Режимы работы электропривода

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение).

Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками.

Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).

Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.

В настоящее время в электроприводах широко применяются однофазные асинхронные двигатели, которые являются основными в сети однофазного переменного тока. Статор такого двигателя имеет 2 обмотки — рабочую и пусковую (вспомогательную). Обе обмотки размещены в пазах сердечника так, что их оси смещены пространственно по окружности статора на 90є. Ротор имеет 1-у короткозамкнутую обмотку. Его устройство ротора однофазного двигателя такое же, как у трехфазного. Двигатели, выпускаемые промышленностью, имеет малую мощность: от 1 Вт (серия УАД) до 400 Вт (серия АВЕ) и даже 600 Вт (серия АОЛБ). Однофазные асинхронные двигатели применяются в схемах автоматического управления, в различного рода бытовых устройствах, в приводах механизмов малой мощности.

Образование вращающегося магнитного поля Для получения вращающего магнитного поля пусковая обмотка соединяется последовательно с конденсатором или активным сопротивлением и подключается параллельно рабочей обмотке. Подключение конденсатора или активного сопротивления дает сдвиг фаз между токами в обмотках, близкий к 90є, что вызывает появление вращающегося магнитного поля статора. В момент времени, когда в пусковой обмотке сила тока, а следовательно, и магнитный поток достигают максимума, в рабочей обмотке ток (магнитный поток) равен нулю. Суммарный магнитный поток соответствует 1-у магнитному потоку. Через четверть периода максимум тока (магнитный поток) будет в рабочей обмотке, а в пусковой обмотке ток и магнитный поток в данный момент будут равны нулю. Суммарный магнитный поток соответствуют 2-у магнитному потоку. Еще через четверть периода максимум силы отрицательного тока (магнитного потока) будет в пусковой обмотке, а в рабочей обмотке ток (магнитный поток) равен нулю. Суммарный магнитный поток соответствует 3-у магнитному потоку и т. д. Таким образом, при непрерывном синусоидальном изменении тока в рабочей и пусковой обмотках суммарный магнитный поток будет вращаться против хода часовой стрелки. Если амплитуды магнитных потоков рабочей и вспомогательной обмоток равны, то вращение магнитного поля будет круговым, при неравенстве амплитуд — эллиптическим.

Если статор имеет лишь одну обмотку, питаемую от сети синусоидальным током, тогда МДС этой обмотки создает пульсирующий в пространстве магнитный поток, который наводит переменную ЭДС и ток в короткозамкнутой обмотке ротора. МДС статора и ротора будут равны и противоположны по направлению, результирующая МДС равна нулю и, следовательно, пусковой момент равен нулю, ротор не вращается. Однако если ротор при помощи какой-либо посторонней силы привести во вращение, то в дальнейшем он будет вращаться, хотя эта сила будет снята. Он сам увеличит частоту вращения до номинальной и может преодолеть механическое торможение. Это явление можно объяснить, если представить пульсирующее магнитное поле в виде суммы двух вращающихся в противоположных направлениях магнитных полей. Оба магнитных потока создают равные по значению и противоположные по направлению вращающие моменты ротора. Поэтому ротор не может сам прийти в движение. Вращающий момент влево меньше вращающего момента вправо, и ротор будет вращаться вправо. Если придать начальное вращение ротору влево, ротор потом сам будет продолжать вращаться влево. Амплитудные значения вращающихся полей одинаковы и равны половине амплитудного значения пульсирующего поля.

Пуск в ход однофазного асинхронного двигателя После пуска двигателя обмотка с конденсатором остается включенной. Двигатели с конденсатором получили название однофазных конденсаторных двигателей.

В маломощных однофазных асинхронных двигателях сдвиг фаз в обмотках статора обеспечивается путем насадки на часть полюса медного кольца. В медном кольце возбуждается индукционный ток, обратный основному току обмотки, а следовательно, и магнитный поток кольца, противоположный магнитному потоку полюса, что создает сдвиг фаз и нарушение симметрии в магнитном потоке и обеспечивает вращающий момент ротора.

Пуск однофазного двигателя может осуществляться путем приведения ротора во вращение внешней силой. Рабочая обмотка статора, включенная в сеть однофазного переменного тока, дает пульсирующее магнитное поле. Оно не может привести ротор во вращение. Если магнитный поток возрастает, то в витке, расположенном в вертикальной плоскости, ЭДС индукции будет равна нулю, а в витке, расположенном в горизонтальной плоскости, будут максимальные ЭДС индукции и сила тока. На эти проводники действуют силы направленные к оси вращения, они не приводят ротор во вращение. Каждый проводник правой половины ротора имеет симметричный ему проводник на левой половине ротора с противоположным направлением тока. Поэтому силы, действующие на эти проводники, уравновешиваются.

Механическая характеристика Рассматривая вращающиеся поля независимо, можно установить, что одно поле, взаимодействуя с ротором, создает вращающий момент одного направления, а другое поле — момент противоположного направления.

Механическая характеристика однофазного двигателя находится графическим сложением механических характеристик этих направлений. Из механической характеристики однофазного двигателя видно, что пусковой момент равен нулю. Для того, чтобы однофазный двигатель пустить в ход, не прибегая к сторонней силе, на статоре размещают вторую обмотку, сдвинутую в пространстве на 90є относительно первой. В цепь второй обмотки включен второй конденсатор, создающий в цепи этой обмотки сдвиг тока по фазе. Первая обмотка — рабочая, вторая — пусковая. Токи образуют вращающееся магнитное поле, создающее при взаимодействии с ротором вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение. После разгона двигателя пусковая обмотка отключается от сети.

Однофазный асинхронный двигатель с экранированными (расщепленными) полюсами Статор такого двигателя имеет явно выраженные полюсы, на которых расположена рабочая обмотка. Каждый полюс как бы расщеплен на две неравные части, одна из которых узкая, а другая — широкая. На узкой части помещен короткозамкнутый виток. Ротор двигателя короткозамкнутый, обычной конструкции. Пульсирующий магнитный поток, созданной переменной МДС рабочей обмотки статора, пронизывает короткозамкнутый виток и наводит в нем ЭДС, которая вызывает появление тока в витке и магнитного потока. Этот поток сдвинут по фазе относительно потока рабочей обмотки и складываясь с ним, создает в зоне короткозамкнутого витка результирующий магнитный поток, сдвинутый по фазе относительного 1-го потока. В результате под полюсом есть 2 магнитных потока, разнесенные в пространстве и сдвинутые по фазе (во времени), что обеспечивает получение вращающегося поля.

Технические данные подобных двигателей хуже, чем трехфазных, поэтому они выпускаются на мощности до нескольких десятков ватт.

Способы пуска однофазного асинхронного двигателя Однофазные асинхронные двигатели по сравнению с трехфазными таких же размеров имеют мощную мощность, худшие пусковые качества, более низкий КПД и меньший коэффициент мощности.

Трехфазный асинхронный двигатель может работать в однофазной сети переменного тока. Для подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть нужно из трех фазных обмоток статора создать рабочую и пусковую обмотки. Рабочая обмотка подключается в сеть, а пусковая соединяется с конденсатом и подключается параллельно рабочей обмотке. Для получения вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитные потоки рабочей и вспомогательной обмоток были смещены в пространстве на 90є и сдвинуты по фазе во времени на 90є. В зависимости от технических данных двигателя и напряжения сети существует несколько схем включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть. При этом нужно, чтобы допустимое фазное напряжение двигателя было равно или близко к напряжению сети. Следовательно: асинхронный двигатель, в паспорте которого указано Y-220/127, включается в однофазную сеть напряжением 220 В звездой. При таком включении на каждую фазу рабочей обмотки приходится по 110 В, а номинальное фазное напряжение двигателя 127 В. Двигатель будет работать.

Трехфазный асинхронный двигатель (Y -220/127) лучше включать в однофазную сеть 220 В где при включении улучшаются механические характеристики двигателя. Реверсирование осуществляются изменением направления тока в рабочей или пусковой обмотке, т. е. переключением начала и конца фазы.

Трехфазный асинхронный двигатель (Y — 380/220) подключается в однофазную сеть 220 В, где фазные обмотки статора соединяются параллельно и подключаются в однофазную сеть. При этом в одну из фаз рабочей обмотки включается последовательно конденсатор, а в другую — активное сопротивление и конденсатор. Для облегчения сдвига фаз между магнитными потоками рабочей и вспомогательной обмоток во времени и пространстве, близкого к 90є, емкость конденсатора определяется по формуле С1=1600Iф/Uф;

С2=2С1,.

С2=0,58Uф/Iф Для нормальной работы трехфазного асинхронного двигателя, включенного в однофазную сеть, необходимо правильно подобрать емкость конденсаторов. При круговом вращении магнитного поля активная мощность конденсатора должна быть равна полной мощности двигателя Р=СUІ. Из этой формулы С=РЧ где Р-мощность двигателя, кВт; f-частота тока в сети, Гц; U-напряжение сети, В; С-емкость конденсатора, мкФ.

Таким образом, емкость конденсатора прямо пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна напряжению сети. Из практики установлены следующие формулы определения емкости конденсаторов для различных схем включения трехфазных асинхронных двигателей в однофазную сеть.

Грубо можно определить емкость конденсаторов из расчета 5−6,5 мкФ на каждые 100 Вт мощности двигателя. Напряжение конденсатора должно быть несколько выше напряжения сети. Для подключения к асинхронным двигателям применяются конденсаторы типов: КБГ-МН, МБГ4, КБГ. Для пуска двигателя под нагрузкой необходимо параллельно рабочему конденсатору подключать пусковой конденсатор. Пусковой конденсатор включается на 2−3 с во время пуска двигателя. Емкость пускового конденсатора Сn. В качестве пусковых конденсаторов применяются электролитические конденсаторы типа ЭП, специально предназначенные для этой цели. Пусковая обмотка после пуска двигателя может быть отключена. Подключение пусковой обмотки на весь период работы двигателя улучшает его механические характеристики. Мощность трехфазного двигателя при однофазном включении зависит от соs. Для двигателя с соs=0,6 эта мощность равна 90%, а при соs=0,8−50% номинальной мощности трехфазного двигателя. Частота вращения двигателя при однофазном включении не отличается от частоты при трехфазном включении. Примечание. Принцип действия трехфазных электродвигателей основан на применении вращающегося магнитного потока. В асинхронных двигателях обмотка состоит из трех катушек, расположенных на неподвижной станине-статоре, внутри которого помещен стальной барабан-ротор; в пазах ротора уложены провода, соединенные между собой на обоих торцах кольцами. Вращающийся магнитный поток, пересекая провода обмотки ротора, наводит в них э.д.с., и в проводах возникает ток. Ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным потоком. С ростом частоты вращения ротора уменьшается скорость, с которой магнитные линии пересекают проводники ротора; если бы ротор достиг той же частоты вращения, что и магнитный поток статора, то пересечения проводников не происходило бы и ток в роторе стал бы равен нулю; следовательно, при наличии тормозного момента магнитный поток и ротор не могут вращаться с одинаковой частотой (синхронно); частота вращения ротора всегда несколько меньше. Поэтому двигатели такого типа называют асинхронными (т.е. несинхронными).