Управление режимами работы электрических двигателей в разомкнутых системах электропривода. Модели двигателей в установившихся режимах

Управление режимами работы электрических двигателей в разомкнутых системах электропривода.

Предисловие

Имеется большое количество производственных механизмов и технологических процессов, длительное время работающих в установившихся режимах. В этих случаях возможно применение несложного и дешевого варианта электропривода, работающего в разомкнутой системе. Кроме того, разомкнутые системы электропривода являются основой замкнутых систем регулирования. Поэтому изучение способов регулирования координат электропривода и реализация различных режимов преобразования энергии в разомкнутых системах имеет важное значение.

В первом разделе рассматриваются математические модели электрических двигателей в установившихся режимах работы. Вводятся понятия о механических и электромеханических характеристиках и их разновидностях. Рассматриваются уравнения характеристик.

При преобразовании энергии в двигателях постоянного тока необходимо учитывать ограничение тока якорной цепи, определяемое условиями коммутации. В случае применения асинхронного двигателя с фазным ротором возможно обеспечить влияние на развиваемый двигателем момент. Во второй части рассматриваются способы регулирования тока и момента.

Третья часть посвящена способам регулирования угловой скорости вращения валов двигателей.

В четвертой части рассматриваются способы торможения двигателей.

Изложение материала ориентировано на понимание физической сущности рассматриваемых режимов. Приводятся необходимые расчетные соотношения.

1.  Модели двигателей в установившихся режимах.

1.1  Понятие о механических и электромеханических характеристиках двигателей.

Механическими называются характеристики, описывающие зависимость w=f(M) угловой скорости вращения вала двигателя от развиваемого двигателем электромагнитного момента. Электромеханические характеристики для двигателей постоянного тока отражают зависимость w=f(I) скорости от тока якоря, для синхронного двигателя – зависимость w=f(I₁) скорости двигателя от тока статора, а для асинхронных двигателей рассматривают два вида электромеханических характеристик – зависимости w=f₁(I₁) и w=f₂(I₂) скорости двигателя от тока статора и тока ротора соответственно.

Процессы преобразования энергии, описываемые механическими и электромеханическими характеристиками могут быть переходными (динамическими) или установившимися (статическими). В связи с этим различают динамические механические и электромеханические характеристики и те же характеристики для установившихся режимов.

1.2  Характеристики двигателей постоянного тока с независимым возбуждением в установившихся режимах.

Электромагнитный момент, развиваемый двигателем формируется в результате взаимодействия тока якоря i с магнитным потоком Ф, создаваемый обмоткой возбуждения: 

М=Сфi.                              (1.1)

Если якорь двигателя питается от источника бесконечной мощности, то баланс напряжений в якорной цепи можно представить в следующем виде:

                          (1.2)

Здесь U – напряжение источника питания; r_a – «внутреннее» сопротивление двигателя, учитывающее сопротивления всех обмоток, находящихся в якорной цепи; L_a – суммарная индуктивность цепи якоря; Е – противоЭДС, вырабатываемая двигателем.

Из теории электрических машин известно, что

Е=СФw.                              (1.3)

В (1.1) и (1.3) параметр является конструктивной постоянной машины.

 В общем случае поток возбуждения может изменяться. Изменение потока зависит от вида зависимости Ф=Ф(i_в), представляющей собой кривую намагничивания, и закона изменения тока возбуждения i_в в соответствии с уравнением

                           (1.4)

Где U_в - напряжение источника питания цепи возбуждения; r_в, L_в –параметры обмотки возбуждения.

Из выражений (1.1) … (1.3) следует, что динамические механическая и электромеханическая характеристики описываются соответственно выражениями:

                      (1.5)

                        (1.6)

Следовательно, характеристики установившихся режимов (U=const, i=I=const, Ф=const) можно определить из выражений:

                          (1.7)

                              (1.8)

При I=М=0 получаем скорость идеального холостого хода:

                              (1.9)

При работе двигателя ненулевым моментом на валу имеем отклонение скорости от скорости идеального холостого хода на величину

                        (1.10)

Характеристики (1.7), (1.8) при номинальных значениях напряжения U_Н и потока возбуждения Ф_Н называются естественными. Все другие характеристики являются искусственными. Искусственными будут такие характеристики, если при U=U_Н, Ф=Ф_Н в якорную цепь включить добавочное сопротивление.

Значение токов и моментов при w=0 называются токами I_кз и моментами М_кз короткого замыкания. Из (1.7) и (1.8) следует, что

                  (1.11)

Для естественных характеристик значение I_кз,е, М_кз,е существенно превышают номинальные значения тока I_Н и момента М_Н: