Проектирование электропривода элекропривода

Функциональная схема автоматизированного электропривода приведена на рисунке 1.

Обозначение:

ИО — исполнительный орган рабочей машины, т. е. та часть машины, которая осуществляет технологический процесс.

Д — электродвигатель.

МП — механическая передача. Функции передачи:

1) Согласование скоростей движения: понижение (редуктор) или повышение (мультипликатор) скорости вращения исполнительного органа.

2) Изменение характера движения, например преобразование вращательного движения в, поступательное или в возвратно-поступательное.

3) Разветвление потока энергии, когда от одного двигателя получают движение несколько ИО

4) Управление движением ИО Задачи управления:

а) Пуск и остановка ИО при непрерывно вращающимся двигателе;

б) Изменение скорости ИО при постоянной скорости двигателя.

Развитие электропривода связано с упрощением механической передачи, при этом её функции, прежде всего функция управления, перекладывается на электрическую часть. Поэтому в структуре электропривода появляется между двигателем и питающей частью П — преобразователь параметров электрической энергии (управляемый выпрямитель или преобразователь частоты);

СУ — система управления, получающая информацию о фактическом движении ИО и воздействующая на двигатель или преобразователь, если это движение отличается от требуемого.

Электропривод — электромеханическая система, состоящая из двигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенная для приведение в движение исполнительного органа рабочей машины и для управления его движением.

1. Механика привода

Расчетная схема электропривода Вращающая часть двигателя (ротор или якорь), механическая передача и исполнительный орган образуют механическую часть электропривода. Вращательное или поступательное движение каждого элемента механической части описывается уравнением:

где: и — соответственно сумме сил или моментов, действующих на элемент; m и — масса или момент инерции элемента; и — его линейная или угловая скорость движения. Для описания движения всей механической части к уравнениям движения всех элементов необходимо добавить уравнение связи. Например, для вращающейся пары шестерен редуктора уравнения связи могут быть получены из того факта, что в точке зацепления шестерён силы, действующие на зубья и линейные скорости одинаковы. В результате получается сложная и громоздкая система уравнений, решать которую трудно.

Для решения задач электропривода не требуется детального описания движения всех элементов механической части. Поэтому могут быть использованы различные расчетные схемы механической части, позволяющие существенно упростить математическое описание системы и решение уравнений.

Простейшей расчетной схемой является одномассовая расчетная схема на рис.

В этой схеме все движущиеся части реального механизма заменяются одной массой, движущийся со скоростью, которую можно выбирать произвольно в зависимости от решаемой задачи. В большинстве случаев удобно считать её вращающейся со скоростью двигателя. В этом случае эта масса характеризуется эквивалентным моментом инерции J. На вращающуюся массу с одной стороны действует вращающейся момент двигателя М_д, а с другой — противодействующий момент, возникающий при движении исполнительного органа и передаваемый через МП на вал двигателя, называемый моментом сопротивления М_с. В большинстве случаев момент инерции можно считать постоянным, тогда движение системы определяется уравнением:

Приведение противодействующих моментов и сил к валу двигателя

При отсутствии потерь в передаче мощность на входе ИО и на валу двигателя одинаковы. Отсюда:

Отсюда .

В двигательном решении потери в передаче покрываются за счет двигателя, поэтому

где — передаточное число редуктора,

— кпд передачи.

В тормозных режимах поток энергии обратный, поэтому Приведение движущихся масс и моментов инерции к валу двигателя.

Производится из условия, что запас кинематической энергии реального механизма и расчетной модели одинаков. Тогда:

где, ,, , — моменты инерции, массы и скорости элементов механической части привода.

Отсюда находим:

— приведённый к валу двигателя момент инерции механизма Механические характеристики двигателей и механизмов Механической характеристикой двигателя называется зависимость его скорости вращения от момента. Момент сопротивления механизма зависит от многих факторов, в том числе от скорости. Поэтому можно говорить о механической характеристике механизма. По характеру причин, вызывающих появление М_с различают:

а) активный момент сопротивления, который связан с изменением потенциальной энергии в системе при работе двигателя. Свойства:

1) направление действия момента не зависит от направления вращения двигателя;

2) может быть движущим моментом;

б) реактивный момент связан с действием сил трения, резания и т. д. Реактивный момент всегда направлен против направления движения при изменении направления движения реактивный момент также меняет направление.

В соответствии с уравнением (2.3) установившиеся движение () имеет место при, для чего необходимо М_дв = М_с. Параметры установившегося движения находятся при графическом решении (2.1) как точка пересечения механических характеристик двигателя и механизма (рис.)

2. Электромеханические характеристики двигателей

Электромеханические характеристики двигателей постоянного тока Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения приведена на рисунке.

Положительные направления токов и ЭДС показаны стрелками. Из второго закона Кирхгофа следует:

,

где R_Я — полное сопротивление якорной цепи двигателя, R_Я = R_P + r_Я,

R_P — сопротивление внешнего реостата, r_Я — внутреннее сопротивление двигателя, включающее сопротивление обмотки якоря r_ОЯ, — сопротивление щёточного контакта r_Щ, сопротивление добавочных полюсов r_доп, и сопротивление последовательной обмотки возбуждения Rв (при смешанном и последовательном возбуждении).

Из теории электрических машин известно:

Е_Я = с Ф

М = с Ф I_Я

где с, Ф — конструктивный коэффициент и магистральный поток двигателя

;

;

Уравнение (3.4) — скоростная характеристика, (3.5) — механическая характеристика.

Уравнения (3.1) — (3.5) определяют электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с любым способом возбуждения.

Электромеханические характеристики двигателя независимого возбуждения

Для двигателя с независимым возбуждением можно принять =const, т. е. магнитный поток не зависит от тока якоря. Тогда уравнения (3.4) и (3.5) будут уравнениями прямых линий (рис. 3.2)

— скорость идеального холостого хода

— статическое падение скорости.

— жесткость механической характеристики.

Различают характеристики естественные и искусственные.

Естественные характеристики имеют место при:

U_Z = U_ЯН; =Ф_Н; R_Я = r_Я (R_P = 0).

Построение естественной характеристики по паспортным данным двигателя.

Дано: P_H, n_H, U_H, I_ЯН.

Находим: ;

Для построения характеристик необходимо определить координаты ещё одной точки. Обычно находят

;

При отсутствии каталожных данных относительно r_Я, приближённо определяем:

.

Искусственные характеристики двигателя.

а) Изменение U_Я

Поскольку, то ,

так как, характеристики параллельны друг другу Искусственные характеристики при изменении U_Я параллельной естественной характеристики.

в) Изменение R_Я

= const

— изменяется прямо пропорционально R_Я.

От сюда:

При любом произвольно взятом токе якоря или моменте отрезки, изображающие на графике статистическое падение скорости, прямо пропорциональны сопротивлениям.

с) Изменение

Из-за насыщения магнитной системы машины магнитный поток можно только уменьшать.

Скоростные и механические характеристики показаны на рисунках для естественных характеристик

,

Ток I_K в 10 — 20 превышает номинальный Из приведенных соотношений вытекает:

Ослабление потока используется для повышения скорости двигателя сверх номинальной. Степень уменьшения потока ограничивается механической прочностью якоря при увеличении скорости. Для двигателя нормального исполнения

Пуск в ход двигателя независимого возбуждения. Расчет пусковых реостатов Первой включается обмотка возбуждения и устанавливается номинальный магнитный поток.

При прямом включении якоря пусковой ток равен:

I_H, что недопустимо.

Ограничение пускового тока до допустимого значения возможно путём понижения напряжения на якоре (в системах преобразователем) или путём включения в цепь якоря пускового реостата.

Исходные данные для расчета реостата: параметры двигателя U_H, I_H, r_Я, величина M_C.

Построение пусковой диаграммы (рис 3.6а).

Рассчитывается величина, определяется пусковой ток I₁ и момент

М₁:

Определяется ток I₂ и момент М₂ переключения Проводятся вертикальные линии через абсциссы I₁ и I₂.

Первая пусковая характеристика проводится через точки (0,) и (I₁, 0). Эта характеристика пересекает в т. в вертикаль I₂. Через точку в проводится горизонталь до пересечения в точки В вертикали I₁.

Через точки В и проводится вторая пусковая характеристика, на ней находится точка пересечения, а с вертикалью I₂, через которую проводятся горизонтальные линии до пересечения с вертикалью I₁ в точке А. Через точки, А и проводиться следующая реостатная характеристика и т. д. Построение заканчивается, когда последняя горизонталь пересечет естественную характеристику в точке где. В правильно построенной диаграмме выход на естественную характеристику должен произойти при, что достигается подбором тока I₂.

Сопротивление ступеней находятся по методу отрезков:

;; .

Из геометрических соотношений можно получить формулу для аналитического расчета реостата:

где — кратность изменения пускового тока,

m — число ступеней реостата.

Порядок применения: задаются током I₁ и величиной m, определяют и вычисляют I_2. Этот ток должен удовлетворять условию, если условие не выполняется увеличивают m на 1 и повторяют расчет. Или задаются величиной I₂, вычисляют I₁ и проверяют по условию .

Далее находят сопротивления:

Тормозные режимы двигателя независимого возбуждения.

а) Торможение с возвратом энергии в сеть (рекомендуется)

Направление токов и ЭДС этого режима показано на рис. 3.7 а) и б). Характеристики показаны на рисунке. Торможение возможно при. Характеристики определяются уравнениями (3.4) и (3.5).

б) Динамическое торможение Якорь двигателя отключается от сети и замыкается на реостат, в этом случае

.

Характеристики проходят через начало координат.

в) Противовключение.

В этом режиме направление вращения якоря противоположно вращению в точке идеального холостого хода (рис. 3.8) Направление токов и ЭДС показано на рис. 3.7 а) и г). Согласно рисункам в двигательном режиме, в режиме противовключения, поэтому для ограничения до безопасного уровня тока якоря при противовключении в якорную цепь обязательно включается реостат. При торможении потребляется значительная энергия из сети.

Электромеханические характеристики асинхронного двигателя.

При подключении обмотки статора в трёхфазную сеть в воздушном запоре образуется вращающееся магнитное поле, скорость которого равна

;, где

f₁ — частота сети;

Р — число пар полюсов.

Для анализа электромагнитных процессов в асинхронном двигателе используется схема замещения, аналогичная схеме замещения трансформатора (рис. 3.9), где:

r₁х₁ — активное и реактивное сопротивление обмотки статора,

— приведенное к статору индуктивное сопротивление обмотки ротора, — приведённое к статору полное активное сопротивление роторной цепи

— скольжение Скоростная характеристика двигателя.

Пренебрегая в схеме замещения током I₀, получаем:

где — индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Характеристика показана на рис.

Пусковой ток I_п для короткозамкнутых двигателей равен I_п (4 7) I_н

Механическая характеристика асинхронного двигателя.

Из энергетической диаграммы двигателя следует, что электрические потери в цепи ротора определяется как:

Откуда

Подставляем вместо I₂ выражение (3.1) получаем Полученное уравнение определяем нелинейную механическую характеристику двигателя.

Максимум момента имеет место при Величина максимального (критического) момента равна:

Разделив (3.3) на (3.4) и полагая r₁0 получим

Механическая характеристика показана на рис. 3.11

Расчет естественной характеристики АД по паспортным данным.

Естественная характеристика получается при; и при отсутствии внешних сопротивлений как в цепи статора так и в цепи ротора.

Исходные данные для расчета: P_н; n_н; .

Находим номинальный и максимальный моменты:

; ;

Находим ,

п₀ — определяется из ряда как ближайшее к п_н большее число.

Из уравнения (3.4) вычисляем:

Далее подставляем s_к в уравнение (3.4), и задаваясь величиной S находим момент.

Искусственные характеристики АД при изменении U₁ и R₂.

а) Изменение U₁

Естественная характеристика (рис. 3.12) имеет 3 характерные точки. Координата точки 1 от напряжения не зависит. Точка 2 имеет координаты и .

где

— от напряжения не зависит.

Вторая координата изменяется прямо пропорционально квадрату напряжения. Аналогично изменяется и М_П, как это показано на рис. 3.12.

б) Изменение R₂.

Координаты точки 1 от сопротивления ротора R₂ не завися, поэтому положение этой точки не изменяется. Точно так же не изменяется величина М_к. В соответствии с уравнением (3.3) s_к будет увеличиваться пропорционально R₂, а критическая скорость — уменьшаться, как это показано на рис. 3.13. При наличии статического момента на валу увеличение R₂ будет сопровождаться уменьшением скорости вращения двигателя и одновременно увеличением пускового момента.

Максимальный пусковой момент равен М_к. Таким образом, включение реостата в цепь ротора двигателя с фазным ротором позволяет решить задачи:

1) регулировать скорость вращения двигателя;

2) увеличить пусковой момент.

3) в соответствии с (3.1) уменьшить пусковой ток.

Из уравнения (3.5) вытекает, что при любом произвольном моменте справедливо:

или .

Из этого следует, что сопротивления ротора могут быть рассчитаны по методу отрезков.

В частности

Пуск в ход асинхронных двигателей.

Пуск в ход асинхронных двигателей Способы ограничения пусковых токов.

Основным способом пуска короткозамкнутых двигателей является прямое включение в сеть. Этот способ пуска характеризуется большими пусковыми токами. I_П = (4 7) I_Н. Такой пусковой ток создает заметное падение напряжения в сети. При большом сопротивление в сети падение напряжения может вызвать отключении е аппаратов управления других двигателей.

Пусковой ток в соответствии с (3.1) равен:

Откуда следует, что ограничение тока может быть достигнуто или увеличение сопротивление цепи статора (r₁, x₁) или понижением напряжения на время пуска. Соответственно различают реакторный и автотрансформаторный (рис. 3.14 а, в) способы пуска.

При реакторном пуске в цепь статора включается либо активное сопротивление (для низковольтных двигателей), либо индуктивное сопротивление — ректор (для высоковольтных двигателей). Сначала замыкается выключатель К1 и двигатель разгоняется с уменьшенным пусковым током по искусственной характеристике (рис. 3,14 в) до точки 1. Затем замыкается ключ К2 и двигатель заканчивает разгон по естественной характеристике. Аналогично происходит пуск по схеме (3.6 б).

Если обозначить, где I_ПИ, I_ПН — соответственно уменьшенный и номинальный пусковые токи, то для реакторного пуска, а для автотрансформаторного

.

При пуске короткозамкнутых двигателей с номинальным напряжением 660/380 В от сети с напряжением 380 В возможно ограничение пускового тока путем переключения обмоток с треугольника на звезду. При этом пусковой ток и момент уменьшаются в три раза.

Пуск в ход асинхронных двигателей с фазным ротором. Расчет пускового реостата.

В силу нелинейности характеристик расчет реостата ведется приближенными графическими методами.

Тормозные режимы асинхронного двигателя.

а) рекуперативное (с возвратом энергии в сеть) возможно при

б) торможение противовключением возникает когда ротор и поле вращаются в разные стороны, а скольжение S1.

Механические характеристики в этом режиме являются продолжением двигательного режима в область отрицательных скоростей.

Для короткозамкнутых двигателей этот режим характеризуется большим током, превышающим пусковой и относительно небольшим тормозным режимом. При торможении двигателя с фазным ротором вводится тормозной реостат, существенно увеличивающий тормозной момент и уменьшающий тормозной ток.

При динамическом торможении статор двигателя отключается от сети и на две фазы подается постоянный ток. Вид тормозной характеристики определяется величиной постоянного тока и сопротивления цепи ротора. При увеличении тока подмагничивания увеличивается максимальный момент, при увеличении сопротивления ротора возрастает скорость, при которой достигается тормозной момент, как это показано на рис. 3.17.

1. Характеристика двигательного режима

2. Торможение с возвратом энергии в сеть

3. Противовключение с разными сопротивлениями ротора.

4. Динамическое торможение с разными сопротивлениями ротора.

3. Переходные процессы в электроприводе

Переходной процесс — процесс перехода системы из одного установившегося состояния в другое установившееся состояние. Переходной процесс описывается дифференциальными уравнениями. Порядок дифференциального уравнения определяется количеством накопителей энергии в системе. В электроприводе накопителями энергии являются: движущиеся массы, обмотки эл. машины, упруго деформируемые элементы механической части, например валы. Для упрощения математического описания и облегчения решения уравнений часто пренебрегают элементами с малым запасом энергии.

Механический переходный процесс при механической характеристике двигателя и .

Пренебрегаем индуктивностью обмоток и упругостью элементов механической передачи. Тогда поведение системы в переходных процессах описывается уравнением (2.3):

которое при рассматриваемых условиях является линейным. Механическая характеристика двигателя может быть задана в виде одного из двух равноправных уравнений:

;

где — скорость идеального холостого хода, М_к — момент короткого замыкания.

Подставляя второе из этих уравнений в уравнение движения, получаем:

Делим на М_к и умножаем :

.

Учитывая, что, получаем Обозначаем: — механическая постоянная времени Решение уравнения имеет вид:

Аналогично для момента:

Момент и скорость меняется по экспоненте. Теоретически экспоненциальный процесс длится бесконечно долго. Практически переходный процесс заканчивается за время.

Механическая постоянная Т_м, через параметры электропривода определится как:

— для двигателя независимого возбуждения,

— для асинхронного двигателя, Где R₂ — полное сопротивление цепи ротора

r_р — сопротивление обмотки ротора.

На графике переходного процесса Т_н определяется как отрезок на линии установившегося значения момента или скорости, отсекаемый касательной, проведенной и соответствующей кривой (рис. 4.1).

Определение продолжительности переходных процессов.

Уравнения (4.1) и (4.2) позволяют определить продолжительность переходных процессов, например при реостатном пуске. Имеем:

Откуда

При расчете времени торможения (рис. 4.2) начальная скорость равна установившейся скорости предшествующего двигательного режима. Конечная скорость в большинстве случаев, а определяется как точка пересечения продолжения тормозной характеристики с механической характеристикой механизма (точка, А на рис. 4.2)

Расчет нелинейных переходных процессов Рассмотрим вопрос на примере пуска КЗ асинхронного двигателя, приводящего в движение центробежный вентилятор.

Поскольку характеристики нелинейны, уравнение движения (2.3) аналитически решено быть не может. В этом случае оно решается приближенными численными методами. Простейшим из них является метод Эйлера.

Построим в левой части графика кривую динамического момента. Разобьём промежуток; на произвольное число интервалов. При малой величине динамический момент в пределах интервала может быть принят постоянным. Тогда дифференциальное уравнение (2.3) может быть заменено алгебраическим:

Откуда, и .

Потери энергии в переходных процессах В переходных процессах двигатель развивает дополнительный динамический момент, который приводит к росту потерь в обмотках двигателя.

Величина потерь за время переходного процесса для двигателя независимого возбуждения определяется как:

где

— потери в цепи якоря двигателя.

Рассматривая пуск двигателя в холостую () и заменяя, получаем:

(4.4)

При пуске, получаем:

Кинетическая энергия работающей системы определяется как

.

Таким образом, при пуске двигателя потери в якорной цепи равны запасенной кинетической энергии в конце пуска.

При динамическом торможении якорь отключается от сети и замыкается на реостат, поэтому механическая энергия, преобразуясь в электрическую рассеивается в якорной цепи двигателя При торможение противовключением, , получаем:

.

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в статоре и роторе. Мощность теряемая в роторе равна:

т. е. потери в роторе АД определяются так же, как в якоре двигателя независимого возбуждения.

Отсюда вытекает, что и потери энергии в цепи ротора будут определятся так же как и у двигателя независимого возбуждения, т. е. будут пропорциональными кинетической энергии.

Потери в двигателе определяются как:

(4.5)

Методы сокращения потерь в переходных процессах.

Потери могут быть уменьшены путём уменьшения кинетической энергии системы, что достигается уменьшением приведённого момента инерции.

Момент инерции может быть уменьшен:

а) использованием малоинерционных двигателей, имеющих при той же мощности меньший диаметр на большую длину.

б) Применением двух — или многодвигательного электропривода. Расчеты показывают, что суммарный момент инерции двух двигателей половинной мощности существенно меньше момента инерции одного двигателя.

В приводе с асинхронными короткозамкнутыми двигателями целесообразно использовать двигатели с повышенным скольжением. Увеличенное сопротивление обмотки ротора этих двигателей способствует в соответствии с уравнением (4.5) снижению потерь в переходных процессах. Снижение потерь может быть достигнуто рациональным уравнением переходными процессами. В частности может быть использован ступенчатый пуск, при котором двигатель сначала разгоняется до промежуточной скорости, а затем с этой промежуточной до основной. Технически такой способ пуска может реализован в двухдвигательном приводе постоянного тока путем переключения двигателей с последовательного соединения на параллельное, или в асинхронном приводе с полюсопереключаемом двигателем.

Определим величину потерь при двухступенчатом пуске, полагая

На первой стадии пуска потери равны На второй стадии,. В соответствии с уравнением (4.4) Имеем:

Общие потери равны:

Таким образом, при двухступенчатом пуске потери снижаются в два раза. В общем случае при пуске в k ступеней потери снижаются в k раз.

При потери стремятся к 0. Пуск в ход двигателя с означает пуск двигателя постоянного тока с плавным подъемом напряжения, что возможно в регулируемом приводе, или в частотно — регулируемом приводе с асинхронным двигателем. Более точный анализ показывает, что при линейном нарастании напряжения или частоты потери определяются:

где

А_ПО — потери при прямом пуске, Т_м — механическая постоянная привода, t_П — время пуска.

электропривод релейный двигатель управление

5. Релейно-контакторные системы управления

Эти системы осуществляют автоматизированный или дистанционный пуск и остановку двигателя, управление разгоном, торможением, реверсом и осуществляют блокировочные связи с двигателями других механизмов. Основными аппаратами релейно — контакторных систем являются электромагнитные контакторы, разного рода реле (реле тока, напряжения, времени и т. д.) и другие контактные аппараты (кнопочные посты, командоконтроллеры и т. д.).

Взаимосвязь всех элементов в системе уравнения определяется принципиальной электрической схемой, на которой изображается с помощью условных графических изображений все элементы устройства и все соединениями между ними. Чаще всего применяется разнесенный способ изображения принципиальной схемы, когда элементы на схеме располагаются так, чтобы соединения между ними были бы наиболее короткими и наглядными. При этом элементы одного аппарата могут в разных местах схемы. Для определения принадлежности элемента схемы тому или иному аппарату используются буквенно — цифровое обозначение. Все элементы одного аппарата имеют одинаковое буквенно — цифровое обозначение.

Электрические контакты аппаратов изображаются в том положение, которое они имеют при полностью обесточенной схеме.

По функциональному признаку принципиальная схема делится на силовую часть, в которую входят обмотки двигателя и все другие элементы, по которым протекает потребляемый из сети ток двигателя, и вспомогательную цепь или цепь управления, куда входят катушки контакторов и другие элементы, по которым протекают токи этих катушек. Силовая цепь и цепь управления могут иметь разные источники питания с разного рода током и с разным уровнем напряжения. Силовая цепь может изображаться более толстыми линиями.

Системы релейно — контакторного управления разных механизмов индивидуальны, поскольку различаются технологические процессы этих механизмов. Тем не менее во множестве индивидуальных систем управления можно выделить относительно небольшой набор типичных управленческих функций, которые имеют стандартные технические решения.

Устройство основных аппаратов управления

1 Электромагнитный контактор Контактор предназначен для частых переключений в силовых цепях двигателей и других нагрузок. Принципиальная схема контактора показана на рис. 5.1 а. На неподвижном сердечнике 14 магнитной системы контактора установлена втягивающая катушка 12. При подаче напряжения на эту катушку якорь 8 притягивается к сердечнику в результате чего происходит замыкание неподвижного 5 и подвижного 1 главных (силовых) контактов. К подвижному контакту 1 ток подводится ток подводится по гибкому проводнику 7. С якорем 8 связаны также вспомогательные контакты 10 и 11, используемые в цепях управления.

Отключение контактора производится снятием напряжения с втягивающей катушки 12. При этом якорь 8 отпадает под действием противодействующей пружины 9. При этом происходит размыкание главных контактов 1 и 5, между которыми возникает электрическая дуга. Для уменьшения времени горения дуги главные контакты помещены в дугогасительную камеру 4, изготовленную из жаропрочного изоляционного материала.

На рис. 5.1. б изображено условное обозначение втягивающей катушки электромагнита контактора. На рис. 5.1 в и г показаны условные обозначения контактов контактора в «нормальном», т. е. в отключенном положении. Левые изображения на рисунке в и г соответствуют нормальному разомкнутому (н.р.) контакту, правые изображения — нормально замкнутому контакту (н.з.)

Втягивающие катушки могут питаться как постоянным, так и переменным током. В последнем случае сердечники и якорь изготавливаются наборными из листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. Существует большое число конструктивных исполнений кинематической связи между подвижным якорем и подвижными контактами.

Электромагнитные реле тока, напряжения, промежуточные Принципы работы электромагнитного реле точно такой же как и электромагнитного контактора. Реле — это аппарат, предназначенный для коммутации слаботочных цепей уравнения. Поэтому его контакты значительно меньше по размерам, и для их переключения требуется электромагнит меньшей мощности и размеров. На рис. 5.2 показана конструктивная схема электромагнитного реле.

Обозначения на рисунке: 1 и 2 — втягивающая катушка и сердечник электромагнита. У реле тока катушка выполнена из провода большего сечения и имеет малое число витков. У реле напряжения катушка имеет большое число витков из провода малого сечения. Подвижный якорь 3 связан с контактами 7 и 8. Особенностью реле тока и напряжения является возможность изменять величину тока или напряжения, при котором происходит срабатывание реле. Это достигается путем изменения натяжения противодействующей пружины 10 с помощью гайки 5, а так же путем изменения величины начального воздушного зазора с помощью регулировочного винта 4. Промежуточные реле аналогичны по конструкции реле напряжения, но отличаются отсутствием устройств для изменения уставки срабатывания. Промежуточные реле в системах управления используются для вспомогательных цепей, в частности для «размножения» контактов других аппаратов.

Реле времени Для отсчета выдержек времени при управлении используется реле времени. Задержка времени в них может создавать на основе разных физических принципов. Наиболее широко используется, электромагнитные реле времени. Для управления электроприводом чаще всего используется электромагнитное реле с электромагнитным замедлением, устройство которого изображено на рис. 5.3 а.

Это реле, как и обычное реле имеет магнитопровод 2 с втягивающей катушкой 1 и якорем 6, связанным с контактами 8 и 9. Отличительной особенностью этого реле является наличие на магнитопроводе медной или алюминиевой гильзы 3. Работает реле следующим образом. При подаче на втягивающую катушку постоянного напряжения в сердечнике возникает магнитный поток, и якорь притягивается к сердечнику, переключая контакты. При отключения питания катушки магнитный поток в сердечнике начнет уменьшаться, а по закону электромагнитной индукции это вызовет появление в гильзе э.д.с., которая создает в гильзе ток, препятствующий уменьшению магнитного потока. Ток в гильзе будет постоянно затухать и вследствие этого будет уменьшаться сила притяжения якоря к сердечнику. Когда она станет меньше силы противодействующей пружины 4 якорь отпадёт и контакты реле переключается. При увеличении натяжения пружины с помощью гайки 5 время задержки уменьшается, при ослабление пружины время увеличится. На рис. 5.3 показано обозначение контактов реле времени. Левый рисунок соответствует контакту, размыкающемуся с выдержкой времени, правый — замыкающемуся с выдержкой времени.

Как следует из принципа действия реле этого типа отсчитывает время с момента снятия напряжения с катушки.

Тепловое реле Для защиты двигателей от перегрева при перегрузке используются тепловые релt. Основным элементом реле является биметаллическая пластина 2, сваренная из металлов, имеющих разный коэффициент линейного расширения. Пластина нагревается нагревателем 1, через который проходит ток защищаемого двигателя. При нагреве пластина изгибается вверх и освобождает рычаг 4, который под действием пружины 5 поворачивается против часовой стрелки, размыкая при этом контакты 6. Для приведения реле в исходное состояние после отключения двигателя и его остывания необходимо нажать на кнопку возврата 7.

Реле контроля скорости.

Используется для управления торможением двигателя. Схема реле представлена на рис. 5.5. Постоянный магнит 1 вращается на первичном валу, соединённом с валом двигателя. Постоянный магнит находится внутри алюминиевого цилиндра 5, имеющего возможность поворачиваться на некоторый угол вокруг своей оси. Цилиндр имеет упор 3, которым он воздействует при повороте на контакты, заставляя их переключаться. При вращении магнита в какую-либо сторону цилиндр 5 поворачивается в сторону вращения магнита, и при этом переключается одна группа контактов, при вращении в другую сторону — другая группа. При скорости вращения магнита, близкой к нулю, цилиндр занимает среднее положение и контакты возвращаются в нормальное положение.

Функция «включение — выключение» при нереверсивном вращении двигателя Силовая цепь содержит главные контакты контактора КМ, подключающие двигатель к сети. Часто такой контактор называется линейным. Между силовыми контактами линейного контактора КМ и обмоткой статора двигателя включены нагревательные элементы теплового реле КК. Плавкие предохранители F, включены между силовыми контактами контактора КМ. и рубильником Q На рис 5.6б изображена цепь управления контактором КМ Она может включаться на линейное или фазное напряжение сети переменного тока, или на другой источник.

Включение двигателя в работу осуществляется нажатием кнопки SB1, при этом начинали течь ток по катушке контактора КМ, он срабатывает и двигатель запускается. Одновременно замыкается вспомогательный контакт КМ, подключенный параллельно кнопке SB1. Благодаря этому кнопку SB1 после срабатывания контактора КМ можно отпустить. Остановка двигателя осуществляется нажатием кнопки SB2, при этом катушка контактора КМ обесточивается, он отключается и отключает двигатель от сети. При возникновении перегрузки двигателя размыкается н.з. контакт теплового реле КК в цепи катушки КМ и он отключается. Реагируют на токовую нагрузку двигателя нагревательные элементы КК теплового реле, включенные в цепь статора. Элементы включаются не менее чем в 2 фазы статора, чтобы исключить возможность работы двигателя на двух фазах при перегорании предохранителя F в одной из фаз.

Часто электромагнитный контактор и тепловое реле монтируются в одном корпусе. Такое устройство называется магнитным пускателем и предназначается прежде всего для управления асинхронными короткозамкнутыми двигателями.

Рассмотренная типовая схема кроме функций включения — выключения и защиты от коротких замыканий и перегрузки обладает без дополнительных затрат функцией нулевой защиты. Эта защита призвана отключить двигатель от сети при исчезновении или значительном понижении напряжения и не позволить ему самопроизвольно включиться при восстановлении напряжения. Отключение контактора происходит из-за исчезновения напряжения в сети и на катушке, а повторного включения после восстановления напряжения не происходит т.к. в цепи катушки разомкнуты контакты кнопки SB1 и вспомогательный контакт КМ.

Типовая схема управления с использованием ключа управления или командоконтроллера показана на риc.

Ключ управления — аппарат ручного управления, переключающий несколько цепей управления и имеющий два или три положения. Контроллер имеет, как правило более трёх положений. Обозначение ключа контроллера показано на рис. 5.7. Положения ключа обозначены вертикальными пунктирными линиями. Замкнутое состояние соответствующей цепи — наличием точек на пунктирных линиях. При нулевом положении ключа SA цепь катушки реле KV замкнута, она находится под напряжением и замкнут контакт KV.

При переводе ключа в положение «1» реле KV остается под напряжением и замыкается цепь катушки контактора KМ. Он включается, и двигатель запускается. При исчезновении напряжения в сети KV и КМ отключаются, контакт KV размыкается, и при восстановлении напряжения оно не может попасть на катушки KV и КМ, поэтому двигатель остается неподвижным. Для запуска двигателя в этом случае необходимо переключить ключ SA в положение «0». Тогда напряжение будет подано на катушку реле KV, оно включается и замыкается контакт KV, после чего поворотом ключа SA в положение «1» можно снова включить двигатель.

Функция «включение — выключение» при реверсивном двигателе.

Для изменения направления вращения асинхронного двигателя необходимо поменять местами две фазы на выводах статора. Изменения вращения двигателя постоянного тока параллельного или независимого возбуждения осуществляется переключением полярности якоря. В обоих случаях пуск в ход двигателя осуществляется с помощью двух линейных контакторов включающих двигатель в сеть для того или иного направления вращения, как это показано на рис. 5.8 а, б.

Одновременное замыкание контакторов КМ1 и КМ2 приводит к возникновению к.з. в сети. Поэтому система управления линейными контакторами должна быть построена так, чтобы исключить возможность одновременного замыкания линейных контакторов. Стандартные решения приведены на рис. 5.9.

В схеме на рис. 5.9 а использованы так называемые сдвоенные кнопки. При нажатии кнопки SB1 замыкается цепь контактора КМ1 и размыкается цепь контактора КМ2. Двигатель пускается в направлении «вперед».

При нажатии кнопки SB2 цепь питания катушки контактора КМ1 размыкается, он отключается, и дновременно включается контактор КМ2, что приводит к изменению направления вращения двигателя. При управлении асинхронным короткозамкнутым двигателем по схеме начальный момент реверса двигатель работает в режиме торможения противовключением, что связано с большими тормозными токами, превышающими пусковые. Реверс двигателей с фазным ротором и двигателей постоянного тока требует включения в силовую цепь реостатов для ограничения тока Схема по рис. 5.9, а не исключает полностью одновременного замыкания двух контакторов, например в случае приваривания силовых контактов одного из контакторов. Более надежной является схема на рис. 5.9, б где в цепи катушек перекрёстно включены н.з. контакты. При нажатии кнопки SB1 включается контактор КМ1 и размыкается его н.з. контакт в цепи контактора КМ2. Для изменения направления вращения двигателя необходимо нажать кнопку SB3 и только после отключения контактора КМ1 замкнётся его н. з контакт и можно будет включить контактор КМ2 для изменения направления вращения двигателя.

Функция «управление разгоном двигателя».

Двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели с фазным ротором пускаются с помощью пускового реостата, варианты включения которого показаны на рис. 5.10 а, б.

Задача управления разгоном двигателя состоит в том, что бы система управления автоматически последовательно отключала бы ступени реостата при разгоне двигателя до точек, а и в пусковой диаграммы рис. 5.10, в. Достижение двигателем этих точек можно установить измеряя скорость или момент на валу двигателя, или измеряя его электрические параметры, связанные со скоростью или моментом. Или можно отмерить промежутки времени, необходимые для разгона двигателя до точек, а и в. В соответствии с этим различают управление пуском в функции времени, скорости, момента.

Для отсчета необходимых выдержек времени могут использоваться реле разного типа. С точки зрения построения схемы существенным является начало отсчета времени: некоторые реле считают время с момента подачи напряжения на реле, другие — с момента отключения реле. На рис. 5.11 приведена схема управления пуском с использованием рассмотренного выше реле времени с электромагнитным замедлением.

Цепь управления получает питание от источника переменного тока, но для питания обмоток реле времени предусмотрен выпрямитель.

При отключенном двигателе контакторы КМ1, КМ2 и КМ3 обесточены, а катушки реле времени КТ1 и КТ2 находятся под напряжением, поэтому их н.з. контакты в цепях контакторов КМ2 и КМ3 разомкнуты. Разгон двигателя начинается при включении его в сеть с полностью введенным реостатом при помощью линейного контактора КМ1 (рис. 5.11), для управления которым может быть использована любая стандартная схема, рассмотренная ранее.

При замыкание контактора КМ1, размыкается его н.з. контакт в цепи питания реле времени КТ1. Оно обесточивается и начинается отсчет времени. С выдержкой времени замыкается н. з контакт реле КТ1 в цепи контактора КМ2, и он включается, замыкая накоротко первую ступень реостата. Начинается разгон двигателя по второй реостатной характеристике. Одновременно размыкается н.з. контакт КМ2 в цепи катушки реле времени КТ2, и оно начинает отсчет времени. При замыкании с выдержкой времени контакта КТ2 включается контактор КМ3, замыкая вторую ступень реостата, и двигатель в данном случае выходит на естественную характеристику. При большем числе ступеней реостата следующие ступени отключаются аналогично.

Управление пуском в функции скорости.

Обычно используется косвенное определение скорости, осуществляемое измерением электрических параметров, связанных со скоростью. На рис. 5.12 приведена схема управления пуском двигателя постоянного тока, в которой реализован такой принцип. При разгоне по пусковой диаграмме рис. 5.10, в напряжение на якоре двигателя в точках, а и в будет прямо пропорционально скорости, поскольку .

Настройка контакторов КМ2 и КМ3 на замыкание в точках, а и в осуществляться изменением сопротивления резисторов R₁ и R₂, включаемых в цепь катушек.

Управление пуском в функции момента или тока.

Схемы управления пуском в функции тока приведены на рис. 5.13. При включении линейного контактора КМ1 двигатель начинает разгоняться по первой пусковой характеристике. Одновременно замыкается контакт КМ1 в цепи катушек реле напряжения KV и контактора КМ2 рис. 5.3, в. Реле KV срабатывает, но за время срабатывания этого реле успевает под действием пускового тока включиться токовое реле КА и разомкнуть свой н.з. контакт в цепи контактора КМ2, поэтому он останется отключенным. По мере разгона двигателя его ток уменьшается, и когла он достигает тока отключения реле КА, оно отключиться и замкнёт свой контакт в цепи КМ2. При этом двигатель продолжает разгоняться по естественной характеристике, а н.р. контакт контактора КМ2 шунтирует н.з. контакт токового реле КА. Это необходимо, что бы контактор КМ2 вновь не отключился бы при повторном броске пускового тока.

Функция «управление торможением».

Для остановки двигателя может быть использовано либо торможение противовключением, либо динамическое торможение. Задачей автоматического управления торможением является автоматическая сборка схемы и торможения при нажатии кнопки «стоп» и отключении двигателя от сети, и автоматическое отключение системы торможения при остановке двигателя. Управление торможением может осуществляться в функции скорости и времени.

Управление динамическим торможением.

Приведена схема управления торможением двигателя постоянного тока в функции ЭДС. При замыкании линейного контактора КМ1 якорная цепь двигателя подключается к сети и происходит реостатный пуск в одну ступень. Управление пуском на схеме не показано. При включении размыкается н.з. контакт КМ1 в цепи контактора КМ3, и он остается отключенным. При нажатии кнопки «стоп» SB2 линейный контактор КМ1 отключается, замыкается н. з контакт КМ1 в цепи контактора КМ3. Поскольку якорь вращается, ЭДС якоря практически сохраняется равной напряжению сети, поэтому контактор КМ3 включается, замыкая якорь на реостат R_д. Начинается динамическое торможение. Вместе с уменьшением скорости уменьшается и напряжение на якоре, и при скорости, близкой к нулю, контактор КМ3 естественным образом отключается.

После отключения контактора КМ3 его н.з. контакт в цепи катушки КМ1 замыкается и система готова к новому пуск двигателя.

Управление динамическим торможением асинхронного короткозамкнутого двигателя в функции времени приведена на рис. 5.15. При нажатии кнопки SB1 двигатель запускается, при этом замыкается н.р. контакт КМ1 в цепи реле времени КТ. Оно срабатывает и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Он не может включаться поскольку, разомкнут н.з. контакт КМ1. При нажатии кнопки SB2 контактор КМ1 отключается и включается контактор КМ2. На две фазы статора подается постоянный ток и начинается динамическое торможение. Одновременно размыкается н.р. контакт КМ1 в цепи реле КТ и оно начинает отсчет времени. Контакт этого реле с выдержкой времени отключается и приводит к отключению контактора КМ2. На этом торможение заканчивается.

Управление торможением противовключением.

Схема управления торможением асинхронного к.з. двигателя с использованием реле контроля скорости приведена на рис. 5.16

При неподвижном двигателе контакторы КМ1 и КМ2 разомкнуты, потому что цепь управления контактором КМ1 разомкнута контактами SB1 и КМ1, а контактора КМ2 — контактом реле контроля скорости SR. При включении контактора КМ1, для чего может быть использована любая стандартная схема управления, рассмотренная ранее, размыкается контакт КМ1 в цепи управления контактора КМ2 и включаются силовые контакты КМ1, в результате чего двигатель пускается. При разгоне двигателя замыкается контакт SR реле контроля скорости. При нажатии кнопки «стоп» SВ2 контактор КМ1 отключается и двигатель отсоединяется от сети, при этом замыкается контакт КМ1 в цепи катушки контактора КМ2, и он включается. Двигатель снова включается в сеть с изменённым порядком чередования фаз, в результате чего возникает торможение противовключением. При понижении скорости до близкой к нулю размыкается контакт SR, контактор КМ2 отключается и торможение заканчивается.

6. Выбор мощность электродвигателей

Работа электродвигателя связана с возникновением потерь энергии, которые вызывают повышение температуры двигателя по сравнению с окружающей средой. Повышение температуры ускоряет старение изоляции. Номинальная мощность двигателя — это такая мощность, отдавая которую двигатель нагревается до температуры, при которой обеспечивается заданный срок службы, обычно это 15 20 лет. Перегрузка двигателя сверх номинальной мощности повышают его температуру и сокращают срок службы. При недогрузке сокращается КПД и для асинхронного двигателя.

Уравнение нагревания и охлаждения электрических машин Основными источниками тепла в электрической машине являются обмотки, магнитопровод и элементы трения — подшипники, щетки, кольца и коллектор. Доля тепла в каждом из этих элементов разная и зависит от нагрузки, поэтому температура разных частей машины при разных нагрузках будет тоже разная. Максимально упрощаем задачу: рассматриваем машину как однородное тело, имеющую одинаковую номенклатуру во всех точках. Обозначим: — перегрев машины, т. е. превышение температуры машины над температурой среды.

Уравнение теплового баланса:

где — количество тепла, выделяемое в машине за промежуток времени dt; С — теплоемкость машины; - количество тепла, израсходованного на повышение температуры машин на величину; А — теплоотдача машины; - количество тепла, отданного машиной в окружающую среду за время. Поделив уравнение на, А и на, получаем:

Обозначаем:

— тепловая постоянна машины,

— установившийся перегрев В результате получаем:

Это уравнение имеет решение в виде:

Таким образом, нагревание и охлаждение происходит по экспоненте с тепловой постоянной, определяемой отношением теплоемкости и теплоотдачи машин. Теплоотдача изменяется при изменении скорости вращения двигателя. Степень снижения теплоотдачи характеризуют коэффициентом

.

При неподвижном двигателе значение коэффициента при разных способах охлаждения приведены ниже:

Защищенный самовентилируемый — 0,25 0,35

Закрытый обдуваемый — 0,4 0,55

Закрытый не обдуваемый — 0,95 0,98

Закрытый с неподвижной вентиляцией — 1

Нагрузочная диаграмма двигателя.

Классификация режимов работы двигателя.

Исходной информацией для определения мощности двигателя является его нагрузочная диаграмма, т. е. зависимость момента, мощности или тока двигателя от времени. Нагрузочная диаграмма двигателя рассчитывается на основе нагрузочной диаграммы механизма и тахограммы. Различие между диаграммами вытекает из уравнения привода:

При постоянстве скорости момент двигателя и механизма равны и обе диаграммы совпадают. Различаются диаграммы только на участках изменения скорости. Характер нагрузочных диаграмм механизмов чрезвычайно разнообразен, но с точки зрения протекания тепловых процессов может быть сведен к трем основным типам.

1. Продолжительный режим работы (S1).

Двигатель работает с постоянной или переменной нагрузкой столько времени, что превышение температуры всех его частей достигает установившегося значения. Если нагрузка меняется, то отключение нагрузки по величине и длительности должны быть настолько малыми, что бы не влиять на установившуюся температуру.

2. Кратковременный режим (S2).

В этом режиме время работы двигателя чередуется со временем паузы. При этом за время работы двигателя установившаяся температура не достигается, а за время паузы двигатель полностью остывает до температуры окружающей среды.

3. Повторно — кратковременный режим (S3).

В этом режиме периоды работы двигателя чередуются с периодами отключения. При этом продолжительность работы и паузы настолько коротки, что температура не достигает установившихся значений. Повторно — кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения ПВ, которая определяется: