинерционных звеньев в системе А Р В (тиристорные возбудители), введения гибких обратных связей (по производным координат).

Для запуска СД, как отмечалось ранее, чаще используется асинхронный пуск. При прямом подключении к сети крат

ность пускового тока -^ -= 4 + 5 . Для мощных приводов воз

никает необходимость ограничения пусковых токов, что реализуется использованием реакторов, устройств плавного пуска, как и для асинхронных двигателей (см. гл. 3)

Для регулирования скорости синхронных электроприводов, как и асинхронных, применяются преобразователи частоты, позволяющие формировать требуемые характеристики в статических и динамических режимах.

Синхронный электропривод обладает некоторыми свойствами, не присущими частотно-управляемому асинхронному приводу в разомкнутых системах:

1) стабильностью угловой скорости независимо от момента нагрузки во всем диапазоне регулирования (о = сад

2) высокой точностью синхронного движения нескольких исполнительных органов;

3) возможностью реализации больших моментов при м алых скоростях, получаемых за счет соответствующего регулирования напряжения и тока возбуждения.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й 1 1 1

112 А. П. ЕП И Ф АН О В. ОСН О ВЫ Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д А

Электромагнитный момент явнополюсного СД по (4 .2 ) , пренебрегая насыщ ением магнитной системы, можно представить в виде тг. , -.2иь -

М = А—r -s in © + 5 U

Лs in 2 0 , (4 .6 )

/где i j— ток возбуждения; >1 и в — постоянные коэффициенты.

Основные режимы управления СД вытекают из (4.6) [3 ,2 2 ] :1. Регулирование при/ = const, U = var, if = var характерно

для нерегулируемого по скорости двигателя. При этом (4 .6 ) можно записать

М = Cjf/tysin© + C2(/2sin 2@. (4 .7 )

У гловы е характеристики СД М (0 ) представлены на рисунках 4 .9 , а, б. Видно, что изменением напряжения и тока возбуж дения возм ож но в ш ироких пределах регулировать момент двигателя. Однако не следует забы вать, что при этом возрастает ток статорной обмотки, изменяется коэффициент мощности, двигатель работает с перевозбуждением (if> i ) или с недовозбуждением (if< iy„).

2. Режим частотного регулирования электропривода при

у - = const, if = var. Уравнение (4 .6 ) можно записать как

М = c3iysin© + C4s in 2 0 . (4 .8 )

Рис. 4 .9Моментно-угловые характеристики синхронного двигателя:

а — при U= consl, if - var; б — при И - var, i/= const; М\ — момент от поля возбуждения; Мг — момент от явнополюсности; М — суммарный момент; 1 — /у = //„ (или t/= £/„); 2 — if > if [ и л и U > U„), 3 — if < if (или U < U„).

ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р УГИ М И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й 1 1 3

Характеристики М ( 0 ) для этого случая представлены на рисунке 4 .10 .

Как и в предыдущем случае, момент СД изменяется за счет регулирования основного потока (тока возбуждения if) и машина работает при / = var, coscp = var.

Закон регулирования при условии постоянства угла 0 и тока возбуж дения i j = co n st, приняв, что U Ê, получают

(4 .9 )

то есть закон регулирования имеет тот же вид, что и для асинхронного двигателя (см. гл. 3).

Для различного вида нагрузок остаются соотношения:

У- = const при М = М„ = const, - = = const при Р = Ри- const;J V/U /

При частотном регулировании СД наиболее сложным я в ляется соблюдение 0 = const в динамических режимах. Реально темп изменения частоты должен быть строго согласован с моментом инерции нагрузки, так как асинхронный режим здесь недопустим. В целом ж е частотное регулирование СД ограничено устойчивостью работы машины.

3. Режим частотного регулирования синхронного электропривода при U - const, ij= co n s t ,/ = var. Соотношение (4 .6 ) запишется при этом

Рис. 4 .10 Момешпно-угловые характеры - стики частотно-регулируемого

си нхронного электроприводаU , . при — = const, if = var:

1 — ij = ijx, 2 — i/> ifi 3 — if< if ; M\ — момент от поля возбуждения; Мг — момент от явнополюсности; М — суммарный момент.

и

= const при вентиляторной нагрузке.

M = ^ ~ s i n e + - sin26, (4 .10)

тц,еС5 = А- U -ifiC 6 = В - U2.

114 А. ГГ. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Видно, что при снижении частоты момент СД возрастает, особенно составляющ ая от явнополюсности (второе слагаемое). Следовательно, при низких угловых скоростях двигатель обладает значительным максимальным моментом (рис. 4 .1 1 ). При этом, однако, существенно увеличивается ток обмотки статора.

При/—» 0, противо-ЭДС обмотки Е\ —» 0, индуктивные сопротивления х —» 0, и при = 0 (принятое допущение) М —><», /—»<*>. Поэтому неучет активного сопротивления статора вносит заметные искажения в расчетные значения момента при низких частотах. Однако по сравнению с асинхронными двигателями здесь это влияние может быть в некоторой степени скомпенсировано регулированием возбуждения.

В целом частотное регулирование скорости СД характеризуется в основном теми же показателями, что и частотное

регулирование асинхронных двигателей. Такое регулирование плавное, экономичное, двухзонное; высокая стабильность скорости; диапазон регулирования вниз может быть до 100:1 при обеспечении синусоидальности напряжения, необходимого запаса устойчивости и сохранении значений максимального момента.

Однако частотно-управляемый синхронный электропривод не получил широкого практического применения, главным образом из-за свойственных синхронным машинам колебаний и неустойчивости работы, особенно в зоне низких скоростей. Но сама синхронная машина используется в вентильном электроприводе, о чем пойдет речь в следующем параграфе.

Рис. 4.11Моментно-угловые характеристи

ки синхронного двигателя при U = const, if = const, / = var:

M| — момент от поля возбуждения; Мг — момент от явнополюсности; М — суммарный момент.

ГЛАВА 4. Э Л ЕКТРОПРИ ВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ ДВ И ГА Т ЕЛ ЕЙ 1 1 5

4.2 .ЭЛЕКТРОПРИ ВОДЫ

С ВЕНТИ ЛЬНЫ М И ДВИГАТЕЛЯМ И

Двигатель постоянного тока, обладая хорошими регулировочными свойствами, во многих случаях не может удовлетворить практическим потребностям современного автоматизированного электропривода. Наличие коллектора и щеточного аппарата снижает надежность машины, ограничивает предельные значения токов, мощностей и скорости вращения, применение по некоторым условиям окружающей среды. Поэтому стремление заменить коллекторную машину постоянного тока бесщеточной давно привлекало внимание разработчиков. Замена механического коммутатора (коллектора) статическим преобразователем, выполняющим те же функции, что и коллектор со щетками, стала практически возможной с освоением и массовым выпуском управляемых силовых полупроводниковых приборов — тиристоров и транзисторов.

Таким образом, бесщеточная машина постоянного тока представляет собой совокупность синхронной машины и преобразователя. Такая машинно-вентильная система получила название «вентильный двигатель». Вентильный же электропривод, кроме двигателя и преобразователя, включает в себя и систему управления [32, 44].

Управление (регулирование координат) вентильным электроприводом производится так же, как и приводом постоянного тока, — изменением напряжения питания якоря и основного потока (при электромагнитном возбуждении).

В двигателе постоянного тока механический коллектор инвертирует постоянный ток в многофазный переменный. Частота основной гармоники этого тока жестко связана с частотой вращения якоря при любых скоростях. Поэтому коммутация тока в секции (или фазе) происходит при определенном положении ее относительно индуктора (главных полюсов). Угол нагрузки, то есть угол между осями результирующего магнитного поля в зазоре и полюсов, имеет ограниченное изменение.

В вентильном двигателе частота коммутации тока в фазах задается частотой вращения ротора. Источником напряжения синхронизации является датчик положения ротора (Д П Р), механически сочлененный с валом машины.

1 1 6 А. П. Е П И Ф А Н О В. ОСН О ВЫ Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д А

Разработка постоянных магнитов N d - F e - B и создание машин с бесконтактным возбуждением сущ ественно расш ирили области применения вентильных машин: мощный вы соко- и низкоскоростной электропривод, гребные двигатели для судов и подводных лодок, привод насосов и компрессоров для перекачки нефти и газа, прокатных станов. Двигатели малой мощности широко использую тся в аудио- и видеотехнике, бытовой аппаратуре, электроприводах различных механизмов в автомобилях. Мощности вентильных машин — от нескольких ватт до десятков мегаватт, частоты вращ ения от единиц до десятков ты сяч об/мин [32 , 3 3 ,4 4 ] .

На рисунке 4 .1 2 представлена функциональная схема вентильного привода, состоящего из выпрямителя В , конденсатора фильтра Сф, тормозных резистора Ят и транзистора Т, электронного коммутатора ЭК, СД с постоянными магнитами (СД ), датчика положения ротора Д П Р и системы управления СУ. При этом система управления принимает информацию о полож ении ротора (угол а ) , сигнал задания U3 и вырабатывает си гналы для управления электронным коммутатором, который осуществляет периодическое (дискретное) переключение фазных обмоток статора. Это приводит к изменению пространственного положения вектора магнитного потока статора и созданию электромагнитного момента. На рисунке 4 .1 3 показана

Рис. 4 .12Структурная схема■ вентильного электропривода:

В — выпрямитель; Сф — конденсатор фильтра; Т, Rr — тормозные транзистор и резистор; ЭК — электронный коммутатор (преобразователь); СД — синхронный двигатель; ДПР — датчик положения ротора; СУ — система управления.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУ ГИ МИ ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й 117

„ Р и с. 4 .1 3схе* а электронного коммутатора

(преобразователя.) на. транзисторам V T 1 - VT6

аVT2, VT3, VT6

ВVT2, VT3, VT5

ВVT2, VT4, VT5

В

VT1, VTA, VT& В

V T 1 , VT3, VT6 в

VT1, V T 4 , VT5 В

А

/ Т к „

Временные и р е^ л ь^р ую щ его потока_ при проводимости вентилей:

VT4, VT&-, е — V T \ ’vT 3 , УТЪ. ^ в ~ VT2’ VT/*. И75; г — VT\. VTA, VTb; a — VT\


схема электронного коммутатора, собранного на силовых транзисторах VT\ - V76.

Электронная коммутация фаз обмотки статора производится через каждые 60 электрических градусов по сигналам ДПР. Диаграммы распределения токов по фазам и во времени, направления потока статора Фо за один полный оборот приведены на рисунках 4.14, 4.15. На рисунке 4.14 указаны номера транзисторов, открытых для приведенных схем соединения фазных обмоток.

Таким образом, в зазоре машины образуется бегущее («прыгающее») магнитное поле статора, которое делает шаги по 60°, увлекая при этом за собой ротор. Коммутация токов в фазах происходит так, что вначале вектор потока статора (ведущего звена) опережает поток ротора на 120°, а в конце перед новым

Рис. 4.15Временные диаграммы фазных токов вентильного двигателя.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ ДВ И ГА Т ЕЛ ЕЙ 1 1 9

Рис. 4 .16 Зависимость

электромагнитного мом ента двига теля

скачком (следующей коммутацией) на 60°. Очевидно, что при этом электромагнитный момент изменяется по величине: он наибольший при угле между векторами потоков 90° и меньший при углах 60° и 120°; Afmjn = Мшаcos 30° = 0 ,86Ммт. На рисунке 4.16 приведена зависимость момента от угла поворота ротора. Видно, что при дискретном управлении имеют место значительные пульсации момента. Для получения Мм = const в ответственных приводах разработаны и используются непрерывные (синусные) методы управления коммутацией фаз. При этом силовой модуль питания СД выполняется по схеме инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающей синусоидальную форму выходного напряжения и управляемый ДП Р. Кроме того, в мощных двигателях используются шестифазные обмотки (две трехфазные, сдвинутые на 30°), питаемые от двух независимых преобразователей частоты.

При питании от инвертора напряжения [5, 32, 44] система управления обеспечивает непрерывную пространственную ориентацию вектора фазного напряжения (результирующего потока) относительно продольной оси ротора (ЭДС Е0) , то есть задает угол 0 = const.

При питании от инвертора тока [3 ,3 2 ,4 4 ] ДП Р задает угол между вектором тока / и ЭДС Eq, т о есть \|/ = const. При этом угол 0 = \|Г - ф не контролируется и может изменяться в некоторых пределах в зависимости от момента нагрузки.

Величина электромагнитного момента вентильного двигателя определяется как [44]

м . . * ИИШ Зй « i n »СО (О *

где Iq, Id, Lg, Ld — составляющие тока статора и индуктивности по поперечной q и продольной d осям.

При Iq = 1, ШШ 0, то есть при ортогональности основного потока ротора и потока реакции якоря получим, подобно машинам постоянного тока,

Мн = т ■ р ■ w - Ф0 -1 = Ммт. (4 .12)


Значение момента по (4.12) есть не что иное как первое слагаемое в (4.11).

Энергетические показатели ВД из-за двукратного преобразования энергии могут быть несколько ниже, чем у двигателей постоянного тока, а механические характеристики имеют меньшую жесткость.

4.3.ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

С ЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

В настоящее время около 4 0 -5 0 % серийных электродвигателей эксплуатируется в производственных механизмах с поступательным или возвратно-поступательным движением рабочего органа.

Для преобразования вращательного движения в поступательное используются разнообразные устройства: пневмо- и гидропередача, пара «винт-гайка»; кривошипно-шатунный механизм, шестерня и рейка, колесо и путевая структура в транспортных системах и др. Кроме того, в таких приводах, как правило, используются редукторы, являющиеся местом дополнительных потерь и отказов.

Линейные электродвигатели позволяют непосредственно осуществить поступательное движение без механического контакта между первичной (обычно статором) и вторичной (ротором) структурами, следовательно, исключить передаточный механизм. При этом значительно упрощается кинематическая схема, повышается надежность, точность управления, а сами линейные электродвигатели хорошо приспосабливаются к исполнительному механизму, обладают технологичностью в производстве и меньшим расходом стали благодаря малоотходному раскрою.

На практике применяются линейные двигатели постоянного тока (в основном — шаговые), асинхронные (ЛАД), синхронные (ЛСД) и электромагнитные (ЛЭМД).

Наибольшее распространение получили линейные асинхронные двигатели в силу их конструктивной простоты, дешевизны, технологичности изготовления, надежности, разнообразия конструктивных решений.

ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С ДРУГИ М И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й 12 1

Из информационных источников известно о широком и успеш ном использовании Л А Д в приводах конвейеров, робототехнических комплексов, задви ж ек для трубопроводов, плунжерных насосов, ткацких станков, в рудничном транспорте, металлургии и многом другом. В агропромышленном комплексе используются линейные электроприводы колебательного движения в зерноперерабатывающей и пищевой промышленности [28, 3 1 ].

Самые крупные проекты с использованием ЛА Д связаны с созданием высокоскоростного наземного транспорта ( ВСН Т) на магнитном подвесе со скоростями до 5 00 км/ч [28, 3 0 ]. В 7 0 -9 0 -е гг. X X в. научно-исследовательские работы по этой проблеме проводились во многих странах, в том числе и в Советском Союзе. Были созданы и испытаны физические модели, опытные экипажи, построены коммерческие транспортные системы при скоростях до 100 км/ч (Канада, Англия, Япония), которые работают до сих пор. Однако дальнейшие разработки пока приостановлены — возможности пары «колесо-рельс» еще не исчерпаны (в 1990 г. поезд TG V (Франция) достиг скорости 515 км/ч, а в 2007 г. — 5 75 км/ч).

Наиболее просто можно представить ЛА Д, если мысленно разрезать по образующей обычный асинхронный двигатель (рис. 4 .17 , а) и развернуть его в плоскость [2 8 ]. При этом возможны прямой вариант (короткий индуктор, статор) (рис. 4 .17 , в) и обращенный (короткий вторичный элемент и длинный статор) (рис. 4 .17 , г).

а б д

в2

г2

рвгсги и тл ш г| jaooLiuTJ и и ц ц|Рис. 4 .17

Конструкции линейных асинхронных дв и га тел ей:

\7а — вращающийся АД; б — дугостаторный двигатель; в — ЛАД с коротким индуктором; г — ЛАД с длинным индуктором; д — цилиндрический ЛАД. 1 — индуктор; 2 — ротор.


Принцип действия ЛАД ничем не отличается от вращающегося АД: трехфазная обмотка индуктора создает магнитное поле, бегущее со скоростью v = 2т/. При скольжении s * 0 это поле индуктирует во вторичном элементе (реактивной шине) ЭДС, а взаимодействие поперечной составляющей токов шины и нормальной составляющей индукции в зазоре Bs создает тяговое усилие F. Так же, как и во вращающемся двигателе, сопротивление вторичного контура (шины) определяет жесткость механической характеристики v(F).

Изображенный на рисунке 4 .17 , б дугостаторный двигатель, предложенный в 1936 г. П. А. Фридкиным, можно рассматривать как модификацию ЛАД. Особенностью его является зависимость частоты вращения ротора не только от частоты / и полюсного деления т, но и от диаметра ротора. Широкого применения эти машины не нашли из-за низких показателей использования материалов и энергетических показателей.

Конструктивно ЛАД выполняются в основном двух форм: цилиндрические (рис. 4 .17, а) и плоские (рис. 4 .1 8 ). Цилинд-

Устройство плоских линейных а синхронных двигателей:1 — индуктор с обмоткой (статор); 2 — вторичная структура (реактивная шина); 3 — обратный магнитопровод; а — двухсторонний ЛАД; 6 — односторонний ЛАД; в — шлицованная РШ ; г, д — короткозамкнутая клетка с обратным магнитопроводом. 1 — индуктор с обмоткой; 2 — реактивная шина; 3 — обратный магнитопровод. Ь, с, d, h ,L ,b — размеры соответствующих элементов конструкции.

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ ДВ И ГА Т ЕЛ ЕЙ 123

рические двигатели имеют лучшие удельные показатели, но гораздо сложнее в изготовлении. Применяются в приводах механизмов возвратно-поступательного движения, например, для привода выключателей — разъединителей. Плоские ЛАД [30] могут быть двух- и односторонними (ДЛАД, ОЛАД) (рис. 4 .18 , а , б). Вторичная структура (шина) может быть сплошной (рис. 4 .18, б), шлицованной (рис. 4 .18, в), в виде короткозамкнутой клетки в пазах обратного магнитопро- вода (рис. 4 .1 8 ,г ,5 ) . Обмотки индукторов могут быть однослойными и двухслойными. На рисунке 4.19 приведена схема ДЛАД рельсового транспортного средства (1902 г., патент А. Зедена).

Бесконтактная передача усилия, следовательно, возможность получать значительные ускорения определили использование ЛАД для испытаний моделей судов в опытовых бассейнах (рис. 4 .20). При этом за счет укорочения участков разгона и торможения при достижении высоких скоростей удалось существенно сократить длину бассейнов.

На рисунке 4.21 приведены схемы линейных электроприводов колебательного движения [31]. Такие системы работают,

Рис. 4.19 Применени е ЛАД

для рел ьсового транспортного средства (патент Зедена):

1 — индуктор; 2 — реактивная шина.

Рис. 4.20 Применение ЛАД

для опытового бассейна:1 — индуктор; 2 — реактивная шина.


I ЛАД | L ДП Г-Н ЛАД I I ^ ДП------- у?;;///?;

Рис. 4.22 Компоновка систем тяги

и подвеса пассажирского салона поезда системы TRANSRAPID

Рис. 4.21Структура электропривода колебательного движения на основе ЛАД:

ЛАД — линейный асинхронный двигатель; ДП — датчик положения; ТК — тиристорный коммутатор; УЭ — упругий элемент; СУ — система управления, а — с одним УЭ; б — с двумя УЭ.

как правило, при импульсном питании (включен-выключен). Достоинства таких приводов заключаются в возможности регулирования амплитуды колебаний (до 0,5 м), обеспечения автоколебательного режима и снижения потерь, получения высоких ускорений. Отметим, что в электроприводах с механическим преобразователем (кривошипно-шатунный механизм) при максимальных ускорениях порядка 100 м/с2 достигается амплитуда колебаний рабочего органа не более 0,05-*-0,15 м. Управление параметрами движения осуществляется так же, как и вращающихся АД: изменением сопротивления вторичной структуры, напряжения, регулированием частоты и длитель-

Г Л А В А 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И Т И П А М И Д В И Г А Т Е Л Е Й 125

ности включений. По такой схеме работают инерционные конвейеры для транспортирования влажного сахара и ворошители бункеров-питателей сы пучих грузов [3 1 ].

Линейные двигатели постоянного тока (Л Д П Т ), сохраняя принцип действия вращ аю щ ихся маш ин, имеют более сл о ж ную по сравнению с асинхронны ми конструкцию , особенно протяженного коллектора, обмотки якоря и системы возбу ж дения. Эти маш ины не наш ли применения, хотя были попы тки использования их при незначительны х перемещ ениях.

Л инейны е синхронные двигатели (Л С Д ) наряду с Л А Д рассматривались в качестве одного из основны х типов тягового двигателя вы сокоскоростного наземного транспорта. Предполагалось размещ ение индуктора на экипаж е с и спользованием сверхпроводимости, а обмотки статора — на путевой структуре. В Германии в 1 9 8 0 - 1 9 9 0 -е гг. на полигоне в Эмс- ланде были испытаны полномасш табные образцы экипаж ей при скоростях до 4 0 0 км/ч. На такие системы T R A N S R A P ID у ж е были получены заказы из СШ А, Канады. В самой Германии был готов проект линии Б ер л и н -Гам б ур г и определено начало строительства — 1996 г. (рис. 4 .2 2 ). Однако из-за вы сокой стоимости проекта, а такж е в связи с созданием новых вы сокоскоростных колесных поездов (Я п он и я , Ф ранция, Герм ания) строительство так и не началось.С 1990-х гт. в Ш анхае (Китай) эксплуатируется пассаж и р ская л и ния длиной 3 0 км по систем е T R A N S R A P ID .

И спользование Л С Д привлекало в основном возм ож ностью получения вы сокого coscp (близкого к единице) при больш их во здуш ны х зазорах (до нескольких сантиметров).

Л инейные электромагнитные двигатели (Л ЭМ Д ) [4 2 ], являю щ иеся по своей сути электромагнитами с системой управления, м огут со вер ш ать н еп реры вн ое

Рис. 4 .23 Конструкция магнитной

системы ЛЭМД:1 ,3 — ферромагнитные якорь и статор; 2 — обмотка возбуждения; 4 — направляющий корпус; 5 — пружина.


Рис. 4.24Электрическая схема питания ЛЭМД

электромеханическое преобразование энергии при возвратнопоступательном движении рабочего органа. ЛЭМД находят достаточно широкое применение в вибрационных устройствах: отбойные молотки, ручной инструмент различного назначения, вибростенды. Такие двигатели обладают высокими удельными энергетическими показателями, надежностью, компактностью.

На рисунке 4 .23 приведена конструкция магнитной си стемы ЛЭМД для электропривода по маркировке и клеймению. Работает такой привод в импульсном режиме при питании от сети с использованием емкостного накопителя энергии (рис. 4 .24) [45].

Э Н Е Р ГЕ Т И К А Э Л ЕК ТРО П РИ ВО Д О В

Г Л А В А 5

Электрические приводы потребляют более 60% всей вырабатываемой в стране электроэнергии, поэтому расчет основных энергетических показателей приводов и определение способов их повышения имеет большое практическое значение с точки зрения энергосбережения.

С другой стороны, потери в двигателе определяют температуру отдельных его частей, следовательно, и допустимый момент или мощность на валу.

К основным энергетическим показателям работы электроприводов относят потери мощности АР, энергии AW, КПД и коэффициент мощности. В некоторых случаях работу электрических машин или приводов оценивают по энергетическому фактору (tj • coscp).

Следует отметить, что при работе электродвигателей от преобразователей энергии (УВ, ТРИ, ПЧ) токи и напряжения на обмотках несинусоидальны, что приводит к росту потерь, реактивной мощности [11, 33]. В этих случаях в дальнейшем под значениями токов и напряжений предполагаются их первые гармонические.

Энергетические характеристики системы электропривода зависят от режима его работы, характера изменения момента нагрузки и способа регулирования координат — тока, момента, скорости. Эти показатели рассматриваются отдельно для нерегулируемого и регулируемого приводов в установившемся и динамических режимах. При этом динамические режимы ограничены рассмотрением вопросов пуска и торможения.


5 .1 .ЭНЕРГЕТИКА

НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

В общем случае мощность потерь в нерегулируемом приводе АР складывается из потерь в электродвигателе и в механической передаче от вала двигателя к исполнительному органу рабочей машины. Механические потери, как правило, оцениваются с помощью КПД различного рода передач [6], поэтому здесь анализируются только потери в электродвигателе, которые условно делят на постоянные АРс (const, не зависящие от нагрузки) и переменные АР„ (var) [ 3 , 4 , 5 , 11J .

При этомАР = АРС + АР„. (5.1)

Постоянные потери — это потери в стали машины и механические — трение в подшипниках, вентиляционные, а для ДПТ независимого возбуждения и синхронных двигателей — это и потери в обмотках возбуждения. Следовательно, условие АРс = const предполагает высокую жесткость механической характеристики, то есть со = const, Ф5 = const.

Переменные потери — это потери, выделяемые в меди якорных обмоток ДПТ, СД, а в асинхронных двигателях — в обмотках статора и ротора.

Для двигателей постоянного тока мощность Р = 1а, поэтому переменные потери в обмотке якоря

A / W ^ ^ a V ^ - ^ A / ^ - H (5.2)■*ан j

где АР„„ = /2„ • Ra — потери в номинальном режиме; Ra — со

противление якорной цепи; Ка = 77- = у 2— коэффициент загрузки. в ““

Для асинхронных двигателей переменные потери — это потери в обмотках статора и ротора:

■ " " * » • . «V г М Г } / о r < 2 1 D ' . “ 1

ГЛАВА 5. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛ ЕКТРО ПРИВОДОВ 129

где К К о н = -p L ~ (0 ,8 5 + 0 ,9 5 ); о= -2-

1\и ч— номинальная и текущая кратности приведенного тока ротора и статора. Величина а зависит от скольжения и тока холостого хода двигателя о = (0 ,45 + 0 ,95) [5 ,11 ]; R\ и И2 — активные сопротивления фазы обмотки статора и приведенного ротора, причем Я2 — полное сопротивление цепи ротора, включая и добавочное Ягц-

Для синхронного двигателя потери в обмотке статора

Д Р ,,*3 / ?.Я | = 3 / & .Я ,f t 'л® / / "\2

= ЛЯ,., -р-{Ь н

к (5 .4)

Обозначая кратность токов в (5 .2 -5 .4 ) через х, переменные потери в двигателях определяются общим выражением

APv = ДРт • х2. (5 .5)

Полные потери мощности

ДР = ДРс + ДР„ = ДР = ДРс + ДР„„ • х2 = АРп,(а + х2), (5 .6) д р

где а =-т-р£— коэффициент потерь, а = (0,5 + 1,5) [2, 3 ,4 ] .“ УН

При работе двигателей в номинальном режиме полные потери .

APu=jPitL l X (5.7)Пн

Потери энергии за время работы *р с постоянной нагрузкой

A W = A P tp. (5 .8)

При работе двигателя с циклической нагрузкой потери энергии <ц „

AW = jA P (t )d t^ A P i -ti , (5 .9)о *=1

где ДPi — потери в промежутке времени tf, tn — продолжительность цикла.

Коэффициент полезного действия

л = ~р\= р 2+ а р ' (5 -10)

1 3 0 А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

Р ис. 5 .1Рабочие характеристики асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором мощностью 50 кВт, 220/380 В, 50 Гц, 1470 об/мин в относительных единицах (за базовые приняты значения

хара ктеристи к в номинальном режиме)

КПД двигателя зависит от его загрузки Кн = т р (рис. 5 .1 )•*н

и достигает своего наибольшего значения при АРс = AР„. Поэтому для снижения потерь энергии следует обеспечивать близкую к номинальной загрузку и ограничивать время работы на холостом ходу, особенно для асинхронных двигателей, с целью ограничения потребляемой реактивной мощности.

При наличии малозагруженных двигателей иногда целесообразно произвести их замену на двигатели меньшей мощности, соответствующей реальной нагрузке. Практика показыва-

рет, что такая замена рациональна при Ка = -£=-< 0 ,4 5 [ 3 , 4 ] .

Асинхронные двигатели потребляют из сети реактивную мощность (отстающий тоК), вызывая тем самым дополнительные потери в цепи источник-линия-двигатель. Для этих машин КПД и коэффициент мощности зависят не только от за грузки (рис. 5 . 1) , но и от числа полюсов, то есть от синхрон-

о 2 n / t . г г» г о\нои скорости а)о = ------ (рис. 5 .2 , 5 .3 ) .

р Ш 8

ГЛАВА 5. Э Н Е Р ГЕ Т И К А Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д О В

V '

0 ,0 6 0 ,1 2 0 ,2 5 0 ,5 5 1 ,1 2 ,2 4 7 ,5 15 2 2 3 7 5 5 9 0 «|Н

Рис. 5 .2Значения КПД асинхронных двигателей серии 4А

Рис. 5.3Значения коэффициента мощности двигателей серии 4А


где Р[ — потребляемая из сети активная мощность, Pi = S- coscp; S — полная мощность, S = 3£/ф • 1$,Q — реактивная мощность, Q = 3/ц • Хц + 3I f ■ Х{ + Ъ12 • x<i, где основная составляющая связана с намагничивающим током, /j = const при U = const, значение которого /} = (0,25 + 0,7)/iH, в зависимости от мощности. При cos<p = (0,7 -г- 0,9) двигатель на каждый киловатт (кВт) активной мощности потребляет (0,5 + 0,75) кВА реактивной. При снижении загрузки АД costp снижается (см. рис. 5 .1), так как удельный вес реактивной мощности Q в (5 .11) возрастает с уменьшением Р\.

По сравнению с питанием постоянным током и условии равенства мощностей, при переменном токе в системе протекала бы только активная составляющая тока /а = 1\- coscp. Следовательно, потери в системе (источник, линия, потребитель) при заданной активной мощности Р\ рассчитываются по выражению [11] 2

ДР = /2/?£ = Ш ./?£ — 1 — = ДРцт-----L - , (5 .12)I и \ COS ф COS ф

где АРПТ — потери на постоянном токе; — суммарное активное сопротивление цепи от источника до потребителя.

Видно, что в цепях переменного тока потери возрастают в1-----5— раз. Например, при совф = 0,8 потери увеличиваются в

cos ф1,56 раза. Таким образом, совф определяет экономичность потребления активной мощности.

Для повышения соэф, как и КПД, следует соблюдать загрузку в пределах (0,7 + 1,0) от номинальной. В приводах, работающих с переменной нагрузкой, целесообразно понижать напряжение в интервалы недогрузок. При этом снижается реактивная мощность и повышается совф. Реализуется снижение напряжения обычно с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН ) (см. гл. 3 ). Здесь следует отметить, что при регулировании напряжения изменением угла открытия вентилей кривые напряжения и тока двигателя несинусоидальны, потребляемая реактивная мощность больше мощности при синусоидальном напряжении и эта разница увеличивается с ростом угла управления [3].

