Режимы работы электрических машин?

Режим работы электрической машины — это установленный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы.

Режимы работы электродвигателей в электроприводах различных рабочих машин разнообразны и определяются технологическими процессами, реализуемыми этими рабочими машинами. Для иллюстрации этих режимов работы используют нагрузочные диаграммы. Такая диаграмма представляет собой графически выраженную зависимость параметра, характеризующего нагрузку приводного двигателя (мощности Р, момента М или силы потребляемого тока I) от продолжительности t отдельных этапов, составляющих время работы электропривода. В действительности нагрузочная диаграмма двигателя может иметь вид графика любой формы: прямой горизонтальной линии, если нагрузка двигателя в рассматриваемый отрезок времени не изменялась, либо кривой линии с плавным переходом от одного уровня нагрузки к другому, если нагрузка изменялась. Плавность перехода уровней нагрузки обусловлена инерционностью процессов в электроприводе. Для упрощения расчета требуемой мощности двигателя криволинейный график нагрузочной диаграммы разбивают на прямолинейные участки, в пределах которых нагрузка условно остается неизменной (рис. 2.10). Чем больше участков с различной нагрузкой, тем меньше ошибка такой замены, но тем сложнее последующие расчеты.

Согласно действующему стандарту ГОСТ 183—74 существует три основных режима работы двигателей, различающиеся характером изменения нагрузки.

Продолжительный режим S1

1. Продолжительный режим S1 — когда при неизменной номинальной нагрузке Рном работа двигателя продолжается так долго, что температура перегрева всех его частей успевает достигнуть установившихся значений τ_уст (тау установившееся).

Различают продолжительный режим с неизменной нагрузкой Р = const (рис. 2.11, а) и продолжительный режим с изменяющейся нагрузкой (рис.2.11, б). Например, электроприводы насосов, транспортеров, вентиляторов работают в продолжительном режиме с неизменной нагрузкой, а электроприводы прокатных станков, металлорежущих станков и т.п. работают в продолжительном режиме с изменяющейся нагрузкой.

Кратковременный режим S2

2. Кратковременный режим S2 — когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя (рис. 2.11, в).
При этом периоды работы (нагрузки) двигателя tр настолько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигают установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды (допускается превышение температуры не более чем на 1 ºС).

Стандартом установлена длительность периодов нагрузки 10; 30; 60 и 90 мин. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, например S2 — 30 мин.

В кратковременном режиме работают электроприводы шлюзов, разного рода заслонок, вентилей и других запорных устройств, регулирующих подачу рабочего вещества (нефть, газ, вода и др.) посредством трубопровода к объекту потребления.

Повторно-кратковременный режим S3

3. Повторно-кратковременный режим S3 — когда кратковременные периоды работы двигателя t_р чередуются с периодами отключения двигателя (паузами) t_п, причем за период работы t_p превышение температуры не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время работы двигателя в повторно-кратковременном режиме разделяется на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью

t_ц = t_р+t_п

При повторно-кратковременном режиме работы график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рис. 2.11, г). При достижении двигателем установившегося значения температуры перегрева, соответствующего повторно-кратковременному режиму τ_уст.к, температура перегрева двигателя продолжает колебаться от τ_min до τ_max. При этом τ_уст.к меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если режим работы двигателя был продолжительным (τ_уст.к < τ_уст). Примерами повторно-кратковременного режима являются работа электроприводов лифтов, подъемных кранов, экскаваторов и других устройств, для которых характерна цикличность (чередование периодов работы с паузами). При этом продолжительность цикла t_ц = t_р+t_п не должна превышать 10 мин.

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения, %,

ПВ = ( tр/tц) *100

Действующим стандартом предусмотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60 % (для продолжительного режима ПВ= 100 %). В условном обозначении повторно-кратковременного режима указывают величину ПВ, например, S3 — 40%.

При переводе двигателя из продолжительного режима (ПВ = 100%) в повторно-кратковременный режим мощность двигателя, по сравнению с его мощностью в продолжительном режиме, может быть увеличена: при ПВ = 60% на З0%, при ПВ = 40% на 60%, при ПВ = 25% — в 2 раза, при ПВ = 15 % — в 2,6 раза.

Рассмотренные три номинальных режима считаются основными. В каталогах на двигатели, предназначенные для работы в каком-либо из этих режимов, указаны номинальные данные, соответствующие режиму работы.

57. Энергетика переходных процессов при пуске ненагруженного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением?
5.2 Переходный процесс при пуске двигателя с независимым возбуждением

Рассмотрим пуск двигателя при нагрузке с моментом сопротивления М_С, w_нач=0; w_кон=w_С; i_нач=I₁; i_кон=I_С, где I₁=U_Н/R_Я – максимальное значение пускового тока при сопротивлении цепи якоря равном R_Я. В этом случае механические переходные процессы протекают в соответствии с уравнениями:

;

.

Графики переходных процессов i(t) и w(t) показаны на рисунке 5.2.

П ереходный процесс оканчивается за время практически равное (4-5)Т_М (при t=5Т_Мw=0,993w_С).

Приведенные уравнения переходных процессов описывают пуск двигателя на какой-то одной механической характеристике. При ступенчатом пуске такой расчет надо делать несколько раз, вводя новые начальные условия и Х_уст для каждой механической характеристики и каждый раз меняя Т_М, так как меняется R_Я.

Время многоступенчатого пуска может быть определено аналитически следующим образом:

если в процессе пуска момент двигателя меняется в пределах М₁-М₂ (М₁ – максимальный пусковой момент, М₂ – момент переключения), то при t=t_П (время пуска на одной характеристике) М=М₂, то есть

.

Решая относительно t_П, получим

;

откуда ,

. (5.15)

При многоступенчатом пуске по нормальной пусковой диаграмме М₁=const и М₂=const, меняется лишь Т_М, так как пусковое сопротивление в цепи якоря (ротора) уменьшается.

Например, для 3-х ступенчатого пуска (три искусственных и естественная характеристики):

,

где - электромеханическая постоянная времени на естественной характеристике.

Дальнейшее преобразование этой формулы приводит к следующему окончательному результату:

,

где l=М₁/М₂;

m – число пусковых сопротивлений.

58. Энергетика переходных процессов при торможении ненагруженного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением?

Для повышения производительности технологической машины или улучшения качества продукции часто необходимо быстро и точно остановить электропривод. В начале процесса торможения, во-первых, заканчивается преобразование ЭЭ в МЭ и подача её к рабочему органу технологической машины и, во–вторых, начинается отбор МЭ, запасённой в механической части привода. В зависимости от того, куда расходуется эта энергия, можно выделить три способа торможения.

Торможение в режиме свободного выбега – запасённая МЭ расходуется на преодоление сил сопротивления. Движение рабочего органа может продолжаться ещё достаточно долго.

Механическое торможение – запасённая МЭ в механическом тормозном устройстве преобразуется в тепловую. Время торможения может быть очень небольшим, но при этом плавность торможения регулируется плохо, что приводит к появлению значительных динамических нагрузок.

Электрическое торможение – запасённая МЭ, благодаря свойству обратимости электрической машины, преобразовывается двигателем в ЭЭ и либо отдается в сеть, либо затрачивается на нагрев двигателя. Управляя процессом преобразования ЭЭ в МЭ можно обеспечивать плавное торможение и ограничивать величину динамических нагрузок.

Существует три способа электрического торможения: торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение), динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода ω>ω₀ и э.д.с. вращения становится больше напряжения якорного источника Е>U.

В приводе подъёмной лебёдки рекуперативное торможение используется при опускании поднятого груза, который создаёт активный М_с. Двигатель включается в направлении опускания груза и в этом же направлении его раскручивает момент сопротивления. Поэтому уравнение движения электропривода будет иметь вид:

Поскольку М_Д>0, скорость вращения двигателя будет увеличиваться. С увеличением ω, будет увеличиваться э.д.с. Е=кωФ и, как следствие, будут уменьшаться якорный ток I_Я=(U–Е)/R_ЯЦ и момент М=кI_ЯФ.

При ω=ω₀ Е будет равно U, а т.к. они направлены встречно, то I_Я=0 и М=0. Уравнение движения в этом случае примет вид:

Момент динамический остаётся положительным М_Д>0 и под действие активного М_с скорость вращения двигателя будет увеличиваться.

При ω>ω₀ Е станет больше U и ток I_Я изменит своё направление.

Следовательно, изменяет направление и становится тормозным момент двигателя М= –кФI_Я. Уравнение движения приобретает вид:

Когда абсолютное значение |M| достигнет величины М _с, момент динамический станет равным нулю М_Д=0 и увеличение скорости вращения двигателя и опускания груза прекратится.

Если характеристики двигателя при подъёме груза располагаются в первом квадрате, то при опускании для двигательного режима они будут располагаться в третьем квадрате, а для режима электрического торможения – в четвёртом.

Уравнение механической характеристики в режиме рекуперативного торможения будет иметь вид:

Характеристика проходит через точку –ω₀= –U/кФ. Наклон её определяется сомножителем второго слагаемого R_ЯЦ/к²Ф², который по абсолютному значению при заданном сопротивлении R_ЯЦ остаётся неизменным. Следовательно, наклон механической характеристики будет таким же, как и в двигательном режиме, и она является продолжением характеристик для двигательного режима из ІІІ квадрата в IV. Характеристики приведены на рис. 2.3.

При работе двигателя на естественной характеристике увеличение скорости опускания груза прекратится при скорости (–ω₁), а на реостатной – (–ω₂).

В режиме рекуперативного торможения двигатель работает как генератор, включённый параллельно с сетью. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ и отдает её в сеть.

Рис. 2.3 - Характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режиме рекуперативного торможения.

Динамическое торможение. Для перевода работающего двигателя в режим динамического торможения якорная цепь отключается от источника якорного напряжения и на зажимы якоря подключается реостат динамического торможения R_ДТ. Схема включения двигателя приведена на рис.2.4а.

Под действием инерционных сил якорь продолжает вращаться в прежнем направлении, а полярность напряжения U_в, прикладываемого к обмотке возбуждения, не изменяется. Следовательно, сохраняет своё направление э.д.с. вращения Е. В образовавшемся контуре ток I_я будет протекать под действием Е. Поскольку Е направлено встречно U, то и направление тока по отношению к двигательному режиму изменится на противоположное:

.

Рис. 2.4 – а) схема включения двигателя в режиме динамического

торможения;

б) характеристики двигателя в режиме динамического

загрузка...

торможения.

 

Момент двигателя становится тормозным М= –кФI_Я. Поскольку U=0, уравнение механической характеристики двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:

.

Механические характеристики двигателя в режиме динамического торможения приведены на рис. 2.4б. Они представляют расположенные во втором квадранте прямые линии, проходящие через начало координат.

Двигатель, работавший в точке А на естественной характеристике, в зависимости от величины R_ДТ перейдет в точку В или С на характеристике динамического торможения. С уменьшением скорости двигателя ω будут уменьшаться Е, I_ЯДТ и тормозной момент двигателя М. При ω=0 будут равны нулю Е, I_ЯДТ, М, поэтому характеристика динамического торможения и проходит через начало координат.

Двигатель в режиме динамического торможения работает как автономный генератор. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ, которая выделяется в виде тепла на сопротивлениях, включенных в цепь протекания I_ЯДТ.

Динамическое торможение используется для остановки электропривода при реактивном М_с, при опускании груза в подъемных механизмах.

Торможение противовключением. Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а вращающаяся часть двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления М_с вращается в противоположную сторону – против включения.

Наиболее часто торможение противовключением используется в реверсивных электроприводах, так как реверсу двигатель обязательно предшествует процесс торможения. Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением приведена на рис. 2.5. Реверс осуществляется со стороны якоря двигателя, для чего якорь включен в реверсивный мост, образованный главными контактами контакторов направления вращения КВ («вперед» в электроприводах передвижения или «верх» в электроприводах подъёма) и КН («назад» и «низ» соответственно). При реверсе со стороны обмотки возбуждения она включается в реверсивный мост, образованный контактами электрических аппаратов меньшего габарита, так как потребляемая по цепи питания обмотки возбуждения мощность не превышает 15% мощности, потребляемой по цепи питания якоря. Однако реверс со стороны якоря осуществляется гораздо быстрее, поскольку постоянная времени якорной цепи Т_я на порядок меньше постоянной времени цепи возбуждения Т_в.

Рис 2.5 - Реверсивная схема включения ДПТ с независимым

возбуждением

В цепь протекания тока I_я включены пусковой реостат с сопротивлением R_П и реостат противовключения R_{ПР .} Такая схема включения двигателя может быть в электроприводе подъемной лебедки, на крюке которой подвешен груз массой m.

Допустим, что замкнуты контакты КВ, а R_П и R_ПР зашунтированы, то есть их сопротивления равны нулю. Зажим якоря Я1 подключен к +U, а Д2 к – U источника якорного напряжения. Ток в якоре I_Я протекает от Я1 к Д2, а э.д.с. вращения Е направлено в обратную сторону, то есть от Д2 к Я1.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Якорь двигателя подключается к источнику якорного напряжения с обратной полярностью. Это означает, что двигатель включается для работы в противоположном направлении. В момент переключения якорь двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения, то есть вращается против включения. Остается неизменным и направление тока в обмотке возбуждения LM. Поэтому сохраняется и направление э.д.с. вращения .

С изменением полярности напряжения на зажимах якоря изменяет направление ток якоря и поэтому момент двигателя становится тормозным. Так как величина Е в установившемся режиме работы двигателя составляет около 90% от величины U, то в момент переключения напряжения на зажимах якоря и ток в начале режима торможения противовключением I_{Я ПР} будет существенно превышать пусковой ток I_ЯП. Поэтому для его ограничения, а также ограничения момента двигателя, одновременно с замыкателем КН в цепь якоря кроме пускового реостата R_п необходимо включать и реостат противовключения R_{п р}. Сопротивление реостата R_ПР должно быть таким, чтобы I_{Я ПР}≤2,5 I_ЯН. Тогда ток I_{Я ПР} будет определяться по формуле:

.

Характеристики ДПТ с независимым возбуждением, соответствующие схеме включения двигателя на рис. 2.5, приведены на рис. 2.6. Поскольку схема включения двигателя реверсивная, характеристики расположены в четырех квадрантах. При замкнутых контактах КВ и зашунтированных R_П и R_ПР двигатель работает на естественной характеристике в первом квадранте в точке А.

В момент переключения изменяется полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и он оказывается включенным для работы в направлении «назад». Поэтому его характеристики будут начинаться в третьем квадранте в точке с координатами (0; -ω₀).

Изменяется направление тока якоря I_я и вращающего момента двигателя М. Однако скорость двигателя ω остается неизменной, так как постоянная

времени электромагнитного переходного процесса гораздо меньше постоянной времени электромеханического переходного процесса. Поэтому двигатель из точки А переходит в точку В на характеристике противовключения во втором квадранте по прямой, параллельной оси абсцисс. Если величина R_ПР выбрана правильно, то бросок тока якоря и тормозного момента при переключении не превысят допустимого значения.

 

Рис. 2.6 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением

Под влиянием тормозного момента скорость двигателя уменьшается и если он тормозится для остановки, то в точке С необходимо разомкнуть КН и отключить двигатель от напряжения источника. Если же сразу после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать R_ПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. Это обеспечит разгон в направлении «назад» с максимальным ускорением и позволит уменьшить время разгона. В третьем квадранте двигатель будет работать в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной.

Если еще раз изменить полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и ввести в якорную цепь R_П и R_ПР, двигатель перейдет из точки Е в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон в направлении «вперед» будут протекать аналогично.

В электроприводах с активным М_с, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный М_с создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противовключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.5, а соответствующие схеме включения механические характеристики двигателя приведены на рис. 2.7. Они располагаются в первом и четвертом квадранте, так как активный М_с не изменяет своего направления при изменении направления вращения двигателя.

Рис. 2.7 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением при активном М_с

 

Допустим, что замкнуты контакты КВ и зашунтированы R_П и R_{П Р}. Двигатель со скоростью ω₁ работает в направлении подъема на естественной характеристике в точке А.

При введении в цепь тока якоря пускового реостата R_П двигатель перейдет на предельную пусковую характеристику и будет работать в точке В со скоростью ω₂. С введением R_ПР наклон характеристики будет увеличиваться, а скорость двигателя уменьшаться (ω= ω₃ при R_ПР= R_ПР1).

Можно так подобрать величину R_ПР, что М будет равен М_с при скорости двигателя ω, равной нулю. На рис. 2.7. этому случаю соответствует точка Д при R_ПР= R_ПР2. Двигатель останавливается, и поднимаемый груз удерживается в подвешенном состоянии за счет вращающего момента двигателя М. При

R_ПР= R_ПР3 момент двигателя М станет меньше М_с. Поднятый груз начнет опускаться и двигатель, включенный для работы на подъем, под действием активного М_с будет вращаться в направлении опускания – против включения. Момент двигателя становится тормозным. Поскольку якорь двигателя теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, изменит свое направление э.д.с. вращения двигателя . Величина якорного тока I_{Я ПР} будет определяться выражением:

С увеличением скорости опускания груза, будут увеличиваться Е, I_{Я ПР} и тормозной момент двигателя М. При ω= -ω₄ (точка Е на рис. 2.7.) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного М_с и увеличение скорости опускания груза прекратится.

Такой режим торможения широко используется в электроприводах подъемных лебедок, так как он позволяет получить очень низкие «посадочные» скорости двигателя и устанавливать груз в требуемом месте без удара.

При торможении противовключением э.д.с. вращения Е направлена последовательно – согласовано с напряжением якорного источника U, то есть двигатель работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует МЭ в ЭЭ, а также потребляет ЭЭ из сети. Вся ЭЭ выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока якоря. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.