Краткие теоретические сведения для решения задачи

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

И ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

При изучении дисциплины «Электрический привод» предусмотрено выполнение студентом одной контрольной работы.

При выполнении контрольной работы необходимо строго придерживаться указанных ниже правил. Работы, выполненные без соблюдения этих правил, не зачитываются и возвращаются студенту для переработки.

1. Перед решением задач контрольной работы внимательно прочитайте теоретические сведения для решения задачи.

2. Контрольная работа должна быть выполнена в отдельной тетради в клетку чернилами или шариковой ручкой любого цвета, кроме красного. Необходимо оставлять поля шириной 4-5 см. для замечания рецензента.

3. В заголовке работы на обложке тетради должны быть ясно написаны фамилия студента, его инициалы, учебный номер (шифр), название дисциплины; здесь же следует указать название учебного заведения, дату отсылки работы в институт и адрес студента. В конце работы следует проставить дату ее выполнения и расписаться.

4. В работу должны быть включены все задачи, указанные в задании строго по положенному варианту. Контрольные работы, содержащие не все задачи задания, а также задачи не своего варианта, не зачитывается.

5. Решение задач надо располагать в порядки номеров, указанных в заданиях, сохраняя номера задач.

6. Перед решением каждой задачи надо полностью выписать ее условие.

7. Решение задач следует излагать, подробно и аккуратно объясняя и мотивируя все действия по ходу решения и делая необходимые чертежи.

8. Графики должны быть выполнены на «миллиметровой» бумаге и вклеены в тетрадь, в которой выполняется контрольная работа. Оси координат графиков должны проходить по «сантиметровым» линиям бумаги. Масштаб графиков должен составлять целое число сантиметров, например, в одном сантиметре – 20 Ампер.  

9. После получения прорецензированной работы, как не зачтенной, так и зачтенной студент должен исправить все отмеченные рецензентом ошибки и недочеты. И выполнить все рекомендации рецензента.

Если рецензент предлагает внести решение задач те или иные исправления или дополнения и прислать для повторной проверки, то это следует сделать в короткий срок.

В случае незачета работы и отсутствие прямого указания рецензента на то, что студент может ограничиться представлением исправленных решений отдельных задач, вся работа должна быть выполнена заново.

При высылаемых исправлениях должна обязательно находиться прорецензированная работа и рецензия на нее. Поэтому рекомендуются при выполнении контрольной работы оставлять в конце тетради несколько чистых листов для всех дополнений и исправлений в соответствии с указаниями рецензента. Вносить исправления в сам текст работы после ее рецензирования запрещается.

 

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

Каждый студент выполняет вариант задания, обозначенный цифрой его учебного шифра в зачетной книжке, например, номер зачетной книжки ЗЭП – 18-12, следовательно, вариант задания 18. Если этот номер больше 60, то номер задания отсчитывается с первого. То есть, если номер зачетной книжки ЗЭП – 64- 12, то вариант задания четвертый; если номер зачётной книжки ЗЭП-127-12, то вариант задания седьмой.

 

ЗАДАЧИ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

ЗАДАЧА №1

Краткие теоретические сведения для решения задачи.

Схема включения ДПТ НВ показана на рисунке 1.1. При анализе работы ДПТ НВ используются следующие допущения:

1. Якорная цепь питается от идеального источника напряжения, т.е. работа исследуемого двигателя не влияет на величину U.

2. Параметры двигателя постоянные.

3. Величина магнитного потока ДПТ НВ зависит только от величины тока обмотки возбуждения  и не зависит от нагрузки двигателя I, то есть реакция якоря не проявляется.

 

Рисунок 1.1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Электромеханической характеристикой двигателя называется зависимость тока I, потребляемого двигателем, от угловой частоты вращения его ротора w. Иногда используется другое название этой характеристики – скоростная. Для ДПТ НВ электромеханическая характеристика – это взаимосвязь тока якоря I и угловой частоты вращения якоря: . Тогда электромеханическая характеристика ДПТ НВ описывается следующим уравнением:

 

                                          (1.1)

 

где  - угловая скорость вращения якоря;

 

 - конструктивный коэффициент двигателя;

р – число пар полюсов двигателя;

N – число активных проводников обмотки якоря;

а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

Ф(Вб) – магнитный поток одного полюса;

 

 (Ом) – полное сопротивление якорной цепи;

 (Ом) - внутреннее сопротивление ДПТ НВ, т.е. сопротивление обмотки якоря, щеток и щеточных контактов, а также обмоток дополнительных полюсов и компенсационной обмотки, если они использованы в двигателе. Обмотки дополнительных полюсов устанавливаются в ДПТ средней и большой мощности и служат для улучшения условий коммутации в щеточно-коллекторном узле ДПТ и для уменьшения влияния реакции якоря, т.е. для того чтобы ток якоря I не влиял на магнитный поток Ф. Эти обмотки включаются последовательно с якорной обмоткой и расположены на дополнительных полюсах, размещенных на статоре между основными полюсами обмотки возбуждения. Компенсационные обмотки применяются так же в ДПТ средней и большой мощности и также включаются последовательно с якорной обмоткой. Они располагаются на основных полюсах обмотки возбуждения, т.е. на статоре. Действие компенсационной обмотки направлено так же, как и действие обмотки дополнительных полюсов, на уменьшение влияния реакции якоря.

 (Ом) – внешнее сопротивление якорной цепи. Это суммарное сопротивление дополнительного резистора (если он установлен) и сопротивление источника напряжения. Если в качестве источника напряжения используется сеть постоянного напряжения, то ее сопротивлением пренебрегают.

Механической характеристикой ДПТ НВ называется взаимосвязь момента двигателя М и угловой скорости . При этом в качестве момента М принимается электромагнитный момент ДПТ НВ, а не полезный момент на валу М ₂. Электромагнитный момент М двигателя больше момента на валу М ₂ на величину D М, обусловленную потерями в стали, механическими и добавочными потерями. Поэтому в расчетах, полагая момент двигателя М ₂ равным М, необходимо момент потерь D М прибавлять к приведенному моменту статической нагрузки М _с.

В соответствии с законом электромагнитных сил:

 

                                                                              (1.2)

 

Подставляя (1.2) в (1.1) получили уравнение механической характеристики:

 

                                 (1.3)

 

Естественными называются электромеханическая и механическая характеристика ДПТ НВ полученные при следующих условиях: , то есть напряжение питание обмотки якоря равно номинальному, добавочное сопротивление в цепи якоря  отсутствует и поток, создаваемый обмоткой возбуждения, равен номинальному.

(то есть ток обмотки возбуждения равен номинальному или иначе говоря, отсутствует добавочное сопротивление Rдв). Если хотя бы одно из этих условий нарушено, характеристики называются искусственными или регулировочными. В соответствии с (1.1) и (1.3) все характеристики ДПТ НВ (и искусственные и естественные) представляют собой прямые и могут быть построены по двум точкам. Для построения естественных характеристик используется обычно точка идеального холостого хода () и точка работы в номинальном режиме ().

    Как следует из (1.3), существует три способа получения искусственных характеристик для управления угловой скоростью ДПТ НВ:

    1. Изменением R.

    2. Изменением Ф.

    3. Изменением U.

     При регулировании ω перечисленными способами изменяются и механическая и электромеханическая характеристики.

    Изменение w при изменении М регулированием угловой скорости не является, а является нежелательным фактором. Двигатель обеспечивает М, равный моменту статической нагрузки М _с и желательно, чтобы угловая скорость w не зависела от этой нагрузки.

Регулирование скорости ДПТ НВ  изменением R путем добавления  в якорную цепь называется реостатным регулированием. Механические и электромеханические характеристики при таком регулировании показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Характеристики ДПТ НВ при реостатном регулировании.

Преимуществом данного способа регулирования является простота и невысокие капитальные затраты (на дополнительный резистор и коммутационную аппаратуру).

Недостатки также очевидны:

1. Невысокий диапазон регулирования (2-2,5) и однозонность регулирования – скорость можно только снизить.

2. Снижается жесткость механической характеристики и, как следствие, снижается стабильность угловой скорости.

3. Появляются дополнительные электрические потери мощности в

добавочном резисторе

 

Вместе с тем, при реостатном регулировании уменьшаются пусковые ток и момент , . Уменьшение пускового тока делает реостатный пуск ДПТ НВ более «щадящим» и для самого ДПТ НВ, и для источника напряжения. Уменьшение пускового момента ДПТ НВ является, с одной стороны, нежелательным фактором, так как при этом время разгона ДПТ НВ будет больше, чем было бы на естественной характеристики. Но с другой стороны существует целый ряд механизмов, где необходимо снижение пускового момента по условиям технологии. Например, двигатели насосов, качающих жидкость, не должны иметь большой пусковой момент, чтобы не было гидравлического удара в трубопроводе. Другим примеров является выбор люфтов и зазоров в механических передачах при пуске механизмов.

Поэтому в современных электроприводах на базе ДПТ НВ реостатное регулирование используется только для ограничения пусковых токов и моментов, и не находит применения для изменения ω в длительных режимах работы.

Регулирование скорости ДПТ НВ изменением потока, схема включения двигателя которого приведена на рисунке 1.3 При этом якорная цепь двигателя без каких-либо добавочных резисторов подключена к источнику с напряжением U = U_н, а цепь возбуждения питается от усилителя - возбудителя В (рисунок 1.3) или в простейшем случае от того же источника через добавочный резистор. Так как номинальный ток возбуждения I_вн соответствует допустимому нагреву обмоток возбуждения, то при регулировании скорости в условиях продолжительной работы ток возбуждения можно только уменьшать.

                 

Рисунок 1.3. Схема ДПТ НВ с регулированием скорости изменением магнитного потока.

 

Электромеханические и механические характеристики двигателя при ослаблении поля показаны на рисунке 1.4. (нерабочие участки изображены пунктирными линиями). Скорость идеального холостого хода   растет с уменьшением потока. Так как ток короткого замыкания не зависит от степени ослабления поля, все электромеханические характеристики пересекаются в одной точке  (следует помнить, что ток короткого замыкания для нормальных машин может во много раз превосходить допустимый). Момент короткого замыкания  уменьшается с уменьшением потока (рисунок 1.4,б).

 

 

а)

б)

Рисунок 1.4. Характеристики ДПТ НВ при ослаблении поля а)электромеханическая б) механическая

Преимущества данного способа регулирования:

1. Диапазон регулирования скорости может быть значительным - до (3-4):1.

2. Стабильность скорости относительно высокая - характеристики жесткие (следует помнить, что I_к.з = (20-50) I_н).

3. Простота реализации рассматриваемого способа регулирования и отсутствие дополнительных элементов в силовой цепи, в которых рассеивается энергия, делают способ весьма эффективным с экономической точки зрения: регулирование не сопровождается дополнительными потерями энергии. Капитальные затраты на регулирование также весьма низкие, что связано с малой мощностью цепи возбуждения, которая на 1,5-2 порядка меньше, чем мощность двигателя

Главный недостаток способа, существенно ограничивающий область его применения, это то, что как видно из приведенных характеристик, данный способ регулирования позволяет только увеличить скорость. Поэтому он обычно применяется в сочетании с другими, позволяющими регулировать скорость вниз от основной.

Регулирование скорости ДПТ НВ изменением напряжения на обмотке якоря нашло наибольшее распространение в современных системах регулируемого электропривода на базе ДПТ НВ. Изменения напряжения на якоре ДПТ НВ может быть осуществлено при помощи различных средств:

1. Регулируемый источник переменного напряжения (чаще всего лабораторный трансформатор ЛАТР) с последующим выпрямлением на неуправляемом выпрямителе. Данная схема часто используется в лабораторных установках.

2. Система генератор-двигатель, когда якорь ДПТ НВ запитывается от генератора постоянного напряжения. Выходное напряжение генератора регулируется током возбуждения генератора. Подобные системы до сих пор используются в мощных приводах карьерных экскаваторов.

3. Магнитные усилители. В настоящее время практически не используются.

4. Управляемый выпрямитель на тиристорах или иначе тиристорный преобразователь (ТП). Наиболее широко применяется в современных системах регулируемых приводов постоянного тока

5. Широтно-импульсный преобразователь (ШИП). Данные устройства используются для высокоточных (прецизионных) приводов постоянного тока ограниченной мощности (до 50 кВт) с широким диапазоном регулирования скорости (до 1:1000).

Наибольшее распространение в современных регулируемых электроприводах на базе ДПТ НВ получила система ТП-ДПТ НВ.

