Мета заняття

Спільною кінцевою метою заняття є: сформувати уміння використання рівнянь механічних і швидкісних характеристик і практичні навички отримання механічних і швидкісних характеристик двигуна постійного струму паралельного збудження.

Ці знання, уміння і навички потрібні для розробки різних машин і механізмів, а також для виявлення їх властивостей при випробуваннях і в умовах експлуатації.

3.3. Матеріал для самопідготовки (короткі теоретичні положення)

При самопідготовці рекомендується вивчити матеріал теми спільно з вказаною літературою [1-4].

3.3.1. Механічна характеристика двигуна - це залежність швидкості обертання ротора від моменту, прикладеного до валу. Рівняння швидкісної (3.1) і механічної (3.2) характеристик

(3.1)

(3.2)

де ω - кутова швидкість, рад/с;

U - напруга живлячої мережі, В;

I - струм якоря, А;

M - електромагнітний момент двигуна;

R_Σ- повний опір ланцюга якоря, Ом;

К - безрозмірний коефіцієнт, залежний від конструктивних параметрів двигуна;

Ф - магнітний потік Вб.

Ці рівняння отримані на підставі рішення рівняння електричної рівноваги для якірного ланцюга машини.

3.3.2. На рис. 3.1 показано графічне зображення механічних характеристик постійного струму з незалежним збудженням в руховому і гальмівних режимах при різних напрямах обертання.

3.3.3. Механічну характеристику називають природною якщо вона знімається при номінальних параметрах джерела живлення

(частота струму, напруга) і відсутності додаткових опорів в ланцюгах машини.

3.3.4. Режим генераторного гальмування випробовуваного двигуна (ВД) досягається при швидкості обертання, більшій його швидкості ідеального холостого ходу ω₀, що досягається допоміжною машиною (ДМ), яка повинна працювати в руховому режимі із швидкістю, що перевищує ω₀

Рис 3.1.

3.3.5. Гальмування противовключенням досягається реверсуванням випробовуваного двигуна. Для цього змінюють полярність підключення обмотки збудження або якоря. При цьому ЭДС двигуна співпадає з напрямом напруги мережі і в якірному ланцюзі можливий дуже великий струм, для обмеження якого слідує послідовно з якорем підключити реостат.

3.3.6. Режим динамічного гальмування здійснюють відключенням випробовуваного двигуна від мережі і під'єднуванням до якоря розрядного опору (схема рис. 1.5).

План лабораторного заняття

3.4.1. Виявлення початкового рівня знань студентів і його корекція.

3.4.2. Видача завдання на самостійну роботу.

3.4.3. Самостійна робота:

1. Вибір схем ІД і ДМ для випробувань машини постійного струму в руховому режимі.

2. Вибір схеми для випробувань двигуна постійного струму в режимі динамічного гальмування.

3. Випробування машини в руховому режимі.

4. Визначення потужності втрат двигуна залежно від швидкості.

5. Випробування двигуна в режимі противовключення.

6. Випробування машини в динамічному гальмуванні.

7. Оформлення звіту по роботі.

3.4.4. Підсумковий контроль.

3.4.5. Висновок.

3.5. Вказівки до виконання самостійної роботи

3.5.1. При виборі схеми для випробування машини постійного струму в руховому режимі необхідно передбачити можливість поліпшення штучних характеристик шляхом введення опорів в ланцюг якоря (рис. 1.2). Крім того, необхідно вибрати схему допоміжної машини залежно від устаткування стенду, це може бути асинхронний двигун з фазним ротором (рис.1.3) або з коротко замкнутим ротором.

Накреслити схему алгоритму.

3.5.2. Для випробування двигуна в динамічному гальмуванні роблять перемикання в якорі відповідно до п.3.3.6 і виконують допоміжну машину для обертання випробовуваного двигуна (схема на рис 1. 5). Привести схему в звіті.

3.5.3. При випробуванні машини рекомендується наступний порядок виконання роботи.

1. На підставі паспортних даних двигуна і схеми досвіду підібрати вимірювальні прилади. Визначити на стенді затиски апаратів і приладів, що беруть участь в досвіді.

2. Зібрати схему досвіду.

Встановити пусковий реостат двигуна в ланцюзі ротора і реостат в ланцюзі збудження в необхідні (перед пуском) положення.

Розгальмувати агрегат.

3. Після перевірки схеми викладачем зробити пуск двигуна.

Автоматичним вимикачем АВ-1 подається напруга постійного струму в схему.

Обмотка збудження двигуна повинна обтікатися струмом, що контролюється за свідченнями амперметра ланцюга збудження двигуна(А1)

Включенням контактора якірного ланцюга (Rя) подається напруга на якір двигуна.

Відбувається пуск при повністю включеному в ланцюг якоря пусковому опорі. У міру розгону двигуна ступеня опору R1, R2 шунтується контактами контакторів в R3 плавно зменшується.

Управління контакторами здійснюється кнопками S1, S2

Перш ніж приступити до виконання роботи, потрібний согласувати напрям обертання випробовуваного двигуна ВДі допоміжної машини ДМ.. Для цього по черзі робиться включення випробуваного двигуна і допоміжної машини; при цьому помічається напрям обертання. При зустрічному включенні ЦЦ і ДМ необхідно поміняти затиски обмотки якоря або обмотки збудження ІД.

4. Змінюючи механічним гальмом завантаження агрегату провести 3-4 виміри, необхідні для отримання природних механічних характеристик.

Пам'ятайте! Завантажувати двигун вище за номінальні параметри не слід.

5. Повторити експеримент при двох значеннях додаткових опорів в ланцюзі якоря R1 і R1+R2 (зняття штучні механічних характеристик).

6. На підставі зроблених вимірів розрахувати і побудувати механічні характеристики. Результати вимірів і обчислень звести в таблицю.

Режим двигуна (див. рис. 1.2.)

№ п/п	Вимірюється	Обчислюється
Uя	Iя	n	ω	P1	ΔP1	P2	M
В	А	об/хв.	I/c	Вт	Вт	Вт	Н*м

При заповненні таблиці слід користуватися залежностями:

P1= IяUя потужність споживана з мережі;

P2= P1 - ΔPx де ΔPx - втрати холостого ходу (беруться з кривої втрат);

;

3.5.4. Визначення потужності втрат ΔPx роблять на схемі рухового режиму, регулюючи швидкість ненавантаженого агрегату, введенням великого опору R3 в ланцюг якоря. При цьому бажано захопити увесь діапазон робочих швидкостей рухового режиму.

Дані заносять в таблицю.

Визначення ΔPх (див. рис. 1.2)

№	Вимірюється	Обчислюється
п/п	Iя	Uя	n	ω	P1	ΔPх
	В	А	об/хв	I/c	Вт	Вт

Розрахункові залежності.

Вузлова швидкість: з ; P1= IяUя - потужність, споживана з мережі; втрати холостого ходу: Δ𝑃𝑥=12𝑃1 (оскільки агрегат складається з двох машин, то приблизно прирівнюємо їх втрати). За даними досвіду побудувати залежність Δ𝑃𝑥(𝜔).

3.5.5. Гальмування противовключенням здійснюють зміною полярності включення обмотки збудження або обмотки якоря випробовуваного двигуна (одночасно змінюють полярність включення вольтметра V1). При цьому момент, що розвивається машиною постійного струму, буде спрямований зустрічно моменту допоміжної машини.

Запускають допоміжну машину, а потім випробовуваний двигун, заздалегідь ввівши максимальний опір в ланцюг якоря R_∑=R1+R2+R3. Змінюють швидкість обертання допоміжної машини послідовно шунтуючи опір Rд1 і Rд2.

При цьому фіксують параметри, необхідні для розрахунку моменту двигуна постійного струму, у вигляді таблиці.

Гальмування противовключением (див. рис. 1.2. і 1.3)

№	Для контролю	Вимірюється	Обчислюється
п/п	Iв	Uя	Iя	n	ω	P1	ΔPх	МТ
	А	В	А	об/хв	I/c	Вт	Вт	Н*м

Розрахункові залежності: ; ;

ΔPх - береться по кривій ΔPх (ω).

Відключивши допоміжний двигун переконатися, що агрегат уповільнити рух, зупиниться, а потім почне обертатися в протилежну сторону під дією випробовуваного двигуна.

3.5.6. Для динамічного гальмування відключають якір випробуваного двигуна від мережі і підключають до розрядного опору (рис. 1.5). Змінюючи швидкість допоміжної машини шунтированням Rg1, а потім Rg2, знімають механічну характеристику випробуваного двигуна. Дані заносять в таблицю.

Динамічне гальмування (мал. 1.3 і 1.5)

№	Вимірюються	Обчислюється
п/п	P1	n	ω	ΔPх	P2	МТ
	Вт	об/хв.	I/з	Вт	Вт	Н*м

Розрахункові залежності: ; ;

3.5.7. Зміст звіту.

У звіті вказуються мета роботи, наводяться схеми дослідної установки, основні теоретичні положення, методика розрахунків і таблиці з досвідченими і розрахунковими даними. По дослідах і розрахункових даних будуються залежності ω=f(M) для різних режимів роботи на одному малюнку для усіх режимів у відповідних квадрантах.

Наводяться також графіки

3.6. Питання для самоконтролю

1. Від яких величин залежить швидкість ідеального холостого ходу?

2. Як впливає опір в ланцюзі якоря на швидкість двигуна?

3. Чому потрібний реостат в ланцюзі якоря при гальмуванні противовключенням?

4. Намалюйте механічні характеристики ДПГ в руховому і гальмівному режимах.

5. Характеристики електродвигунів (додаткові контрольні питання стр.53)

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Бацежев Ю.Г.Костюк В, С» Электропривод и электроснабже­ние. - М.2 Недра,1989.

2. Щуцкий В.И. Электропривод и электрификация горных работ. - М.; Недра, 1981.

3. Электропривод и электрификация открытых горных работ / Под ред. Б.П.Белых. - М.: Недра, 1983.

4. Борисов Ю.М..Липатов Д.Н.,Зорин Ю.Н. Электротехника.- М.: Энергоатомиэдат,1985.

5. Электротехника / Под ред. В.М.Пантшина.- М.: Высш. шк.,1976,

6. Ривкин Г.А. Преобразовательные устройства,- М.: Энергия,1970.

Додаток

Звідна таблиця характеристик двигунів

№ стола	Тип	Р, кВт	Uн, В	Iн, А	n, об/хв	rн	Кобм, Ом	Інші данні
	S22/6M	0.8	220/380	4.5/2.6		0.7	7.5
П22			5.9		0.77	7.2
	A		220/380	4.3/2.5		0.79	3.5
П21	0.5		9.4		0.7	4.4
	КФ	2.2	220/380	7.8/4.5		0.75	3.2
ПН1	1.7				0.78	7.4
	А		220/380	4.3/2.5		0.785
П21	0.5		9.4		0.7	2.5

Додаток(контрольні питання)

Тема 1. МЕХАНІКА ЕЛЕКТРОПРИВОДУ.

Питання

1.1.1 Що входить в механічну частину ЕП?

1.1.2 Що є кінематична схема механічної частини ЕП?

1.1.3 Що є розрахункова схема механічної частини ЕП?

1.1.4 Дайте визначення механічної характеристики виконавчого механізму (робочого органу) і механічною характеристикою двигуна.

1.1.5 Як можна класифікувати різні види механічних характеристик виконавчих (виробничих) механізмів?

1.1.6 Запишіть основне рівняння руху ЕП. Поясните його.

1.1.7 Що таке динамічний момент? Запишіть умову сталого режиму роботи ЕП.

1.1.8 Що таке жорсткість механічної характеристики? намалюйте «абсолютно жорстку» і «абсолютно м'яку» механічні характеристики.

1.1.9 Які статичні моменти називаються активними, а які реактивними?

1.1.10 Сформулюйте умову стійкого режиму роботи ЕП, що встановився.

1.1.11 Приведіть розрахункову схему двухмасової механічної частини ЕП. Вкажіть на ній усі зовнішні і внутрішні моменти сил.

1.1.12 Чому дорівнює коефіцієнт жорсткості при крученні і в яких одиницях він вимірюється (у системі СІ)?

1.1.13 Як визначають момент інерції тіла відносно осі обертання і в яких одиницях він вимірюється (у системі СІ)?

1.1.14 Поясните для чого виконується приведення механічні величин до однієї частоти обертання.

1.1.15 Запишіть рівняння приведення моменту сили до часто-те обертання валу двигуна.

1.1.16 Запишіть рівняння приведення моменту інерції до частоти обертання валу двигуна.

1.1.17 Запишіть рівняння приведення коефіцієнта жорсткості пружного елементу до частоти обертання валу двигуна.

1.1.18 Намалюйте структурну схему одно масової і двухмасової системи механічної частини ЕП.

1.1.19 Запишіть функцію Лагранжа для одно масової і двухмасової механічної системи.

1.1.20 Запишіть рівняння Лагранжа для двухмасової механічної системи з пружним зв'язком.

1.1.21 Намалюйте розрахункову схему двухмасової механічної частини ЕП з проміжком. Поясните фізикові процесу пуску такої системи з відкритим проміжком.

1.1.22 Вкажіть обмеження на рух електромеханічної системи з пружним зв'язком.

1.2. Відповіді на питання

1.2.1 У механічну частину ЕП входять усі механічно зв’язані маси електродвигуна і передавального механізму, що рухаються.

1.2.2 Кінематична схема механічної частини ЕП відбиває конструктивний характер зв'язків між масами (відображає конструкцію механізму), що рухаються.

1.2.3 Розрахункова схема механічної частини ЕП відбиває властивості зв'язків між масами, що рухаються, тобто наявність пружних деформацій, в'язкого тертя, проміжків.

1.2.4 Механічною характеристикою виконавчого механізму (робочого органу) називається залежність частоти обертання двигуна від моменту статичного навантаження. Механічною характеристикою двигуна називається залежність частоти обертання двигуна від його електромагнітного моменту.

1.2.5 Механічні характеристики виробничих механізмів можна класифікувати таким чином:

1. Механічні характеристики, не залежні від швидкості;

2. Механічні характеристики, лінійно або нелінійно залежно від швидкості;

3. Механічні характеристики, залежні від кута повороту;

4. Механічні характеристики, залежні від швидкості і кута повороту;

5. Механічні характеристики, що носять випадковий характер.

1.2.6 Основне рівняння руху ЕП має вигляд

де М- момент рушійний;

Мс - момент опору;

J - момент інерції;

ω - частота обертання.

1.2.7 Динамічним моментом називається момент пропорційний кутовому прискоренню

Умовою режиму роботи, що встановився, є рівність нулю динамічного моменту, а, отже, кутового прискорення, рівного нулю.

1.2.8 Під жорсткістю механічної характеристики розуміється похідна моменту по кутовій швидкості

«Абсолютно жорстка «механічна характеристика (β = ∞) має вигляд

«Абсолютно м'яка«механічна характеристика (β = 0) має вигляд

1.2.9 Активні сили і моменти не змінюються за величиною і напрямом при зміні напряму руху робітника органу. Таку властивість мають сили і моменти сил потенційного характеру.

Реактивні сили і моменти виникають як реакція на рухаючий момент. Вони змінюють стрибком свою величину і направлення при змінах знаку швидкості.

1.2.10 Умова стійкого режиму роботи ЕП що встановився, формулюється так: необхідною і достатньою умовою стійкості режиму роботи, що встановився, є протилежність знаків у приросту кутовій швидкості Δω, характерезуючий виведення ЕП з рівноваги, і у динамічного моменту ΔМ_дин, що виникає при цьому, тобто

1.2.11 Розрахункова схема двухмасової механічної частини ЕП має вигляд

де М₁₂=М_у - пружний момент;

С₁₂ - коефіцієнт жорсткості;

ω1- частота обертання першої маси;

ω2 - частота обертання другої маси.

1.2.12 Коефіцієнт жорсткості с визначається як

де Мкр - момент, що крутить; Δφ=φ₁-φ₂ - кут закручування;

φ1 - кут повороту першої маси;

φ2- кут повороту другої маси.

Коефіцієнт жорсткості в системі СІ вимірюється в Нм.

1.2.13 Момент інерції відносно осі обертання визначають як суму творів елементарних мас усіх частин тіла на квадрат їх відстані від осі обертання. Момент інерції в системі СІ вимірюється в кгм².

1.2.14 Аналіз руху механічної частини ЕП виконується за допомогою розрахункової схеми, де усі механічні величини приведені до однієї частоти обертання. Це дозволяє робити безпосереднє порівняння механічних величин і у разі необхідності спрощувати розрахункову схему механічної частини.

1.2.15 Рівняння приведення моменту сил і сили до частоти обертання валу двигуна із запишеться як

де Мі - момент, діючий відносно i-го елементу кінематичного ланцюга;

ω_i- частота обертання i-го елементу кінематичного ланцюга;

і_р - передавальне відношення редуктора від валу двигуна до i-го елементу кінематичного ланцюга, що обертається.

де Fk - сила, діюча на k-й елемент кінематичної ланки;

Vк - лінійна швидкість, з якою к-й елемент кінематичної ланки рухається;

р - радіус приведення.

1.2.16 Рівняння приведення моменту інерції до частоти обертання валу двигуна ω запишеться як

де J - момент інерції i-го елементу, що обертається;

де mk - маса, що рухається з лінійною швидкістю Vк.

1.2.17 Рівняння приведення коефіцієнта жорсткості пружності елементу до частоти обертання валу двигуна

де с_к — коефіцієнт жорсткості k-го пружного елементу кінематичного ланцюга.

1.2.18 Структурна схема одно масової системи механічної частини ЕП має вигляд

Структурна схема двухмасової системи механічної частини ЕП має вигляд

1.2.19 Функція Лагранжа L визначається як різниця кінетичних Wк і потенційних Wе енергій системи

Для одно масової механічної системи

Для двух масової механічної системи

1.2.20 Рівняння Лагранжа у загальному вигляді записується як

де: q_i- узагальнена координата;

ōi узагальнена швидкість;

Qi- узагальнена сила;

i - число ступенів свободи системи.

Для двухмасової механічної системи з пружним зв'язком

Число ступенів свободи i=2, отже, отримаємо систему з двох рівнянь

Якщо J₁ = const, J₂ = const, С₁₂(φ₁-φ₂)=М, то систему рівнянь остаточно запишемо у виді

1.2.21 Двухмасова розрахункова схема механічної частини ЭГТ з проміжком має вигляд

Δφз - кут люфта.

Проміжок має нелінійну характеристику виду

Розглянемо пуск системи. Вважаємо, що в початковий момент проміжок розімкнений. Після включення ЕП і появи моменту М1 перша маса починає прискорюється і до моменту закриття проміжку досягне деяку початкову швидкість. Оскільки у момент закриття проміжку ω2=0, то відбувається зіткнення, внаслідок чого частина кінетичної енергії першої маси йде на прискорення другої маси, а частина переходить у потенційну енергію кручення валу ,що викликає збільшення пружного моменту Му =с₁₂Δφ. При цьому виникає коливальний процес.

1.2.22 Обмеження на рух механічної частини ЕП накладається виходячи з особливостей технологічного процесу або запасу міцності устаткування.

Розрізняють наступні види обмеження:

1. Обмеження за швидкістю.

2.Обмеження по прискоренню. Відповідно до основного рівняння руху це обмеження по струму двигуна.

3. Обмеження по ривку. Ривок визначається як друга похідна швидкості за часом.

4. Обмеження по удару. Удар визначається як третя похідна швидкості за часом.

На вищі похідні обмеження, як правило, не накладаються.

При вивченні відповідей на питання цього розділу необхідно користуватися літературою [1] - с. 41-68; [2] - с. 19-107; [3] - с. 16- 36; [4] - с. 26-48.

Тема 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ.

Питання

2.1.1 Намалюйте схему включення двигуна постійного струму незалежного збудження (ДПТ HB). Перерахуєте, які обмотки двигуна можуть входити в якірний ланцюг.

2.1.2 Запишіть рівняння механічної характеристики ДПТ 11В. Визначите з рівняння, чому дорівнюють: швидкість ідеального холостого ходу, момент короткого замикання, жорсткість механічної характеристики.

2.1.3 Які номінальні дані ДПТ HB вказуються на табличці? Як приблизно можна розрахувати сумарний опір якірного ланцюга?

2.1.4 Як визначити номінальний момент на валу двигуна, його конструктивну постійну, номінальний магнітний потік за каталожними даними?

2.1.5 Що називається природною механічною характеристикою ДПТ НВ?

2.1.6 Намалюйте сімейство штучних механічних характеристик ДПТ HB відносно природною при: введенні в ланцюг якоря додаткового опору, зменшенні якірного напруження, послабленні магнітного потоку.

2.1.7 Що треба зробити, щоб перевести ДПТ HB з двигунного режиму в режим рекуперативного гальмування? Як при цьому відбувається рух робочої точки по механічній характеристиці?

2.1.8 Що треба зробити для того, щоб перевести ДПТ HB в режим гальмування противовключенням при активному моменті опору? Як при цьому відбувається рух робочої точки за механічними характеристиками?

2.1.9 Що треба зробити для того, щоб перевести ДПТ HB в режим гальмування противовключенням при реактивному моменті опору? Як при цьому відбувається рух робочої точки але механічним характеристикам?

2.1.10Як здійснюється динамічне гальмування ДПТ IIB? Намалюйте схему включення і механічні характеристики двигуна в цьому режимі.

2.1.11 Який режим електричного гальмування ДПТ НВ самий економічний і чому?

2.1.12 Який режим електричного гальмування ДПТ НВ самий неекономічний і чому?

2.1.13 Намалюйте структурну схему ДПТ НВ з урахуванням наступних допущень: M_с=const φ=φ_H=const, Lя ≠0.

2.1.14 Намалюйте схему включення двигуна постійного струму послідовного збудження (ДПТ ПВ). Перерахуєте, які обмотки двигуна входять в якірний ланцюг.

2.1.15 Намалюйте механічну характеристику ДПТ ПВ. Що називається природною характеристикою ДПТ ПВ?

2.1.16 Намалюйте сімейство штучних механічних характеристик ДПТ ПВ відносно природною при: введенні в ланцюг якоря додаткового опору, зменшення величини якірної напруги.

2.1.17 Що треба зробити для того, щоб перевести ДПТ ПВ в режим гальмування противовключенням при активному моменті опору? Як при цьому відбувається рух робочої точки за механічними характеристиками?

2.1.18 Що треба зробити для того, щоб перевести ДПТ ПВ в режим гальмування противовключенням при реактивному моменті опору? Як при цьому відбувається рух робочої точки за механічними характеристиками?

2.1.19 Що треба зробити для того, щоб перевести ДПТ ПВ в режим динамічного гальмування з самозбудженням? Назвіть дві умови, без яких процес самозбудження не можливий.

2.1.20 Намалюйте схему включення двигуна постійного струму змішаного збудження і його механічну характеристику.

2.1.21 Що таке перевантажувальна здатність двигуна і чому вона дорівнює для ДПТ НВ і ДПТ ПВ загальнопромислового використання?

2.1.22Намалюйте схему включення асинхронного двигуна (АД) з фазним ротором, а також схему включення АД з коротко замкнутим ротором.

2.1.23 Запишіть спрощене рівняння Клосса (рівняння механічної характеристики АД).

2.1.24 Намалюйте механічну характеристику АД. Вкажіть на ній характерні точки.

2.1.25 Які номінальні дані АД вказані на табличці?

2.1.26 Що називається природною механічною характеристикою АД?

2.1.27 Намалюйте сімейство штучних механічних характеристик АД відносно природної при: введенні в ланцюг ротора додаткового опору, зменшенні величини статорної напруги, введенні в ланцюг статора додаткового активного опору.

2.1.28 Чому при змінній амплітуді напруги статора, частоту напруги статора треба змінювати тільки в е сторону збільшення?

2.1.29 Що треба зробити для того, щоб перевести АД в режимі рекуперативного гальмування? Як при цьому відбувається переміщення робочої точки за механічною характеристикою?

2.1.30 Що треба зробити для того, щоб перевести АД в режим гальмування противовключенням при активному моменті опору? Як при цьому відбувається переміщення робочої точки за механічною характеристикою?

2.1.31 Що треба зробити для того, щоб перевести АД в режим гальмування противовключенням при реактивному моменті опору? Як при цьому відбувається переміщення робочої точки за механічною характеристикою?

2.1.32 Що треба зробити для того, щоб перевести АД в режим динамічного гальмування? Намалюйте схему включення двигуна для цього режиму роботи.

2.1.33 Що таке коефіцієнт потужності? Назвіть основні способи його підвищення.

2.1.34 Намалюйте схему включення синхронного двигуна і об механічну характеристику.

2.1.35 Намалюйте кутову механічну характеристику синхронного двигуна. Поясните, як на цій характеристиці вибирається номінальна точка.

2.2 Відповіді на питання

2.2.1 Схема включення ДПТ НВ має вигляд

де Uя- напруга якоря;

Uв- Напруга обмотки збудження;

Якірний ланцюг включає в себе обмотку якоря, обмотку додаткових полюсів, компенсаційну обмотку.

2.2.2. Рівняння механічної характеристики ДПТ НВ:

де к- конструктивна постійна двигуна;

Ф - магнітний потік;

М- момент двигуна;

R_яΣ- сумарний опір якірного ланцюга. Швидкість ідеального холостого ходу ω₀ визначається з рівняння механічної характеристики, вважаючи М=0

Момент короткого замикання М_КЗ визначається з рівняння механічної характеристики при ω=0

Жорсткість механічної характеристики ДПТ НВ- β визначається з рівняння механічної характеристики шляхом його диференціюванням по ω:

2.2.3 На табличці вказуються наступні номінальні данні двигуна: потужність, напруга, число обертів за хвилину, струм якоря, к.п.д., а також режим роботи і маса.

Приблизно сумарний опір якірного ланцюга можна розрахувати з умови, що половина втрат потужності в двигуні має місце в якірному ланцюзі

де ƞ_n номінальний к.к.д. двигуна.

2.2.4 Номінальний момент на валу визначається

де n_n - номінальна швидкість в об/хв.

Конструктивна постійна двигуна розраховується по відношенню

де p - число пар полюсів обмотки збудження;

N - число активних провідників обмотки якоря;

а - число паралельних гілок обмотки якоря.

При виконанні інженерних розрахунків зручно визначати величину кФ_н по формулі

2.2.5 Природною механічною характеристикою ДПТ НВ називається механічна характеристика, отримана при відсутності додаткового опору в якірному ланцюзі, номінальній напрузі і номінальному магнітному потоці, при нормальній схемі включення двигуна.

2.2.6 Сімейство механічних характеристик ДПТ НВ при введенні в ланцюг його додаткового опору Rд має вигляд

Сімейство механічних характеристик ДПТ НВ при зміні якірної напруги Uя має вигляд

Сімейство механічних характеристик ДПТ НВ при зміні магнітного потоку має вигляд

2.2.7 Для того, щоб перевести двигун в режим рекуперативного гальмування необхідно створити умови, при яких момент опору М_С1 не перешкоджає руху двигуна, а сприяє йому (М_С2). В цьому випадку робоча точка переміщається за характеристикою в II квадрант, швидкість двигуна стає більше швидкості ідеального холостого ходу. При цьому Е>Uя, струм якоря міняє напрям і двигун починає працювати як генератор. Механічна енергія перетвориться в електричну і оддається в живлячу мережу за вирахуванням теплових втрат. Робоча точка переміщається в другий квадрант і на ділянці 23 машина працює в режимі рекуперації.

2.2.8 Для того, щоб перевести ДПТ НВ в режим гальмування противовключенням при активному Мс необхідно в ланцюг якоря двигуна ввести істотний додатковий опір R_д. При цьому робоча точка 1 потрапляє на нову штучну характеристику в точку 2 (дивися малюнок, приведений нижче). Під дією негативного динамічного моменту двигун гальмується, швидкість падає і в точці 3 ω=0. Далі робоча точка переміщається в другий квадрант. Двигун змінює напрям обертання. Сталий режим роботи має місце в точці 4 і характеризується швидкістю -ωу. На ділянці 34 двигун працює в режимі противключения.

2.2.9 Для того, щоб привести ДПТ НВ в режим гальмування противовключенням при реактивному Мс необхідно в ланцюг якоря для обмеження кидка струму ввести а потім поміняти полярність якірної напруги. Робоча точка при цьому переміститься на нову штучну характеристику. Під дією протилежного динамічного моменту швидкість падає і в точці 3 ω=0. На ділянці характеристики 23 двигун працює в режимі противключения.

2.2.10 Для того, щоб привести ДПТ НВ в режим динамического гальмування необхідно його якірну обмотку відключити від джерела живлення, а потім за коротить на додаткове сопротивление.

При цьому схема включення і механічні характеристики двигуна мають вигляд

На ділянці характеристики 23 двигун працює в режимі динамічного гальмування.

2.2.11 Найекономічнішим режимом електричного гальмування ДТП НВ являється режим рекуперативного гальмування. У цьому режимі уся механічна енергія перетвориться в електричну енергію, віддається джерелу живлення за вирахуванням теплових втрат на Rдв.

2.2.12 Самим неекономічним режимом є режим противключения. У цьому режимі уся механічна енергія перетворюється в електричну і виділяється у вигляді тепла на Rя і RяΣ. При цьому, у відмінності від динамічного гальмування, додатково споживається електроенергія від джерела живлення.

2.2.13 Структурна схема ДПТ НВ наводиться нижче з урахуванням наступних допущень: M_с=const φ=φ_H=const, Lя ≠0.

