Принципы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока определяется формулой

. (2.87)

Следовательно, ее можно регулировать тремя методами:

1) включением добавочного резистора или реостата r_доб в цепь обмотки якоря;

2) изменением магнитного потока Ф;

3) изменением питающего напряжения U.

На примере двигателя с параллельным возбуждением рассмотрим принципиальные особенности, свойственные этим методам регулирования.

Включение реостата в цепь якоря. При включении реостата в цепь якоря частота вращения с ростом нагрузки уменьшается более резко, чем при работе двигателя без реостата:

. (2.88)

Это наглядно показано на рис. 2.68, где приведены характеристики двигателя с параллельным возбуждением: 1 – естественная (при r_до6 = 0); 2-реостатная (при r_доб > 0) Частоты вращения n₀при холостом ходе для обеих характеристик равны, в то время как значения уменьшения частоты вращения Δn при нагрузке различны. При одном и том же токе якоря

.

Чем больше добавочное сопротивление r_доб, тем круче е увеличением нагрузки падает частота вращения.

Рис. 2.68 – Скоростные характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем включения реостата в цепь якоря

Механические характеристики п = f (M) двигателя с параллельным возбуждением могут быть получены из скоростных характеристик n = f(I_a) изменением масштаба по оси абсцисс, так как для двигателя этого типа

,

т.е. момент пропорционален току якоря.

Основным недостатком данного метода регулирования является возникновение больших потерь энергии в реостате, особенно при низких частотах вращения. Последнее видно из соотношения

, (2.89)

где ΔР – потери в цепи якоря; Р₁ – мощность, подведенная к якорю.

Решая уравнение (2.89) относительно ΔР, получим

, (2.90)

т.е. потери линейно возрастают с уменьшением частоты вращения якоря.

Очевидно, что данный метод позволяет только уменьшать частоту вращения по сравнению с частотой при естественной характеристике. Иногда существенным является то обстоятельство, что при включении в цепь якоря значительного сопротивления характеристики двигателя становятся крутопадающими («мягкими»), вследствие чего небольшие изменения нагрузочного момента приводят к большим изменениям частоты вращения.

Изменение магнитного потока двигателя. Чтобы изменить магнитный поток, необходимо регулировать ток возбуждения двигателя. При различных магнитных потоках Ф₁и Ф₂ частоты вращения будут определяться формулами:

(2.91)

Рис. 2.69 – Скоростная и механическая характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

В двигателе с параллельным возбуждением, например, частота вращения при холостом ходе и уменьшение ее при нагрузке изменяются обратно пропорционально изменению магнитного потока:

. (2.92)

Таким образом, скоростные характеристики двигателя при различных магнитных потоках не являются параллельными (рис. 2.69, а). Эти характеристики пересекаются при частоте вращения, равной нулю, так как в данном случае Е =с_еФn = 0и ток не зависит от величины потока:

; (2.93)

он определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря. Величину тока I_ак при n = 0 называют током короткого замыкания.

Механические характеристики для двигателя с параллельным возбуждением строятся на основании следующих соображений. Каждая из механических характеристик является практически линейной (если пренебречь реакцией якоря) и может быть построена по двум точкам: точке холостого хода, в которой момент равен нулю, и точке короткого замыкания, в которой момент максимален.

Сравнивая моменты в режиме короткого замыкания при различных значениях магнитного потока, получим

. (2.94)

Таким образом, при уменьшении магнитного потока частота вращения холостого хода возрастает, а момент при коротком замыкании снижается. Следовательно, механические характеристики, построенные при различных величинах магнитного потока, пересекаются при частоте вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но большей нуля (рис. 2.69, б). Рассматривая механические характеристики, можно сделать вывод, что при величинах нагрузочного момента, существенно меньших М_кр, снижение потока ведет к увеличению частоты вращения.

Рис. 2.70 – Механические характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением большой и средней мощностей:

1-при нормальном возбуждении, 2 – при уменьшении магнитною потока

Это является характерным для двигателей средней и большой мощностей (рис. 2.70, а), где в рабочем диапазоне изменения токов имеют место небольшие падения напряжения в якоре (для получения высокого к. п. д.).

В микромашинах уменьшение потока, т.е. тока возбуждения, обычно применяют для снижения частоты вращения.

Рис. 2.71 – Включение регулировочного реостата в двигателе с последовательным возбуждением

Аналогично располагаются скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением; поэтому в двигателях большой и средней мощностей при уменьшении магнитного потока частота вращения возрастает (рис. 2.70, б). Уменьшение магнитного потока в этом двигателе осуществляется обычно путем включения регулировочного реостата r_p.в параллельно обмотке возбуждения (рис. 2.71), вследствие чего ток возбуждения

, (2.95)

где r_р.в-сопротивление регулировочного реостата, включенного параллельно обмотке возбуждения; k_p.в = I_в/I_a – коэффициент регулирования возбуждения.

Рис. 2.72 – Скоростные и механические характеристики двигателей

с параллельным (независимым) (а) и последовательным (б) возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря

Рассмотренный метод регулирования весьма прост и экономичен, поэтому его широко применяют на практике. Однако регулирование частоты вращения этим методом можно осуществить только в сравнительно небольшом диапазоне; обычно n_макс/n_мин= 2 ÷ З. Нижний предел n_мин ограничивается насыщением магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток. Верхний предел n_макс определяется условиями устойчивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет в «разнос»), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается искажающее действие реакции якоря и растет реактивная э.д.с, что повышает опасность возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня. По этой причине двигатели, предназначенные для работы в режимах глубокого ослабления возбуждения, должны иметь компенсационную обмотку и пониженную величину реактивной э. д. с. при номинальном режиме.

Изменение напряжения на зажимах якоря. При различных напряжениях на зажимах якоря U₁и U₂частоты вращения будут соответственно определяться формулами:

;

.

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения холостого хода изменяется пропорционально изменению напряжения:

, (2.96)

а падение частоты вращения при одинаковой нагрузке остается неизменным:

. (2.97)

В связи с этим скоростные характеристики n = f(I_a) двигателя с параллельным возбуждением представляют собой семейство параллельных прямых 1, 2 и 3 (рис. 2.72, а).

Механические характеристики n = f(M) получаются из скоростных простым изменением масштаба по оси абсцисс, так как момент пропорционален току якоря.

Скоростные и механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением в основном строятся аналогично (рис. 2.72, б).

Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения напряжения на зажимах якоря обычно ведут «вниз», т.е. уменьшают напряжение и частоту вращения по сравнению с номинальными.

Источник

Регулирование скорости двигателей постоянного тока

Из уравнения электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:

1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,

Рис. 1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.

Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления.

При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и U ном двигателя.

Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.

Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Устройство автомобилей

Вспомогательные устройства карбюраторов

Ограничители максимальной частоты вращения коленчатого вала

Для предупреждения перегрузки максимальная мощность двигателя грузовых автомобилей ограничивается максимальной частотой вращения коленчатого вала, который может быть пневмоцентробежного типа или с электронным управлением.
Принципиальная схема пневмоцентробежного ограничителя частоты вращения коленчатого вала показана на рис. 1.

Он состоит из двух частей: центробежного датчика и пневматического мембранного исполнительного механизма.
Центробежный датчик устанавливается в крышку распределительных зубчатых колес двигателя. Ротор 12 датчика приводится во вращение от торца распределительного вала. Датчик соединяется двумя трубками с карбюратором и корпусом исполнительного механизма. Назначение датчика – управление величиной разрежения над мембраной 7 исполнительного механизма. Исполнительный механизм в зависимости от разрежения управляет дроссельными заслонками.

Работает ограничитель следующим образом.
На малых частотах вращения клапан 22 под действием пружины 14 отводится к центру ротора, отверстие 23 в седле клапана открыто. Сопротивление движению воздуха, создаваемое датчиком, в этом случае меньше сопротивления жиклеров 2, вследствие чего разрежение над мембраной 7 недостаточно, чтобы создать на рычаге 4 силу большую, чем сила пружины 3, которая удерживает дроссельные заслонки в открытом положении.

По мере повышения частоты вращения коленчатого вала центробежная сила клапана увеличивается, и он, растягивая пружину 14, приближается к своему седлу, при этом сопротивление движения воздуха через датчик соответственно повышается.
При максимальной частоте вращения это сопротивление увеличивается настолько, что становится больше сопротивления жиклеров 2, и в полости А над мембраной 7 создается разрежение, достаточное для срабатывания ограничителя.
Мембрана 7 перемещается вверх и через шток 5 и рычаг 4 закрывает дроссельные заслонки 27, в связи с чем мощность двигателя уменьшается и частота вращения снижается.

При снижении частоты вращения уменьшается действующая на клапан центробежная сила, и он под действием своей пружины приоткрывается, что приводит к снижению сопротивления датчика.
В результате разрежение в полости А над мембраной уменьшается и пружина 3 открывает дроссельные заслонки.
Частота вращения вновь поднимается до максимальной, после чего цикл работы ограничителя вновь повторяется.

Центробежный датчик ограничителя настраивается заводом-изготовителем, для чего используется регулировочный винт 15, с помощью которого изменяется натяжение пружины клапана.

В конструкциях современных автомобилей с карбюраторными двигателями все большее применение находят электронные системы ограничения максимальной частоты вращения коленчатого вала, встроенные в карбюратор.

Источник

Самый экономичный способ управления двигателями – преобразователь частоты

В промышленности свыше 60% электроэнергии потребляется асинхронными электроприводами – в насосных, компрессорных, вентиляционных и других установках. Это наиболее простой, а потому дешевый и надежный тип двигателя.

Технологический процесс различных производств в промышленности требует гибкого изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов. Благодаря бурному развитию электронной и вычислительной техники, а также стремлению снизить потери электроэнергии появились устройства для экономного управления электродвигателями различного типа. В этой статье как раз и поговорим о том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом. Работая в компании «Первый инженер» (группа компаний ЛАНИТ), я вижу, что наши заказчики всё больше внимания уделяют энергоэффективности

Большая часть электрической энергии, потребляемой производственными и технологическими установками, используется для выполнения какой-либо механической работы. Для приведения в движение рабочих органов различных производственных и технологических механизмов преимущественно используются асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем именно о данном типе электродвигателя и будем вести повествование). Сам электродвигатель, его система управления и механическое устройство, передающее движение от вала двигателя к производственному механизму, образуют систему электрического привода.

Наличие минимальных потерь электроэнергии в обмотках за счет регулирования частоты вращения двигателя, возможность плавного пуска за счет равномерного увеличения частоты и напряжения — это основные постулаты эффективного управления электродвигателями.

Ведь ранее существовали и до сих пор существуют такие способы управления двигателем, как:

Потери неизбежны?

Остановимся более подробно на электрических потерях, возникающих в асинхронном электродвигателе.

Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин.

К электрическим величинам относятся:

при учете которой формула приобретает вид:

Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:

Часть этой мощности передается на вал ротора в виде механической мощности согласно выражению (2), а остальная часть выделяется в виде потерь в активных сопротивлениях всех трех фаз роторной цепи.

Эти потери, называемые электрическими, равны:

Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.

Они в сильной степени определяются нагрузкой асинхронного двигателя. Все другие виды потерь, кроме электрических, изменяются с нагрузкой менее существенно.

Поэтому рассмотрим, как изменяются электрические потери асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения.

Электрические потери непосредственно в обмотке ротора электродвигателя выделяются в виде тепла внутри машины и потому определяют ее нагрев. Очевидно, чем больше электрические потери в цепи ротора, тем меньше КПД двигателя, тем менее экономична его работа.

Учитывая, что потери в статоре примерно пропорциональны потерям в роторе, еще более понятно стремление уменьшить электрические потери в роторе. Тот способ регулирования частоты вращения двигателя является экономичным, при котором электрические потери в роторе относительно невелики.

Из анализа выражений следует, что самый экономичный способ управления двигателями заключается в частоте вращения ротора, близкой к синхронной.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционное оборудование, конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и др. вошли такие установки, как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), также называемые преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Потенциал экономии: считаем вместе

На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:

А теперь приведем пример расчета.

КПД электродвигателя: 96,5%;
КПД частотно-регулируемого привода: 97%;
Мощность на валу вентилятора при номинальном объеме: 1100 кВт;
Характеристика вентилятора: H=1,4 о.е. при Q=0;
Полное рабочее время за год: 8000 ч.

Режимы работы вентилятора согласно графику:

Из графика получаем следующие данные:

100% расхода воздуха – 20% времени работы за год;
70% расхода воздуха – 50% времени работы за год;
50% расхода воздуха – 30% времени работы за год.

Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

7 446 400 кВт*ч/год — 3 846 400 кВт*ч/год= 3 600 000 кВт*ч/год

Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт*ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019 г.

Получим экономию в денежном выражении:

3 600 000 кВт*ч/год*5,5 руб/кВт*ч= 19 800 000 руб/год

Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты добиться срока окупаемости в 3 года.

Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, но об этом я расскажу в следующий раз.

Источник