Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекция - Двигатель постоянного тока - файл 1.doc


Лекция - Двигатель постоянного тока
скачать (396.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc397kb.20.11.2011 00:36скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...


1 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
Предмет изучения курса "Электромеханические системы и устройства"
Электромеханические системы занимают центральное место в подавляющем большинстве технических систем. Основная определяющая их функция - преобразование электрической энергии в управляемую механическую. Т.е. они обеспечивают возможность регулирования параметров механического движения объектов управления (скорость, ускорение, угловое или линейное перемещение, сила, момент и др.). Как правило, данная функция должна выполняться автоматически.

В промышленности, науке, в быту используются разнообразные машины, механизмы и устройства, которые облегчают деятельность человека, повышают производительность и качество, уровень безопасности и комфортности и т.д. Приведем несколько примеров:

в промышленности - приводы станков, бумагоделательных машин, подъемно-транспортного оборудования и др.

в научных исследованиях - приводы и следящие системы телескопов, системы пространственного управления лазерным излучением, прецизионные микроподвижки и т.д.

в быту - кондиционеры, пылесосы, стиральные и посудомоечные машины.

В данном курсе студенты должны познакомиться с основными типами электромеханических систем и устройств и входящими в их состав элементами, изучить принцип действия и их основные характеристики, получить необходимые знания и практические навыки по расчету и выбору исполнительных устройств, по способам управления ими и их математическому моделированию.

Все технические средства автоматики можно представить в виде иерархической структуры, состоящей из трех уровней:

1. Системы управления и автоматического регулирования (высший уровень).

2. Автоматические регуляторы, следящие приводы и подсистемы (средний уровень).

3. Элементы и устройства подсистем, регуляторов, приводов и систем автоматического управления (нижний уровень).
Предметом изучения данного курса является нижний - базовый

уровень элементной базы систем автоматического управления.

В настоящее время разрабатывается и выпускается огромное разнообразие электромеханических устройств и элементов, выполняющих одни и те же функции, но отличающихся по принципу действия, конструктивному исполнению, способам управления и т.д.

Будущим специалистам по разработке и эксплуатации систем автоматического управления необходимо не только хорошо знать элементную базу, но и уметь выбирать из нее самые рациональные варианты решений с учетом условий работы и предъявляемым техническим требованиям.

Рассмотрим два классических примера автоматических электромеханических систем.

Следящая система "угол-угол". Обеспечивает автоматическую отработку угла поворота объекта управления (антенна радиолокационной станции, видеокамера) по заданию оператора. Функциональная схема такой системы приведена на Рисунок1.




Система работает следующим образом. Оператор с помощью
задающего устройства (ЗУ) вводит угол , на который нужно повернуть объект управления (ОУ). ЗУ поворачивает на заданный угол входную ось датчика угла рассогласования (ДУ), который может быть реализован, например, на сельсинах или поворотных трансформаторах (один механически связан с задающим устройством, а второй с осью вращения объекта управления, а между собой они связаны электрически). В первый момент угол поворота ОУ  отличается от угла задания . На выходе ДУ возникает напряжение U-, пропорциональное разности этих двух углов, которое подается на вход уcилительно-преобразовательного устройства (УПУ). УПУ выполняется обычно на полупроводниковых и интегральных элементах, его состав и структура определяются выбором типа исполнительного двигателя (Д). В конечном итоге УПУ должно обеспечить усиление сигнала рассогласования по мощности, достаточной для управления двигателем.

Под действием сигнала рассогласования двигатель начинает вращаться.

Начинает вращаться и объект управления, который механически связан через понижающий редуктор (Р) с валом двигателя. При этом разность углов  и  уменьшается, а в момент, когда она будет равна нулю, происходит остановка двигателя, так как U- тоже будет равно нулю. Таким образом, ОУ повернется на заданный угол .

Следящая система "угол-угол" по своему функциональному назначению и составу элементов является характерным примером электромеханических систем автоматического управления.

Другим примером может быть система автоматической стабилизации скорости вращения электродвигателя, широко используемая в том или ином исполнении во многих сложных технических устройствах. Функциональная схема системы стабилизации скорости приведена на рисунке 1.2.




Система стабилизации предназначена для поддержания заданной скорости вращения двигателя вне зависимости от изменений нагрузки (момента нагрузки на валу двигателя) и других внешних возмущающих факторов. В отличие от первого примера, в данной системе реализуется отрицательная обратная связь по скорости вращения двигателя. Для этой цели служит тахогенератор (ТГ), представляющий собой электромашинный преобразователь скорости вращения в пропорциональное ей электрическое напряжение. ТГ располагается на одной оси с двигателем (целый ряд современных двигателей содержат встроенный тахогенератор), а двигатель через редуктор связан с исполнительным органом (ИО), который необходимо вращать с постоянной заданной скоростью. Как и в первом примере здесь реализован принцип регулирования по отклонению. При отклонении скорости вращения ИО от заданной, в силу указанных выше причин, УПУ формирует сигнал рассогласования и подает его на управление двигателем, который изменяет скорость вращения, сводя это рассогласование к минимальному значению.

Анализируя состав и структуру рассмотренных систем можно увидеть в них много общего и сделать вывод о наличии некоторого базового комплекса элементов и устройств присущего электромеханическим системам. Этот комплекс называется - электроприводом. В его состав могут входить электромашинные устройства различного назначения (двигатели, преобразователи, генераторы и т.д.), электронные устройства (усилители, широтно-импульсные преобразователи, модуляторы и демодуляторы и т.д.) и

механические преобразовательные устройства (редукторы, винтовые и червячные передачи и др.).
Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ), которая в простейшем случае осуществляет пуск и останов электродвигателя, а в более сложных случаях управляет технологическим процессом приводимого в движение исполнительного механизма.

Мощность автоматизированного электропривода охватывает диапазон от нескольких долей ватта до десятков тысяч киловатт.

Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый, постоянного, переменного тока, транзисторный и тиристорный. До недавнего времени в качестве регулируемого электропривода применялся электропривод постоянного тока. В последние годы значительные успехи в силовой преобразовательной технике привели к созданию надежных регулируемых транзисторных и тиристорных электроприводов переменного тока. Так как двигатели переменного тока имеют неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока (они значительно дешевле, надежнее, имеют лучшие массогабаритные показатели и относительно простую конструкцию) в ближайшие годы ожидается бурное развитие управляемого электропривода переменного тока. Этому способствует широкое внедрение в управляемый электропривод микропроцессорной техники.

Стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов привело к созданию безредукторных электроприводов, которые по сравнению с редукторными обладают большей надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении. Предельно упрощает кинематику машин применение управляемого электропривода на базе линейных электрических машин постоянного и переменного тока. При этом создаются максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.

Приведем обобщенную функциональную схему электропривода, которая содержит все возможные устройства и поясняет их взаимодействие и взаимовлияние. Обобщенная функциональная схема электропривода приведена на рисунке 2.1, где ИЭ - источник энергии (промышленная электросеть, электромашинный генератор, аккумулятор), ЭПУ - электрическое преобразовательное устройство (управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, электронный или электромашинный усилитель), ДУ - двигательное устройство (электродвигатель, пьезоэлектрический или магнитострикционный двигатель, электромагнитный двигатель),



МПУ-механическое преобразовательное устройство (редуктор, шарико-винтовая или червячная передача, кинематическая передача), ИО- исполнительный орган рабочей машины (турбина, вентилятор, оптические элементы приборов), УУ- устройство управления
(микропроцессор, управляющая ЭВМ), ЗУ - задающее устройство (ЭВМ, аналоговое устройство), ДПИ - датчики преобразователи информации (тахогенератор, термопара, индуктивные и емкостные датчики), сплошными одинарными стрелками обозначены аналоговые электрические сигналы постоянного иди переменного тока, пунктирные стрелки обозначают сигналы, наличие которых или отсутствие, а также форма определяются условиями конкретной технической системы, двойные стрелки обозначают механические связи.
Функции, выполняемые устройствами, входящими в состав электропривода:

ИЭ -обеспечение электропитанием всех элементов и устройств электропривода;

ЭПУ- преобразует сигнал управления в форму требуемую данным двигательным устройством;

ДУ - преобразует электрическую энергию в механическую;

МПУ - обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ДУ механической энергии;

ИО - выполняет заданные функции;

УУ-вырабатывает сигнал управления в функции задающего сигнала и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ДУ и ИО, кроме того, обеспечивает защиту и блокировку всех электромеханических устройств, входящих в составу электропривода.

ЗУ - формирует сигнал задания на УУ.

ДПИ - датчики-преобразователи информации служат для измерения различных координат электропривода (скорость вращения, ток, угол поворота и др.) и преобразования их в электрические сигналы одинакового вида.

Основными элементами электропривода являются электрические машины, которые могут выполнять функции двигательных устройств, источников энергии, датчиков преобразователей информации.
2 Электропривод постоянного тока
История привода постоянного тока.

  1. Генератор - двигатель.



  1. ЭМУ – двигатель



  1. Полупроводниковый преобразователь(транзисторный)– двигатель

  2. Тиристорный – преобразователь – двигатель



  1. IGBT транзисторный преобразователь- двигатель

С цифровым управлением.

(Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором)

Цифровой управляемый выпрямитель – двигатель

  1. Специализированный контроллер – вентильный двигатель


Как следует из вышесказанного, центральное место среди всех устройств автоматики занимает электропривод, а главным его элементом является двигательное устройство (исполнительное устройство). Исторически сложилось так, что самым широко распространенным исполнительным устройством систем автоматического управления является электродвигатель. В приборостроении речь идет о микродвигателях или электрических микромашинах. Рассмотрим, какие же требования предъявляются к микромашинам систем автоматики приборного типа. Различают две группы требований.

  1. Общие требования:

 высокие энергетические показатели  коэффициент полезного действия и коэффициент мощности;

 высокая надежность;

 низкая стоимость;

 простота конструкции и технологии изготовления;

 ремонтопригодность;

 стабильность выходных характеристик;

 высокое быстродействие;

 линейность характеристик и широкий диапазон регулирования.

  1. Требования в зависимости от области применения и условий эксплуатации:

 минимальные габариты и вес при заданных выходных параметрах;

 устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам;

 климатическая и радиационная устойчивость;

 взрывобезопасность;

 низкий уровень создаваемых шумов (акустических и электромагнитных).

Все приведенные требования, как правило, учитываются при выборе типа исполнительного устройства, при решении любой конкретной задачи.


Электродвигатели
Электродвигатели, применяемые в системах автоматики и телемеханики, вычислительной техники, имеют номинальную механическую мощность от сотых долей ватта, примерно, до

600700 Вт.

По конструкции и принципу действия их подразделяют на коллекторные, асинхронные и синхронные.

Коллекторные двигатели бывают:

  1. постоянного тока;

  2. переменного тока;

  3. универсальные, способные работать как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока.

По конструкции якоря коллекторные микродвигатели постоянного тока делятся на три группы: 1) с барабанным якорем;

2) с полым немагнитным якорем; 3) с дисковым якорем. Наряду с микродвигателями со скользящим контактом коллектор - щетки распространены бесконтактные двигатели постоянного тока.

Асинхронные двигатели в системах автоматики применяются в трех вариантах: 1) с короткозамкнутым ротором типа "беличья клетка";

2) с полым немагнитным ротором; 3) с полым магнитным ротором.

Синхронные двигатели используются в тех случаях, когда требуется строгое постоянство скорости вращения. Наибольшее распространение в автоматике получили реактивные, гистерезисные и двигатели с активным ротором.


^ Двигатели постоянного тока
Основные характеристики двигателей постоянного тока
Прежде чем рассматривать характеристики двигателей постоянного тока, приведем некоторые аналитические зависимости, необходимые нам для их формализации.

В первую очередь нужно иметь уравнение для электрического контура "обмотка якоря - сеть". Воспользовавшись 11 законом Кирхгофа, запишем для данного контура уравнение вида:
, (2.1)

где Uс - напряжение питания сети,

Iя - ток якоря,

Rя - суммарное активное сопротивление всех обмоток якоря,

Uщ - падение напряжения на щетках якоря.

Если считать, что падение напряжения на счетках постоянно, то тогда можно ввести обозначение: U=Uс-Uщ и записать выражение в виде :

. (2.2)

Если Е>U, то ток Iя совпадает по направлению с эдс Е и машина работает в генераторном режиме.

Если Е<U, то ток Iя меняет свой знак и будет направлен против эдс Е и машина будет работать в двигательном режиме.

При работе как в двигательном, так и в генераторном режиме величины эдс Е и электромагнитного момента М определяют по формулам:

,. (2.3)

, (2.4)

где сем= pN/2a - конструктивные постоянные электрической машины.

(р - число пар полюсов, N - число активных проводников обмотки якоря, а - число параллельных ветвей.)

- угловая скорость вращения якоря.

Теперь назовем основные характеристики электродвигателей, определяющие качество работа и производительность в установившемся режиме.

Механическая характеристика - зависимость угловой скорости вращения от электромагнитного момента =f(M) в установившемся режиме.
Электромеханическая характеристика (скоростная) - зависимость угловой скорости вращения от тока якоря =f(Iя) в установившемся режиме.
Моментная характеристика - зависимость электромагнитного момента от тока якоря M=f(Iя) в установившемся режиме.
Выражение для механической характеристики можно получить следующим образом: из уравнения 2.3 следует, что =Е/ceФ,

из уравнения 2.4 - Iя=М/смФ, а из уравнения 2.2 Е=U-IяRя, тогда после подстановки имеем:

, (2.5)

где =0 - угловая скорость холостого хода.
Электромеханическая характеристика:

. (2.6)

Моментная характеристика представлена уравнением 2.4.

Механические характеристики полностью определяют качество работы электромеханического устройства в установившемся режиме.

Используют понятия "естественной" и "искусственной" механических характеристик. Естественные механические характеристики двигатели имеют при номинальных параметрах питающей сети, нормальных схемах включения и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях машины. Все другие механические характеристики являются искусственными.

По степени влияния момента нагрузки на изменение скорости вращения, которое характеризуется коэффициентом крутизны ,

, (2.7)

где , ,

  приращение скорости,

ном  номинальная скорость вращения,

М  приращение момента,

Мном  номинальный момент вращения.

Все механические характеристики подразделяют на три группы:

  1. Абсолютно жесткие характеристики 0

  2. Жесткие характеристики имеют  в пределах 1 - 10 %.

  3. Мягкие механические характеристики  10%



^ 3 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатели параллельного возбуждения
В схеме двигателя параллельного возбуждения Рисунок3.1.обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря. Последовательно с обмоткой возбуждения включен регулировочный реастат Rр, а в цепи якоря пусковой реостат Rп. Особенность такой схемы включения в том,

что ток возбуждения двигателя не зависит от тока якоря, а значит, величина магнитного поток остается постоянной (если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря) при изменении нагрузки на валу двигателя. При этом условии механическая, скоростная и моментная характеристики будут линейными Рисунок3.2. Угол наклона скоростной и механической характеристик к оси абсцисс будет определяться величиной сопротивления пускового реостата. Чем больше Rп, тем больше угол наклона (характеристика становится мягче).


, (3.1)

, (3.2)

где  угловая скорость вращения холостого хода,

 снижение угловой скорости вращения, обусловленное суммарным падением напряжения на всех сопротивлениях цепи якоря.




Реакция якоря, несколько уменьшая поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором угловая скорость вращения возрастает с ростом момента. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели (особенно мощные) с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой, которая придает механической характеристике необходимый наклон. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу угловая скорость вращения резко возрастает (двигатель идет "в разнос"), возрастает также ток якоря и появляется круговой огонь на коллекторе.

В ряде случаев обмотку возбуждения запитывают от независимого источника (схема независимого возбуждения). Механические характеристики в этом случае аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как и в этом случае, ток возбуждения не зависит от тока якоря.

Примером использования рассмотренной схемы включения являются двигатели серии МИ и СД.

^
Двигатель последовательного возбуждения



В данном случае обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря рис 3.3, а это значит, что Iв=Iя и магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Iя. Характер этой функции меняется в зависимости от нагрузки двигателя.

При Iя<(0,8-0,9)Iном, когда магнитная система машины ненасыщенна Ф=kфIя, при чем kф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем росте нагрузки, а значит и тока якоря, рост потока замедляется и при Iя>Iном, когда машина достигает насыщения, считают, что Ф=const. В соответствии с этим изменяются зависимости =f(Iя), =f(М), М=f(Iя). При Iя<(0,8-0,9)Iном скоростная характеристика имеет форму гиперболы т.к.

, (3.3)

где с12 - const.

А при Iя>Iном скоростная характеристика становится линейной, и угловая скорость вращения будет определяться по формуле 3.1, где Ф=const.

Аналогично можно получить выражения для моментной характеристики: на первом участке

, (3.4)

а на втором участке по формуле 2.4.

Механическая характеристика на первом участке

, (3.5)

а на втором участке зависимость становится линейной и описывается выражением 3.2.



Нужно отметить особенность двигателя последовательного возбуждения резко развивать угловую скорость вращения при малых нагрузках, превышающую предельно допустимые значения (двигатель идет "в разнос". Обычно минимально допустимая нагрузка, при которой

Iя=(0,2-0,25)Iном , только двигатели малой мощности можно использовать в таких условиях т.к. они имеют относительно большое сопротивление обмотки якоря. Двигатели средней и большой мощности нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке.

Если в цепь якоря включен пусковой реостат, то, изменяя величину его сопротивления можно получить семейство механических характеристик, причем, чем больше Rп, тем ниже располагается характеристика. Механические характеристики такого двигателя  мягкие, что обеспечивает ему устойчивую работу при любой механической нагрузке больше минимальной. Свойство таких двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока якоря, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Так у двигателей параллельного возбуждения мощность пропорциональна моменту, а двигателей последовательного возбуждения Р=с. А при заданной кратности перегрузки по моменту М/Мномм, ток якоря в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в км раз, а в двигателе с последовательным возбуждением только враз. По этой же причине двигатель развивает больший пусковой момент, т.к. при заданной кратности пускового тока Iп/Iномi, пусковой момент Мп=, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением .
Двигатель смешанного возбуждения


Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. Угловая скорость вращения такого двигателя может быть определена из выражения :

, (3.6)

где Ф1 и Ф2  потоки параллельной и последовательной обмотки возбуждения.

З
нак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки Ф2), что ведет к уменьшению угловой скорости вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток Ф2 при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает скорость вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки скорость вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки скорость вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается постоянной.

По своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение (рисунок 3.6.) между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения, в зависимости от того, в какой из обмоток взбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.

Одним из достоинств такого двигателя является то, что он, обладая мягкой характеристикой, может работать на холостом ходу, так как поток параллельной обмотки ограничивает скорость вращения в этом режиме. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим. Такие двигатели применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение скорости вращения при увеличении нагрузки на вал (насосы, компрессоры).

^ 4 ПУСК И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Способы пуска двигателя постоянного тока




  1. Прямой пуск - обмотка якоря подключается непосредственно к сети.

Ток якоря двигателя определяется формулой

. (4.1)

Если считать, что при прямом пуске значения напряжения питания U и сопротивления якорной обмотки Rя остаются неизменными, то ток якоря зависит от противо - ЭДС Е. В начальный момент пуска якоря двигатель неподвижен (=0) и в его обмотке Е=0.Поэтому при подключении к сети в обмотке возникает пусковой ток

. (4.2)

Обычно сопротивление Rя невелико, особенно у двигателей большой мощности, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 1020 раз превышающих номинальный ток двигателя. При этом создается опасность поломки вала машины и появляется сильное искрение под щетками коллектора. По этой причине такой пуск применяется только для двигателей малой мощности, у которых Rя относительно велико.


  1. Реостатный пуск - в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока. В начальный момент пуска при =0 и Rп=мах ток якоря будет равен

. (4.3)

Максимальное значение Rп подбирают так, чтобы для машин большой и средней мощности ток якоря при пуске , а для машин малой мощности . Рассмотрим процесс реостатного пуска на примере двигателя с параллельным возбуждением рис 4.1.




В начальный момент пуск осуществляется по реостатной характеристике 4, соответствующей максимальному значению сопротивления Rп, при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент Мпmax .Регулировочный реостат Rр выводится так, чтобы Iв и Ф были максимальными. По мере разгона момент двигателя уменьшается, так как с увеличением скорости вращения ротора растет и ЭДС Е, а как следствие, уменьшается ток якоря, определяющий его величину. При достижении некоторого значения Мпmin часть сопротивления Rп выводится, вследствие чего момент снова возрастает до Мпmax , двигатель переходит на работу по реостатной характеристике 3 и разгоняется до значения Мпmin . Таким образом, уменьшая постепенно сопротивление пускового реостата, осуществляют разгон двигателя по отдельным отрезкам реостатной характеристики до выхода на естественную характеристику 1.Средний вращающий момент при пуске определяется из выражения

. (4.4)

двигатель при этом разгоняется с некоторым постоянным ускорением.

Аналогичный пуск возможен и для двигателей последовательного возбуждения. Количество ступеней пуска зависит от жесткости естественной характеристики и требований предъявляемых к плавности пуска. Пусковые реостаты рассчитываются на кратковременную работу под током.

В реальных устройствах пуск осуществляется автоматически. Микроконтроллер, по заданному алгоритму, управляет коммутирующими элементами (релейное управление), отключая секции пускового реостата и практически реализуя описанный выше процесс.

Алгоритм управления может быть построен с использованием трех основных принципов:

  1. Принцип ЭДС

  2. Принцип тока

  3. Принцип времени.

Идею реализации данных принципов можно пояснить с помощью пусковой схемы на электромагнитных реле (что практически применялось до широкого внедрения микропроцессорных систем управления) рисунок 4.3. К якорю машины подключается параллельно ряд реле, которые с ростом скорости вращения, а значит, ЭДС, последовательно срабатывают и своими контактами выводят из работы секции пускового реостата, постепенно уменьшая сопротивление якорной цепи.

При использования принципа тока применяются последовательно включенные реле тока, которые дают команду через свои нормально замкнутые контакты на последовательное включение соответствующих контакторов Кi при снижении тока до заданного уровня.

Принцип времени предполагает применение реле времени, которые через расчетные уставки времени дают команду на шунтирование секций реостата.


  1. ^ Пуск путем плавного повышения питающего напряжения - пуск осуществляется от отдельного регулируемого источника питания. Применяется для двигателей большой мощности, где нецелесообразно применять громоздкие реостаты из-за значительных потерь электроэнергии.



Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока


Угловая скорость вращения двигателя постоянного тока определяется по формуле

. (4.5)

Очевидно, что регулировать ее можно тремя способами:

  1. Включением добавочного резистора или реостата Rд в цепь обмотки якоря.

  2. Изменением основного магнитного потока машины.

  3. Изменением питающего напряжения.

Рассмотрим данные способы на примере двигателя параллельного возбуждения.

^ Дополнительное сопротивление Rд включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату, однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока. При включении реостата в цепь якоря скорость вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата. Это видно из механических характеристик Рисунок4.4. Угловая скорость вращения холостого хода одинакова для естественной и искусственной характеристик. А значения ест и реост (уменьшение угловой скорости вращения при нагрузке) различны. При одном и том же моменте

. (4.6.)

Чем больше Rд , тем круче с увеличением нагрузки падает скорость вращения.

Основной недостаток такого метода  большие потери энергии в реостате (особенно на малых скоростях вращения). Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать скорость вращения по сравнению со скоростью на естественной характеристике.
^ Для того, чтобы изменить основной поток машины, необходимо регулировать ток возбуждения, для чего в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат.

Для магнитных потоков Ф1 и Ф2 скорость вращения будет определяться соответственно выражениями

. (4.7)

. (4.8)

В двигателе с параллельным возбуждением, например, отношения скоростей холостого хода и изменения скоростей вращения при управлении со стороны обмотки возбуждения, обратно пропорциональны изменению магнитного потока:

. (4.9)

Электромеханические характеристики для двух значений потоков приведены на Рисунок 4.5.

Видно, что скоростные характеристики двигателя при Ф12 не являются параллельными, они пересекаются в точке А (при нулевой скорости вращения. Это объясняется тем, что ток якоря короткого замыкания Iяк не зависит от величины потока, а определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря (Iяк=U/Rя).

Величина же момента изменяется прямопропорционально величине потока, тогда для момента короткого замыкания будет справедливо соотношение

. (4.10)

Механические характеристики при Ф12 (рисунок 4.6) будут пересекаться при некотором значении критического момента М . Таким образом, с уменьшением магнитного потока угловая скорость вращения холостого хода возрастает, а величина момента короткого замыкания снижается. Тогда, при значениях нагрузочного момента, меньших Мкр уменьшение потока приводит к увеличению скорости вращения, а при значениях больших Мкр, наоборот - к ее снижению.

В двигателях параллельного возбуждения средней и большой мощности уменьшение потока используют для повышения скорости вращения, а в микродвигателях поток уменьшают для снижения скорости вращения.

Данный способ прост и экономичен, поэтому широко применяется на практике. К его недостаткам следует отнести сравнительно небольшой диапазон регулирования скорости т.е.

, (4.11)

где min -минимальная угловая скорость ограничивается насыщением магнитной цепи машины (рост магнитного потока ограничен);

max-максимальная угловая скорость ограничивается механической устойчивостью двигателя, а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается искажающее действие реакции якоря и растет реактивная ЭДС, что повышает опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня.
^ Регулирование скорости вращения двигателя изменением управляющего напряжения применяется лишь при Iв=const, т.е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении.

Угловая скорость вращения холостого хода пропорциональна напряжению (ω0=U/cеФ), а изменение скорости (Δω=Iя RяеФ) от напряжения не зависит. Поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряжения Рисунок4.6. не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу. Изменением напряжения управления цепи якоря можно регулировать скорость вращения вниз от номинальной, поскольку недопустима подача напряжения выше номинального значения. При необходимости увеличения скорости вращения выше номинальной, можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Практическая реализация данного способа регулирования скорости сводится к применению регулируемого источника напряжения. Например, для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применять регулируемый выпрямитель Рисунок4.7, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором(АТ), включенным на входе выпрямителя.

^ Изменение направления вращения

Для того чтобы изменить направление вращения (выполнить реверс) нужно поменять знак электромагнитного момента на противоположный. Это возможно осуществить двумя способами:

  1. Изменением направления тока якоря.

  2. Изменением направления магнитного потока, т.е. тока возбуждения.

Практически это делается изменением полярности напряжения, подаваемого на обмотки.
^ 5 ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА



Возможны три основных способа торможения:

  1. Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть.

2. Динамическое торможение с гашением энергии в реостате.

  1. Электромагнитное торможение противовключением.

Рекуперативное торможение. Двигатель параллельного возбуждения переходит в режим рекуперативного торможения при превышении его скорости вращения угловой скорости холостого хода 0. ЭДС машины, в этом случае, превысит напряжение управления, и как следствие этого, ток якоря поменяет свое направление. Машина переходит в генераторный режим работы, момент меняет знак и становится тормозным, а выработанная электроэнергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В двигателе с параллельным возбуждением механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов Рисунок5.1 (второй квадрант). Переход в генераторный режим в этом случае может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться со скоростью 01. Машину можно и принудительно перевести в генераторный режим, если перевести ее на работу с характеристики А на характеристику Б (из точки 1 в точку 3), тем самым уменьшив величину 0 до величины 02. Практически это можно выполнить, уменьшив основной магнитный поток или снизив напряжение управления на якоре.

Двигатели с последовательным возбуждением не могут переходить в режим рекуперативного торможения. При необходимости, их сначала перекоммутируют на схему независимого возбуждения. Двигатели со смешанным возбуждением могут переходить автоматически в режим рекуперативного торможения.
^ В случае динамического торможения обмотку якоря отключают от источника управляющего напряжения и подключают к ней реостат. Машина переходит в генераторный режим (E>U) и создается тормозной момент. При этом кинетическая энергия (при реактивном статическом моменте) или потенциальная энергия ( при активном статическом моменте), запасенная в механической части привода, преобразуется в электрическую, которая гасится в реостате. Ток якоря или величину тормозного момента регулируют, изменяя сопротивление реостата.
Электромагнитным торможением называют режим, при котором якорь двигателя вращается под действием моментов определяемых запасами кинетической или потенциальной энергии в направлении противоположном действию электромагнитного момента. Моменты, действующие на валу двигателя, могут иметь различную физическую природу. Их обычно делят на реактивные и активные (потенциальные) моменты. Реактивные моменты препятствуют движению и меняют свой знак при изменении направления вращения (моменты, связанные с силами вязкого и сухого трения). Активные (потенциальные) моменты связаны с перераспределением потенциальной энергии отдельных элементов привода, создаются силами веса, сжатия, скручивания и растяжения, они не изменяют свой знак при изменении направления вращения (значение активных моментов, как правило, не меняется при изменении скорости движения).

В связи с этим, необходимо рассмотреть особенности торможения в данном режиме, в зависимости от типа действующего на валу двигателя момента.

^ При наличии реактивного статического момента торможения противовключением достигают, изменяя полярность на зажимах якоря и включая в его цепь тормозной реостат Rт. После переключения полярности двигатель переходит из точки 1 в точку 2 на новую механическую характеристику, проходящую через точку -0 , наклон которой будет определяться величиной сопротивления тормозного реостата. Ток и момент двигателя изменяют знак, при этом происходит интенсивное торможение, благодаря действию суммарного отрицательного динамического момента. В точке 3 происходит остановка двигателя, поскольку реактивный статический момент, меняя свой знак, препятствует вращению в противоположном направлении. Если переводить двигатель в режим противовключения при меньшем значении сопротивления тормозного реостата, то двигатель из точки 1 перейдет в точку 4 новой механической характеристики (с меньшим наклоном к оси абсцисс). В этом случае тормозной режим не закончится в точке 5, двигатель может совершить реверс и перейти в двигательный режим работы с установившейся скоростью -с. Для того, чтобы исключить реверс и остановить двигатель в точке 5, его отключают от сети и применяют механическое торможение.

^ При наличии активного статического момента в режим противовключения двигатель можно ввести без изменения полярности напряжения управления на якоре. Достаточно ввести большое сопротивление тормозного реостата (рисунок 5.3). Тогда под действием потенциальных сил происходит торможение якоря до остановки (происходит переход из точки 1 в точку 2 и 6), а при еще большем сопротивлении тормозного реостата он может начать вращаться в другую сторону (переход из точки 1 в точки 5, 3, 4). ЭДС при этом меняет свой знак, а ток (момент) сохраняет прежнее направление.

^

6 ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА



Рассмотрим двигатель независимого (параллельного) возбуждения с управлением за счет изменения напряжения на якоре. Для того, чтобы получить передаточную функцию необходимо составить дифференциальное уравнение, описывающее электрическую цепь двигателя в переходном процессе и дифференциальное уравнение движения вала двигателя (механика процесса). В переходном процессе обмотка якоря имеет две составляющие сопротивления: активную (обозначим ее здесь Rя) и реактивную, которая будет определяться величиной индуктивности обмотки Lя. Подводимое напряжение U уравновешивается ЭДС самоиндукции якоря ( ), падением напряжения на активном сопротивлении якоря (iяRя) и противо-эдс eя, возникающей в якоре при вращении, тогда будет справедливо выражение вида

, (6.1)

где Lя – индуктивность якорной обмотки.
^

Для противо-ЭДС с большой степенью точности можно записать


ея=kэм. (6.2)

где kэмеФ – электромагнитный коэффициент

Дифференциальное уравнение движения вала двигателя имеет вид

, (6.3)

где J момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя,

Мс  статический момент или момент сопротивления (в общем случае равен сумме нагрузочного момента и момента трения двигателя).

На первом этапе будем считать , что статическим моментом можно пренебречь (т.е. пусть Мс=0), тогда получим

, (6.4)

где kэммФ – электромагнитный коэффициент.
^

Величина тока якоря тогда, находится по формуле


. (6.5)

Подставим выражения 5.3 и 5.6 в исходное дифференциальное уравнение электрической цепи и получим

. (6.6)

Теперь обе части уравнения 5.7 разделим на kэм, а коэффициент при второй производной разделим и умножим на Rя. Уравнение примет вид

. (6.7)

Введем следующие обозначения:

- электромеханическая постоянная времени двигателя,

- электромагнитная постоянная времени якоря двигателя.

Теперь, с учетом принятых обозначений можем записать

. (6.8)

Для получения передаточной функции нужно данное уравнение записать относительно изображений по Лапласу входного напряжения и угловой скорости на выходе двигателя

. (6.9)

Так как передаточная функция представляет собой отношение изображений выходной и входной величин, то можно записать

, (6.10)

где kдв=1/kэмкоэффициент передачи двигателя.

В зависимости от соотношения величин постоянных времени двигателя, вид его передаточной функции можно изменять. Так, если ям, что встречается достаточно редко, двигатель описывается колебательным звеном. Чаще всего ям и передаточную функцию можно представить в виде

. (6.11)

При анализе систем автоматического управления с двигателем постоянного тока часто пренебрегают электромагнитной постоянной, ввиду ее малости (Тя0), по сравнению с другими постоянными времени системы, и используют передаточную функцию вида

. (6.12)

Кроме того, если выходной величиной является не угловая скорость, а угол поворота вала двигателя, которые, как известно, связаны соотношением, где (p)- изображение угла поворота вала двигателя, передаточная функция принимает вид

. (6.13)

При решении многих технических задач оказывается возможным пренебречь временем разгона (переходным процессом) по сравнению с полным временем вращения вала, и тогда двигатель может быть описан идеальным интегрирующим звеном

. (6.14)

Приведенные передаточные функции получены при условии равенства нулю статического момента. Можно показать, что они справедливы для М=const, если характеристики двигателя считать линейными. Величина Мс не влияет на постоянные времени и коэффициент передачи.

Для практических расчетов параметров передаточной функции двигателя, например, при синтезе систем управления, могут быть полезны следующие формулы:

(6.15)

где Uном номинальное напряжение на якоре,

nном номинальная частота вращения [обороты/мин](задается в паспорте),

Iяном- номинальный ток якоря,

схэмпирический коэффициент(0,4 – для машин без компенсационной обмотки, 0,1  с компенсационной обмоткой).

(6.16)

или

. (6.17)

Необходимо также учитывать, что при введении добавочного сопротивления в цепь якоря постоянные времени изменяются, причем Тя – уменьшается, а Тмрастет. Если двигатель рассматривается совместно с механической нагрузкой и редуктором на его валу, то при расчетах Тм нужно учитывать момент инерции редуктора и нагрузки приведенный к валу двигателя.

Для того, чтобы учесть влияние статического момента нагрузки Мс, удобнее воспользоваться методом структурного моделирования, используя те же базовые выражения 5.1 и 5.3. Считаем, что Мс=const, и его можно определить из выражения

, (6.18)
где iс – ток якоря соответствующий статической нагрузке.

Уравнения 5.1 и 5.3 представим в форме:

, (6.19)

, (6.20)

где kэм=смФ.

Тогда уравнение 5.19 можно записать относительно величины падения напряжения в якорной цепи

. (6.21)

В структурной схеме это может быть отражено с помощью апериодического звена первого порядка, на вход которого поступает разность между напряжением и ЭДС двигателя, а на выходе имеем падение напряжения в цепи якоря (Рисунок5.4).Уравнение 5.19 запишем в виде , а так как , то можно его записать относительно ЭДС в виде

. (6.22)

На структурной схеме данное уравнение будет представлено интегрирующим звеном с коэффициентом передачи , на выходе которого будем иметь напряжение равное противо-ЭДС двигателя ея, а на входе разность падения напряжения на якоре и падения напряжения, определяемого током статической нагрузки (Рисунок5.4). Так как на выходе системы нужно иметь скорость вращения двигателя, то последовательно подключим безынерционное звено с коэффициентом передачи , где kэмеФ. А статический момент вводится как возмущающее воздействие через безынерционное звено с коэффициентом .




Для составления математических моделей двигателей смешанного и тем более последовательного возбуждения, которые обладают существенно нелинейными характеристиками, используют приближенные методы исследований, которые рассматриваются в теории автоматического управления, или специально разработанные в теории электропривода графоаналитические методы.




Скачать файл (396.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации