Механическая и электромеханическая характеристики.

Механические и электромеханические характеристики двигателей постоянного тока (ДНВ, ДПВ, ДСВ).

Механическая и электромеханическая характеристики.

Если рассматривать статику когда d/dt=0, тогда

 (2,5) – уравнение электромеханической характеристики. (2,6) – уравнение механической характеристики.

Т.к первый член U/Ce=ω₀ (скорость идеального хх) постоянная величина, то обе характеристики механическая и электромеханическая будут представлять прямые линии и характеристики будут совпадать только по оси абсцисс будут разные масштабы.

Мдоп=(2-3)Мн

Iдоп=(2-3)Iн

Мкз=(15-20)Мн

Iкз=(15-20)Iн

Двигатель постоянного тока не в кое случае нельзя включать на номинальное напряжение без добавочного сопротивления.

Двигатели постоянного тока имеют допустимые значения которые нельзя превышать и указываются в паспортных данных.

Если характеристика получена при номинальном напряжении, номинальном потоке и отсутствии добавочного сопротивления то она называется естественной.

Если имеется добавочное сопротивление либо не номинальное напряжение, либо не номинальный поток, то характеристика называется искусственной.

Построение механической и электромеханической характеристик производится по 2 точкам.

 

1т. В паспортных данных даются следующие значения: Рн, Uн, Iн, n_н → ω_н=πn_н/30 (c^-1)

Внутреннее сопротивление якорной цепи можно определить следующими 3 способами.

1. По каталогу. Raд=(Rа+Rко+Rдп)к_т+Rщ

2. Определяют по номограмме.

ρ=f(Рн)

,

3. Если нет каталога, нет справочных данных, то пользуются эмпирической формулой.

2т. Мн=СмIн=Мэм

1 - с оединим 1 и 2 точки получим характеристику ω=f(Мэ)

3т.

Однако 2 характеристика также не является механической характеристикой. Чтобы получить механическую характеристику откладываем от начала координат Мхх=Мн-Мнв. С Мхх поднимаем перпендикуляр до пересечения с 2. Эта точка определяет скорость идеального хх.

3 это и будет искомая механическая характеристика ω=f(Мнв).

Механические и электромеханические характеристики асинхронных двигателей.

Тормозные характеристики двигателей постоянного тока.

Тормозные режимы двигателей последовательного возбуждения. Возможность работы на холостом ходу.

Тормозные режимы.

Двигатель последовательного возбуждения или сериестный двигатель имеют только 2 тормозных режима: режим динамического торможения и режим противовключения. Т.к. двигатель последовательного возбуждения не может работать на холостом ходу значит он не может работать в режиме рекуперативного включения.

Динамическое торможение.

Динамическое торможение может быть в 2 случаях либо с самовозбуждением, либо с независимым возбуждением.

Основные понятия электропривода. Классификация электроприводов.

Определение электропривода.

Электроприводом называется электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую и обеспечивающее электроуправление механической энергией.

ЭП состоит из 3-х частей:

- электрического двигателя;

- механической части при помощи которой движение передается от двигателя к исполнительному механизму;

- системы управления.

Структурно ЭП можно представить следующим образом:

ССУ – силовая часть системы управления – представляет преобразователь который может быть различен в зависимости от типа двигателя. Для двигателя постоянного тока преобразователь преобразует переменное напряжение сети в регулируемое постоянное напряжение. Для двигателя переменного тока преобразователь преобразует переменное напряжение сети неизменной частоты в переменное напряжение регулируемой частоты.

ЭМП – электромеханический преобразователь.

РД – ротор двигателя – преобразует электромагнитный момент во вращающий момент на валу.

РД входит как в двигатель, так и в механическую часть

ПМ – передаточный механизм или редуктор.

ИСУ – информационная часть системы управления – включает в себя аппаратуру управления, реле, пускатели, контакторы и т.д. Нелинейные блоки (блоки перемножения), функциональные блоки и т.д. Блоки защиты, блок датчиков и блок задающих устройств. РО – рабочий орган.

На основании сравнения текущего состояния системы с датчиков обратной связи и заданных сигналов с блоков заданных устройств, информационная часть СУ формирует задание на силовую часть СУ или преобразователь.  

ЭП могут быть стационарными и автономными.

6. Приведение моментов инерции, жесткостей, моментов сопротивления.

1. Приведение моментов инерции.

Основой приведения моментов инерции является равенство кинематических энергий приведенного и реального элементов кинематической схемы.

,  - кинетическая энергия приведенного элемента,  - кинетическая энергия реального элемента.

,  - передаточное число.

где z1 – число зубьев ведомой шестерни.

z2 – число зубьев ведущей шестерни.

 при приведении вращательного движения к вращательному движению вала двигателя.

При приведении поступательного движения к вращательному.

. - кинетическая энергия реального элемента. m – масса реального элемента. V – линейная скорость реального элемента.

.  - приведение поступательного движения к вращательному.  - радиус приведения.

2. Приведение жесткостей.

Основой приведения жесткостей является равенство потенциальных энергий приведенного и реального элементов кинематической цепи.

Потенциальная энергия связана с понятием жесткости. При вращательном движении жесткость  - это отношение крутящего момента к деформации угла.

При поступательном движении.

 

Потенциальная энергия приведенного элемента

,  - потенциальная энергия приведенного элемента, - потенциальная энергия реального элемента.

.  приведение вращательного движения к вращательному.

При приведении поступательного движения к вращательному приравниваем поступательные энергии реального элемента и приведенного.

,

3. Приведение моментов сопротивлений.

Основой приведения моментов сопротивлений является равенство элементарных работ для реального и приведенного элементов кинематической цепи.

Приравняем элементарные работы реального и приведенного.

М_прdφ₁= М_Cdφ

 - приведение вращательного движения к вращательному.

При приведении линейного движения к вращательному приравниваем элементарные работы приведенного и реального элементов.

М_прdφ₁= FdS, , М_пр= Fρ
7. Уравнение движения.

Уравнение движения рассматриваем для 2-х массовой механической системы.

Воспользуемся для вывода уравнения движения уравнением Лагранж второго рода.

,

,

, ,

Т.о.

Для того чтобы математическое описание механической части электропривода было полным необходимо знать закон изменения упругого взаимодействия.

,

В соответствии с этой системой уравнений составим структурную схему механической части.

Получили структурную схему механической части 2-х массовой системы без учета вязкого трения. Такая структурная схема иногда используется для синтеза системы управления.

Рассмотрим поведение упругого момента.

М₁₂=М_у

, ,

Допущения: пренебрегаем М_С1 и М_С2.

Умножим обе части первого уравнения на , а второго на  и вычтем из первого второе.

,

Ω₁₂ – это частота собственных колебаний системы.

Момент упругий будет изменяться по колебательной не затухающей зависимости.

Любая механическая система содержит вязкое трение поэтому упругий момент можно выразить следующим образом.

,

,

С учетом вязкого трения Му будет представлять затухающие колебания, причем чем меньше жесткость, тем меньше колебаний. Жесткость выбирается опытным путем в зависимости от кинематики и может составлять от одной сотой С₁₂ до 0,1 С₁₂ при наличии в кинематики канатов.

Структурная схема с учетом вязкого трения может быть представлена в следующем виде.

Данная структурная схема применяется для большинства механизмов.

Тормозные режимы.

Асинхронный двигатель работает в следующих тормозных режимах.

1. Рекуперативное торможение.

2. Торможение противовключеия.

3. Динамическое торможение.

4 Конденсаторное торможение.

5. Возможно сочетание режимов.

Рекуперативное торможение.

Рекуперативное торможение это такой вид торможения когда под действием потенциальных сил двигатель вращается со скоростью выше скорости реального хх, потребляет из сети реактивную энергию и выделяет в сеть активную.

Рекуперативное торможение встречается в 3-х случаях при спуске груза, при переключении числа пар полюсов (переключение со звезды на треугольник), при резком уменьшении частоты.

 

 При включении двигателя на спуск двигатель разгоняется по характеристики в 3 квадранте. Скорость его под действием опускающего груза становиться выше скорости ω₀. Двигатель переходит в 4 квадрант и затем начинает устойчиво работать со скоростью ω_С, в режиме рекуперативного торможения отдавая активную энергию в сеть.

Динамическое торможение

Если статор асинхронного двигателя отключить от сети и подать в обмотки статора постоянный ток:

Двигатель переходит в режим динамического торможения.

По обмоткам статора протекает постоянный ток, создавая неподвижное магнитное поле. Ротор двигателя продолжает вращаться, и обмотки ротора пересекают неподвижное магнитное поле статора. В результате в них наводится ЭДС, а по обмоткам ротора начинает протекать ток. При взаимодействии тока ротора с неподвижным магнитным полем статора возникает тормозной момент. В отличии от двигательного режима, ток статора является постоянным, а намагничивающий ток зависит от скольжения.

По форме механическая характеристика в режиме динамического торможения похожа на мех. хар-ку в двигательном режиме (момент так же начинает увеличиваться, достигает максимума и затем стремится к нулю), только в двигательном режиме хар-ка начинается с ω₀, а в режиме динамического торможения – с нуля.

Если двигатель работал на естественной характеристике и внезапно подали постоянное напряжение в обмотку статора, двигатель переходит на (1), при чем при уменьшении скорости тормозные моменты увеличиваются и достигают максимума, затем двигатель тормозится до нуля.

В режиме противовключения эффективность торможения выше, однако, при ω=0 при противовключении нужно отключать двигатель, а при динамическом торможении такой необходимости нет.

Конденсаторное торможение

Если статорную цепь АД отключить от сети переменного тока и замкнуть на конденсаторную батарею, а обмотку ротора замкнуть накоротко, то двигатель переходит работать в режим самовозбужденного конденсаторного торможения.

Режим самовозбуждения возникает только до критических скоростей, величина которых от 1/3ω₀ до 1/2ω₀, в зависимости от величины конденсаторов.

Эффективность торможения можно увеличить за счет применения комбинированного торможения конденсаторного с короткозамыканием.

Нормальная схема

Предполагает включение обмотки возбуждения на номинальное напряжение.

 

При включении рубильника ток возбуждения не может достигнуть мгновенно установившегося значения равного номинальному току возбуждения, т.к. существует ЭДС самоиндукции.

Баланс напряжения.

,

- электромагнитная постоянная возбуждения.

 (5,1) дифференциальное уравнение 1-го порядка с правой частью имеет решение

А – постоянная интегрирования находимая из начальных условий при . , ,  (5.2)

Если I_нач=0, то (5.3)

Как следует из выражения (5.3) переходный процесс представляет экспоненту.

 

Теоретически время переходного процесса = ∞, практически же время переходного процесса = 3Тв через это время ток достигнет 95% от установившегося значения.

Геометрический смысл:   - это время, в течение которого ток достигает 0,632 от установившегося значения.

Физический смысл: Т_в - это время в течении которого ток достиг бы установившегося значения, если бы не было потерь на нагрев.

Тв=0,2с до нескольких минут для больших двигателей, т.е. время переходного процесса стараются использовать схемные решения позволяющие уменьшить время переходного процесса.

Торможение

Если рубильник отключить от сети, то возникает большой бросок перенапряжения, в результате наступит пробой изоляции. Для этого ставим разрядное сопротивление, а чтобы оно не мешало при пуске, ставим диод.

При размыкании рубильника ЭДС начинает падать через R_Р.

, тогда

т.е. при торможении время электромагнитного переходного процесса примерно в 4 раза быстрее, чем при пуске. Ток возбуждения спадает по экспоненте.

. По такому же закону изменяется ЭДС генератора.

(5.9)

Приравняем правые части системы (5,9). После преобразования получим закон изменения скорости.

 (5.10)

Как следует из(5.10)скорость состоит из двух спадающих экспонент, определяемых постоянной времени, причем Т_ВТ>>T_M.

Реверс

Чтобы получить реверс нужно осуществить изменение полярности в цепи возбуждения двигателя.

Реверс можно осуществить либо за счет контактного реверсора, либо за счет бесконтактного. Пока размыкаются контакторы на момент размыкания (срабатывания контакторов) в цепь О.В.Г. вводится разрядное сопротивление. Пока срабатывает контактная аппаратура, ЭДС генератора спадает и идет процесс торможения рассмотренный выше. За это время  спадает до величины .

Динамика или мат описание динамического процесса будет описываться следующей системой

Переходный процесс будет описываться

ЭДС генератора спадаетпри измененииполярности.

 ,

Упростим выражение.

Таким образом мат описание ПП система ГД при реверсесводится к одному дифференциальному уравнению 1-го порядка

;      

Чтобы определить значения или закон изменения тока

Найдём производную по скорости:

, ,

Рассмотрим переходный процесс на плоскости фазовых координат в координатах

Эта картина представит характер переходных процессов, на которых будет показано, что на различных участках двигатель работает не только в режиме рекуперативного торможения, но и в режиме противовключения и двигательном режимах.
14. Электромеханические свойства системы генератор-двигатель.

Для получения специальных характеристик используют системы генератор – двигатель эта система может быть на машинах последовательного возбуждения или на машинах независимого возбуждения наиболее часто применяется на машинах независимого возбуждения, в качестве возбудителя могут применяться либо вращающийся преобразователь либо статические тиристорные.

                      

То есть на одном валу находится асинхронный двигатель, возбудитель, генератор питающий якорную цепь двигателя. С начала запитывается асинхр двигатель причем сопротивление R1 полностью введено, а сопротивление R2 полностью выведено то есть поток двигателя номинальный. Изменяя сопротивление R1 увеличиваем поток возбуждения генератора, появляется напряжение на зажимах генератора, двигатель разгоняется.

Т.к. сопротивление якорной цепи включает в себя внутреннее сопротивление цепи двигателя и генератора то характеристика в системе ГД мягче чем при питании от источника постоянного тока.

Регулирование характеристики в системе ГД га счет изменения потока генерат., или потока возбуждения 

Изменяя поток возбуждения получаем характеристики Которые параллельны естественной. 

Если плавно менять с начала поток двигатель, а потом поток генератор, то двигатель плавно переходит с одной характиристики на другую осуществляется режим рекуперативного торможения, торможение до нуля с отдачей энергии в сеть. Если темп изменения потока будет выше, то торможение будет происходить по характеристике 2.

Выбор двигателя.

Выбор двигателя осуществляется в несколько этапов:

1. выбор рода тока и напряжения. 2. выбор типа электропривода 3. выбор двигателя по конструкции.

4. выбор мощности двигателя: а) предварительный выбор мощности двигателя б) уточненный выбор мощности двигателя.

Выбор мощности двигателя.

Выбор мощности двигателя осуществляется в 2 этапа.

1. предварительный выбор мощности; Для металлорежущих станков, для объектов цветной металлургии и т.д. двигатель выбирают по некоторым заданным эмпирическим формулам, либо по нагрузочной диаграмме механизма

2. уточненный выбор мощности. Если двигатель работает с перегрузкой, то он начинает сильно греться, изоляция выходит из строя. Если двигатель работает с недогрузкой, то он работает с более низким КПД, с более низким cosφ и занимает больше площадей, из-за этого выходит из строя.

Механические и электромеханические характеристики двигателей постоянного тока (ДНВ, ДПВ, ДСВ).

Механическая и электромеханическая характеристики.

Если рассматривать статику когда d/dt=0, тогда

 (2,5) – уравнение электромеханической характеристики. (2,6) – уравнение механической характеристики.

Т.к первый член U/Ce=ω₀ (скорость идеального хх) постоянная величина, то обе характеристики механическая и электромеханическая будут представлять прямые линии и характеристики будут совпадать только по оси абсцисс будут разные масштабы.

Мдоп=(2-3)Мн

Iдоп=(2-3)Iн

Мкз=(15-20)Мн

Iкз=(15-20)Iн

Двигатель постоянного тока не в кое случае нельзя включать на номинальное напряжение без добавочного сопротивления.

Двигатели постоянного тока имеют допустимые значения которые нельзя превышать и указываются в паспортных данных.

Если характеристика получена при номинальном напряжении, номинальном потоке и отсутствии добавочного сопротивления то она называется естественной.

Если имеется добавочное сопротивление либо не номинальное напряжение, либо не номинальный поток, то характеристика называется искусственной.

Построение механической и электромеханической характеристик производится по 2 точкам.

 

1т. В паспортных данных даются следующие значения: Рн, Uн, Iн, n_н → ω_н=πn_н/30 (c^-1)

Внутреннее сопротивление якорной цепи можно определить следующими 3 способами.

1. По каталогу. Raд=(Rа+Rко+Rдп)к_т+Rщ

2. Определяют по номограмме.

ρ=f(Рн)

,

3. Если нет каталога, нет справочных данных, то пользуются эмпирической формулой.

2т. Мн=СмIн=Мэм

1 - с оединим 1 и 2 точки получим характеристику ω=f(Мэ)

3т.

Однако 2 характеристика также не является механической характеристикой. Чтобы получить механическую характеристику откладываем от начала координат Мхх=Мн-Мнв. С Мхх поднимаем перпендикуляр до пересечения с 2. Эта точка определяет скорость идеального хх.

3 это и будет искомая механическая характеристика ω=f(Мнв).