И распределения энергии

 

  Каждая точка механической характеристики на плоскости (w, М) определяет режим работы электрической машины. Если знаки угловой скорости электродвигателя и его момента одинаковы, то есть

 

                                                 Рм = w М > 0,                              (2.20)

 

где Рм – механическая мощность на валу электродвигателя, то электрическая машина преобразует электрическую энергию в механическую. Если знаки w и М различны, то есть

 

                                                Рм = w М < 0,                               (2.21)

 

то происходит преобразование механической энергии в электрическую.

  Таким образом, с точки зрения преобразования энергии, электрическая машина может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую или механическую в электрическую. В двигательном режиме электрической машиной развивается движущий момент, а в генераторном – тормозной.

 

  С точки зрения распределения энергии, у электрической машины существует двигательный режим единственного типа и генераторные режимы трех типов, а именно: генераторный режим с отдачей энергии в сеть (рекуперативный режим), режим противовключения и режим динамического торможения.

  Якорная цепь электрической машины постоянного тока независимого возбуждения описывается уравнением (2.6). Умножим обе его части на Iя и получим

 

                                      Uс Iя = Е Iя + Iя ²Rяц,                           (2.22)

   

где Uс Iя = Рс – мощность, потребляемая электродвигателем из сети;

Iя ²Rяц = DР – потери мощности в активном сопротивлении якорной  

цепи;

Е Iя = Рэ – электромагнитная мощность.

  Можно записать

 

                            Рэ = Е Iя = КФwIя = КФIяw = Мw.               (2.23)

 

  Электромагнитная мощность не равна полезной мощности Рм на валу электродвигателя, а именно: больше ее на величину механических потерь (потери в подшипниках, на трение и т.д.) и потерь в магнитной системе электрической машины (потерь в стали). Следовательно, и электромагнитный момент больше момента на валу рабочего механизма на момент потерь. Однако мощность перечисленных потерь значительно меньше электромагнитной мощности. Поэтому здесь и в дальнейшем считаем, что

 

                                                  Рэ» Рм.

   

  С учетом всего сказанного на основании (2.22) можно записать

 

                                             Рс = Рэ + DР.                                  (2.24)

    

  Это уравнение описывает распределение энергии в двигательном режиме.

  На основании зависимостей (2.8),(2.11) и (2.13) уравнение (2.22) можно представить в виде

 

                               КФ w₀Iя = КФw сIя + Iя ²Rяц;

                                       М w₀ = Мw с + Iя ²Rяц.

 

  Отсюда

                        Iя ²Rяц = DР = М w₀ - Мw с = М (w₀ - w с).       (2.25)

    

 

  Из (2.25) следует, что потери энергии в системе электропривода пропорциональны статическому падению скорости, которое, в свою очередь, при прочих равных условиях определяется величиной активного сопротивления якорной цепи.

  КПД (h) системы определяется следующим образом:

 

                          h = Рэ / Рс = (Рс - DР) / Рс = 1 – RяцIя / Uс.       (2.26)

    

  В соответствии с описанным на рис.2.6 показаны области А двигательного режима.

 

Рис.2.6. Механические характеристики при различных

режимах работы электропривода

  Рассмотрим генераторные режимы работы электропривода.

  Генераторный режим с отдачей энергии в сеть (рекуперативный режим).

  Этот режим возможен при

 

 

                                                          Е > Uс,

 

то есть при w > w ₀ (область Б рис.2.6).

   Здесь электродвигатель осуществляет преобразование механической энергии в электрическую, отдает ее в сеть, то есть работает параллельно с сетью. При постоянном напряжении сети и магнитном потоке этот режим осуществим, если со стороны рабочего механизма к электродвигателю приложен движущий момент. Такая ситуация возможна при спуске груза, то есть при активном статическом моменте, совпадающем по знаку с моментом двигателя. В иных случаях для реализации этого режима электродвигатель необходимо перевести на механическую характеристику, где скорость идеального холостого хода ниже, чем на предыдущей характеристике.

  Так как здесь энергия не потребляется из сети, а отдается в нее, то она меняет знак; электромагнитная энергия не отдается на вал двигателя, а потребляется с него, то есть также меняет свой знак. Энергия потерь остается энергией потерь и знака не меняет.     

  Следовательно, для описываемого режима (2.24) можно представить в виде

 

                                              - Рс = - Рэ + DР                           (2.27)

 

или                                          Рс = Рэ - DР.

 

  При этом КПД hр определится следующим образом:

 

                                      hр=Рс/Рэ=1-½RяцIя/Е½.                     (2.28)                                   

 

  Из (2.27) следует, что при увеличении Rяц происходит уменьшение КПД. Причем для режима рекуперации

 

                                      w = w₀ + Rяц ½Iя½/ КФ,

 

то есть при увеличении сопротивления якорной цепи происходит увеличение скорости. По указанным причинам введение добавочных сопротивлений в якорную цепь в режиме рекуперации не рекомендуется.

   

 

  Режим противовключения.

  Если в двигательном и рекуперативном режимах ЭДС и напряжение питания электродвигателя имеют противоположные знаки, то основной характеристикой режима противовключения является наличие у ЭДС и напряжения одинаковых знаков. Следовательно, для перехода из двигательного режима в режим противовключения необходимо и достаточно изменить знак ЭДС или напряжения питания двигателя.

  Изменение знака ЭДС возможно при активном статическом моменте, когда

                                                    Мс > Мкз.

  Например, двигатель включен на подъем груза, но под действием его веса вращается в противоположную сторону, то есть опускает груз (область В рис.2.6).

  Изменение знака Uс осуществляется изменением полярности напряжения питания на якоре двигателя. При этом рабочая точка электродвигателя перемещается на реверсивную механическую характеристику и электропривод работает в режиме противовключения до тех пор, пока его скорость не станет равной нулю (область Г рис.2.6).

  В режиме противовключения электрическая машина потребляет энергию из сети и с вала двигателя, и вся эта энергия расходуется на потери в ее силовых цепях, то есть уравнение баланса мощностей имеет вид

 

                                                   Рс +Рэ = DР.                               (2.29)

 

 

  В данном случае отсутствует полезное использование энергии, то есть режим является наименее экономичным. Необходимо отметить, что ток здесь протекает под воздействием не разности, а суммы ЭДС и напряжения двигателя

 

                                               ½Iя½=(Uс+Е)/Rяц.                         (2.30)                                                   

 

  Следовательно, при реализации этого режима в якорную цепь должны быть включены токоограничивающие добавочные резисторы.

   В настоящее время в большинстве случаев режим противовключения используется для аварийного торможения.

   Динамическое торможение.     

  В электроприводах с машинами постоянного тока режим динамического торможения осуществляется путем отключения двигателя от сети питания и включения его на сопротивление Rд динамического торможения. При этом электрическая схема имеет вид, представленный на рис.2.7.

  Уравнения скоростной и механической характеристик динамического торможения можно получить из (2.10) и (2.12) при Uс = 0, а именно:

 

                                         w = - Rяц Iя / КФ;                                  (2.31)

                                          w = - Rяц М / (КФ)².                               (2.32)

 

     При М = 0 и Iя = 0 угловая скорость электродвигателя равна нулю, то есть это прямые, проходящие через начало координат (характеристика Д рис.2.6).

 

 

 

                       Рис. 2.7. Схема динамического торможения

                               

  В этом режиме энергия, потребляемая из сети, равна нулю, на электрическую машину поступает энергия с вала рабочего механизма, которая расходуется на потери в силовых цепях электродвигателя, то есть баланс мощностей в данном случае имеет следующий вид:

                                               0=Рэ+DР.                                       (2.33)

 

    Так же, как и в предыдущем случае, здесь отсутствует полезное использование энергии.     

  Однако потери в режиме динамического торможения меньше, чем в режиме противовключения, так как потребляемая из сети мощность равна нулю и ток якоря обусловлен только величиной Е двигателя

 

                                             Iя= - Е/Rяц.                                      (2.34)                                                               

    

  Величина сопротивления динамического торможения выбирается из условия получения тока якоря, не превышающего допустимого.

  В современных электроприводах режим динамического торможения чаще всего применяется в качестве аварийного.

 

  На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

- потери в силовой цепи электрической машины пропорциональны активному сопротивлению якорной цепи;

- статическое падение скорости электродвигателя пропорционально активному сопротивлению его якорной  цепи, то есть жесткость  

 

характеристик снижается при его увеличении;

- наиболее экономичным режимом является режим рекуперации;

- режимом, характеризующимся максимальными потерями, является режим противовключения.                                  

 

 2.4. Скоростные и механические характеристики двигателей последовательного и смешанного возбуждения

 

  Схема включения двигателя последовательного возбуждения приведена на рис.2.8.