Характеристики ДПТ НВ при регулировании скорости изменением напряжения на обмотке якоря показаны на рисунке 1.3; предполагается, что ТП имеет двустороннюю проводимость. Так как поток Ф при изменении U якоря неизменен, электромеханическая и механическая характеристики совпадают. Как следует из (1.1) и (1.3) при таком регулировании при изменении U пропорционально изменяется лишь , а  не зависит от U. То есть семейство искусственных характеристик при КФ = КФ_н - параллельные прямые с наклоном несколько большим, чем у естественной характеристики двигателя, поскольку R = R_я + R_п. Если пренебречь активным сопротивлением тиристорного преобразователя R_п,, то  остается неизменным по сравнению с естественной характеристикой, то есть регулировочные характеристики в этом случае проходят параллельно естественной.

Естественные характеристики ДПТ НВ построены при  и при регулировании скорости ДПТ НВ увеличивать U выше  нельзя, иначе может наступить пробой изоляции обмотки якоря. Поэтому при таком регулировании U только уменьшают       (U ≤ ). Поэтому характеристика при подобном способе регулирования проходят ниже естественной и параллельно ей, как показано на рисунке 1.5.

 

 

Рисунок 1.5. Характеристики ДПТ НВ при регулировании скорости изменением напряжения на обмотке якоря

 

Двигательный режим работы ДПТ НВ при регулировании U лежит в I

квадранте; если изменить полярность U характеристики будут лежать в III квадранте.

Достоинства данного способа регулирования:

1. Широкий диапазон регулирования (10 – в разомкнутых системах; 1000 – в замкнутых системах), регулирование плавное.

2. Жесткость характеристик высокая, поэтому стабильность ω высокая.

3. Допустимый момент нагрузки не изменяется по сравнению с естественной характеристикой  т.к. Ф= .

4. Коэффициент полезного действия (КПД) электропривода практически не изменяется, поскольку не используются дополнительные резисторы в цепи якоря, а КПД самого тиристорного преобразователя ТП высок (0.97-0.98).

Недостатками данного способа регулирования являются более высокая стоимость ТП, чем стоимость резисторов, и возможность регулирования только ниже естественной характеристики, то есть скорость можно только снижать.

Несмотря на указанные недостатки, в подавляющем большинстве современных регулируемых электроприводов на базе ДПТ НВ используется способ регулирования ω с помощью ТП в цепи якоря. При необходимости получения ω выше номинальной ω схема дополняется узлом регулирования тока возбуждения  (то есть дополняется способом регулирования ω уменьшением потока Ф, что позволяет увеличить скорость выше номинальной).

Задание.    

Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) с заданными величинами номинального напряжения питания якоря U _Н, номинального тока якоря I _Н, номинальной скорости вращения n _н и сопротивления якоря R _Я:

 

Рисунок 1.5. Характеристики ДПТ НВ при регулировании скорости изменением напряжения на обмотке якоря

 

Двигательный режим работы ДПТ НВ при регулировании  лежит в I квадранте; если изменить полярность  характеристики будут лежать в III квадранте.

Достоинства данного способа регулирования:

1.Широкий диапазон регулирования (10 – в разомкнутых системах; 1000 – в замкнутых системах), регулирование плавное.

2.Жесткость характеристик высокая, поэтому стабильность ω высокая.

3.Допустимый момент нагрузки не изменяется по сравнению с естественной характеристикой , т.к. .

4.Коэффициент полезного действия (КПД) электропривода практически не изменяется, поскольку не используются дополнительные резисторы в цепи якоря, а КПД самого тиристорного преобразователя ТП высок (0.97-0.98).

Недостатками данного способа регулирования являются более высокая стоимость ТП, чем стоимость резисторов, и возможность регулирования только ниже естественной характеристики, то есть скорость можно только снижать.

Несмотря на указанные недостатки, в подавляющем большинстве современных регулируемых электроприводов на базе ДПТ НВ используется способ регулирования  с помощью ТП в цепи якоря. При необходимости получения ω выше номинальной  схема дополняется узлом регулирования тока возбуждения  (то есть дополняется способом регулирования  уменьшением потока , что позволяет увеличить скорость выше номинальной).

 

Задание

        

Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) с заданными величинами номинального напряжения питания якоря , номинального тока якоря , номинальной скорости вращения  и сопротивления якоря :

а) построить естественные механическую и электромеханическую характеристики;

б) построить реостатную механическую характеристику через точку с заданными значениями координат . Определить графически величину дополнительного сопротивления в цепи якоря Rд.

в) построить искусственную механическую характеристику регулирования скорости изменением напряжения на обмотке якоря через точку с заданными значениями координат . Аналитически определить напряжение на обмотке якоря при этом. При расчётах активным сопротивлением тиристорного преобразователя пренебречь.

Исходные данные для каждого варианта приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Исходные данные

Вариант	Pн, кВт	U н,B	I н,А	R Я,Ом	,об/мин	k 1	k 2
1	5,6	110	78,5	0,14	3150	1,2	0,3
2	8	110	89,2	0,095	2200	1,2	0,4
3	15	110	159,5	0,051	2240	1,1	0,4
4	26	220	134,3	0,063	1500	0,9	0,8
5	37	220	187,9	0,037	800	1,1	0,3
6	8,5	110	95,4	0,076	1000	1,1	0,5
7	13	110	140,7	0,042	750	0,9	0,55
8	22	220	114,3	0,076	900	1,2	0,6
9	36	440	91,4	0,167	750	1,3	0,3
10	60	440	150,7	0,076	1950	0,8	0,5
11	5,6	220	32,2	0,56	1750	1,1	0,5
12	8	220	43,8	0,303	2160	0,7	0,8
13	15	220	79,7	0,14	680	1,1	0,3
14	26	440	66,4	0,242	3150	0,7	0,9
15	37	440	105,8	0,14	2400	1,2	0,5
16	8,5	220	47,1	0,304	610	1,2	0,6
17	13	220	69,5	0,167	2000	0,9	0,4
18	22	440	57,1	0,376	1000	0,8	0,5
19	5,6	440	16	2,325	1750	0,9	0,65
20	8	440	22,2	1,442	4000	0,6	0,7
21	15	440	39,6	0,559	2500	0,8	0,7
22	8,5	440	23,6	1,302	2800	1,0	0,5
23	13	440	35	0,788	600	0,5	1,0
24	7,5	220	44,3	0,451	2300	0,3	1,0
25	11	220	62,9	0,271	1800	0,7	0,8
26	15	220	84,7	0.210	2750	0,8	0,7
27	22	220	122	0,129	3700	0,9	0,6
28	37	220	194,4	0,052	3000	1,0	0,4
29	37	440	97,2	0,236	990	1,1	0,4
30	15	220	85,2	0,22	5200	1,2	0,45
31	18	220	101,6	0,164	1600	1,3	0,3
32	18	440	50,8	0,82	1300	1,2	0,3
33	22	220	123,5	0,113	550	1,1	0,5
34	22	440	61,8	0,331	1850	1,0	0,6
35	37	220	197,9	0,054	800	0,9	0,7
36	37	440	99	0,23	660	0,8	0,7
37	50	440	130,6	0,164	900	0,7	0,6
38	55	220	287,4	0,029	900	0,6	0,6
39	55	440	143,7	0,085	700	0,5	1,0
40	22	220	120,5	0,095	1530	0,5	0,8
41	30	220	161,4	0,068	1600	0,6	0,6
42	30	440	80,7	0,267	1600	0,6	0,5
43	45	220	237,8	0,059	1750	0,7	0,85
44	45	440	118,2	0,199	1750	0,7	0,6
45	75	220	385,2	0,024	1800	0,8	0,5
46	75	440	192,6	0,048	2280	0,8	0,75
47	90	440	229,8	0,137	3000	0,9	0,6
48	110	220	558,7	0,011	4000	0,9	0,65
49	110	440	279,4	0,049	5000	1,0	0,5
50	45	220	239,2	0,044	3000	1,0	0,6
51	45	440	119,6	0,178	3000	1,1	0,5
52	55	440	143,7	0,096	1750	1,1	0,4
53	100	440	258,3	0,064	600	1,2	0,5
54	110	220	561,8	0,013	1900	1,2	0,55
55	160	220	808,1	0,007	2300	0,8	0,4
56	160	440	404	0,019	710	0,9	0,7
57	10	110	117,3	0,11	1650	0,7	0,7
58	10	220	57,5	0,348	2350	0,6	0,85
59	10	440	29,1	1,634	2750	0,9	0,85
60	30	220	160,4	0,069	3260	0,7	0,6