Регулирование скорости ЭП

Регулирование скорости движения исполнительных органов требуется во многих рабочих машинах и механизмах - прокатных станах, подъемно-транспортных механизмах, горнодобывающих и бумагоделательных машинах, металлообрабатывающих станках и др. С помощью ЭП обеспечиваются регулирование и стабилизация скорости движения их ИО, а также изменение скорости ИО в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом (слежение) или по заранее заданной программе (программное движение). Рассмотрим, каким образом с помощью ЭП можно обеспечивать регулирование скорости ИО рабочих машин.

Как следует из обшей схемы ЭП (лекция 1), скорость двигателя и ИО при его вращательном (поступательном) движении связаны между собой соотношениями

.

Анализ выражения показывает, что регулировать скорость движения ИО можно воздействуя или на механическую передачу ( - передаточное отношение редуктора), или на двигатель, или на то и другое одновременно.

В первом случае воздействие заключается в изменении передаточного числа или радиуса приведения механической передачи при постоянной скорости двигателя, поэтому этот способ регулирования получил название механического. Для его реализации используются коробки передач (при ступенчатом регулировании), вариаторы и электромагнитные муфты (для плавного регулирования). Применяется механический способ ограниченно из-за сложности автоматизации таких технологических процессов, малого набора регулируемых механических передач указанного типа и их невысоких показателей надежности и экономичности.

Способ регулирования скорости ИО, получивший название электрического, предусматривает воздействие на двигатель при неизменных параметрах механической передачи. Этот способ нашел широкое применение в современных ЭП вследствие его больших регулировочных возможностей, простоты, удобства использования в общей схеме автоматизации технологических процессов и экономичности.

Комбинированный способ регулирования скорости ИО применяется ограниченно в основном в ЭП металлообрабатывающих станков.

Итак, управление движением исполнительных органов современных рабочих машин и механизмов в большинстве случаев достигается за счет целенаправленного воздействия на электродвигатель с помощью его системы управления с целью получения соответствующих искусственных характеристик.

Для примера на рисунке 1 показаны естественная механическая характеристика 1 двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и две искусственные - при введении в цепь якоря добавочного резистора с сопротивлением (прямая 2) и уменьшении подаваемого на якорь напряжения (прямая 3). Обе эти искусственные характеристики обеспечивают при моменте нагрузки М_с снижение скорости до требуемого уровня. Увеличение скорости ДПТНВ выше номинальной может быть получено за счет уменьшения его магнитного потока.

Для количественной оценки и сопоставления различных способов регулирования скорости используются следующие показатели.

Диапазон регулирования скорости, определяемый отношением максимальной скорости к минимальной, т.е. . Нижний предел, как правило ограничен перегрузочной способностью и жесткостью характеристик.

В соответствии с рисунком 1 диапазон регулирования будет определяться отношением частот вращения при заданном моменте нагрузки М_с.

Рисунок 1 – Варианты регулирования частоты вращения ДПТ НВ

Стабильность скорости, характеризуемая изменением скорости при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя и определяемая жесткостью его механических характеристик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагрузки, и наоборот. В рассматриваемом примере большая стабильность обеспечивается при искусственной характеристике 3.

Плавность регулирования скорости, определяемая перепадом скорости при переходе с одной искусственной характеристики на другую. Чем больше в заданном диапазоне регулирования скорости может быть получено искусственных характеристик, тем плавнее будет происходить регулирование скорости.

Направление регулирования скорости. В зависимости от способа воздействия на двигатель и вида получаемых искусственных характеристик его скорость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике при данном моменте нагрузки. В первом случае говорят о регулировании скорости вверх от основной характеристики, во втором - вниз. Можно сказать, что регулирование скорости вверх связано с получением искусственных механических характеристик, располагающихся выше естественной, а регулирование скорости вниз обеспечивается характеристиками, располагающимися ниже естественной.

Допустимая нагрузка двигателя. Электрический двигатель рассчитывается и проектируется таким образом, чтобы, работая на естественной характеристике с номинальными скоростью, током, моментом и мощностью, он не нагревался выше определенной температуры, на которую рассчитана его изоляция. В этом случае срок его службы является нормативным и составляет обычно 15...20 лет.

Поскольку потери энергии при нагреве двигателя пропорциональны квадрату тока, нормативный нагрев будет иметь место при протекания номинального тока в нем. Отметим при этом, что нагрев определяется также и условиями охлаждения (вентиляции) двигателя.

При регулировании скорости двигатель работает уже на искусственных характеристиках, т.е. при отличных от паспортных условиях. Поэтому для сохранения его нормативного нагрева и тем самым расчетного срока службы нагрузка двигателя (при расчетных условиях его охлаждения) может быть только такой, при которой в нем протекает ток не выше номинального. Именно такая нагрузка и называется допустимой.

Все способы регулирования скорости делятся по этому признаку на две группы, для одной из которых характерна допустимая нагрузка, равная номинальному моменту, а для другой - равная номинальной мощности двигателя. При правильном выборе способа регулирования скорости двигатель полностью используется в соответствии со своими возможностями во всем диапазоне ее изменения.

Экономичность регулирования скорости. Получение одних и тех же показателей (диапазона, стабильности, плавности и т.д.) можно обеспечить с помощью различных ЭП и способов регулирования их скорости. Для выбора наиболее рационального вида регулируемого ЭП используются различные технико-экономические показатели - капитальные затраты на его реализацию, эксплуатационные расходы, срок окупаемости, надежность, удобство и простота в эксплуатации, серийность и унификация средств управления и др. Оценка или сопоставление экономических показателей проводится при выборе возможных способов регулирования скорости данного ЭП (или различных ЭП). В результате анализа всех возможных вариантов выявляется экономически обоснованное решение.

Обычно сопоставление вариантов регулируемого ЭП производится по капитальным затратам и эксплуатационным расходам с учетом срока окупаемости. Если капитальные затраты на реализацию ЭП окупаются за счет сокращения расходов при его эксплуатации за заданный срок, то такое техническое решение считается экономически обоснованным. С этой же целью могут использоваться и другие технико-экономические показатели.

Сопоставление и экономическая оценка различных способов регулирования скорости и тем самым регулируемых ЭП правомочны только в том случае, когда все они обеспечивают заданные технические характеристики рабочей машины или механизма.