Что такое динамический режим работы двигателя

3 Режимы работы электропривода

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение).

Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками.

Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).

Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.

4 УравнениЕ движения электропривода

Электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, создают вращательное движение; значительная часть машин-орудий также имеет вращающиеся рабочие органы; поэтому представляется целесообразным вывод уравнения движения сделать сначала для случая вращательного движения.

В соответствии с основным законом динамики для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения:

(4.1)

В системах электропривода основным режимом работы электрической машины является двигательный. При этом момент сопротивления имеет тормозящий характер по отношению к движению ротора и действует навстречу моменту двигателя. Поэтому положительное направление момента сопротивления принимают противоположным положительному направлению момента двигателя, в результате чего уравнение (4.1) записывается в виде:

(4.2)

Уравнение движения привода (4.2) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент уравновешивается моментом сопротивления на его валу и инерционным или динамическим моментом . В этом уравнении принято, что момент инерции привода является постоянным, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Здесь моменты являются алгебраическими, а не векторными величинами, поскольку оба момента и действуют относительно одной и той же оси вращения.

Правую часть уравнения (4-2) называют инерционным (динамическим) моментом (), т.е.

(4.3)

Этот момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. Из (4.3) следует, что направление динамического момента всегда совпадает с направлением ускорения электропривода.

В зависимости от знака динамического момента различают следующие режимы работы электропривода:

1) , т.е. , имеет место ускорение привода при , и торможение привода при .

2) , т.е. , имеет место замедление привода при , и ускорение при .

3) , т.е. , в данном случае привод работает в установившемся режиме, т.е. .

В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

Выбор знаков перед значениями моментов зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

Наряду с системами, имеющими только элементы, находящиеся во вращательном движении, иногда приходится встречаться с системами, движущимися поступательно. В этом случае вместо уравнения моментов необходимо рассматривать уравнение сил, действующих на систему.

При поступательном движении движущая сила всегда уравновешивается силой сопротивления машины и инерционной силой , возникающей при изменениях скорости. Если масса тела выражена в килограммах, а скорость — в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах ().

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

. (4.4)

В (4.4) принято, что масса тела является постоянной, что справедливо для значительного числа производственных механизмов.

Сказанное выше о классификации и знаках моментов полностью справедливо и для сил, действующих на систему.

Тормозные режимы работы двигателя с последовательным возбуждением

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением в электроприводах работают как в двигательном, так и в тормозных режимах. В отличие от двигателя с параллельным возбуждением генераторный режим с отдачей энергии в сеть для двигателей с последовательным возбуждением неприменим, так как для перехода в этот режим, как видно из механических характеристик (рис. 1), потребовалась бы недопустимо высокая скорость вращения. Основным, наиболее легко осуществимым, является тормозной режим противовключения .

В приводах машин с потенциальными статическими моментами (например, подъемные лебедки) перевод из двигательного режима в противовключение производится введением добавочного сопротивления в цепь якоря (точка А). Момент двигателя уменьшается, и под действием статического момента, создаваемого грузом, двигатель начнет вращаться в сторону, противоположную действию его момента. Груз будет опускаться (точка С).

Для торможения электрических машин с реактивным (без запаса потенциальной энергии) статическим моментом применяется переключение обмоток на обратное вращение (реверс). Все, что было сказано выше в отношении изображения характеристик в этом и других режимах двигателя с независимым возбуждением, в равной степени относится и к двигателю с последовательным возбуждением.

Рис. 1. Схемы включения и механические характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Режим электродинамического торможения двигателя последовательного возбуждения осуществляется двумя путями: с независимым возбуждением и с самовозбуждением. При независимом возбуждении обмотка возбуждения подключается к сети через ограничивающее сопротивление, а якорь, отключенный от сети, включается на тормозное сопротивление. Магнитный поток в этом случае будет постоянным, а режим работы двигателя и механические характеристики будут соответствовать аналогичному электродинамическому торможению двигателя с параллельным возбуждением.

Иногда при динамическом торможении применяют самовозбуждение, то есть якорь, отключенный от сети, замыкают на тормозное сопротивление, заставляя двигатель работать в режиме генератора с самовозбуждением. При этом необходимо переключить концы обмоток якоря или возбуждения, тогда ток генераторного режима будет усиливать поток остаточного магнетизма, иначе самовозбуждения не произойдет.

При малых скоростях двигатель также не возбуждается. Начинаясь при некотором значении скорости, процесс самовозбуждения происходит очень быстро, что вызывает скачкообразное нарастание тормозного момента; в результате этого механическая часть привода испытывает удар.

Подобные явления обычно нежелательны, поэтому самовозбуждение применяют в случае аварийного торможения. Режим самовозбуждения не требует питания обмоток от сети.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Пуск и тормозные режимы двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ

Ответственным моментом при эксплуатации двигателей постоянного тока является их пуск. При включении двигателя в сеть в начальный момент ток в цепи якоря ограничивается лишь электрическим сопротивлением цепи якоря, так как в неподвижном якоре ЭДС не индуцируется. Поэтому начальный пусковой ток при непосредственном включении двигателя в сеть может достигать опасных значений, способных нарушить работу щеточно- коллекторного узла и вызвать «круговой огонь» на коллекторе. Кроме того, такой ток создаст чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий на вращающиеся части электропривода ударное воздействие, способное вызвать их механическое разрушение. Эффективным средством ограничения пускового тока в двигателях постоянного тока является применение пусковых реостатов. Существует два метода расчета пусковых реостатов: графический и аналитический.

Графический метод расчета пусковых реостатов

В основе графического метода лежит пусковая диаграмма двигателя. Пусковая диаграмма, представленная на рис. 13.14, совмещена с трехступенчатым пусковым реостатом; K1, К2 и КЗ являются контактами силовых контакторов, посредством которых осуществляется переключение ступеней реостата, а r_доб1, r_доб2 и r_доб3 — резисторы ступеней пускового реостата. Механические характеристики 1, 2, 3 соответствуют ступеням пускового реостата R_ПР1, R_ПР2 и R_ПР3. Значения начального пускового тока I₁ и тока переключений реостатов I₂ обычно принимают

при этом ток переключений I₂ должен быть не меньше тока нагрузки, соответствующего статическому моменту сопротивления нагрузки М_С, на вал двигателя. Для двигателей специального назначения, с тяжелыми условиями работы, например двигателей краново-металлургических серий, указанные значения токов могут быть увеличены.

Аналитический метод расчета пусковых реостатов

При аналитическом методе расчет сопротивлений резисторов пускового реостата ведут по формулам:

В этих выражениях λ = I₁/I₂ представляет собой отношение начального пускового тока I₁ к току переключений I₂. При работе двигателя от регулируемого преобразователя напряжения необходимость в пусковом реостате отпадает, так как пуск двигателя можно начинать с любого пониженного значения напряжения на обмотке якоря в соответствии с допустимым значением начального пускового тока.

Тормозные режимы двигателей постоянного тока независимого возбуждения дпт нв

Помимо основного (двигательного) режима работы в двигателях постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения возможны тормозные режимы.

Генераторное рекуперативное торможение

Этот режим наступает, когда частота вращения якоря превышает частоту вращения холостого хода n₀.

В этих условиях ЭДС машины Е_а = с_еФn₀ превышает напряжение питающей сети (Еа > Uном), при этом ток якоря, а следовательно, и электромагнитный момент меняют свое направление на противоположное. В итоге машина постоянного тока переходит в генераторный режим и вырабатываемую при этом электроэнергию отдает в сеть. Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим и противодействует внешнему вращающему моменту, создаваемому силами инерции вращающего с прежней скоростью якоря (рис. 13.15, а). Этот процесс торможения будет продолжаться до тех пор, пока частота вращения якоря, уменьшаясь, не достигнет значения n_0.

Таким образом, для перехода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения не требуется изменений в схеме включения двигателя.

Генераторное рекуперативное торможение — наиболее экономичный вид торможения, так как он сопровождается возвратом энергии в сеть. Применение этого способа торможения является эффективным энергосберегающим средством в электроприводе Он целесообразен в электротранспортных средствах, работа которых связана с частыми остановками и движением под уклон. В этом случае кинетическая энергия движения транспортного средства (трамвай, троллейбус, электропоезд) преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

Возможен способ перевода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения и при установившейся частоте вращения якоря. Для этого необходимо увеличить в двигателе магнитный поток возбуждения, т.е. ток в обмотке возбуждения.

Из выражения ЭДС якоря Е_а = с_еФn следует, что с ростом магнитного потока возбуждения Ф при неизменной частоте вращения n ЭДС якоря Е_а увеличивается, что ведет к уменьшению тока в цепи якоря:

При ЭДС Е_а = U ток якоря I_a = 0, а частота вращения якоря достигает значения n = n₀. При дальнейшем увеличении потока возбуждения Ф, а следовательно, возрастании ЭДС якоря Е_а пограничная частота вращения снижается (см. 13.12, б), а частота вращения якоря, оставаясь практически неизменной за счет сил инерции вращающихся частей электропривода, начинает превышать пограничную частоту n₀. При этом ЭДС якоря превышает напряжение сети и двигатель переходит в режим генераторного рекуперативного торможения.

Динамическое торможение.

Необходимость в таком торможении возникает в том случае, когда после отключения двигателя от сети его якорь под действием кинетической энергии движущихся масс электропривода продолжает вращаться. Если при этом обмотку якоря, отключив от сети, замкнуть на резистор r_т, то двигатель перейдет в генераторный режим (обмотка возбуждения должна оставаться включенной в сеть). Вырабатываемая при этом электроэнергия не возвращается в сеть, как это происходит при рекуперативном торможении, а преобразуется в теплоту, которая выделяется в сопротивлении

В режиме динамического торможения ЭДС якоря не меняет своего направления, но поскольку якорь отключен от сети (U = 0), то ток якоря изменит направление, так как будет создаваться ЭДС Е_а

т.е. станет отрицательным. В результате электромагнитный момент также
изменит направление и станет тормозящим (рис. 13.15, б). Процесс торможения продолжается до полной остановки якоря (n = 0).

Торможение противовключением.

Допустим, что двигатель работает в основном (двигательном) режиме с номинальной нагрузкой. При отключении двигатели от сети вращающий
момент М = 0, но якорь двигателя за счет кинетической энергии вращающихся масс электропривода некоторое время будет продолжать вращение, т.е. произойдет выбег двигателя.

Чтобы уменьшить время выбега двигателя, применяют торможение противовключением. С этой целью изменяют полярность напряжения на клеммах обмотки якоря (полярность клемм обмотки возбуждения должна остаться прежней) и напряжение питания обмотки якоря становится отрицательным (- U). Но якорь двигателя под действием кинетической энергии вращающихся масс электропривода сохраняет прежнее (положительное) направление вращения, и так как направление магнитного потока не изменилось, то ЭДС якоря Е_а также не меняет своего направления и действует согласно напряжению (-U), при этом ток якоря создается суммой напряжения сети U и ЭДС якоря Еа
(рис. 13.15, в):

где r_т, — сопротивление резистора в цепи якоря двигателя.

В этих условиях электромагнитный момент станет отрицательным.

Под действием тормозящего момента — Mт, частота вращения якоря уменьшается, достигнув нулевого значения.Если в этот момент цепь якоря не отключить от сети, то произойдет реверсирование двигателя и его якорь под действием момента, который прежде был тормозным, начнет вращение в противоположную сторону. При этом двигатель перейдет в двигательный (основной) режим с отрицательными значениями частоты вращения и вращающего момента. Во избежание нежелательного реверсирования операцию торможения противовключением автоматизируют, чтобы при нулевом значении частоты вращения цепь якоря отключалась от сети.

Режимы работы электроприводов. Динамический момент

В зависимости от изменения скорости электропривода, различают два режима его работы:

1. установившийсяили статическийрежим, при котором скорость не изменяется;

2. переходный или динамический режим, при котором скорость изменяется.

Переходный режим может возникнуть в таких случаях:

1. при изменении параметров двигателя, например, при регулировании скорости изменением сопротивления в цепи обмотки якоря;

2. при изменении параметров механизма, например, при изменении подачи насоса;

3. при изменении параметров судовой сети, например, при колебаниях напряжения.

В динамическом режиме, в дополнение к ранее рассмотренным электромагнитному моменту двигателя М и статическому моменту механизма М , на валу двигателя возникает дополнительный, так называемый динамический момент М .

Появление этого момента объясняется действием сил инерции всех без исключения движущихся частей электропривода. Например, в электроприводе лебедки динамический момент появляется вследствие инерции якоря электродвигателя, шестерней редуктора, грузового барабана и самого груза.

Динамический момент, возникающий под действием сил инерции, увеличивает время переходных процессов, например, время пуска и остановки электропривода.

Для уменьшения динамического момента в двигателях специального исполнения уменьшают диаметр ротора и одновременно, для сохранения мощности двигателя, увеличивают его длину. Такие двигатели применяют в электроприводах грузоподъемных механизмов. Их применение позволяет сократить время пуска и остановки электропривода, а значит, повысить производительность грузовых лебедок и кранов.

Серии таких электродвигателей называются крановыми ( от грузового крана ).

3. Механические характеристики электродвигателей

Механическая характеристика электродвигателя— это зависимость угловой скорости ЭД от момента на его валу: ω (М). У большинства ЭД (кроме синхронных) с увеличением нагрузки на валу угловая скорость уменьшается. Характер изменения угловой скорости дви­гателя с изменением момента сопротивления определяет жесткость механической характеристики. По степени жесткости различают механические характеристики трех видов (рис. 3): абсолютно жест­кие, жесткие и мягкие.

Абсолютно жесткие характеристики присущи синхронным дви­гателям (прямая 1). При изменяющемся моменте в пределах пере­грузочной способности угловая скорость этих ЭД не изменяется.

Жесткими характеристиками обладают ЭД постоянного тока параллельного возбуждения (наклонная прямая 2) и асинхронные электродвигатели в пределах рабочей части их характеристик (верхняя часть кривой 3). У этих ЭД при значительном изменении момента скорость изменяется в меньшей степени.

Мягкие характеристики свойственны ЭД постоянного тока по­следовательного (кривая 4), смешанного возбуждения (кривая 5) и

ЭД в системе Г-Д с противокомпаундной обмоткой. Механические характеристики этих ЭД таковы, что при небольшом изменении момента происходит значительное изменение их угловой скорости.

Степень жесткости механической характеристики является од­ним из основных электромеханических свойств ЭД.

Наряду с механическими характеристиками электромеханичес­кие свойства ЭД отражают также электромеханические характерис­тики, являющиеся одним из видов рабочих характеристик и пред­ставляющие собой зависимость угловой скорости ЭД от тока, протекающего по цепи его якоря или ротора: ω(I).

Механические и электромеханические характеристики ЭД разделяют на естествен­ные и искусственные.

Естественной характеристикой называется характеристика, со­ответствующая работе ЭД при номинальных параметрах питающей сети, нормальной схеме подключения к ней и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях электродвигателя.

Каждому ЭД присуща только одна естественная характеристика.

Искусственные характеристики получаются при питании ЭД от сети с напряжением или частотой, отличающимися от номинальных, или при включении в одну из цепей ЭД добавочного резистора, или если ЭД подключен к источнику тока, по необычной схеме.

Для каждого ЭД можно создать неограниченное количество искусствен­ных характеристик.

Работа на них происходит при пуске, регулиро­вании частоты вращения и торможении ЭД.

4.Механические характеристики механизмов

При рассмотрении работы ЭД, приводящего в движение ме­ханизм, необходимо также принимать во внимание механическую характеристику механизма, ибо от степени их соответствия зависят условия эксплуатации двигателя.

Механической характеристикой механизма называется зависи­мость создаваемого им приведенного статического момента от угловой скорости ЭД: М(ω)

По характеру этой зависимости большинство судовых механизмов можно разделить на две основ­ные группы (рис. 4):

1. Механизмы с не зависящим от угловой скорости статическим моментом (прямая 1). (крановая характеристика).

К этой группе механизмов от­носятся грузоподьемные лебедки, краны, лифты, поршневые насосы и компрессоры(рис 4).

2. Механизмы, у которых статический момент зависит от квадрата угловой скорости;

Механическая харак­теристика этих механизмов изображается в виде параболической кривой 2, не проходящей через начало координат. Их начальный статический момент обозначается через М₀ и обусловлен трением в подшипниках и другими потерями.

К механизмам, обладающим такой характеристикой, называемой вентиляторной, относятся вентиляторы, центробежные насосы и гребные винты.

Сравнивая механические характеристики, нетрудно увидеть, что для механизмов с характеристикой 1 необходимы ЭД, способные

развивать большой пусковой момент, а для механизмов с ха­рактеристикой 2 приводные ЭД могут развивать меньший момент.

Располагая механическими характеристиками ЭД и механизма, легко найти значение угловой скорости ЭД при установившемся режиме работы привода. Поскольку в этом режиме система при­вода находится в состоянии равновесия, т.е. М = М_с, очевидно, что установившаяся скорость будет определяться точкой пересечения механических характеристик. Например, для характеристики I дви­гателя (рис. 5. а) и характеристик 2 и 3 механизмов установившими­ся скоростями будут ω_с2 и ω_с3 Если же механические харак­теристики ЭД и механизма не пересекаются, то установившийся режим работы привода в таком случае невозможен. Следует иметь в виду, что не в любой точке пересечения характеристик работа ЭП может быть устойчивой. Например, на рис. 5,б механические характеристики ЭД и механизма пересекаются в точках установившегося режима ω_с и (ω_сштрих). Однако точка (ω_сштрих) соот­ветствует неустойчивому установившемуся режиму. Положительный динамический момент при уменьшении скорости и отрицательный при ее возрастании обеспечит возврат системы привода в точку ω_с.

Таким образом, вид механических характеристик ЭД и ме­ханизма существенно влияет на характер переходных процессов, и это необходимо принимать во внимание при эксплуатации ЭП.

3. Способы пуска, регулирования частоты вращения и торможения электроприводов постоянного тока.