2.2.14 Схема включення ДПТ ГТВ має вигляд

У якірний ланцюг двигуна входять наступні обмотки двигуна: якірна, обмотка збудження, додаткових полюсів.

2.2.15 Природна механічна характеристика ДПТ ПВ є залежністю ω(М) за відсутності додаткових опорів в якірному ланцюзі і при номінальній якірній напрузі і має вигляд

2.2.16 Механічна характеристика ДПТ ПВ має вигляд

2.17 Для того, щоб перевести двигун в режим противовключення при активному Мс необхідно в ланцюг якоря ввести додатковий опір Rд. При цьому робоча точка потрапляє на нову штучну характеристику, переміщається в IV квадрант і на ділянці 34 двигун працює в режимі гальмування противовключенням. Режим, що встановився, має місце в точці 4 і характеризується швидкістю -ω_у.

2.2.18 Для того, щоб привести двигун в режим гальмування противовключенням при реактивному Мс необхідно в ланцюг якоря для обмеження кидка струму ввести додатковий опір, а потім поміняти полярність якірної напруги. Робоча точка при цьому переміститься на нову штучну характеристику і на ділянці 23 двигун працює в режимі противовключення. У точці 3 двигун необхідно відключити від джерела живлення і включити механічне гальмо.

2.2.19 Для того, щоб перевести ДПТ ГТВ в режим динамічного гальмування з самозбудженням необхідно відключити якірний ланцюг від джерела живлення, а потім за коротити на гальмівний опір Rт. При цьому повинно виконаються дві умови:

1. Необхідно змінити полярність включення якірної обмотки, або обмотки збудження. В цьому випадку напрям струму в обмотці збудження не змінюється, а двигун не розмагничивається.

2. Друга умова витікає із співвідношення електричної рівноваги для якірного ланцюга в режимі динамічного гальмування

Графічне рішення цих рівнянь знаходиться на перехресті характеристик холостого ходу двигуна Е=f(Iя) двигуна з реостатною характеристикою (R_яΣ+R_т)I_я.

Для того, щоб процес самозбудження не припинявся на нижчих кутових швидкостях, необхідно зі зменшенням швидкості зменшувати Rт.

2.2.20 Схема включення двигуна постійного струму змішаного збудження має вигляд

ОВП - обмотка збудження послідовна;

ОВН - обмотка збудження незалежна. Механічна характеристика двигуна постійного струму змішаного збудження

Характеристика двигуна нелінійна. Кінцеве значення швидкості ідеального холостого ходу обумовлене дією ОВН, яке створює (0,6-0,75)Фном.

2.2.21 Перевантажувальна здатність двигуна λ визначається відношенням

Для ДПТ НВ загальнопромислового застосування

Для ДПТ ПВ загальнопромислового застосування

2.2.22 Схема включення АД з фазним ротором має вигляд

R_2д- додатковий опір в ланцюзі ротора.

Схема включення АД з коротко замкнутим ротором має вигляд

2.2.23 Спрощене рівняння Клосса (рівняння механической характеристики АД) має вигляд

де Мк- критичний момент;

Sk - критичне ковзання;

S — ковзання АД,

2.2.24 Механічна характеристика АД має вигляд

Характерними точками характеристики є: точка ідеального холостого ходу 1, характеризується швидкістю ідеального холостого ходу ω₀, точка екстремуму 2, з координатами Мк і Sк (Критичного моменту і швидкості), точка короткого замикання 3 з координатами Мп ω=0 (Мп - пусковий момент).

2.2.25 На табличці АД вказуються: тип двигуна, номінальна потужність, номінальна швидкість, номінальний к.к.д., номінальна напруга статора, номінальна частота напруги, маса.

2.2.26 Природна механічна характеристика АД формується за відсутності додаткових опорів як в ланцюзі статора так і в ланцюзі ротора, при номінальній напрузі статора і номінальній частоті, в нормальній схемі включення АД.

2.2.27 Штучні характеристики відносно природної мають вигляд

1 - природна характеристика;

2 - штучна при введенні в ланцюг статора Rдоб;

3 - штучна при зменшенні напруги статора U1;

4 - штучна при введенні в ланцюг ротора R2доб;

2.2.28 Магнітний потік АД приблизно визначається як

де U1 - амплітуда напруги статора;

f - частота напруги статора;

k- коефіцієнт пропорційності;

W - число витків обмотки статора.

З цього співвідношення виходить, що зменшення /приводить до збільшення Ф і якщо робоча точка знаходиться на коліні кривої намагнічення, то така зміна перемістить робочу точку в область насичення, в якій через істотне зменшення реактивного опору обмоток різко зростуть струми двигуна, що неприпустимо.

2.2.29 Рекуперативне гальмування здійснюється в тому випадку, коли швидкість ротора перевищує синхронну. Такий режим виникає, наприклад, під час переходу двошвидкісного АД з високою на низьку швидкість як показує малюнок

У початковому стані АД працює на характеристиці 1 в точці а. При збільшенні числа полюсів (при перемиканні), робоча точка переміститься на характеристику 2 і на ділянці bс двигун працює в режимі рекуперації. Рекуперативне гальмування може бути реалізоване в ЕП механізмів підйому при спуску вантажу. Для цього АД включається у напрямі спуску вантажу (характеристика 2). Режим роботи, що встановився, матиме місце в точці з і характеризується швидкістю -ωу.

У режимі рекуперації двигун працює як генератор паралельно з мережею, якій він віддає електричну енергію, споживаючи при цьому реактивну потужність для збудження.

2.2.30 Для того, щоб перевести АД в режим противовключення при активному Мс необхідно в ланцюг ротора двигуна ввести істотний додатковий опір. При цьому робоча точка потрапляє на нову характеристику (точка 2).

Під дією негативного динамічного моменту двигун гальмується. У точці 3 ω=0. Робоча точка переміщається в IV квадрант, при цьому змінюється напрям обертання двигуна. На ділянці 34 двигун працює в режимі противовключення. Сталий режим має місце в точці 4.

2.2.31 Для того, щоб перевести АД а режим противовключення при реактивному Мс необхідно в ланцюг ротора для обмеження кидка струму ввести R_2д, а потім поміняти порядок чергування фаз обмотки (здійснити реверс) статора. Робоча точка при цьому переміщається на нову штучну характеристику, на ділянці 23 двигун працює в режимі гальмування противовключенням. У точці 3 двигун необхідно відключити від джерела живлення і включити механічне гальмо.

2.2.32 Для того, щоб АД перевести в режим динамічного гальмування, необхідно обмотку статора відключити від мережі змінного струму а потім в ланцюг статора подати постійний струм. Цей режим дозволяє отримати схема, приведена нижче

2.2.33 Коефіцієнт потужності Kм визначається як відношення

де Р - активна потужність;

S - повна потужність;

Q - реактивна потужність.

Оскільки більше 50% усієї електроенергії що виробляється, застосовується асинхронними двигунами, то підвищення Км є актуальним завданням, яке вирішується таким чином:

1. Заміна мало завантажених АД двигунами меншої потужності, які працюватимуть в режимі близькому до номінального, а отже і з великим Км.

2. Обмеження часу роботи АД на неодруженому ходу, а при великій тривалості цього режиму необхідно відключити двигун від мережі.

3. Перемикання обмотки статора з трикутника на зірку, що призводить до зменшення напруги на обмотках кожної фази в , а зниження живлячої напруги, зменшує споживання реактивної потужності.

4 Заміна АД синхронним двигуном, який може працювати при K_м=1и навіть генерувати реактивну потужність в мережу.

2.2.34 Схема включення синхронного двигуна

Його механічна характеристика

Рівняння механічної характеристики СД

2.2.35 Кутова механічна характеристика СД є залежністю моменту М від внутрішнього кута Ѳ, який є кутом зрушення між ЭДС статора Е і напругою мережі U.

Кутова характеристика має вигляд

Номінальна робоча точка на цій характеристиці вибирається так, щоб забезпечувати перевантажувальну здатність λ=2-2,5. Ця перевантажувальна здатність двигуна забезпечується при Ѳном=(25-30)°.

При вивченні відповідей на питання цього розділу необхідно користуватися літературою [1] - с. 69-161; [2] - с. 119-327; [4] - с. 48-93.

Тема 3 РЕГУЛЮВАННЯ МОМЕНТУ І ШВИДКОСТІ В ЕП

Питання

3.1.1 У яких випадках виникає необхідність регулювання моменту?

3.1.2 Які типи датчиків моменту вам відомі?

3.1.3 Перерахуєте способи регулювання моменту (струму) ДПТ НВ.

3.1.4 Назвіть способи регулювання моменту (струму) АД.

3.1.5 Назвіть основні статичні показники якості регулювання.

3.1.6 Назвіть і вкажіть за перехідною характеристикою динамічні показники якості регулювання.

3.1.7 Намалюйте схему реостатного регулювання моменту АД з релейним регулятором і зворотним зв'язком по струму навантаження. Поясните призначення основних елементів схеми.

3.1.8 Вкажіть особливості частотного регулювання моменту АД.

3.1.9 Отримаєте рівняння механічної характеристики системи «вентильний перетворювач - двигун» із зворотним зв'язком по моменту.

3.1.10 Намалюйте функціональну схему системи «Джерело струму - двигун» і її механічні характеристики. Дайте їм пояснення.

3.1.11 Вкажіть достоїнства і недоліки системи «джерело струму - ДПТ НВ».

3.1.12 Який перетворювач може використовуватися в якості джерела струму? Намалюйте принципову схему такого перетворювача.

3.1.13 Намалюйте функціональну схему і її механічну характеристику системи «Джерело струму - АД».

3.1.14 Як впливає негативний зворотний зв'язок по моменту (струму) на жорсткість механічної характеристики і динаміку системи?

3.1.15 Перерахуєте основні способи регулювання швидкості ДПТ НВ.

3.1.16 Перерахуєте основні способи регулювання швидкості АД.

3.1.17 Намалюйте і поясните штучні механічні характеристики ДПТ НВ при реостатному регулюванні і регулюванні швидкості шляхом шунтування якірної обмотки.

3.1.18 Отримаєте аналітичну залежність ω=f(R_2доб) для АД, апроксимувавши робочу ділянку механічної характеристики прямої.

3.1.19 Вкажіть особливості регулювання швидкості ДПТ НВ шляхом зміни магнітного потоку.

3.1.20 Намалюйте функціональну схему системи «Вентильний перетворювач - двигун постійного струму» з негативним зворотним зв'язком за швидкістю і запишіть рівняння механічної характеристики для неї.

3.1.21 Як впливає негативний зворотний зв'язок за швидкістю на механічну характеристику і динамічні властивості системи «Вентильний перетворювач - двигун постійного струму»?

3.1.22 З якого співвідношення витікає можливість регулювання швидкості АД шляхом перемикання числа пар полюсів?

3.1.23 За яким законом повинно змінюватися напруга статора АД при зміні частоти, якщо перевантажувальна здатність двигуна незмінна?

3.1.24 Намалюйте функціональну схему системи «Перетворювач частоти АД». Намалюйте сімейство механічних характеристик цієї системи.

3.1.25 Намалюйте функціональну схему і сімейство механічних характеристик системи «Регулятор напруги -- статора асинхронний двигун» з негативним зворотним зв'язком по швидкості.

3.1.26 Поясните які технічні рішення дозволяють використовувати втрати потужності від ковзання в роторному ланцюзі АД.

3.1.27 Намалюйте принципову схему асинхронного вентильного каскаду з допоміжним двигуном.

3.1.28 Поясните фізикові процесу регулювання швидкості АД шляхом введення в ланцюг ротора додаткової Э.Д. С.

3.1.29 Назвіть способи регулювання швидкості ДПТ ПВ.

3.2 Відповіді до питання

3.2.1 Регулювання моменту викликається необхідністю:

- обмеження моменту при перехідних процесах;

- обмеження ударного навантаження в механізмах, де можливе стопоріння робочого органу;

- підтримка заданого зусилля (моменту) на робочому органі механізму.

3.2.2 Найбільше поширення отримали датчики моменту індукційні, акселерометра і п’єзо датчики.

У цілому ряду випадків, коли момент і струм пов'язані між собою пропорційною залежністю, замість датчика моменту цілеспрямовано застосовувати датчик струму, який в простому випадку є деяким невеликим опором (шунт). Напруга на шунті пропорційно струму, що протікає через нього.

3.2.3 До основних способів регулювання моменту ДПТ НВ необхідно віднести:

- реостатне регулювання;

- регулювання моменту в системі «Джерело струму - двигун»;

- регулювання моменту в системі «Вентильний перетворювач - двигун постійного струму» з негативною зворотнім зв’язком по моменту.

3.2.4 До основних способів регулювання моменту АД необхідно віднести:

- реостатне регулювання;

- регулювання моменту в системі «Джерело струму - асинхронний двигун»;

- регулюванні моменту в системі «Перетворювач частоти - асинхронний двигун» з позитивним зворотним зв'язком за швидкістю.

3.2.5 Основними статичними показниками якості регулювання є: статична точність, діапазон регулювання, плавність (коефіцієнт плавності), економічність.

Статична точність оцінюється за величиною найбільшого відхилення регульованої координати при зміні возмущающої дії в заданих межах.

Діапазон регулювання визначає межі зміни (максимальній і мінімальний) середніх значень регульованої координаті.

Плавність регулювання оцінюється коефіцієнтом плавності

де Xi - значення регульованої величини на i-ой ступені регулювання;

Xi-1 - значення регульованої величини на i-1-ой ступені регулювання (на сусідньому ступені).

Економічність оцінюється за непрямими показниками, таким як: ККД, коефіцієнт потужності, со8<р та ін.

3.2.6 До динамічних показників якості відносяться:

- час перехідного процесу (tпп);

- час запізнювання (τзап);

- пере регулювання (σ);

- час першого узгодження (t_пс);

- час досягнення першого максимуму (t_макс);

- частота коливань/;

Перераховані показники визначаються по перехідної характеристиці системи, приведеної нижче (у разі монотонного процесу використовуються тільки дві перші характеристики, t_пп і τ_зап

3.2.7 Принципова схема реостатного регулювання моменту АД з релейним регулятором має вигляд

До основних елементів схеми необхідно віднести:

АД - асинхронний двигун;

VI -V6 — випрямний міст;

Rдоб - активний опір навантаження в ланцюзі моста;

ТК – тиристорний (транзисторний)електронний ключ;

ДТ - датчик струму;

Lф - індуктивний фільтр;

РР - релейний регулятор, статична характеристика якого має вигляд

У цій схемі зміни завдання по моменту Uзм призводить до зміни діючого значення активною складовою струму ротора, а отже - моменту АД. При цьому сімейство механічних характеристик системи має вигляд

3.2.8 Регулювання моменту в системі «Перетворювач частоти - асинхронний двигун» можливе за наявності позитивного зворотного зв'язку за швидкістю. При цьому механічна характеристика системи розглядаються як лінійна, а тому її можна описати рівнянням

де К_f К_рм К_пс - коефіцієнт передачі перетворювача частоти регулятора моменту, вузла позитивного зворотного зв'язку за швидкістю, відповідно;

β - модуль жорсткості лінеаризованої характеристики;

р - число пар полюсів.

Якщо параметри ЕП підібрані так, що виконується умова:

то рівняння механічної характеристики системи має вигляд

тобто отримуємо характеристику виду М = const, для фіксованого значення напруги завдання по моменту Uзм.

3.2.9 Рахуємо механічну характеристику лінійної системи, а тому вона описуються рівнянням виду

де β - модуль жорсткості механічної характеристики. Позначимо через:

Квп - коефіцієнт передачі вентильного перетворювача;

Крм - коефіцієнт передачі регулятора моменту;

Ком—коефіцієнт передачі вузла негативного зворотного зв’язку по моменту.

Тоді

де U_3M - напруга задана по моменту.

Позначимо , тоді

З урахуванням початкового рівняння можна записати

Звідси рівняння механічної характеристики системи «Вентильний перетворювач - двигун» з негативним зворотнім зв'язком по моменту має вигляд

3.2.10 Схема системи «Джерело струму - двигун» має вигляд

ИТ - джерело струму.

Сімейство механічних характеристик системи

Система «Джерело живлення - двигун» дозволяє отримати абсолютно м'яку характеристику, оскільки при постійному значенні Ф та Iя=const

3.2.11 До достоїнств системи необхідно віднести: високий К.П.Д. і коефіцієнт потужності, відносно високий діапазон регулювання моменту, який може доходити до 50-1.

Як недолік треба відмітити інерційність системи, оскільки управління здійснюється але ланцюги обмотки збудження двигуна, яка має велику постійну часу, і не змогою рекуперації енергії із-за використання не управляючого випрямляча.

3.2.12 В якості джерела струму може бути використаний індуктивно-ємнісний перетворювач, який використовує явище резонансу напруги в LС ланцюга. (При резонансі напруги ХL=ХС=Х). Принципова схема перетворювача, навантаженням якого є якірний ланцюг ДПТ НВ, має вигляд

3.2.13 Функціональна схема системи «Джерело струму - асинхронний двигун» має вигляд

ІБП - індуктивно-ємнісною перетворювач;

В1, В2 - випрямляч перший і другий.

Механічна характеристика системи «Джерело струму - асинхронний двигун» мають вигляд

I_р- струм ротора;

Iит - струм джерела струму.

При Iр>Iит формується характеристика виду М=const.

3.2.14 Негативний зворотний зв'язок по моменту пом'якшує механічну характеристику. Оскільки при цьому збільшується, система стає менш схильною до коливань, оскільки умова відсутності коливань Тм > 4Т в цьому випадку має більший запас.

3.2.15 Регулювання швидкості ДПТ ИВ можливо шляхом зміни: якірної напруги, магнітного потоку, додаткового опору в якірному ланцюзі.

Це витікає із співвідношення

3.2.16 Регулювання

Дата добавления: 2015-09-05