Снижение напряжения (ступенчато, в V3 раз) возможно и переключением обмоток статора с треугольника на звезду. При

ГЛАВА 5. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 1 3 3

а б в

Ряс. 5.4Рабочие характеристики (ток (а), КПД (б), cos<p (в)) асинхронного

двигателя мощностью 28 кВт при соединении обмоток статора в треугольник и в звезду при напряжении сети, равном номинальному

фазному напряжению двигателя

этом момент двигателя уменьшается в 3 раза, а экономичность такого приема ограничена значением нагрузки, только ниже которой такое переключение целесообразно (рис. 5.4) [21].

В некоторых случаях рационально использовать статические устройства компенсации реактивной мощности, индивидуальные или групповые, лучше регулируемые и работающие в автоматическом режиме, с переключением величины емкости в зависимости от coscp [36].

5 .2.ЭНЕРГЕТИКА

РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

Определение энергетических показателей работы регулируемых электроприводов представляет собой более сложную задачу, чем нерегулируемых.

Эго связано со следующими причинами:1) изменением скорости и магнитного потока двигателя,

следовательно, и постоянных потерь ДРс;2) наличием силового преобразователя (У В, ШИП, ТРИ,

П Ч ), в котором также имеют место потери;


3) зависимостью энергетических показателей от способа регулирования. В этом плане способы регулирования делятся на экономичные и неэкономичные. К экономичным относятся регулирование скорости ДПТ изменением напряжения и магнитного потока, частотное регулирование АД. Неэкономичные — реостатные для ДПТ и АД, изменением напряжения для АД.

Наиболее сложная задача здесь — определение потерь в силовом преобразователе. Если питание преобразователя осуществляется от отдельного трансформатора, то постоянные и переменные потери в преобразователе — это потери в стали и меди обмоток трансформатора, потери в полупроводниковых приборах (тиристорах, диодах, транзисторах). Они определяются током и прямым падением напряжения ДU, которое указывается в справочной литературе. В целом потери в преобразователе могут быть оценены и с помощью усредненных значений КПД. Поэтому ниже приводится определение потерь только в двигателе.

Электропривод с двигателем постоянного тока.Вне зависимости от способа регулирования постоянные

потери АРс с достаточной точностью могут быть определены по формуле [3 ,4 ] f ч1_5

Hiгде ДРСН — постоянные потери номинального режима.

Переменные потери на искусственных характеристиках

АР„ =/| ■/?„£ =М(соои-со) = А/-Доо, (5.14)

где /?а2 — полное сопротивление якорной цепи, включая добавочные сопротивления /?ад; М — электромагнитный момент двигателя, М = СФ1а; соо„ — скорость идеального холостого хода на искусственной характеристике; Дсо — перепад скорости (влияние нагрузки).

При регулировании скорости ДПТ изменением напряжения (Г -Д , У В -Д , Ш И П -Д) при Мс = const ток якоря остается неизменным, поэтому и переменные потери при этом ДРу = const.

КПД двигателяРг _ Af-co

Л (Р2+ДРЯВ) Мсо+Д/ V Д р


где М — приведенный к валу момент сопротивления; со — скорость двигателя.

Очевидно, что с уменьшением скорости и АРЮ ~ const КПД привода снижается.

Электропривод с асинхронным двигателем.Для АД к постоянным потерям относят механические по

тери ДРмех, потери в стали статора и ротора A/Ve, а иногда и потери в обмотке статора от намагничивающего тока /ц [11J

ДРС = ДРмех + ДРРв + 3/2 • Я ,. (5.16)

Механические потери, как и для ДПТ, могут быть определены по (5.13).

Потери в стали пропорциональны квадрату индукции В2 и частоте в степени 1,3 [21], но поток в зазоре пропорционален напряжению, поэтому

ч1.3

(5-17)

где ДРрен — потери в стали при номинальной частоте/i„.Переменные потери при реостатном регулировании [11]

АРи = Д/£„1 + ДРзлг = Д/эл1н [-4 + (1 - А)М*2 J + М соо«

или1 J (5.18)

. „ М СОо • « • / ? ! , , , ' 'ДРи =—^73----- -+ М щ -s,п2

2( А

{ и н} ,/lH t

где AP3„iH — потери в обмотке статора для номинального ре

жима; А = /о И В * М• М* = — -----относительный момент; М —м 1 я

момент двигателя, текущее значение; СОо = — —; р — число пар

полюсов; s — скольжение; /о — ток холостого хода.Коэффициент полезного действия АД при реостатном ре

гулировании

п = ^ = ----------------------------------------------------- — -----------, (5.19)Р\ Мс -со+Л/^соо — со)+ Д/зл1н \_А+ (1—А)М* ] + АРре н

где Мс — приведенный к валу двигателя момент сопротивления.


При этом зависимость КПД от скорости представляет собой прямую, а ее наклон зависит от момента на валу.

Коэффициент мощности может быть определен из схемы

где Я э, X , — эквивалентные активное и индуктивное сопротивления Г-образной схемы замещения.

Энергия, потребляемая из сети при работе с установившейся скоростью за время работы tp, представляет собой сумму механической (полезной) энергии и потерь Д1У:

Отметим, что Мс - щ = Рм — электромагнитная мощность двигателя, Рм = Рнвх + APm2-

Электропривод «тиристорный регулятор напряжения-АД». Структура такого привода приведена в гл. 3. При этом на

пряжение на зажимах АД регулируется изменением угла открытия тиристоров от U\ = U\H до U\ = 0, синхронная скорость а)о и критическое скольжение не изменяются, но регулируется момент двигателя М = С/2, изменяется, точнее, увеличивается рабочее скольжение. Кривые напряжений и токов содержат спектр нечетных гармоник, что увеличивает потери в двигателе, возрастание которых возможно учесть с помощью коэффициентов [11]. Потери в обмотках и в стали определяются по следующим выражениям [ 11]:

замещения какcos(p = — (5 .20)

Wi=Wuex+AW = fp{M c -Q )o+A ^lH[ ^ + (l-A )i l/ c*2]+ A P FeH}. <5 '2 1 )

(5.22)

где 5 = (0,96 + 0,98) — для двигателей единой серии [11]; sH— скольжение номинального режима; s — рабочее скольжение на искусственной характеристике.

Г Л А В А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В 137

КП Д электропривода

Л =Мс -со

(5 .2 3 )Мс -С0 + АРМ{ + АРэл2 + АРре

В таких приводах с уменьш ением напряжения увеличивается скольж ение, относительные потери в роторе превы ш ают относительные потери в остальных элементах машины [ 11] , так как АРзл2 - АРМ ■ s. Поэтому мощ ность двигателя должна быть выбрана таким образом, чтобы во всем диапазоне пониж енны х скоростей потери в роторе были меньш е номинальных — ДРэлгн.то есть необходимо соблюдать условие

из которого следует, что допустимый по нагреву относительный момент двигателя

В итоге мож но сказать, что электроприводы по системе Т Р И -А Д имеют низкую энергетическую эффективность. Однако сущ ествует ряд устройств, где для выполнения технологических требований целесообразно использовать такие приводы: маломощ ные вентиляторы ферм, насосы, работающие с переменным расходом, другие механизмы с вентиляторной механической характеристикой [6 , 11] .

Электроприводы по системе «преобразователь частоты-А Д».Частотный способ регулирования скорости асинхронны х

двигателей является самы м экономичным по сравнению с другими (см . гл. 3 ) . Экономичность преобразования энергии в системе П Ч -А Д определяется общим КПД электропривода

где Р мех — механическая мощ ность АД; Рмвх = Р2 + АРивх; Р — потребляемая из сети мощ ность; rin4 — КПД преобразователя; Лдв — КП Д двигателя:

(5 .2 4 )

(5 .2 5 )

Р%мех (5 .2 6 )Лап = Р “ Лпч * Чдв»


Здесь Р\ — мощность, потребляемая двигателем от преобразователя; ДРПЧ, АЯдв — потери в преобразователе и двигателе соответственно.

Потери в преобразователе складываются из составляющих:■ потери в вентилях выпрямителя и автономного инвертора

напряжения (АИН);■ потери в дросселях, фильтрах электромагнитной совмес

тимости на входе выпрямителя и выходе ПЧ;■ потери в конденсаторах звена постоянного тока и выход

ного фильтра.Основную долю полных потерь мощности в ПЧ составля

ют электрические потери в вентилях выпрямителя, АИН и дросселях.

Точный расчет потерь в ПЧ представляет собой сложную задачу, поэтому здесь ограничимся усредненными значениями КПД л„ч= (0,95 + 0,98) [11].

При частотном способе управления потери в двигателе

ДРдв = АРэл! + ДРэлг + &Рре + АР я Составляющие потерь в обмотках

(5.28)

ДР»1= Д Р *1н-|-Г-Ми

\2

эл2и ' 1LIL

(5.29)

Потери в стали статора могут быть определены по (5.17), механические потери — по (5.13).

В заключение отметим, что каждая из составляющих по

терь зависит от режима работы двигателя, отношения -т-, тол

есть от закона регулирования (см. гл. 3 ). Например, при Мс = М„ = const, Д(о = const, /2 = const полные переменные потери

ГЛАВА 5. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 139

5.3.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Динамические режимы (или переходные процессы) связаны с процессами накопления и отдачи энергии — электромагнитной, механической, тепловой. На протекание переходных процессов оказывают влияние различные виды инерции:

1) инерция электромагнитная, обусловлена энергией магнитного поля, связанной с обмотками машин и аппаратов,

А 2\ f ;2\W3U=U

2+ Lo + M\2hl2',

2) механическая инерция, связанная с кинетической энергией вращающихся и движущихся поступательно масс,

wK= s f - , w , = j ( i ±

3) тепловая инерция, связанная с накоплением и распространением (передачей) тепловой энергии.

Степень влияния инерционности того или иного вида характеризуется соответствующими постоянными времени, определяющими скорость протекания переходных процессов.

Электромагнитная постоянная времени Тэ И Ц где L иК

R — индуктивность и активное сопротивление обмотки Электромеханическая постоянная времени

Т„ =(сФ) В

(см. ниже).

Постоянная времени нагрева Ти = —, где С = cm — тепло

емкость, А = aS — теплоотдача (см. гл. 6 ).Тепловые процессы протекают значительно медленнее

электромагнитных и механических, поэтому их рассматривают отдельно. Электромагнитные процессы по сравнению с механическими являются быстрыми (Т3 «С Т„), поэтому во многих случаях ограничиваются рассмотрением только механических переходных режимов (электромеханических).

1 40 А. П. ЕП И Ф А Н О В. О С Н О ВЫ Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

5.3.1.ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПРИВОДОВ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Из возм ож ны х динамических режимов здесь рассмотрим только пуск, торможение и реверс электроприводов [ 3 ,4 , 5 ] .

Процесс пуска Д П Т независимого возбуждения в одну ступень описы вается уравнениями электрического и механического равновесия.

где с = СФ при Ф = const; U = con st — напряжение сети; R = = Ra + Raa — полное сопротивление якорной цепи.

Реш ение для угловой скорости Q)(f), без вы кладок [3, 4]

где сос — установивш ееся значение скорости при моменте со-

— электромеханическая постоянная времени; Мкз — момент Д П Т при К З (и введенном сопротивлении в якорную цепь),

— скорость идеального холостого хода; 0)1|ач — начальное зн ачение скорости.

Электромеханической постоянной времени назы вается время, в течение которого привод с моментом инерции J разгоняется без цагрузки из неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода Шо при неизменном моменте, равном моменту короткого зам ы кания. Постоянная Т м не за висит от нагрузки, но зависит от Мкз, то есть тока /а. С увеличением Я увеличивается и постоянная времени, так как ум еньш ается Мкз.

U = С Ф в)+ »(*)•#;

или (5 .3 0 )U = m + i(t) -R ;

М =ci(t) = Mc + J

ы(г) = Шс +(ш|1ач - w j e Т», (5 .3 1 )

противления Мс;

- СФ/КЗ; Iкз ^ 3/дн, U^ = СФ

ГЛАВА 5. Э Н Е РГЕ ТИ К А ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 1 4 1

Е сл и п у ск соверш ается под нагрузкой из состояния покоя (а)„ач = О), то ( _j_

ш = сос 1 - е т- |. (5 .3 2 )

При п у ске без нагрузки , сос = оо0f _j_

to = (Dq 1 — е r” (5 .3 3 )

На ри сун ке 5 .5 п редставлены кр и вы е ca(t), i(t) при пуске в одну и н ескол ьк о ступен ей , под нагрузкой и без н агрузки . П роцесс п у ск а практи чески зак ан ч и вается при t = (3 4 ) Т М, так как скорость при этом отличается от (Оо (или (0С) на (5 2 )% . О тр езок А В на р и сун ке 5 .5 , б равен перепаду скор ости от д ей стви я н агр узки , Асо = со0 - (ос. Е сл и бы п у ск совер ш ал ся при неизм енном зн ачен и и мом ента М кз, то скор ость и зм ен я л ась бы лин ей н о, по прям ы м ОА и ОВ.

Рис. 5.5Кривые i(t) (а ) , со (I) (б) при пуске Д П Т независимого возбуждения, в одну

ст упень; график i(t) и сo(t) при пуске в несколько ступеней (в):1 — пуск под нагрузкой; 2 — пуск вхолостую.

П ри п у ск е в н е ск о л ь к о сту п ен ей (р и с. 5 .5 , в) т о к к о л е б л ет ся от 1\, до /2 и з -з а вы к л ю ч ен и я сту п ен ей п у ск о в о го р ео стата. П ри этом в ы в ед ен и е м Raa у м е н ь ш а е т с я и э л ек т р о м ех а н и ч е с к а я п о ст о я н н а я вр ем ен и , что п р и вод и т к том у , что вр ем я работы на к аж д о й п осл ед ую щ ей ступ ен и р азли чн о: tT\ > tx2 > tx3.

Т о к в о б м о тк е я к о р я при п у с к е п од н а гр у зк о й и з н еп о д в и ж н о го со с т о я н и я

^ S l R i i B L <5 3 4 )


где/„с — установившееся значение тока; /кз = г кого замыкания, при со = 0; R = Ra +Raa.

При пуске без нагрузки, когда /^ “ 0

ток корот-

t(5.35)i(t) = IK3-e т».

Торможение противовключением осуществляется изменением полярности напряжения на выводах обмотки якоря, причем для ограничения тока вводится дополнительно резистор Raд. График перехода из двигательного режима в режим про- тивовключения показан на рисунке 5.6. Торможение проис

ходит по характеристике М„ачО\. Если двигатель в точке 0\ не отключить, то он, развивая момент М > Мс, разгонится в противоположном направлении до скорости — соусх (рис. 5.6, б). Процесс торможения и последующего разгона в обратном направлении до скорости —соуст называется реверсированием. Значение Мплч, /Н4Ч определяются сопротивлением якорной цепи.

При динамическом торможении уравнения равновесия

а б <о

Рис. 5.6Схема (а) и механические характеристики (б) ДПТ

независимого возбуждения при переходе из двигательного режима в режим противовключения

С Ф -a>+i(t)-R = 0;

C < bi(t) = J ^ + M c, <5 -3 6 )atгде R = Ra + Я а„ — полное сопротивление цепи якоря.

ГЛАВА 5. Э Н Е Р ГЕ Т И К А Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д О В 143

Рис. 5 .7Механические характеристики ДПТ неза висимого возбуждения при переходе

из двигательного режиме в режим динамического торможения (а); кривые со(I) и i(t) (б) при динамическом, торможении

Решение для скорости при торможении с нагрузкой_<_

о # ) = -Дсос + (юнач + Д(ос) • е г« , (5 .37)

где А М С ' ЛДоос = , - — абсолютное значение перепада скорости,(СФ)2

по характеристике динамического торможения при моменте нагрузки Мс (рис. 5 .7 , а).

При динамическом торможении без нагрузки, Мс = О, Д(Ос = 0 и (0нач = (Оо _i_

ЩЩг=(й0е Ти- (5 .38)

Переход из двигательного режима в режим динамического торможения показан на рисунке 5.7, а, а зависимости со(£), i(t) — на рисунке 5.7, б. Значение сонач = сос (рис. 5 .7, а ) , а вершины М„ач и /нач определяются сопротивлением резистора, на который зам ы кается обмотка якоря, при Ф = const (см. гл. 2 ).

В двигателях последовательного возбуждения магнитный поток и момент нелинейно изменяются в зависимости от тока якоря. Поэтому переходные характеристики имеют

Рис. 5 .8Электромеханическая характеристика ДПТ последовательного возбуждения при реверсировании: 1 — естественная характеристика двигателя; 2 — характеристика в режиме противовключения-


более сложный вид. На рисунке 5.8 приведены характеристики ш (4) при реверсировании двигателя. Динамическое торможение часто осуществляется по схеме двигателя независимого возбуждения, поэтому справедливы выражения (5 .36 -5 .38 ).

5.3.2ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ПОСТОЯННОГО ТОКА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Ранее (см. пп. 5 .1 ,5 .2) приведен расчет потерь электроприводов в установившихся режимах, когда Мс = const, /„ = const,О) = const.

В переходных режимах целесообразно определять не среднее значение потерь мощности, а расход и потери энергии за время переходного процесса, так как здесь I * const, 0) Ф const.

В общем случае потери энергии в двигателе за время переходного процесса fnn [3 ,4 , 5]:

пт

Д Waa = J (ДРС + ДР„) {t)dt. (5.39)о

Динамические режимы характеризуются повышенными значениями тока, поэтому постоянные потери ДРс в силу их малости по сравнению с ДР„ можно не учитывать.

Для ДПТ независимого возбуждения потери при пуске и

ДИ^п = j М(о>о ~(o)dt, ( 5 .4 0 )о

V*где (Оо = — скорость идеального холостого хода.

При пуске вхолостую при Мс = 0 из уравнения движения

лл J-doa j * J-d(oЧ - — З Г

тогда из (5.40) при шнач = 0wo

AWao = J У(а>о -o))rf(o=Шнач


Видно, что потери энергии при пуске двигателя вхолостую определяются запасом кинетической энергии вращающихся масс, накопленной к концу пуска. При этом ДИ^о не зависит от того, вводится пусковое сопротивление в якорную цепь или нет.

Основное здесь: напряжение сети при пуске U = const.

Полезная работа при пуске вхолостую также равна запасу кинетической энергии

A H ' , =

Рис. 5.9 Идеализированные графики

(0(1), Р1(1),иР2(1)ДПТ независимого возбуждения

при пуске вхолостую

Суммарная энергия, потребляемая из сети

ДИэл = ДИш, + ДИпол

(5.42)

(5.43)

На рисунке 5 .9 приведены идеализированные графики (o(t), полезной и потребляемой мощности. Потребляемая из сети энергия изображается прямоугольником Obcf, а полезная мощность растет по прямой Od (скорость растет линейно Oj). При этом не учитываются постоянные потери ДРс (отрезки ab, cd, ef). По окончании пуска (время £по) полезная мощность падает до нуля (Мс = 0 ). Энергия, потребляемая цепью якоря, пропорциональна площади Oadf, потери в якорной цепи — площади треугольника Oad, а полезная энергия W2 — Odf.

При пуске под нагрузкой и Мс = const, (0нач = 0 потери энергии / l

Д^о = |М(соо - сo)dt = \(МС+ Мапи) (coo - (o)dt. (5.44)

Подставив в (5.44) dt = Jd(Q получим


где шс — установившееся значение скорости при моменте Мс.Первый член в (5.45) представляет потери энергии в якор

ной цепи, вызванные разгоном инерционных масс, подобно(5 .41), а второй — наличием момента нагрузки Мс. Таким образом, полные потери

ДЖп = ДЖпдин + ДЖпс. (5.46)

Если считать, что о)с = соо (жесткая характеристика), то

/ййДЖ, (йо<п - j аЖ (5.47)

Интеграл в (5.47) есть не что иное, как путь, проходимый приводом за время t„. При равноускоренном движении

отогда потери энергии будут

(5.48)

При торможении противовключением вхолостую потери в якорной цепи

О “и о i , J= j /(-(Do-to)rfco = |/(o)o +(o)rf(o = — ( 5. 49)

(DO 0При этом энергия поступает с вала двигателя (механиче

ская) и из сети при Uc = const (электрическая), сумма этих составляющих и определяет тройной запас кинетической энергии.

При торможении противовключением под нагрузкой (Мс = const), подобно (5 .45 ), но при соответствующих знаках и 0)с » 0>о

3/ойДИС„ =- (OqIt + j (odt (5.50)

Здесь также можно получить выражение типа (5.48) при е = const.

Видно, что потери энергии при торможении двигателя под нагрузкой меньше, чем вхолостую (знак « -» перед второй составляющей).


При динамическом торможении ДПТ кинетическая энергия преобразуется в электрическую и выделяется в якорной цепи (обмотка и резистор) в виде теплоты.

Торможение вхолостую, как и при пуске

A Wjo = ^ Г - ( 5 -5 1 )При торможении под нагрузкой (Мс = const)

AW™ B ^ R J S (5.52)о

Потери энергии при реверсировании без нагрузки равны сумме потерь при торможении противовключением (5.49) и пуске (5.41) -ад 4^

ДИ о= J /(-«о (5.53)too

При реверсировании под нагрузкой потери равны сумме потерь по (5 .44 ,5 .48 ) и (5.50)

AWp I AWa I АН^. (5.54)

Особо отметим, что при пуске и торможении ДПТ независимого возбуждения вхолостую и Uc = const потери в якорной цепи не зависят от значения тока якоря, числа пусковых ступеней, электромагнитного момента и времени пуска (торможения).

П р и м е р 5.1. Пригородный электропоезд массой 250т (10 вагонов по 25 т) разгоняется при U = const до выхода на естественную характеристику — скорость v = 36 км/ч = 10 м/с.

Определить потери энергии при пуске и динамическом торможении.

Потери энергии при пуске

ДWa = 250• 103 = 12,5 • 10е Дж = 3,5 к В т• ч.Ш W

При суточной работе в течение 18 часов и пусках каждые 7,5 минут (144 пуска)

Д И ^ = AW„ • 144 = 500 кВт • ч.

Не трудно видеть, сколько энергии теряется в масштабах города и всей страны.

При динамическом торможении потери будут такими же, как и при пуске, ДW„x = 500 кВт • ч.


5.4.ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Общность процессов электромеханического преобразования энергии в электрических машинах [18 ,19] во многом определяет единство подходов и приемов при рассмотрении не только установившихся режимов электроприводов, но и переходных процессов. Однако для асинхронных электроприводов есть ряд важных особенностей по сравнению с приводами постоянного тока [ 3 , 4 , 5 , 8 , 1 1 ] .

1. В АД электромагнитные переходные процессы оказывают большее влияние на электромеханические. Поэтому динамическая механическая характеристика далеко не совпадает со статической, рассчитанной по параметрам обмотки на основе схем замещения (рис. 5 .10). При наличии момента нагрузки и больших инерционных масс двигатель относительно долго работает при низких скоростях, когда электромагнитные процессы затухают медленно. Следовательно, и вид динамической характеристики определяется не только параметрами обмоток, но и моментом нагрузки, моментом инерции и видом самого переходного процесса (пуск, торможение, реверс).

2. Динамическими режимами АД с фазным ротором возможно управлять введением сопротивлений в цепь ротора, подобно ДПТ с резисторами в якорной цепи.

Рис. 5 .10 Характеристики АД:

а — статическая (2) и динамическая (7) механические характеристики; б — переходные характеристики при частотном пуске АД вхолостую.


3. Двигатели с короткозамкнутым ротором запускаются, как правило, прямым включением в сеть. При этом пусковой момент М„ = (1 + 2 )М„, пусковой ток /п = (4,5 + 7)/„.

4. Механическая характеристика со(М) имеет нелинейный характер (см. гл. 3), электромагнитный момент изменяется от Мкз = М„ до Мт при (0К, затем уменьшается до М„ при сон или М = Мхх при О) = со0.

5 .4 .1 .Д И Н А М И Ч ЕС К И Е Р Е Ж И М Ы

Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А ТЕ Л Я М И

Механические переходные процессы в асинхронном электроприводе описываются основным уравнением движения (см. гл. 1)

M (s)-M c( ш) = Jdcodt

(5.55)

где M(s) и Мс(со) — механические характеристики (статические) двигателя и рабочей машины.

При допущении Мс = const, учитывая приближенную зависимость M(s) (упрощенную формулу Клосса), уравнение (5.55) может быть решено аналитически.

При этом d<a too dsdt dt

2 Mn

и можно записать

sK | s s sK

■~МГ = - Jatpdsdt (5.56)

Решение для s(J), со(t) и M(t) из (5.56) достаточно сложное [3, 4], поэтому ниже приводится только оценка переходных процессов для холостого хода, то есть при Мс = 0.

Из (5.56) при Мс = 0 следует

dt = -T * \ ^ + — Ids;s*н»ч

Su

nn пО- f J T +f H ! = T In (s| S2 )°KOH /

(5.57)


m J COqгде т« - ш электромеханическая постоянная времени;

«нач. skoh — начальное и конечное значения скольжения; £пп0 — время переходного процесса при Мс = 0.

Для режима пуска $нач = 1, sKOH = 0 ,05, время переходного процесса равно времени пуска

пО -■ук 1 п 2 0 + (1 -0 ,0 5 2)

2sKsKl,5sK + - J j. (5.58)

Видно, что время пуска зависит от характера механической характеристики, то есть значения sK. При sK = 0 ,408 время пуска tn0 = 1,22jTm — минимально.

Торможение противовключением, «нач = 2, sK0H = 1

(5.59)tIo= JrM|0,35sK+ - s K|.

При динамическом торможении sHa4 = 1, sK0H = 0,05, поэтому справедлива формула (5 .58).

5 .4 .2 .П О Т Е Р И Э Н Е Р ГИ И

А С И Н Х Р О Н Н Ы Х Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В В Д И Н А М И Ч Е С К И Х Р Е Ж И М А Х

Ранее (см. п. 5 .3 .2) указывалось, что в динамических режимах следует говорить не о мощности, а о потерях энергии за время переходного процесса. Общее выражение (5.39) остается в силе и здесь, как и учет только потерь энергии, обусловленных переменными потерями мощности ДР„.

Составляющая потерь энергии AWV может быть определена через электрические величины — токи и сопротивления статора и ротора как

%Й ппAWV = 3 J i(2(i)f?i<ft + 3 J u?(t)Rldt. (5 .60)

о оСложность расчета потерь по (5.60) заключается в том, что

необходимо знать законы изменения токов ц и £2 в переходном процессе. Кроме того, сопротивление короткозамкнутой обмотки за время пуска и торможения не остается постоянным из-за поверхностного эффекта (/2 = var).


Поэтому здесь, как и ранее, переменные потери выражаются через механические величины — момент и скорость.

При пуске асинхронного двигателя вхолостую (Мс = 0) потери энергии в цепи ротора (без вывода), подобно двигателю постоянного тока (5.41),

A W U = »’. ) = М ( Уаач _ Skoh)> (5.61)

2я/,где индексы: п — пуск; L — цепь ротора; о>о = --------- скорость

идеального холостого хода; сонач — начальная скорость.При (Онач — 0, $нач 1 > ®кон 0

Д^„20 = ^ - (5 -6 2 )

При торможении противовключением синач = 0)о> °>KO„ = 0(*н»ч = 2, sK0H = 1)

Д И ^ ^ р - . (5.63)

При реверсе ш„ач = -соо, соко1! = со0 или sHa4 = 2, sK0H = 0

(5.64)

Потери энергии в цепи обмотки статора в общем виде

А п - O T 2 D _ A P 2 - R \ л н / _ A ^ 2 v o ' A _ _

P\vo ------щ > pîuo ~ щ • (о.65)

Полные потери энергии

/cog R\“ 2 R' 1^нач *кои)‘ (5.66)

Отметим, что здесь, так же как и в ДПТ, потери в обмотке ротора не зависят от сопротивления R2, времени пуска, зависимости M(s) при пуске.

При пуске и торможении под нагрузкой справедливыми остаются формулы (5 .4 5 -5 .5 2 ) для двигателей постоянного тока. Подставив в (5 .47 ,5 .52 ) значение

dt = -----^ — dsш ш т


из уравнения движения и полагая, что за время пуска момент двигателя остается неизменным М — Мср = const, получим общую формулу (для оценочных расчетов) для двигателей постоянного тока и асинхронных

АЖ“Т = (М М-М - 4 > н)= (5 -6 7 )(Мср + Мс) 2 Мср + Мс

5.5 .СНИЖЕНИЕ ПО ТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Во многих случаях переходные процессы занимают существенную часть общего цикла работы электроприводов, поэтому снижение потерь в таких режимах имеет важное значение. Отметим лишь приводы грузоподъемных механизмов, лифтов, многих транспортных средств, работа которых характеризуется частыми пусками и торможениями.

Анализ полученных выше соотношений, в частности (5.41, 5.61, 5 .66 ), определяет два основных способа снижения потерь энергии в переходных процессах:

1) уменьшение момента инерции электропривода;2) регулирование скорости идеального холостого хода.Уменьшение момента инерции ротора электродвигателей

возможно:1) применением малоинерционных электродвигателей за

счет повышения отношения длины к диаметру ротора;2) выбором рационального передаточного числа механи

ческой передачи, конструкционных материалов.Регулирование скорости идеального холостого хода может

быть обеспечено для ДПТ использованием систем У В -Д , Г -Д , Ш И П - Д (см. гл. 2 ), а для асинхронных двигателей изменением числа пар полюсов (ступенчато) и регулированием частоты по схеме П Ч -А Д (см. гл. 3).

Рассмотрим пуск двухскоростного АД на высокую скорость при Мс = 0, (рис. 5.11, а ). Пуск в этом случае возможен двумя способами: прямым включением обмотки на число полюсов р и скорость (йог или включением обмотки сначала на число полюсов 2р и скорость Шо1 с последующим переключением нар и о>о2 (ступенчатый пуск).


При прямом пуске (sHa4 = 1, sm„ ~ 0) потери энергии в роторе

(5.68)

При пуске в две ступени: первая ступень нгач кон ®*вторая ступень 5нач = 0,5, sKoh Р Соответственно потери

л иг’ ... .АИ'гпО= « = о >

bW2'a0 =

2* ° 2 /„2 _ „2 \ - ^Ы0 2 \*нач дкон! ~ g

OBM1 ОВМ2

Рис. 5.11 Характеристики двухскоростного АД при двухступенчатом. пуске (а); схема, (б)

и график процесса разгона (в) двухдвигательного привода с ДПТ независимого возбуж

дения в две ступени


Суммарные потери за время пуска1 /|\2

AW2n0 = ДИ^о + д и ^ о = - ~ : (5.70)

Видно, что при пуске в 2 ступени потери энергии в цепи ротора вдвое меньше по сравнению с прямым пуском. Очевидно, что при этом уменьшатся и потери в обмотке статора.

В общем случае, при п ступенях скорости идеального холостого хода, потери в роторе уменьшаются в п раз

где соо„ — максимальная скорость идеального холостого хода двигателя, соответствующая последней ступени.

Сокращаются потери и при ступенчатом торможении.Для двигателей постоянного тока ступенчатое изменение

скорости идеального холостого хода достигается в многодвигательных приводах переключением групп соединения: последовательное- (последовательно-параллельное) -параллельное (см. рис. 5 .11, б). На практике это используется на железнодорожном транспорте.

Например, вагоны метро все моторные. Двигатели на напряжение U = 375 В, в контактной сети Uc = 750 В. Пуск возможен в две ступени для одного вагона (4 двигателя) или в три ступени для двух вагонов (8 двигателей). Характер изменения потерь при этом будет таким же, как показанный на рисунке 5.11, в.

Из (5.71) следует, что при п —» «. потери можно сократить до нуля (теоретически). Реально это возможно сделать при плавном изменении о>о в приводах Г -Д , П -Д П Т , П Ч -А Д , причем изменение Шо должно быть очень медленным. Практически, по условиям функционирования, время переходного процесса tnо ограничено, поэтому потери возможно только существенно снизить (до 5 - 7 раз). Например, при линейном изменении напряжения на якоре Д П Т [ 3, 4] потери энергии

Видно, что степень снижения потерь определяется соотношением электромеханической постоянной времени Тм и вре-

(5.71)

(5.72)

ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРО ПРИ ВОДОВ 155

- Ш пмени пуска <п0, или величинои Для асинхронных приводов аналогичным показателем является темп увеличения час

тоты, В современных ПЧ величина при пуске может задаваться в широких пределах [4, 11]. Реально пуск производят при токах 1\ ~ 1,5/t,,.

Обычно при частотном управлении минимальные потери достигаются при оптимальном значении частоты вторичных

hтоков/2 или абсолютного скольжения Р ОПТ “ е * При этом за-/н

данному току статора соответствует наибольший электромагнитный момент, что обеспечивает необходимое быстродействие (время £по).

П р и м е р 5.2. В примере 5.1 предполагалось, что при напряжении в контактной сети (7С = 3000 В и Ua„ = 750 В все четыре двигателя соединены всегда последовательно. В настоящее время промышленность выпускает комплекты электрооборудования моторных вагонов с двигателями на напряжение (/„„= 1500 В. Следовательно, пуск и торможение возможно проводить в две ступени — последовательном и последователь- но-параллельном соединении. При этом потери снижаются в два раза.

П р и м е р 5.3. Двухскоростной АД имеет данные: Р„ = = 2,5 кВт; «ot = 1500 об/мин; = 3000 об/мин;/= 0,23 кг • м2;

-§ -= 1 ,6 ; Мс = 0.«2

Рассчитать потери энергии при прямом и ступенчатом пусках и торможениях.

1. Угловые скорости

2я/1а9 2я " 3000 о л / / а с7 in (Ooi = 1 — = 314 рад/с; Мог = 157 рад/с.

2. Полные потери при прямом пуске, по (5.66)

AWa0 _ р2 \_2

0 ,2 3 -3142 (1 +1,6) (I2 - О2) = 29 480 Дж.2

3. Потери при ступенчатом пуске:


а) пуск до скорости СО02

AWn0, = +1,6) (I2 - О2) = . 2,6 • 1 = 7370 Дж;

б) пуск ДО скорости О>02 ( 5нач = 0,5, SKOH = 0)

A wa02 = 0 ,2323142(1 +1,6) (0,25 - 0 ) = 7370 Дж;

в) суммарные потери при ступенчатом пуске

АИ по = А1У„о1 + A W„o2 = 14 740 Дж.

Потери уменьшились в 2 раза по сравнению с прямым пуском.

4. Потери энергии при одноступенчатом торможении противовключением от (Dot Д° нуля по (5.66) при «нач = 2, sKOI4 = 1.

ДИ^о = ~ ~ "~2~~~ 2'(1+ 1-6) (22 - 12 ) = 88 440 Дж.

5. Потери энергии при двухступенчатом торможении.а) генераторное (динамическое) торможение от (Doi до (йог:

АИ'о! = ° ,2321j72 (1 +1,6) (I2 - О2)= 7 3 7 0 Дж;

б) торможение противовключением o t(Do2 до 0:

о 94.1^72A W%02 = ’ 2 (1 +1,6) (22 - 12)= 2 2 1 1 0 Дж;

в) суммарные потери:

AW.0 = Д Wm + Ш щ = 7370 + 22 110 = 29 480 Дж.

По сравнению с одноступенчатым торможением здесь потери уменьшились в 3 раза.

■111И11ШШ1111М111111М1ШШШШ111И11ШИ111111Ш11ИШ1111Л111111ДО1111Ш1И1М1

Г Л А В А 6

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ

6.1.ОБЩ ИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПО ВЫ БО РУ ДВИ ГАТЕЛЯ

Н адеж ная и экономичная работа электропривода возможна только при соответствии двигателя режимам, в которых он должен работать совместно с производственным механизмом, и ожидаемой нагрузке.

Основным требованием при выборе электродвигателя является соответствие его мощности условиям технологического процесса. Определяющими при выборе мощности являются нагрев его обмоток, а также возможные кратковременные перегрузки. Следовательно, можно сформулировать и требования: при работе двигателя температура изоляции обмоток не должна превышать предельных допустимых значений для используемого класса изоляции.

При недостаточной мощности будет повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя.

При завышенной мощности растут начальная стоимость привода, потери энергии из-за снижения КПД, а для асинхронного электропривода — и коэффициента мощности [24 ,25 ].

Важным является соответствие условиям пуска рабочей машины и возможных перегрузок, то есть пусковой и максимальный момент двигателя.

Выбор серийных двигателей производится с учетом следующих показателей [3 ,4 ] .

1. Род тока. Двигатель должен иметь род и величину напряжения, соответствующие сетям предприятий.

2. Скорость. Для вновь проектируемого привода номинальная скорость двигателя и передаточное число редуктора выбираются на основе технико-экономического обоснования. Эго


особенно важно для электроприводов, работающих с частыми пусками, реверсами, остановками. При имеющемся редукторе выбор номинальной скорости двигателя проводится по заданной скорости исполнительного органа и передаточному числу редуктора.

3. Способ вентиляции и защита от действия окружающей среды. По способам защиты от действия окружающей среды различают двигатели открытые, защищенные и герметичные. Для работы в особых условиях выпускаются специализированные двигатели [24]. По способам вентиляции — двигатели с естественной вентиляцией, самовентиляцией и независимой (принудительной).

Порядок выбора электродвигателя:1) расчет мощности и предварительный выбор двигателя;2) проверка выбранного двигателя по условиям пуска и

перегрузки;3) проверка выбранного двигателя по нагреву.Если выбранный в п. 1 двигатель удовлетворяет условиям

пп. 2 и 3, то на этом выбор заканчивается. Если не удовлетворяет условиям пп. 2 и 3, то выбирают другой двигатель и проверка повторяется.

Основой для расчета мощности и выбора электродвигателя является нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (та- хограмма) исполнительного органа рабочей машины.

Нагрузочная диаграмма рабочей машины — это зависимость приведенного к валу двигателя статического момента нагрузки от времени — Mc(t).

Нагрузочная диаграмма привода, как правило, не совпадает с нагрузочной диаграммой рабочей машины вследствие наличия инерционных масс (моментов инерции) и наклона механических характеристик двигателей (жесткость Р * ° ° ) . При пиках нагрузки инерционные массы отдают часть запаса кинетической энергии, облегчая работу двигателя. При резко пиковой нагрузке иногда с целью сглаживания нагрузочной диаграммы искусственно увеличивают момент инерции, устанавливая маховик. Особо отметим, что выбор мощности двигателя может быть сделан только на основе нагрузочной диаграммы самого двигателя. При предварительном выборе двигателя, его номинальный момент принимается большим, чем

ГЛАВА 6. В Ы Б О Р Э Л ЕК Т РО Д ВИ ГА Т ЕЛ Я ПО МОЩНОСТИ 159

М.среднее значение статического момента с учетом динамических нагрузок.

Л/„ = К3 - Л/сэ == (1,1 + 1,5)Мсэ, (6 .1 )

где К3 = ( 1 , 1 1 1,5) jMca — среднее квадратичное значение статического м омента(приведенного) за цикл работы tn. Коэффициент запаса К3 в (6.1) должен быть тем больше, чем резче пики нагрузки рабочей машины и больше включений в час должен иметь двигатель.

Диаграмма скорости — это зависимость скорости движ ения исполнительного органа от времени VHO(t) или ш„„(£)•При известном передаточном числе редуктора после приведения тахограмма изображается графиком о>(£).

На рисунке 6 .1 , а, б в к а честве примера приведены нагрузочная диаграмма и тахограмма рабочей машины; на рисунке 6 .1 , в, г — график динамического момента (пуск и торможение) и момента двигателя M(t). Цикл состоит из участков разгона tp, движения с установивш ейся скоростью ty„ торможения t, и паузы t0. Время цикла (ц = tp + fyCT + L, + to. На примере приведенных диаграмм порядок расчета мощности, предварительного выбора и проверки двигателя следующий:

1. Ориентировочно определяется номинальный момент двигателя согласно формуле (6 .1)

(6 -2 )

где К3 = (1,1 + 1,5) учитывает динамические режимы. Для диаграммы, показанной на рисунке 6 .1 , М„ = Мс. Если момент

Рис. 6.1К расчету мощности и проверке

двигателя: а — нагрузочная диаграмма исполнительного органа; б — диаграмма скорости; в — график динамического момента; г — зависимость момента двигателя от времени.


Р; ар

р. DРис. 6.2

Ступенчатый

О |АР*график мощности на валу двигателя и потерь в нем при продолжительнойU нагрузке

нагрузки Мс (ток, мощность) изменяется во времени (рис. 6.2), что чаще бывает на практике, то эквивалентный момент (ток, мощность) определяют как среднюю квадратичную величину, аналогично действующему значению переменного тока.

где Mci, t( — момент и длительность г-го участка нагрузочной диаграммы производственного механизма. Для рисунка 6.1 Мсз = Мс = const.

Как известно, нагрев двигателя определяется графиком тока /(f), то есть потерь ДР„. Поэтому методом эквивалентного момента можно пользоваться, если момент пропорционален току. Например, при ослаблении поля в ДПТ эта пропорциональность отсутствует,

поэтому приходится переходить к графику тока, построенному в масштабе моментов.

2. Определяется номинальная скорость двигателя. Для рассматриваемого случая (см. рис. 6.1) шн ^ Шуе,..

3. Рассчитывается номинальная мощность двигателя

4. По каталогу выбирается электродвигатель ближайшей большей мощности и скорости соответствующего исполнения.

5. Проводится проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности.

(6.3)

РИ — Мн • (|)„ ^ • Мсз ‘ ®усг" (6.4)

ГЛАВА 6. ВЫ БОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ 161

Момент двигателя в зависимости от времени на основании уравнения движения

М = МС+ / ^ = МС+М ДНН. (6.5)

Динамический момент Мл„„ определяется суммарным при-r dxoведенным моментом инерции У и ускорениями е= — на уча-

atстках разгона и торможения. При е = const (рис. 6. 1,6) ■Мдин = const. Следовательно, нагрузочная диаграмма двигателя представляет собой алгебраическую сумму моментов Мс и МдИ„ в зависимости от времени (рис. 6.1, г).

Таким образом, для рассматриваемого случая должно выполняться следующее условие:

Мт>Мх. (6.6)Если условие (6.6) выполняется, то двигатель обеспечит

I ускорение на участке разгона tp (рис. 6.1, б, г), если нет, сле-I дует выбирать другой двигатель. Напомним, что для двигате- ] лей постоянного тока максимальный момент ограничен ком-

МJ мутацией (по току якоря), -^ - = (2+3); для асинхронныхМ “

I двигателей - ^ 2- = (2+ 3).

6. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором | при прямом пуске должны проверяться по условиям пуска

Мп>Мс. (6.7)Для рассмотренного примера (рис. 6.1) М„ > Мс.Для двигателей с фазным ротором возможно Мт = М„, что

достигается выбором пусковых сопротивлений в цепи ротора.Необходимо отметить, что допустимые отклонения напря

жения сети переменного тока составляют (5 + 10)%, а в сель-I ских сетях из-за их протяженности и недостаточной мощно-I сти, особенно при пуске, существенно больше. Следователь

но, момент двигателя снижается и условие (6.7) будети К1-Ма >Мси, (6.8)

где л в — _. •I Ш, н

Если выбранный двигатель удовлетворяет условиям пп. 5 и 6, то проводится проверка по нагреву. Этот этап рассматри-

* вается в следующих параграфах главы 6.6 — 1832

162 Л. 11. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6 2НАГРЕВАНИЕ

И ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ.КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Работа электрических машин сопровождается потерями, которые вызывают нагревание машины, отдельные элементы — обмотки, магнитопроводы и др., нагреваются по-разному. Очевидно, что нагреваться машина может лишь до определенной допустимой температуры, определяемой нагревостойкостью изоляционных материалов. Соблюдение установленных ограничений по температуре нагрева обеспечивает нормативный срок службы машины в течение 1 5 -2 0 лет. Повышение допустимых значений температуры приводит к преждевременному разрушению изоляции обмоток и сокращению срока службы. Так, для изоляции класса А превышение допустимой температуры на 8 - 10°С сокращает срок службы вдвое.

Анализ теплового состояния двигателя позволяет оценить степень его загрузки по мощности. Если нагрев двигателя близок к нормативному, это говорит о хорошем использовании установленной мощности двигателя, то есть его работе в близком к номинальному режиму. Если же нагрев двигателя существенно меньше нормативного, то двигатель недогружен и его мощность завышена по сравнению с требуемой. Кроме того, при малой загрузке энергетические показатели — КПД и coscp имеют меньшие по сравнению с номинальными значения (см. рис. 5.1)

Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, делятся на классы по допустимой предельной температуре (табл. 6.1).

Основными классами изоляции в электрических машинах на настоящее время являются В, F, Н.

При выполнении тепловых расчетов принимается стандартная температура окружающей среды, равная 40°С. Очевидно, что при снижении температуры окружающей среды

Таблица 6.1Классы изоляции

Класс изоляции А Е В F Н С

Предельная температура, °С 105 120 130 155 180 >180

ГЛАВА 6. ВЫ БОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ 1 6 3

двигатель может быть нагружен несколько выше номинальной мощности, а при повышении — ниже.

Тепловые потоки под действием разности температур отдельных элементов машины, корпуса и окружающей среды распространяются путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Отдельные части машины, выполненные из различных материалов, имеют разные теплоемкость и теплопроводность. Неодинаковыми являются и условия нагрева отдельных элементов.

Следовательно, точное исследование тепловых процессов машины представляет собой очень сложную задачу. Поэтому в теории электропривода изучение процессов нагрева и охлаждения двигателей проводится при следующих допущениях [2 ,3 ,4 ] :

1) двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее теплопроводность X = и одинаковую температуру по всему объему;

2) теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна разности температур машины и окружающей среды (превышению температуры);

3) теплоемкость двигателя и коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры.

Таким образом, имеем массу тела (двигателя) т, наружную поверхность — 5 пов. коэффициент теплоотдачи а , Дж/ (м2 -°С), удельную теплоемкость с, Дж /(кг-°С ). Требуется определить характер процесса изменения температуры ©(<), если суммарные потери — АР.

Уравнение теплового баланса:

dQ = dQt + dQ2, (6.9)

где dQ — тепловая энергия, выделившаяся в машине за время dt; dQ\ — часть энергии, которая аккумулируется в двигателе и вызывает его нагрев; dQi — энергия, отданная в окружающую среду.

Выразив составляющие уравнения (6.9) через тепловые параметры машины и время, получим:

f APdt = cmdQ + ctSQdt;1APdt = CdQ + AQdt, (6Л 0)


где АР — потери в двигателе, Вт; С = cm — общая теплоемкость, Дж/°С; А = aS — теплоотдача с поверхности машины в окружающую среду, Дж/°С; 0 = 0 ДВ - 0 оср —■ превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды.

Разделив (6.10) на dt, получим:

Д Р = с | + /1-0. (6.11)

При t —> оо, когда тепловой режим устанавливается, то есть

0 = const, тепловыделение при этом равно теплоотдаче, —г - =0.dt

Следовательно, установившееся значение превышения тем- пературы д/ д/>

v л S f (6-12)Решение уравнения (6.10) будет [3, 4]

( -/ \ i0(0 = 0 у 1 - е 7" + 0н «..ег" , (6.13)

гг, С cmгде l u — постоянная времени нагрева, которая равна времени нагрева тела до установившейся температуры без отдачи тепла в окружающую среду.

Величина Т„ изменяется от нескольких минут для машин малой мощности до нескольких часов у крупных машин (мощностью Р > 100 кВт).

Из (6.13) видно, что при скачке потерь (тепловыделения) температура тела двигателя изменяется монотонно, по экспоненте, скорость нарастания определяется величиной Тн. Роль инерционного элемента здесь выполняет теплоемкость С, подобно массе в механике, индуктивности в электромагнитных процессах.

При сбросе нагрузки (АР = 0) происходит охлаждение машины по закону

В (0 = в Уе Ж(6.14)

где Тос — постоянная времени остывания, зависит от внешних условий теплоотдачи.

В общем случае Т„ Ф Тос и, если машина охлаждается при отсутствии искусственной вентиляции, то > Т„.


Кривые нагревания (а) и охлаждения (б) двигателя

Количественно ухудшение теплоотдачи характеризуется коэффициентом ухудшения теплоотдачи при неподвижном роторе.

Ро = А = (0 ,3+ 0 ,95), (6.15)д

гдеАо.А — теплоотдача при неподвижном роторе и номинальной скорости соответственно.

Для случая независимой вентиляции (3 = 1, Т„ = Т ..На рисунке 6.3 приведены кривые нагревания и охлаж

дения однородного тела. Процесс нагрева можно считать установившимся, когда превышение температуры двигателя достигает (0,95 + 0 ,9 8 )0 усх. При этом время £уст~ (3 + 4)Т„ (рис. 6 .3).

Для оценки теплового режима электродвигателей необходимо знать график (диаграмму) потерь мощности от времени, который, в свою очередь, определяется диаграммой изменения нагрузки двигателя. По характеру изменения нагрузки на валу двигателя существующая классификация предусматривает восемь типовых режимов с условными обозначениями от S1 до S8 (см. рис. 6 .4).

При этом основными номинальными режимами являются S I , S2, S3, а остальные — их разновидностями. Для работы в режимах S I , S2, S 3 промышленность выпускает электрические машины, режим и соответствующие ему номинальные данные указываются на щитке.


5 1 S 2М М

S 4

\. Продолжительный номинальный режим работы (S1) — это режим работы двигателя при неизменной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышение температуры всех его частей достигает установившегося значения (рис. 6.4). Можно сказать, что время работы при этом tp > (3 + 4) Т„.

ГЛАВА 6 . В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И ГА Т Е Л Я ПО МОЩНОСТИ 167

1!ч

Рис. 6.4 Графики изменения

мощности и температуры в режимах SI-S8

2. Кратковременный номинальный режим ( S2) — это режим, когда периоды неизменной нагрузки чередуются с паузами (рис. 6 .4 ); при этом за время работы температура двига-

АРтеля не достигает установивш егося значения 0 = а за


время отключения все части двигателя охлаждаются до температуры окружающей среды. Стандартные значения длительности работы — 10, 30, 60 и 90 минут. Можно отметить, что для тяговых двигателей электротранспорта расчетным является часовой режим, £р = 60 минут.

3. Повторно-кратковременный номинальный режим (S3) — это режим, в котором периоды неизменной нагрузки чередуются с паузами (см. рис. 6 .4), причем за интервалы работы и пауз температура не достигает установившихся значений.

При этом максимальная продолжительность цикла £„ = = tp + t0 принята равной 10 минут, а сам режим характеризуется относительной продолжительностью включения е или продолжительностью включения П В%

е = — — = — ; П В% = — • 100% = е ■ 100% . (6.16)tp ~ to £ц

Стандартные значения П В составляют 1 5 , 2 5 , 4 0 и 60% .Режимы S 4 - S 8 являются более сложными, включают пе

риоды пуска, холостого хода, торможения, реверса, работы при разных скоростях. Основным же остается то, что по диаграммам нагрузки в итоге определяются допустимые потери.

В дальнейшем анализ тепловых процессов двигателя и оценка его нагрева проводится для режимов S I , S2 , S3 .

6 3ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЕЙ

ДЛЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ

В режиме S1 двигатели могут работать с постоянной или переменной (циклической) нагрузкой.

Постоянная нагрузка. Графики изменения момента и потерь приведены на рисунке 6.4. При этом о) = const, Р = Мш = = const, двигатель выбирается по условию Р ^ Р„, следовательно, выполняется и условие АР < АРн, 0 тах = 0 усТ < 0 ДОП, где 0доп — допустимое превышение температуры; Р„, АРн — номинальные мощность и потери двигателя соответственно. Очевидно, что здесь не требуется дополнительных расчетов по определению теплового режима двигателя. Если в каталоге нет двигателя по рассчитанной мощности, то выбирается ближайший больший по мощности.

ГЛ А ВА 6. В Ы Б О Р Э Л Е К Т РО Д В И ГА Т Е Л Я ПО МОЩНОСТИ 1 6 9

Примером таких механизмов могут служить насосы и вентиляторы, работающие при постоянных расходе Q и напоре Н.

Для насоса мощность двигателя

п p-Q Q -j-H g(6 .17)

Лнас Лнас

где р — давление, Па; Q — расход, м3/с; Лнас — КПД насоса; j — плотность жидкости, кг/м3; Н — напор, м\g = 9 ,8 м/с2. КПД насосов зависит от типа, скорости и давления, г|нас = 0 ,3 0 ,8 .[ 6 , 4 1 ]

П р и м е р . Q = 360 м3/ч; Н = 150 м; Т1нас = 0 ,75 ; п = 1500 об/мин, насос для перекачки воды.

р _ 3 6 0 -1 0 0 0 1 5 0 -9 ,8 = 196 000 Вт = 196 кВт 3 6 0 0 -0 ,7 5

При этом давление

p = j . H g = 1 0 0 0 - 1 5 0 - 9 , 8 = 1,47 - 106 Па.

Двигатель: 4А 315М 4У З, Рп = 200 кВт.Для вентиляторов, как и для насосов,

Р = -£ У - , (6 .18)Л веш*

где р — давление, Па; Q — расход, м3/с; Т1вент — КПД, riBeHT = = ( 0 , 3 + 0 , 8 ) — для центробежных вентиляторов; Лвсит= = (0 ,2 + 0 ,4 ) — для осевых [6, 41 ].

Переменная циклическая нагрузка. Если в режиме S1 нагрузка на валу не остается постоянной, а периодически изменяется (циклический характер, см. рис. 6 .2 ), то периодически будут изменяться потери в двигателе и его температура. Обязательным остается условие

©max ^ ®доп- ■ (6 .19 )

Отметим, что @ тах — усредненное значение температуры, а сама оценка нагрева двигателя может быть выполнена прямым или косвенным методом.

Прямой метод проверки заключается в расчете зависимости 0(< ) по формуле (6 .1 3 ). Для такой проверки необходимо знать тепловые параметры двигателя — С, А, Т„, которые не приводятся в каталогах, а расчет их весьма приблизителен.

170 А. П. ЕПИ ФАН ОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д А

Поэтому на практике задача проверки двигателей по нагреву проводится, как правило, косвенными методами. Основные из них:

1) метод средних потерь;2) методы эквивалентных величин — момента, тока и мощ

ности.Метод средних потерь является наиболее точным и уни

версальным. Суть его заключается в определении средних потерь АРср за цикл работы двигателя с последующим сопоставлением их с потерями в номинальном режиме. Условие соответствия двигателя по нагреву будет (см. рис. 6 .7)

ДРср < ДРН; ДРср = (6 .20)(=1

где APj — потери на i -м интервале; — длительность интервала; т — число интервалов.

Сам расчет потерь производится за цикл, достаточно удаленный (<р > ЗТ„), когда величина среднего превышения температуры не изменяется, то есть 0 ср ~ const. В этом случае тепловыделение равно теплоотдаче, а температура

АРСВ0 = — SE.

ср А •Если АРср > АР„, то двигатель будет перегреваться, а при

АРср < АР„ — недоиспользоваться по нагреву. В обоих случаях следует выбрать другой двигатель, построить новую зави симость АР = /(£) и вновь выполнить проверку.

Действительнее максимальное значение температуры отличается от среднего, и различие это зависит от соотношения длительности цикла и постоянной времени нагрева. Расхож дение среднего и наибольшего значений температуры незначительно, если £ц •с Тн и qt4 > (3 + 4 ) Тн, где q — число циклов. При этом 0 тах.» ©ср.

Применительно к графику работы, показанному на рисунке 6.2 , когда на каждом участке цикла Pt = const, APt — const,

AD AP^+APih + APzh^ V v U • ( 6 2 , )

Потери в двигателе для номинального режима определяются по каталожным данным — Ри, т]н.

ГЛ А ВА 6. В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И ГА Т Е Л Я ПО МОЩНОСТИ 17!

I

гдет1н — КПД двигателя в номинальном режиме.

На основе метода средних потерь базируются методы эквивалентны х величин — тока, *момента, мощ ности. Д ействи- о тельно, переменные потери в двигателе пропорциональны 1®,

Рис. 6.5

ц

а момент И МОЩНОСТЬ току В Диаграмма изменения тока

стоянства потока.Во всех случаях предполагается, что теплоотдача остает

ся неизменной или учитывается коэффициентом ее ухудш ения (см . п. 6 .2 ) .

Метод эквивалентного тока используется, когда известен график /(£) (рис. 6 .5 ). Условие работы двигателя по нагреву через среднеквадратичный ток, эквивалентный действительному, изменяющемуся во времени току, будет

— эквивалентное значение тока. Для графика, показанного на рисунке 6 .5 ,

первой степени при условии по- двигателя при циклической нагрузке

(6 .23)

где

Iftj + I$t2 +I$t3 + Ijh(6 .24)

а при произвольной форме тока

(6 .25)

Отметим, что условие (6 .2 3 ) справедливо, если постоянные потери не изменяются за цикл работы, то есть АРс = const. Это может быть при ш = const, Ф » const.


Метод эквивалентного момента используется при известном графике M(t) (см. рис. 6 .4 ). Здесь должно соблюдаться условие — постоянство магнитного потока на протяжении всего цикла работы двигателя. Это требование вытекает из соотношений для электромагнитного момента Д П Т М = СМФ • /а и АД М = СМФ • /2cos\|f2.

Условие работы двигателя в этом случае будет

Метод эквивалентной мощности предполагает график изменения мощности Р = Miо = f(t) (см. рис. 6 .2 ), но при дополнительном, по сравнению с методом эквивалентного момента, условии: не только Ф = const, но и со = сон = const. Само условие записывается в виде

В практических расчетах используют одну из приведенных выше нагрузочных диаграмм — AP(t), i(t), M(t), P (t), которая обеспечивает наиболее простой расчет и выполнение необходимых допущений при определении эквивалентных величин.

6.4 .ПРОВЕРКА ДВИ ГАТЕЛЕЙ ,

РАБОТАЮ Щ ИХ В КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖ ИМЕ

РАБОТЫ

Кратковременный режим работы характеризуется графиками, изображенными на рисунке 6.6 (также см. рис. 6 .4). В течение времени tp двигатель нагружен мощностью Рк, а затем длительное время отключен, так что температура его частей достигает температуры окружающей среды. За время работы температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения 0уСТ, соответствующего продолжительному режиму S1 при мощности Рк.

Для полного использования в режиме S2 двигателя, предназначенного для режима S 1 , его следует перегружать, то есть

(6.26)

ч i=i У i=i


Рк > Рн- Степень перегрузки зависит от продолжительности времени работы и постоянной времени нагрева. При этом к концу рабочего периода температура двигателя не должна превышать предельно допустимого значения (рис. 6.6)

®доп ®уст ® ус

и Л

• (6.28)

Для количественной оценки возможной перегрузки пользуются коэффициентами термической и механической перегрузки.

Коэффициент термической перегрузки — это отношение потерь мощности в кратковременном режиме к номинальным потерям (в режиме S1)

Рт =АРК _ © уст

Рис. 6 .6 Графики кратковременного режима-работы двигателя

АРи 0V ' . ь У1 -е г“ (6.29)

Коэффициент механической перегрузки — это отношение мощностей в кратковременном и продолжительном режимах работы

Р и = - j r = J ( l + a ) - p T - a . , (6.30)

АРгде а. = ——— коэффициент потерь (см. гл. 5); ДРс, ДPv — по- ЬРи

стоянные и переменные потери соответственно.Подставив в (6.30) значениерТ по (6.29), получим

Рн =(1 + а)рТ

( ' 1 -е 2 - а (6.31)

Зависимости коэффициентов термической и механической перегрузок от относительного времени работы при а = 1 представлены на рисунке 6.7.


Р т .

Из рисунка 6.7 видно, что

Рис. 6.7Зависимости коэффициентов термической и механической перегрузки от относительной продолжительности работы

при — = 0 ,3+ 0 ,4 допустимый■* м

по условиям нагрева коэффициент механической перегрузки близок к значению 2,5, что

соответствует перегрузочной способности двигателей по моменту (АД) и по току якоря (Д П Т ). Следовательно, при

0,3 полное использование таких двигателей по нагревуНограничено их перегрузочной способностью. Поэтому при м а

лых -=т- можно не проводить проверку двигателей по нагреву,■* м

Если пренебречь постоянными потерями, то есть принять а = 0, то

1

1 - е Т»= V a -

(6 .32)

а выполнить только проверку по условиям перегрузки.Отметим, что при изменяющейся нагрузке за время рабо

ты tp необходимо реальную нагрузочную диаграмму заменить эквивалентной (см. рис. 6 .4 ,6 .7 ) , воспользовавшись методом эквивалентных величин (см. п. 6 .3 ).

Для проверяемого по условиям нагрева двигателя должны быть известны номинальный момент М„, постоянная времени нагрева Тн, коэффициент потерь. Необходимое условие при этом

Мк =Мн -ри ^М 3 или Рк =Ри ри ^Р3, (6 .33)

где Рк, Мк — мощность и момент в кратковременном режиме; Рк — Мк ■ шн; Р„ — Мн • ш„; М3 — эквивалентный момент при изменяющейся нагрузке.

Промышленность выпускает специальные двигатели для номинального кратковременного режима. Основная их особенность — повышенные перегрузочная способность и посто-

ГЛАВА 6. ВЫ БО Р ЭЛЕКТРОДВИ ГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ 1 7 5

яяные потери. В таких двигателях проверка по нагреву требуется, если нагрузочная диаграмма не соответствует номинальным данным двигателя по времени работы tp и мощности Рк. Предполагается, что двигатель при номинальной нагрузке Ркн за каталожное время — 10, 30, 60 и 90 минут (нормированное) нагревается до допустимой температуры.

Если нагрузка Рк Ф Ркн и время работы tp Ф tp кат, то в течение реального времени tp Ф tp „„температура также не должна превышать допустимого значения.

где Рк„, АРКИ — номинальные мощность и потери в режиме S2 при нормированном (каталожном) времени 1р.

Если мощность по (6.37) больше эквивалентной мощности Ря, то двигатель будет работать в номинальном тепловом режиме. Аналогичные (6.37) расчетные формулы могут быть получены для допустимых момента Мк или тока /к.

П р и м е р 6.1. Выбрать асинхронный двигатель серии 4А для работы в кратковременном режиме с мощностью Рк = 18 кВт, длящейся в течение tp = 20 минут. Постоянная времени нагрева Т„ = 1 час. Момент на валу не зависит от скорости.

/(6.34)

V /

V /

(6.35)

Отношение потерь

(6.36)

откуда получим отношение мощностей

(6.37)


Р е ш е н и е . По формуле (6.29) находим коэффициент термической перегрузки

' 1 1A = - V = — ^Чг = 3’55-

1_ е т« 1 - е еоКоэффициент механической перегрузки по (6.30)

ри = yl(l+a)-рт - а = /(1 + 0,5)• 3 ,55—0,5 = 2,2,

где а = 0,5 — коэффициент потерь, а = Фр**Мощность двигателя "

Ра = - = 4^-= 8,2 кВт.Ри 2,2

Ближайший больший асинхронный двигатель 4А132М- 4УЗ, Р н = 11 кВт, пн = 1460 об/мин, М*п =3,0; Л/„ =2,2.

Двигатель необходимо проверить по механической перегрузке и условиям пуска:

Ма = — = 1^Q0Q‘30 =72 И-м;(Он Я • Пц

Мт = М'т • Ми = 3,0 • 72 = 216 Н • м;Ма =М* Мн =2, 2-72 = 158,4Н м.

Момент сопротивления механизма

М = Л = 18000 -30 = 117;8 Н - м < М п.О) п-п

Таким образом, выбранный двигатель обеспечивает пуск даже при снижении напряжения до 10%.

6.5.ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЕЙ

ДЛЯ ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОГО РЕЖИМА РАБОТЫ

Основными показателями режима работы S3 являются момент М на рабочих участках tp, продолжительность интервалов работы tp и паузы to, величина относительной продолжительности включения (см. рис. 6.4)

е = - ^ — = -; ПВ% = е - 100%. (6.38)

Г Л А В А 6 . В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО М О Щ Н О СТИ 1 7 7

Рг Л

Рг

• *р2 в l f p l l *0

Рг

t t

Рис. 6 .8График переменной нагрузки

для повторно-кратковременного режима-

Рис. 6 .9 Изменение температуры

двигателя при регулярном графике

К стандартному режиму нагрузки сводятся и более сложные, многоступенчатые графики (рис. 6 .8 ) путем расчета эквивалентных величин — момента, тока, мощности как

КШ ы 1

1=1

(6 .3 9 )

где п — число ступеней нагрузки; для графика, изображенного на рисунке 6.9 , п = 3; Pi — мощность (момент или ток) на отдельном участке цикла.

Для режима S 3 выпускаются специальные серии двигателей. В каталогах указывается номинальная мощность Р„ для стандартной продолжительности включения ПВ = 1 5 , 2 5 , 4 0 и 60% . При этом длительность цикла *ц < 10 мин.

Если мощность и ПВ по нагрузочной диаграмме равны или близки к номинальным, то проверка двигателя по нагреву не требуется.


Для достаточно удаленного от начала работы цикла колебания температуры устанавливаются (см. рис. 6.9), 0 тах = 0 уст =

0ДОП ® 0Щ1П = 00- Если постоянные времени нагрева и остывания равны,

например, при независимой вентиляции, то зависимости превышений температуры

пературы при работе в режиме S i c мощностью Р и потерями АР (рис. 6 .9); 0 уст = 0 ДОП — допустимое превышение температуры.

Подставив (6.41) в (6 .40), получим коэффициент термической перегрузки, как и в режиме S2 (см. п. 6 .4).

Выбор двигателей, предназначенных для продолжительного режима работы, но используемых в повторно-кратковре- менном, основан на анализе теплового состояния двигателя в интервалы работы tp и паузы t0. При допущении Тн = Т„. и пренебрегая постоянными потерями АРС, получают:

Если в реальном цикле е отличается от нормативной е„, то должно соблюдаться условие

где АР\ — средние потери, по нагрузочным диаграммам.

( J?_\ _h_ ©уст = 0 уст 1- е т« + 0 ое г«, (6.40)

\ /

0 0 — 0усг^ I(6.41)

©уст _ 1—е _ 1 — е и'е(<р+<0) • tp

0 VCT - i . -Ь.yC T J Г А Т

(6.42)

M$i - М$3VE; /si - /s3 ; Psi - PS3Ê- (6.43)

APi -tpi - All -tpH . . ^ , .pl 01 рн 0u

(6.44)

или

AP\ ■ et < AP„ • £„,

ГЛАВА 6. ВЫ БО Р ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ 179

Из (6.44) получены формулы пересчета

ЩШ Ро25 =Ре} / м 5 ’

Р°А Pofi Р,0 =Ре&(6.45)

где Pt, е — мощность и относительная продолжительность включения по реальной диаграмме нагрузки.

П р и м е р 6.2. Выбрать двигатель с фазным ротором для режима S 3 со следующими параметрами: Р\ = 100 кВт, t\ = 0 ,5 мин; Рг = 50 кВт, t2 - 3 мин; Р3 = 90 кВт, t3 = 0,5 мин; <о = 6 мин.

Постоянная времени нагрева Т„ = 60 мин; коэффициент ухудшения теплоотдачи во время паузы р = 0,25.

АРОтношение потерь а = —^- = 0,25; = tp + t0; ПВ = 40% .

Р е ш е н и е по м е т о д у т е р м и ч е с к о й и м е х а н и ч е с к о й п е р е г р у з к и . Коэффициент термической перегрузки по (6.42)

Рг =-\—е ти То 1_ е 60 240

1 - е г- 1 - е во= 1,36,

60где tp = + <2 = 4 мин; Тж = - ^ = ^ - ^ - = 240 мин.

Механический коэффициент перегрузки (6.30)

ри = J(\+a)-pT - а = yj( 1+0,5)• 1 ,3 6 -0 ,5 = 1,26. Эквивалентная мощность за время работы tp = 4 мин.

Р \ к + P j-h + P j- t3t\ + 2

/]002 0,5 + 502 -3 + 902 0,5 с / с „ = J ’ - » Е — = 64,5 кВт. V 0 ,5 + 3 + 0,5

Необходимая мощность двигателя


Ближайший больший по мощности двигатель:

4А К2508В4УЗ, Рн = 55 кВт, ге0 = 1500 об/мин;ММ* = ^ - = 3, п = 1 4 7 0 об/мин.

Наибольший момент по диаграмме нагрузки — при Р\ == 100 кВт. Pi 100 103 -30 = 650 Н • м.

сон я -1470 Максимальный момент двигателя

Мм = 3 • Мп = 3 = 1072 Н м.

Следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет и по условиям перегрузки.

6 6ДОПУСТИМАЯ ЧАСТОТА ВКЛЮЧЕНИЙ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Известно, что при пуске АД с короткозамкнутым ротором (КЗР) пусковой ток/п = (5,4 + 7)/н. Поэтому при большой частоте включений потери в переходных процессах вызывают интенсивный нагрев машины, следовательно, число включений в единицу времени должно быть ограничено. Или, что то же самое, на практике возникает задача определения минимально допустимой длительности цикла tn доп в режиме S3, при которой превышение температуры не превышает допустимо

го значения. Особенно важна эта проблема для АД с КЗР, когда все потери энергии выделяются внутри объема самой машины, и в большей степени — в обмотках. Допустимым числом h включений в час считают такое, при котором среднее превышение температуры

Рис. 6.10 .Диаграмма изменешя скорости будет равно допустимому.

двигателя при определении Пусть рабочий ЦИКЛ СОСТО-допистимой частоты, его -

включений ИТ из времени пуска t„, работы

ГЛАВА 6. ВЫ Б О Р ЭЛ ЕКТРО Д ВИ ГА ТЕЛ Я ПО МОЩНОСТИ 181

при установившейся скорости сон и Мс = const, торможения tj и паузы to (рис. 6 .10 ), время цикла tK = t„ + tycT + t? + t0.

Потери энергии, выделяющиеся за цикл в двигателе, состоят из потерь энергии при пуске A W„, торможении ДИ Т и работе с установившейся скоростью — Д И ^ = ДР^уСТ. При этом в окружающую среду выделяется: за время tycT Д Wyct = APHtycT; за время паузы AW0 = РоД/Vo. где Ро — коэффициент ухудшения теплоотдачи при неподвижном роторе; за время пуска и торможения

(коэффициент ухудшения теплоотдачи принят равным среднему между начальным и конечным значениями). Следовательно, при равенстве тепловыделения и теплоотдачи можно записать

ДИ П + AWycr + AWT —1+R (6.46)

= APH(tn +tT) - ^ - + APHtyct + роД/>-to.

Для АД с КЗР при пусковых и тормозных токах /„ = (5 -®- 7)/н число включений в час [3, 4 , 5]

1г = 3 6 0 0 (А/" ~ + (1 ~ £). (6 .47)AWa + ДИ Т

При работе двигателя при со = toy с номинальной нагрузкой Р„ (и потерями АР„) (6 .47) упрощается:

L ОСПА АРн ро ( 1- е )"Д Й ^ + Д Й Г' <6 4 8 )

При этом значения АР„, AW„ и A WT определяются по формулам гл. 5.

Из (6.47) видно, что допустимая частота включений тем больше, чем меньше AР„, AW„ и AWr.

В зависимости от продолжительности включения величина h представляется более сложной зависимостью: определяется это разностью (АР„ - АР) , с одной стороны и P0A/Jn — с другой, то есть между тепловыделением и теплоотдачей.

Увеличение допустимого числа включений может быть достигнуто использованием независимой вентиляции (Р = 1), уменьшением потерь энергии AW„n AWT, применением, например, частотного регулирования. На практике применяются электроприводы с числом включений в час до 1000 и более.


П р и м е р 6.3. ДПТ независимого возбуждения работает с номинальным моментом нагрузки по графику скорости, показанному на рисунке 6.2, со следующими характеристиками: t„ = 0,4 с, fycT = 26 с, tf = 0,3 с, to = 50 с. Суммарный приведенный момент инерции J = 0,12 кг • м2.

Паспортные данные двигателя приведены в примере 2.1Определить допустимое число включений в час.Используем формулу (6.48), определим входящие в нее

величины. Номинальные потери

Рн (t - Л „) = 2 2 0 0 J T- 0 J 7 ) =Лн 0,77

1. Относительная продолжительность включения

г _ * р _ 0,4 + 26 + 0,3 _ q ос. riRO/ - # А / I OU I Л О 1 СА ” ПВ /О — 35 /О.0 ,4 + 26 + 0,3 + 50

2. Определим потери энергии при пуске AW„ и торможении Д WT. Потери при пуске и торможении вхолостую

а |1/ АЫ/ М 0,12 1202 Qft/ пД Vrn0 =Д1гто = = ------ - ------ = 864 Дж.

При пуске и торможении под нагрузкой по формулам (5.49, 5.67). При этом средний момент, приближенно, при е = const

Мср » + Мс = 0,1f ' 105 +21 = 52,5 Н м. ta 0,4

Тогда потери энергии при пуске и торможении с нагрузкой по (5.67)

ДЖ" = М ^ Ж Л^ = 5 ^ 2 Т ' 864 = ' 440Дж'

• 5 & 864 = 617'Цж-Допустимое число включений, при (3 = 0,5

/1 = 3600^ ^ ^ " - = 3 6 0 0 ^ ^ 1^ =747 — . ДИ^+ДИ^ 1440 + 617 ч

Таким образом, по условиям нагрева двигатель может быть включен 747 раз в течение часа. Заметим, что длительность

* пап & л' 3600 циклов цикла Гц = /о,7 с, и по условиям работы п = = 4 1 — j----- .

ПРИЛОЖЕНИЕ

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Т а б л и ц а 1

Множитель

Приставка

ОбозначениеПри

ставка

Обозначение

Русское

международное

житель русское

международное

10“ экса Э Е ю 1 деци Д d

1015 пета П Р 10"2 санти с с

10а тера Т Т 10"3 МИЛЛИ м ш

10е гига Г G 10® микро мк ц

10е мега М М 1 0 '9 нано н п

103 кило к 1с 10-1“ пико п р

102 гекто г h 10-15 фемто ф f

10 дека Да da

22О

атто а а

Т а б л и ц а 2Основные физические константы

Наименование Значение Единицаизмерения

Заряд электрона, е 1 ,6 0 2 1 0 -19 Кл

Масса электрона, те 9,109-10~31 кг

Масса протона, тр 1,672*10 '27 кг

Магнитная постоянная, fi*, 4я*10“7 Гн/м

Электрическая постоянная, Eq 8,854-10”12 Ф/мСкорость света 310® м/сСкорость звука в воздухе 331 м/сСкорость звука в водороде 1284 м/с

184 А . П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

П р о д о л ж е н и е т а б л. 2

Наименование Значение Единицанамерения

Скорость звука в воде 1500 м/с

Ско|юсть звука и трансформаторном масле 1425 м/с

Скорость звука в железе = 5000 м/с

Т а б л и ц а 3Коэффициент теплопроводности материалов

Материал X, Вт/м ■ К Материал X, Вт/м К

АЛЮМИНИЙ 209,3 Бумага обыкновенная 0,14

Железо 74,4 Гранит 3,14

Золото 312,8 Дуб (вдоль волокон) 0 ,35 -0 ,43

Медь 389,6 Кирпичная кладка 0 ,67-0 ,87

Серебро 418,7 Лакоткань 0,21

Сталь 45,4 Асбест 0,15

Чугун 62,8 Пропитанная лаком изоляция пазов 0,10

Сталь листовая вдоль слоя 63 Изоляция класса В 0,16

Сталь листовая лакированная поперек слоя 1,2 Изоляция класса F 0,16

Воздух 0,026 Изоляция класса Н 0,18

Водород 0,175

Т а б л и ц а 4Коэффициент линейного расширения твердых тел

(при температуре около 20°С)

Вещество а, 10'® 1C1 Вещество а, 1<Г6 К*1

Алюминий 22,9 Медь 16,7

Бронза 17,5 Никель 13,4

Вольфрам 4,3 Олово 21,4

Гранит 8,3 Платина 8,9

Дерево(поперек волокон) 5 0 -6 0 Свинец 28,3

Золото 14,5 Сталь углеродистая 11-12 ,6

Кирпичная кладка 5,5 Стекло обычное 8,5

Константан 17,0 Фарфор 3,0

Магний 25,1 Цинк 30,0

ПРИЛОЖЕНИЕ 185

Температурный коэффициент сопротивления металлов (при температуре 20°С)

Т а б л и ц а 5

Металл а, 1<Г3 К '* Металл а , 1<Г3 К ' 1

Алюминий 4,9 Никель 5,0

Бронза 4,0 Олово 4,2

Вольфрам 4,5 Ртуть 0,9

Железо 6,2 Свинец 4,1

Латунь 2 -7 Серебро 3,6

Медь 4,0 Цинк 3,5

Та б л ица 6Удельные теплоемкости и температуры плавления 6^

некоторых веществ

В ещ ество С, Дж/(кг • К) при 20°С е„.„вс Вещ ество С, Дж/(кг • К)

при 20°С e„ ,ec

Алюминий 880 658 Магний 130 651

Ацетон 2180 -94 ,3 Медь 390 1083

Германий 310 958 Никель 460 1452

Дерево 1700-2400 — Олово 230 232

Железо 450 1530 Свинец 130 327

Золото 130 1064 Серебро 235 961,9

Латунь 380 900 Сталь 460 1300-1400

Лед (вода) 4190 0 Вольфрам 3400

Т а б л и ц а 7Удельная теплота сгорания

Топливо W, МДж/кг Топливо И', МДж/кг

Антрацит 32-34 Дизельное топливо 42,7

Бурые угли 25-29 Мазут 39-41

Горючие сланцы 27-33 Этиловый спирт 27,2

Дрова 19,0 Водород 11,0

Торф 22-25 Природный газ 36,0

Бензин 44,1

1 8 6 А . П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

Т а б л и ц а 8Удельная электрическая проводимость проводниковых материалов

при 20°С

Материал у, См/м Материал у, См/м

АЛЮМИНИЙ 3,57 • 107 Никель 1 • ю 7

Вольфрам 1,82 • 107 Свинец 0,45 • 107

Сталь (5 + 10) • 10® Серебро 6,25 • 107

Латунь (1,6 + 4) • 107 Константен (2 ,2 + 1 ,9 ) • 10*

Медь 5,7 • 107 Нихром 1 -1 0 4

Т а б л и ц а 9Плотность материалов при 20°С

Материал р, кг/м Материал р, кг/м3

АЛЮМИНИЙ 2700 Резина твердая 1200

Бронза 8 7 00 -8900 Стеклообыкновенное 2500

Вольфрам 19340 Фарфор 2200-2400

Сталь 7800 Винипласт 1400

Золото 19310 Полистирол 1060

Константен 8800 Текстолит 1350

Медь 8900 Фторопласты 2100-2400

Платина 21460 Вода 1000

Ртуть 13600 Бензин 700

Уран 19100 Масломашинное 900

Чугун 7000 Молоко ср. жирности 1030

Асбест 2500 Этиловый спирт 790

Графит 2220 Воздух 1,293

Кварц 2650 Водород 0,09

Дерево 5 0 0 -9 0 0 Криптон 3,74

Та б л ица 10Основная таблица намагничивания. Сталь 2312

В, Тл Н, А/м ц = В/Н, Гн/м Нт = Ц/Ц.

0,4 68 5,88 • 1 0 '3 4680

0,5 76 6,58 • 10-3 5238

0,6 86 6,98 • 1 0 3 5557

ПРИЛОЖЕНИЕ 187

П р о д о л ж е н и е т а бл. 10

В, Тл Я, А/м ц = В/Н, Ги/.ч

0,7 96 7,29 • 10*3 5804

0,8 140 5,71 Ю '3 4546

0,9 190 4,74 • 10‘ 3 3773

1,0 240 4 ,1 6 6 -10-3 3316

1,1 300 3,66 • 10 '3 2914

1,2 400 3,0 • to -3 2388

1,3 550 2,36 -1 0 '3 1878

1,4 1000 1,4 Ю '3 1114

1,5 1600 9,37 • Ю '4 746

1,6 3400 4,7 • 10-4 374

1,7 7700 2,2 • Ю-4 175

1,8 13400 1,34 • 10-* 107

1,9 19400 9,8 • Ю-5 78

2,0 38 800 5,85 ■ 10 5 41

2,1 74 000 2,83 • 10*5 22,5

2,2 144 000 1 ,5 2 -10-5 12,1

2,3 224 000 1 ,0 3 -1 0 -5 8,2

2,4 304 000 7,89-10-® 6,28

ЛИТЕРАТУРА

1. Голован А. Т. Основы электропривода. М.: Госэнергоиздат, 1959.344 с.2. Андреев В. П., Сабинин Ю. А. Основы электропривода. М.; 31.: Госэнер

гоиздат, 1963.772 с.3. Чиликин М. Г., СандлерА. С. Общий курс электропривода. М.: Энерго-

атомиздат, 1981.576 с.4. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатом-

издат, 1988.416 с.5. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатом-

издат, 1994.496 с.6. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред.

В. А. Елисеева, А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.7 .СандлерА. С., Сарбатов Д. С. Частотное управление асинхронными дви

гателями. М.: Энергия, 1974.328 с.8. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1988. 704 с.9. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.:

Энергия, 1966.400 с.10. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателя

ми. М.: Академия наук СССР, 1955. 216 с.11. Браславский- И. Я., И шматов 3. III., Поляков В. Н. Энергосберегающий

асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004. 248 с.12 .Белов М. П., Новиков В. А., Райсудов Л. //. Автоматизированный электро

привод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: ACADEMA, 2004. 576 с.

13. ЧехетЭ. М. Регулируемый электропривод переменного тока как эффективнейшее средство энерго- и ресурсосбережения // Техническая электродинамика. Киев, 1997. J\s 1. С. 2 5 -3 0 .

14. Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергия, 1972.240 с.

15. Беспалов В. Я., Зверев К. Н. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя //Электротехника. 1999. № 9.

16.ФлоренцевС. И., Ковалев Ф. И. Современная элементная база силовой электроники //Электротехника. 1996. JVS 4. С. 2 -8 .

17. Шмипщ Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия, 1969. 336 с.

18. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973 .400 с.

19. Епифанов А. П. Электромеханические преобразователи энергии. СПб.: Лань, 2004. 208 с.

Л И Т Е Р А Т У Р А 189

20. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. J1.: Энергия, 1973. Т. 1, 2 .5 4 2 с.; 648 с.

21. ВольдекА. И. Электрические машины. М.; Л.: Энергия, 1966. 782 с.22. Важное А. И. Электрические машины. J I . : Энергия, 1969. 710 с.23. Справочник по электрическим машинам в 2-х т. / Под ред. И. П. Копы

лова, Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989.24. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кранчик,

М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. М.: Энергоатомиздат, 1982 .504 с.

25. Асинхронные двигатели общего назначения / Под ред. В. М. Петрова, А. Э. Кравчика. М.: Энергия, 1980.488 с.

26. Осип И. Л., Ш акарян Ю. Г. Электрические машины (синхронные машины). М.: Высшая школа, 1990. 304 с.

27. Епифанов А. П. Электрические машины. СПб.: Лань, 2006. 272 с.28. Веселовский О. Н., Коняев Ю. А., Сарапулов Ф. Н. Линейные асинхрон

ные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 232 с.29. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. Л.: Энергоатом

издат, 1983. 264 с.30. Епифанов А. П. Основные вопросы проектирования тяговых линейных

асинхронных двигателей // Электротехника. 1992. JV5 1, 5 ,10 .3 1 .Лилов Р. С. Линейные электрические машины и приводы на их основе.

Уфа: Изд-во ВГАУ, 2 0 0 3 .110 с.32. Аракелян А. К., Афанасьев А. А., ЧиликинМ. Г. Вентильный электропри

вод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М.: Энергия, 1977. 224 с.

33. Винокуров В. А.. Попов Д. А. Электрические машины железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1986.520 с.

3 4 .Яворский Б. М., ДетлафА. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1981. 510 с.

35. Бронштейн И. П., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1965. 612 с.

36. Котеленец Н. Ф., Акимова И. А., Антонов М. В. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин. М.: ACADEMA, 2003. 384 с.

37. Электрические машины и аппараты. Номенклатурный каталог ОАО «Электросила», 1998, 2000. 68 с.

38. Системы плавного пуска: Учебное пособие. Фирма АВВ, 2003. 230 с.39. Проектирование приводов EUBODBIVE (SE W ). Практика приводной

техники, 2001, 2002, 2003.40. EURODBIVE (SE W ). Преобразователи частоты MOVITRAC 07. Сис

темное руководство, 2001. 58 с.41 .Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. М.: ИНФРА-М, 2005. 278 с.42. Ряшенцев И. П. и др. Электропривод с линейными электромагнитными

двигателями. Новосибирск.: Наука, 1 981 .146 с.43. Алиев И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. Рос

тов-на-Дону: Феникс, 2004. 478 с.44. Сидельников Б. В., Рогачевская Г. С. Вентильные двигатели с магнитоэлек

трическим возбуждением // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. 3.2001. С. 55-66 .

45. Егоров А. А., Угаров Г. Г. Оптимизация режима конденсаторного питания линейного электромагнитного двигателя в приводе ударных машин // Вестник СГТУ. 2006. № 3(15). С. 78-83.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .......................................................................................................................... 3

Введение ............................................................. .................................................................. 4

Глава 1. Механика электропривода................... ....................................................... 61.1. Электропривод. Определение, структура и классификация................. 61.2. Приведение моментов и сил сопротивления,

инерционных масс и моментов инерции.............. ....................................... 9Основные соотношения механики................................................................. 11

1.3. Уравнение движения электропривода...........................................................151.4. Механические характеристики производственных

механизмов и электродвигателей.............. .. Л ........................................ 191.5. Основные положения о регулировании координат электропривода . 221.6. Характеристика режимов работы и принципы управления

электроприводами ................................................... ....................................... 251.6.1. Характеристика режимов работы электропривода............251.6.2. Принципы управления электроприводами............................ 27

Глава 2. Электроприводы с двигателями постоянного т о к а ..........................302.1. Общие сведения о двигателях постоянного тока.

Области применения..............................................................................................302.2. Механические характеристики двигателей

постоянного тока в различных режимах р аб о ты ......................................322.3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью

резисторов в цепи я к о р я ................... ...................................................................392.4. Регулирование скорости двигателей постоянного тока

изменением магнитного потока .................. .................................................... 442.5. Регулирование скорости двигателей постоянного тока

изменением подводимого к якорю напряжения ......................................472.5.1. Электропривод по системе генератор—двигатель.................47

2.5.2. Электропривод по системе управляемый вы п рям итель-двигатель...............................................................50

2.5.3. Электропривод по системе широтно-импульсный преобразователь-двигатель ...........................................................55

2.6. Автоматическое регулирование скорости электроприводов постоянного т о к а .....................................................................................................58

Глава 3. Электроприводы с асинхронными двигателями...............................643.1. Общие сведения, области применения, схемы включения ................ 643.2. Схема замещения и основные соотношения для асинхронных

двигателей............ .................. Г . . Л . .................................. ........... ........ ........... 68

3.3. Механические характеристики асинхронных двигателей.................. 733.4. Регулирование скорости асинхронных двигателей................................ 80

3.4.1. Регулирование скорости изменениемжесткости характеристики......... .................................................81

3.4.2. Регулирование скорости переключением числа пар пол ю сов................................................................................................85

3.5. Частотное регулирование угловой скоростиасинхронных двигателей................ ................ . ............................................... 87

3.6. Преобразователи частоты.............. ................................................................... 93

Глава 4. Электроприводы с другими типами дви гателей ............................1034.1. Электроприводы с синхронными двигателями.......................................103

4.1.1. Конструкция, схема включенияи характеристики синхронных двигателей......................... 104

4.1.2. Регулирование реактивной мощностисинхронных двигателей .............. ...............................................108

4.1.3. Управление синхронными электроприводами.................. 1094.2. Электроприводы с вентильными двигателями.......................................1154.3. Электроприводы с линейными электродвигателями........................... 120

Глава 5. Энергетика электроприводов................................................................1275.1. Энергетика нерегулируемых электроприводов

в установившихся режимах ...... ................................................................... 1285.2. Энергетика регулируемого электропривода

в установившемся реж им е............................................................................. 1335.3. Энергетические показатели электроприводов постоянного тока

в динамических реж им ах................................................................................1395.3.1. Динамические режимы приводов

с двигателями постоянного т о к а ..............................................1405.3.2. Потери энергии электроприводов постоянного тока

в динамических режимах........................................................... 1445.4. Энергетика электроприводов с асинхронными двигателями

в динамических реж им ах................................................................................1485.4.1. Динамические режимы электроприводов

с асинхронными двигателями....................... ...........................1495.4.2. Потери энергии асинхронных электроприводов

в динамических реж им ах........................................................... 1505.5. Снижение потерь энергии в динамических реж им ах......................... 152

Глава 6 . Выбор электродвигателя по мощ ности..............................................15/6.1. Общие положения по выбору двигателя.................................................. 15/6.2. Нагревание и охлаждение двигателей.

Классификация режимов работы ................................................................1626.3. Проверка двигателей для продолжительного режима работы......... 1686.4. Проверка двигателей, работающих

в кратковременном режиме р аботы ............................^ . ........................ 1726.5. Проверка двигателей для повторно-кратковременного

режима работы .................................. ................................................................. 1766.6. Допустимая частота включений асинхронных двигателей

с короткозамкнутым ротором........................................................... .............180

П риложение......... ........................ ................................. ............. ............. .. 183

Л итература............ .......................................................................................................... 188

ОГЛАВЛЕНИЕ 191

Алексей Павлович ЕПИФАНОВ О С Н О ВЫ Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А

У ч е б н о е п о с о б и еИздание второе, стереотипное

Художественный редактор С. Ю. Малахов Редактор И. Л. Яновская

Корректоры Р. В. Лободина, А. К. Райхчин Подготовка иллюстраций В. В. Воскресенская Выпускающие Н. К. Белякова, О. В. Шилкова

Л Р № 065466 от 21.10.97 Гигиенический сертификат 78.01.07.953.П.004173.04.07

от 26.04.2007 г., выдан ЦГСЭН в СПбИздательство «ЛАНЬ»

[email protected]; www.lanbook.com 192029, Санкт-Петербург, Общественный пер., 5.Тел./факс: (812)412-29-35 , 412-05-97, 412-92-72. Бесплатный звонок по России: 8-800-700-40-71

ГДЕ КУППТЬ

ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИЙ:Для того, чтобы заказать необходимые Вам книги, достаточно обратиться

в любую из торговых компаний Издательского Дома «ЛАНЬ»:по России и зарубеж ью

«Л А Н Ь -Т Р Е Й Д ». 1 9 2 029 , Санкт-Петербург, ул. Крупской, 13 тел.: (8 1 2 ) 4 1 2 -8 5 - 7 8 ,4 1 2 -1 4 - 4 5 ,4 1 2 -8 5 - 8 2 : тел./факс: (8 1 2 ) 4 1 2 -5 4 -9 3

e-m ail: trad e@ lan p bl.spb .ru : ICQ: 4 4 6 -8 6 9 -9 6 7 w w w .laiipbl.spb.ru/prico.hlin

в М оскве и в М осковской области «Л А Н Ь -П Р Е С С ». 109263 , М осква, 7 -ая ул. Текстильщ иков, д. 6/19

тел.: (4 9 9 ) 1 7 8 -6 5 -8 5 ; e-m ail: lanpress@ iullim anet.ru

в Краснодаре и в Краснодарском крае «Л А Н Ь -Ю Г». 3 5 0 0 7 2 , Краснодар, ул. Ж лобы, д. 1/1

тел.: (8 6 1 2 ) 7 4 -1 0 -3 5 ; o-m ail:lankrd98@>m ail.ru

ДЛИ Р О З Н И Ч Н Ы Х П О К У П А Т Е Л Е Й :интернет-магазины:

•Сова»: littp://w w w .sym plex.ru; «Ozon.ru»: htlp://ww w.oion.rn «Виблион»: hl.tp://www.biblion.ru

такж е Вы можете отправить зая вк у на покупку книги по адресу: 192029 , Санкт-Петербург, ул. Крупской, 13

Подписано в печать 20 .07.09.Бумага офсетная. Гарнитура Обыкновенная. Формат 8 4 * 1 0 8 ,/.е.

Печать офсетная. Уел. п. л. 10,08. Тираж 1500 акз.

З ак аз № 1832

Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «И здательско- полиграфическое предприятие «Привда Севсри».

163002, г. А рхангельск, пр. Новгородский, 32.Тел./ф акс (8 1 8 2 ) 64-14-54 , тел.: (8 1 8 2 ) 65-37 -65 , 65-38 -78 , 20-50-52

www.ippps.ru, e-m ail: zakaz@ ippps.ru

mailto:[email protected]

http://www.lanbook.com


http://www.laiipbl.spb.ru/prico.hlin


http://www.symplex.ru

http://www.oion.rn

http://www.biblion.ru

http://www.ippps.ru


Documents

А. П. ЕПИФАНОВ - Библиотека сегодняlibrary.psu.kz/fulltext/buuk/b1077.pdf · 2014-04-17 · ных машин с постоянными магнитами