5.3. Регулирование тока возбуждения синхронного двигателя

Регулирование тока возбуждения двигателя при работе в синхронном режиме осуществляется, как правило, САР возбуж­дения. САР возбуждения выполняет две основные функции. Пер­вая - обеспечение устойчивой работы в синхронном режиме. При набросах нагрузки или при снижении величины питающего на­пряжения САР возбуждения форсирует (увеличивает) ток возбу­ждения, благодаря чему увеличивается максимальный момент двигателя в синхронном режиме (см. рис.3.27). Вторая - осуще­ствление автоматического регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в статорной цепи двигателя.

Важным достоинством синхронных двигателей является возможность регулирования величины реактивной мощности, циркулирующей в цепи статора, в том числе возможность, рабо­тая двигателем, т.е. потребляя активную мощность, одновремен­но генерировать реактивную мощность, т.е. работать компенса­тором реактивной мощности, потребляемой другими параллельно работающими приемниками электрической энергии, прежде все­го асинхронными двигателями.

Рис.3.29. Векторные диаграммы синхронного двигателя при разных то­ках возбуждения и одинаковой нагрузке на валу

Применение на предприятиях наряду с асинхронными син­хронных двигателей позволяет уменьшить реактивную мощ­ность, потребляемую предприятием в целом, и поддерживать нормативное значение cosφ в энергосистеме данного предпри­ятия.

Возможность регулирования реактивной мощности в цепи статора двигателя путем изменения тока его возбуждения иллю­стрируется векторными диаграммами на рис.3.29.

Векторная диаграмма (а) соответствует току возбуждения меньше номинального; при этом вектор тока статора İ₁, отстает от вектора напряжения сети U₁, на угол φ, т.е. двигатель работает с отстающими cosφ (реактивная мощность «потребляется»). При увеличении тока возбуждения э.д.с. Е₁, наводимая в обмотках статора, увеличивается и может достигнуть такого значения, при котором ток статора İ₁, будет совпадать по фазе с напряжением U₁, т.е. cosφ = 1 (см. рис.3.29,б). Момент на валу двигателя при этом будет такой же, как и в предыдущем случае, но реактивная мощность будет равна нулю. Очевидно (это следует из формулы (3.39)) ток статора İ₁ при данном моменте нагрузки будет мини­мальным. Этот режим является энергетически наиболее выгод­ным для синхронного двигателя, т.к. потери в статоре будут ми­нимальным.

Рис.3.30.11-образные характеристики син­хронного двигателя

Если еще больше увеличить ток возбуждения, то ток статора будет опережать по фазе напряжение U1, cosφ станет опережающим, и синхронный двигатель будет генерировать реактивную мощность (см. рис. 3.29,в). Зависимость тока статора от тока возбуждения синхронного двигателя отражается U – образными характеристиками синхронного двигателя, представленными на рис.3.30.

Лекция №6 регулируемые электроприводы с дви­гателями постоянного тока

6.1. Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой регулируемого электропривода и широко применяются во всех областях техники. Только в последние годы началось интенсив­ное использование регулируемых электроприводов на базе двига­телей переменного тока.

Двигатели постоянного тока могут иметь независимое, по­следовательное или смешанное возбуждение. В зависимости от схемы возбуждения существенно разнятся и электромеханиче­ские характеристики двигателей.

Двигатели независимого возбуждения могут иметь электро­магнитное возбуждение, (рис.5.1,а) и возбуждение от постоянных магнитов (рис.5.1,6). Последнее применяется для высокодинамичных двигателей мощностью до 20 кВт.

Рис.5.1. Схема включения двигателей посто­янного тока независимого возбуждения

а) с электромагнитным возбуждением; б) с возбуждением от постоянных магнитов

Реверсирование (изменение направ­ления вращения) двигателей независимого возбуждения производится изме­нением полярности напряжения, подво­димого к якорю дви­гателя или к обмотке его возбуждения.

Напряжение, подводимое к якорной цепи двигателя, в уста­новившемся режиме уравновешивается падением напряжения на сопротивлениях цепи якоря и противоэ.д.с. якоря, которая наво­дится в обмотке якоря при его вращении в электромагнитном по­ле, создаваемом обмоткой возбуждения (см. рис.5.1,а)

U_я = Е_я + R_яI_я (5.1)

R_я – сопротивление якорной цепи, складывающееся из со­противления обмотки якоря R_оя, обмотки дополнительных полю­сов R_дп, компенсационной обмотки R_ко (если она имеется) и внут­реннего сопротивления источника питания двигателя R_п (если оно учитывается)

R_я = R_оя + R_дп + R_ко + R_п

Э.д.с. якоря Е_я равна

Е_я = кФω (5.2)

где Ф - поток возбуждения (Вб);

к = р_пN/2πа – конструктивная постоянная двигателя; где р_п – число пар полюсов машины; N – число активных проводни­ков обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки яко­ря.

Момент, развиваемый двигателем, пропорционален току яко­ря и потоку возбуждения

М = кФI_я (5.3)

Из уравнений (5.1), (5.2) и (5.3) легко получить зависимость скорости от тока якоря ω = f(I_я), которая называется электро­механической характеристикой двигателя, и зависимость скоро­сти от момента двигателя ω = f(М) – механическую характери­стику привода.

(5.4)

(5.5)

Если двигатель во всех режимах работает с постоянным по­током возбуждения, то величину кФ считают постоянной

кФ = С (5.6)

Тогда приведенные выше уравнения будут иметь вид:

М = СI_я (5.7)

Е_я = Сω (5.8)

(5.9)

(5.10)

Строго говоря, при изменении нагрузки на валу, когда изме­няется ток якоря, поток двигателя вследствие размагничивающе­го влияния реакции якоря не остается постоянным. Для устране­ния влияния тока в цепи якоря на поток возбуждения на крупных машинах используют компенсационную обмотку, которая вклю­чается последовательно с обмоткой якоря и располагается на полюсах машины, усиливая поток возбуждения. Однако и для некомпенсированных машин в инженерных расчетах обычно пре­небрегают размагничивающим действием реакции якоря, возла­гая обеспечение линейности механической характеристики дви­гателя на замкнутые системы регулирования. В двигателях с воз­буждением от постоянных магнитов реакция якоря практически не проявляется.

Естественная механическая характеристика двигателя посто­янного тока независимого возбуждения показана на рис.5.2.

Рис.5.2. Естественная механическая ха­рактеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Жесткость естествен­ной механической харак­теристики β для рассматриваемых двигателей обычно высока и равна

(5.11)

Механические харак­теристики двигателя по­стоянного тока независи­мого возбуждения пред­ставляют собой прямые, пересекающие ось ординат в точке идеального холостого хода ω₀, величина которой равна

(5.12)

С учетом (5.11) получим удобное выражение для механиче­ской характеристики при постоянном потоке возбуждения

(5.13)

Регулирование скорости двигателя постоянного тока незави­симого возбуждения может производиться тремя способами:

1. Введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

2. Изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двигателя, при посто­янном потоке возбуждения.

3. Изменением тока возбуждения, т.е. измене­нием магнитного потока двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорость холостого хода суо остается неизменной, а из­меняется наклон механиче­ских характеристик, т.е. уменьшается их жесткость (см. рис.5.3). Данный способ регулирования скорости в настоящее время не ис­пользуется, поскольку введение добавочного сопротивлениясопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении.

+

R_доб

-

Рис.5.3. Реостатные механические характеристики двигателя посто­янного тока независимого возбуж­дения

Основным способом регулирования скорости двигателей по­стоянного тока независимого возбуждения (ДПТ-НВ) является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение скорости при этом производится вниз от основ­ной (номинальной) скорости, определяемой естественной харак­теристикой (рис.5.4). При уменьшении напряжения якоря умень­шается скорость холостого хода ω₀, а жесткость механических характеристик остается постоянной. Повышение напряжения пи­тания выше номинального не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллекторе.

Плавность регулирования, отсутствие дополнительных по­терь энергии при регулировании и высокая жесткость механиче­ских характеристик составляют основные достоинства этого спо­соба регулирования скорости.

Рис.5.4. Механические характеристики двигателя постоянного тока неза­висимого возбуждения при регулировании напряжения якоря

Это регулирование скорости осуществляется с помощью систем ЭП; «генератор-двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель»

Рис 4.11. Схема включения двигателя ДПТ НВ (а) и его характеристики при регулировании напряжения (б)

Система Г — Д.В этой системе якорь 4 двигателя непосредственно присоединяется к якорю 3 генера­тора, который вместе с приводным двигателем 1 образует электромашинный выпрямитель 2 тре­хфазного переменного тока в постоянный (рис. 4.12).

Рис 4.12. Схема системы Г – Д

Регулирование напряжения на якоре ДПТ происхо­дит за счет изменения тока возбуждения генератора I_вг, при регулировании которого с помощью потенцио­метра 8 изменяется ЭДС генератораЕ_ги соответствен­но напряжение на якоре двигателяU. Регулирование напряжения в этой системе может сочетаться с воздей­ствием на магнитный поток двигателя, что обеспечива­ет двухзонное регулирование скорости.

Регулирование магнитного потока двигателя осуществляется за счет включения в цепь обмотки 5 возбуждения двигате­ля резистора 6. В замкну­тых ЭП питание обмотки 7 возбуждения генератора происходит от регулируе­мого источника постоян­ного тока, например, полупроводникового УВ. Характеристики системы Г—Д соответствуют рис. 4.11, б.

Основными достоин­ствами системы Г — Д являются большой диапазон и плавность регули­рования скорости двигателя, высокая жесткость и линейность характеристики, возможность получения всех энергетических режимов работы ДПТ, в том числе и рекуперативного торможения. В то же время для этой системы характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность электрических машин, низкий КПД, инерционность процесса регулирования, шум при работе.

Система тиристорный преобразователь — двига­тель. Основным типом преобразователей, применя­емых в настоящее время в регулируемом ЭП постоянного тока, являются полупроводниковые статические преобразователи, ив первую очередь тиристорные. Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, со­бранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схеме. Определенные перспективы свя­заны с использованием в них транзисторов, кото­рые в настоящее время применяются в основном для импульсного регулирования напряжения в ЭП небольшой мощности.

Принцип действия, свойства и характеристики системы ТП—Д рассмотрим на примере схемы (рис: 4.13, а), в которой использован однофазный двухполупериодный нереверсивный тиристорный вы­прямитель, собранный по нулевой схеме.

Рис 4.13. Схема системы ТП – Д (а) и характеристики двигателя (б)

Преобразователь включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмотки, два тиристораVS1 иVS2, сглаживающий реакторLи систему импульсно-фазового управления тири­сторами СИФУ. Преобразователь обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет измене­ния среднего значения ЭДС преобразователяЕ_n. Это достигается регулированием с помощью системы импульсно-фазового управления СИФУ по сигналуU_уугла а управления тиристорами, представляющего собой угол задержки открытия тиристоровVS1 иVS2 относительно момента, когда напряжение на их анодах становится положительным.

Когда а= 0, т. е. тиристорыVS1 иVS2 получают импульсы управления от СИФУ в указанный момент, преобразователь осуществляет двухполупериодное вы­прямление и к якорю двигателя прикладывается полное напряжение. Если теперь с помощью СИФУ осуществлять подачу импульсов управления на тиристорыVS1 иVS2 не в этот момент, а со сдвигом (задержкой) на уголa≠0, то ЭДС преобразователя снизится и этому случаю будет соответствовать уже меньшее среднее напряжение, подводимое к двигателю

Регулирование скорости выше основной производится уменьшением тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока Ф согласно (5.5) происходит увеличение скорости холостого хода ω₀ и одновременно снижается жесткость ме­ханических характеристик двигателя (см.рис.5.5,а).

Рис.5.5. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики дви­гателя постоянного тока независимого возбуждения при уменьшении по­тока возбуждения и номинальном напряжении якоря

Увеличение тока возбуждения выше номинального нецеле­сообразно, так как вследствие насыщения магнитной цепи маши­ны существенного возрастания магнитного потока не произойдет, а тепловой режим двигателя нарушится. Электромеханические характеристики двигателя при ослаблении поля ω = f(I_я) будут иметь вид, показанный на рис.5.5,6. Эти характеристики, как сле­дует из (5.4), на оси абсцисс сходятся в одной точке, соответст­вующей току короткого замыкания I_кз = U_я/R_я. Заметим, что масштаб по оси абсцисс на рис.5.5,а и 5.5,6 различен.

При анализе механических характеристик при ослаблении поля следует иметь в виду, что при работе с постоянным статиче­ским моментом ток якоря по мере ослабления потока увеличива­ется. Так, если статический момент на валу двигателя будет равен номинальному, то при номинальном напряжении якоря U_ян дви­гатель будет работать в т.1 (см. рис.5.5,а). Если, например, осла­бить поток возбуждения в 2 раза, то скорость холостого хода дви­гателя аз02 увеличивается в 2 раза. Если момент двигателя сохра­нится постоянным и равным номинальному, то двигатель будет работать к т 4

Однако, как это следует из (5.3) ток якоря при этом уве­личится в 2 раза. Поэтому длительная работа двига­теля в т.4 не­допустима. Из этого примера следует, что одновременно с повышением скорости не­обходимо снижать дли­тельно допус­тимый по ус­ловия нагрева (номинальный) момент.

Рис.5.6. Двухзонное регулирование скорости двига­теля постоянного тока

Линия номинального момента при ослаблении поля отображается кривой 1-2-3. Анало­гично при ослаблении поля уменьшается допустимый максимальный момент, определяемый по условиям коммутации на коллекторе. Поскольку при ослаблении поля скорость увеличива­ется примерно пропорционально степени ослабления поля Ф_н /Ф_осл, а длительно допустимый момент М_доп уменьшается пропорционально отношению Ф_осл/Ф_н , то длительно допустимая мощность двигателя Р = М_допω остается примерно постоянной. Поэтому регулирование ослаблением поля называют регулирова­нием с постоянной мощностью в отличие от регулирования изме­нением напряжения якоря при постоянном потоке возбуждения, которое называют регулированием с постоянным моментом.

Для электроприводов многих механизмов используют ком­бинированное управление, так называемое двухзонное регулиро­вание скорости. Механические характеристики для этого способа управления показаны на рис.5.6. В первой зоне скорость двигате­ля в диапазоне от нуля до основной скорости ω_0н регулируется изменением напряжения якоря при постоянном потоке возбужде­ния Ф_н. Во второй зоне регулирование производится изменением тока (потока) возбуждения при постоянном номинальном напря­жении якоря. Соответственно номинальный момент в первой зо­не регулирования остается постоянным, а во второй зоне снижа­ется пропорционально уменьшению потока. Максимально допус­тимая скорость двигателя при ослаблении поля определяется механической прочностью якоря и условиями коммутации на кол­лекторе. Эта скорость указывается в каталоге на двигатели.

Ослабление поля используется и при однозонном регулиро­вании скорости для установления основной (максимальной) ско­рости. В отличие от синхронных и асинхронных двигатели по­стоянного тока не имеют жестко определенной номинальной ско­рости. В каталогах указывается номинальная и максимальная скорости. Например, если указано, что двигатель мощностью 100кВт имеет номинальную скорость 1000об/мин и максималь­ную – 2000об/мин, то основная скорость может быть установлена в этих пределах выбором соответствующего значения тока воз­буждения, например, – 1600об/мин. При этом мощность двигате­ля останется равной 100кВт. Это удобно при конструировании кинематической схемы рабочей машины.

Для высокодинамичных электроприводов небольшой мощ­ности (до 20кВт) эффективно использование высокомоментных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Благодаря применению высокоэнергетических посто­янных магнитов на основе редкоземельных элементов (например, сплава самарий-кобальт), эти двигатели особенно при малых скоростях вращения (когда условия коммутации тока на коллекторе более легкие) способны развивать большой крутящий момент. Отношение пускового момента такого двигателя к номинальному составляет 8-10, в то время как у двигателей с электромагнитным возбуждением это отношение не превышает 2-4. Двигатели нахо­дят применение в металлорежущих станках с числовым про­граммным управлением, в приводах роботов и следящих элек­троприводах различного назначения.

В некоторых случаях двигатели независимого возбуждения снабжают «легкой» обмоткой последовательного возбуждения, создающей м.д.с. при номинальном токе якоря около 20% от м.д.с. обмотки независимого возбуждения. Высокодинамичные двигатели смешанного возбуждения применяются в случаях мно­годвигательного привода, когда два или несколько двигателей работают на один вал или их валы связаны механически (напри­мер, лентой конвейера), В этом случае скорость всех двигателей будет одинаковой, но из-за неидентичности характеристик двига­теля возникает задача равномерного распределения нагрузки между ними. Бла­годаря нали­чию последо­вательной об­мотки возбуж­дения в более нагруженном двигателе уве­личивается по­ток и возраста­ет противоэ.д.с. якоря, что ведет к снижению тока яко­ря. Напротив, менее нагру­женный двига­тель будет иметь несколь­ко меньший поток, его э.д.с. будет ниже и ток якоря соответственно возраста­ет. Таким образом, благодаря наличию слабой последовательной обмотки происходит выравнивание тока якоря между двигателя­ми, питающимися от общего источника напряжения.

Рис.5.7. Механические характеристики двигателя постоянного тока в двигательном режиме и ре­жиме рекуперативного торможения

Электродвигатели постоянного тока независимого возбуж­дения могут работать в трех тормозных режимах: режиме реку­перативного торможения, динамического торможения и тормо­жения противовключением.

Режим рекуперативного генераторного торможения имеет место, когда скорость двигателя превышает скорость холостого хода ω>ω₀ (рис. 5.7). При этом э.д.с. якоря Е_я превышает величи­ну напряжения питания якорной цепи Е_я >U_я и ток в якорной цепи пойдет под действием э.д.с. якоря Е_я; знак тока будет противопо­ложен знаку напряжения питания, что означает, что энергия тор­можения отдается в сеть питания постоянного тока. Отсюда сле­дуют три условия существования режима рекуперативного тор­можения.

1. Цепь питания должна обеспечивать возможность протека­ния тока встречно напряжению источника питания; это условие особенно важно в случае питания двигателя постоянного тока от полупроводниковых преобразователей, элементы которых обла­дают односторонней проводимостью тока.

2. Источник питания должен обладать возможностью вос­принимать отдаваемую двигателем энергию и передавать ее в питающую сеть; так режим рекуперативного торможения невоз­можен, если привод получает питание от автономной дизель-генераторной установки.

3. Для того чтобы рекуперативное торможение было воз­можно в пределах заданного диапазона регулирования скорости, регулирование должно производиться путем изменения напряже­ния, подводимого к якорной цепи двигателя.

В режиме рекуперативного торможения уравнения (5.1) и (5.5), учитывая, что ток I_я и момент М будут отрицательны, при­нимают вид:

Е_я = U_я + R_яI_я

Основными достоинствами рекуперативного торможения яв­ляются: энергетическая эффективность, связанная с полезным использованием энергии торможения; высокая жесткость меха­нических характеристик; плавный переход из двигательного в тормозной режим на одной и той же характеристике. Благодаря такому характеру механических характеристик улучшается каче­ство управления приводом. Вернемся к рассмотрению рис.5.7.

Пусть двигатель работал в т. 1 в двигательном режиме со статиче­ским моментом М_с.

Если оператор хочет уменьшить скорость, он уменьшает напряжение источника питания с U_я1 до U_я2. Скорость двигате­ля из-за механической инерции мгновенно не может измениться, и двигатель переходит на работу в т.2. При этом на валу двигателя возникает тормозной момент, рав­ный сумме тормозного момента двигателя и статического момента. Скорость двигателя быс­тро снижается до скорос­ти ш02 и далее под действием статического момента до скорости, определяемой т.3, где М=М₀

Рис.5.8. Схема динамического тор­можения ДПТ-НВ

Вторым воз­можным тормоз­ным режимом явля­ется режим дина­мического тормо­жения. В этом режиме якорь дви­гателя отключается от источника К_дт постоянного тока (см. рис.5.8) и за­мыкается на сопро­тивление динами­ческого торможе­ния. Питание об­мотки возбуждения при этом должно быть обязательно сохранено. В указанном режиме двигатель М работает как гене­ратор постоянного тока, нагруженный на сопротивление К_дт

Рис.5.9. Механические характеристики ДПТ-НВ в режиме динамического торможения

Энергия торможения расходуется на нагрев сопротивления R_дт и обмоток цепи якоря двигателя.

Механические характеристики при динамическом торможе­нии представлены на рис.5.9. Если R_дт=0, якорная цепь двигателя будет замкнута накоротко и механическая характеристика (при Ф = Ф_н) будет иметь жесткость естественной характеристики. При увеличении R_дт жесткость характеристик будет уменьшаться в соотношении и механические характеристики будут линейными и расходиться веером из начала координат.

Как следует из (5.5), при U_я=0 уравнение механических ха­рактеристик динамического торможения будет:

Недостатками режима динамического торможения являются: потери энергии торможения, расходуемой на нагрев элементов привода, и невозможностьторможения привода до полной его остановки.

Достоинством режима динамического торможения является его высокая надежность, определяемая тем, что этот режим мо­жет осуществляться при исчезновении питающего напряжения и в случае выхода из строя источника питания цепи якоря, когда режим рекуперативного торможения становится невозможен. Ис­ходя из этого, динамическое торможение в приводах постоянного тока часто используется в качестве средства аварийного тормо­жения.

Торможение противовключением не характерно для двига­телей постоянного тока независимого возбуждения. Этот режим может использоваться в приводах малой мощности с широтно-импульсным регулятором тока, позволяющим ограничить ток торможения допустимой величиной.