Теоретические сведения по управлению ДПТ

 

К пуску двигателя предъявляются два основных требования:

обеспечить необходимый вращающий момент для трогания с места и разгона якоря и не допустить при запуске,протекания через якорь большого тока, опасного для двигателя. Практически вероятны три способа пуска: прямой пуск, пуск при включении реостата в цепь якоря и пуск при пониженном напряжении в цепи якоря.

При прямом пуске цепь якоря включается сразу на полное напряжение. Так как в первый момент пуска якорь неподвижен (n = 0), то противо ЭДС отсутствует (Е_пр.=С_е*n*Ф) и пусковой ток якоря можно определить из выражения I_яп = U_я/R_я.

Потому как для двигателей большой мощности R_я = 0,02...1,1, Ом, то I_яп= (50...100)I_н, что недопустимо. Поэтому прямой пуск возможен только для двигателей малой мощности, у которых I_яп£ (4...6)I_н и разгон двигателя длится менее 1_с. Пуск при включении пускового реостата R_п последовательно с якорем обеспечивает пусковой ток.

Сопротивление R_п = U/I_яп‑ R_я выбирают таким, чтобы в начальный момент пуска, когда Е_пр = 0, I_яп = (1,4... 2,5)I_н. По мере разгона якоря возрастает Е_пр ‑ сопротивление реостата выводится.

Пуск с ограниченным пусковым током возможен при питании якоря двигателя от отдельного источника,который регулируется напряжением. Ограничение пускового тока и плавный разгон двигателя обеспечиваются постепенным повышением напряжения на якоре от нуля до нужного значения. Этот метод применяется в системах управления и регулирования мощных двигателей постоянного тока.

Автоматизация пускового процесса ощутимо облегчает управление электродвигателями, устраняет возможные ошибки при пуске и ведет к повышению производительности механизмов, особенно при повторно-кратковременном режиме работы.

На рис. 5.1 изображена пусковая диаграмма двигателя с тремя ступенями пускового реостата,которая построена из условий изменения тока в определенных заданных пределах от I1 до I2. Пуск двигателя, согласно этой диаграмме, может быть произведен от руки или автоматически. Если пуск производится с помощью ручного реостата, то переключение сопротивлений производится с ориентировкой на показания амперметра и вольтметра в цепи якоря.

Рис. 5.1

Автоматическое управление позволяет более точно выдержать заданные условия пуска и освобождает человека от выполнения утомительных операций.

Из рассмотрения диаграмм на рис. 5.1 следует, что выключение ступеней сопротивления должно происходить при определенной угловой скорости двигателя (w_I= p*n/30), определенной величине тока I2 и через определенные промежутки времени (t1, t2, t3). Очевидно, что управление пуском может быть осуществлено:

а) в функции тока;

б) в функции скорости;

в) в функции времени.

Диаграммы, приведенные на рис. 5.1 иллюстрируют процесс пуска при ступенчатом управлении, осуществляемом при помощи релейно-контакторных аппаратов в схемах так называемого разомкнутого цикла управления.

Сопротивления ступеней пускового реостата рассчитываются в следующем порядке:

 

По паспортным данным ДПТ строится зависимость

С_е*Ф можно определить из приведенного выражения в номинальном режиме и R_я = U_я/I_яп.

Задаются пределы изменения тока якоря при пуске: I1 =1,4 ‑ 2,5* I_ян, 1,1* I_ян<I2 <I1. Следует учитывать, что при уменьшении разницы I1 и I2 число ступеней реостата возрастает и при неизменном I1 увеличивается темп разгона двигателя. При увеличении разницы I1 и I2 и неизменном I1 число ступеней и темп разгона уменьшаются.

Графическим способом определяют необходимое число ступеней пускового реостата рис. (5.2). Выполняя эту процедуру, не стоит добавлять лишнюю ступень реостата, если при переходе на естественную характеристику с последней ступени ток якоря ДПТ незначительно превышает I1.

 

Определяют суммарное сопротивление пускового реостата

Определяют частоту вращения ДПТ при токе I2 и полностью введенном сопротивлении пускового реостата.

Рис. 5.2

Определяют сопротивление первой ступени пускового реостата. Для этого вычисляют сопротивление пускового реостата при

выведенной первой ступени из условия n = n2, Iя = I1:

,

.

Тогда сопротивление первой ступени реостата будет равно

 

Аналогично определяют сопротивления следующих ступеней.

При управлении ступенями реостата в функции времени требуется определить необходимые выдержки времени реле. Определим их из уравнений электромеханического равновесия системы, считая что процессы в цепи якоря происходят за пренебрежимо малое время по сравнению с механическими:

,               (5.1)     .               (5.2)

Здесь C=30*Се*Ф/π ‑ конструктивная постоянная; J ‑ момент инерции системы; Мс ‑ статический момент; R ‑ полное сопротивление якорной цепи.

Выразив i из второго уравнения и заменив

,

получим

 

 

                           .

Решение этого уравнения, учитывая что для t=w₀=w_нач, имеет вид

.                      (5.3)

Зависимость тока в цепи якоря от времени можно определить из условия механического равновесия:

Ic ‑ ток якоря при Мс.

Подставив в последнее уравнение выражение (5.3) для начальных условий t=0, I=I_нач, получим:

,                 (5.4)

В процессе многоступенчатого пуска ток якоря двигателя колеблется в пределах от I1 до I2. Поэтому

 

где  ‑ время, в течение которого ток двигателя изменяется от I1 до I2,  ‑ электромеханическая постоянная времени для той же ступени (выражение (10)).

Решая последнее уравнение относительно времени разгона, находим:

.                            (5.5)

Для автоматизации пуска ДПТ в функции времени могут быть применены электромагнитное реле времени либо электронные реле времени.

Узел схемы управления пуском ДПТ в функции времени представлен на рис. 5.3. При нажатии кнопки SB1 контактор КМ1 своим контактом КМ1.1 подключает якорь двигателя к сети, а контактом КМ1.3 отключает питание от катушки реле КТ1. Падение напряжения от пускового тока на сопротивлении R1 вызывает срабатывание реле КТ2, которое размыкает свой контакт. С определенной выдержкой времени замыкается контакт КТ1.1 реле КТ1, и контактор КМ2 контактом КМ2.1 шунтирует ступень R1 вместе с реле КТ2. Последнее опять с выдержкой времени замыкает свой контакт КТ2.1, что приводит к шунтированию ступени R2.

 

Рис. 5.3

Управление в функции времени получило широкое применение в современных электроприводах постоянного и переменного тока благодаря своим достоинствам: простоте схемы, надежности и независимости ее работы от колебаний нагрузки или напряжения.

После отключения ДПТ от источника электропитания якорь двигателя некоторое время продолжает вращаться по инерции, за счет запасенной кинетической энергии. Часто требуется быстро и точно остановить вращаемый двигателем механизм или изменить направление его вращения. Торможение электродвигателей может быть произведено как с помощью механических тормозов, так и электрически, что предпочтительнее. Для быстрого торможения двигателя его переводят в режим, когда электромагнитный момент становится тормозящим для якоря, т.е. когда момент и скорость направлены встречно. При этом механическая энергия вращения преобразуется в электрическую, рассеиваемую в виде теплоты в резисторах цепи якоря, или передается в сеть.

Различают три вида торможения ДПТ:

а) динамическое;

б) рекуперативное;

в) противовключение.

Для динамического торможения вращающийся якорь двигателя отключают от сети и замыкают на реостат R_т. Цепь возбуждения остается включенной в сеть. Получается генератор независимого возбуждения (рис. 5.4). Под воздействием ЭДС ток якоря изменяет направление, и генераторный электромагнитный момент тормозит вращение якоря до остановки. Вместе со снижением скорости уменьшаются ЭДС, ток и момент.

Выражение тормозящего момента получим, подставив в уравнение

М = См*Ф*I_я значение тока: I = Е/(R_я + R_т) и ЭДС: Е_я = Се*Ф*n.

Таким образом, М = К*n, где К = Сe*Cм*Ф²/(R_я + R_т).

 

Рис. 5.4

Процесс перехода ДПТ с естественной характеристики на характеристику динамического торможения показан на (рис. 5.5). Наклон характеристики динамического торможения (линия ОД) определяется суммарным сопротивлением цепи якоря R_я + R_т.

 

Рис. 5.5

Динамическое торможение отличается простотой, плавностью и

надежностью. Внешнее сопротивление динамического торможения можно рассчитать по формуле

Е_Rт = R_я.I.

Здесь при расчетах вместо Е нужно подставить максимально возможную величину Е_макс, получаемую в начальный момент торможения, вместо I ‑ допустимый в начале торможения ток I_доп.

Время торможения может быть определено из решения уравнений описывающих процесс динамического торможения:

 

Решение этого уравнения, учитывая что в начальный момент времени w_нач = w_с, имеет вид

 

 

Из последнего выражения при торможении до полной остановки получим: