Регулирование скорости двигателей по системе генератор—двигатель (Г—Д) Исполнитель

Регулирование скорости двигателей по системе генератор—двигатель (Г—Д)

1. Регулирование скорости двигателей постоянного тока по системе генератор—двигатель (Г—Д)
2. Использование обратных связей для улучшения характеристик электропривода по системе Г—Д

 {spoiler=Подробнее}

Регулирование скорости двигателей постоянного тока по системе генератор—двигатель (Г—Д)

Для привода механизмов, требующих широкого и плавного регулирования скорости (рудничные подъемные машины, экскаваторы, транспортно-отвальные мосты, мощные буровые станки, горные комбайны и др.), применяются сложные системы привода постоянного тока с регулированием напряжения, подводимого к якорю двигателя. Питание якоря при этом способе осуществляется от индивидуального регулируемого источника постоянного тока. В качестве последнего может быть использован машинный генератор, управляемый выпрямитель (тиристор), полупроводниковый выпрямитель в сочетании с магнитным усилителем и др.

Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением напряжения источника постоянного тока в соответствии с выражением

,                                      (38)

где U — напряжение, подводимое к якорю двигателя; R_я.д — сопротивление якорной цепи двигателя.

Система привода, в которой двигатель питается от индивидуального машинного генератора, называется системой генератор—двигатель (Г—Д). Схема простейшей системы Г—Д показана на рис. 38.

Приводной двигатель M1 (синхронный или асинхронный), подключенный к сети переменного тока, вращает с постоянной скоростью якори генератора G и возбудителя G'. От возбудителя питаются обмотки возбуждения двигателя ОВД и генератора ОВГ, а также аппаратура управления. Генератор подает напряжение непосредственно на якорь двигателя М, с которым он электрически соединен наглухо. Двигатель М приводит в движение рабочий механизм РМ.

Регулирование скорости рабочего двигателя М осуществляется изменением э.д.с. генератора Е_г, которая, в свою очередь, может измениться с помощью реостата R_в.г в цепи  обмотки возбуждения генератора ОВГ.

В уравнении (38) напряжение U выразим через Е_г

где R_я.г — сопротивление якорной цепи генератора, и получим уравнение скоростной характеристики электродвигателя в системе Г—Д:

                                                                 (39)

Из уравнения (39) следует, что скорость идеального холостого хода двигателя пропорциональна э.д.с. генератора Е_г:

а наклон механических характеристик определяется сопротивлением якорной цепи. С увеличением момента па валу скорость двигателя будет несколько снижаться вследствие увеличения падения напряжения на R_я.г и R_я.д. Наклон механической характеристики будет несколько больше, чем при питании двигателя постоянного тока от сети.

Выразив в уравнении (39) ток I_я через вращающий момент двигателя, можно легко получить уравнение механической характеристики двигателя в системе Г—Д. Механические характеристики графически изображены на рис. 39. Они имеют прямолинейную форму.

Пуск рабочего двигателя осуществляется плавным увеличением напряжения от нуля до номинальной величины. Точка а (см. рис. 39) соответствует моменту пуска, когда двигатель еще неподвижен. Далее, по мере уменьшения сопротивления реостата R_в.г (см. рис. 38), напряжение на якоре двигателя растет и он разгоняется, переходя с одной характеристики на другую. В точке b (см. рис. 39) двигатель выходит на естественную характеристику. Пуск протекает весьма плавно, что объясняется большим числом ступеней реостата R_в.г, включенного в цепь обмотки ОВГ. В диапазоне ab (см. рис. 39) скорость будет меньше основной, соответствующей номинальному напряжению генератора. Этот диапазон соответствует постоянному потоку возбуждения двигателя.

В некоторых случаях для увеличения диапазона регулирования скорости используется ослабление магнитного потока двигателя. Этому режиму соответствует область выше точки b.

Диапазон регулирования скорости двигателя составляет обычно (4÷10):1, а с учетом ослабления поля двигателя может достигать величины 25:1.

Торможение привода осуществляется увеличением сопротивления реостата R_в.г (см. рис. 38) в цепи обмотки возбуждения генератора. При этом напряжение генератора снижается и становится меньше э.д.с. двигателя, который вращается благодаря кинетической энергии механизма. Двигатель переходит в генераторный режим (линия cd на рис. 39), а генератор в двигательный. Последний при этом подгоняет приводной двигатель M1 (см. рис. 38), который переходит в генераторный режим с отдачей энергии в сеть переменного тока. Механические характеристики привода в режиме генераторного торможения изображены во втором квадранте.

Реверсирование рабочего двигателя М осуществляется изменением полярности обмотки возбуждения генератора ОВГ с помощью реверсивных контакторов Н и В. При перемене полярности обмотки ОВГ изменится знак напряжения, подводимого к якорю двигателя, и последний изменит направление вращения.

Более широкое применение находит привод, выполненный по системе Г—Д с применением промежуточных усилителей: электромашинных, магнитных и тиристорных. Обмотка возбуждения в этом случае получает питание от промежуточного усилителя, чем значительно повышается коэффициент усилия системы электропривода.

Достоинствами электропривода по системе Г—Д являются: широкий диапазон регулирования скорости, плавность регулирования, малые потери в реостатах, возможность получения механической характеристики нужной формы, отсутствие контактов в силовой цепи, удобство управления с помощью маломощной аппаратуры, простота автоматизации и др. Недостатками такого электропривода являются высокие капитальные затраты, большая суммарная установленная мощность, составляющая более 300% мощности рабочего двигателя, а также пониженный к.п.д. всей установки из-за большого количества машин. Кроме того, вращающиеся машины требуют тщательного ухода, ремонта и в известной степени снижают надежность установки. Поэтому, несмотря на отмеченные выше достоинства, электропривод по системе Г—Д вытесняется более совершенным приводом с использованием тиристорных преобразователей.

Использование обратных связей для улучшения характеристик электропривода по системе Г—Д

Под обратной связью понимают передачу сигнала, пропорционального регулируемой величине (например, скорости, тока и др.) с выхода системы на ее вход (в схему управления), т.е. воздействие выходной величины на вход системы. При наличии обратной связи образуется замкнутая система регулирования, в которой управляющее воздействие уже зависит от регулируемой величины. Чаще всего используются так называемые отрицательные обратные связи, сигнал которых направлен встречно основному управляющему сигналу. Такого рода обратная связь осуществляет стабилизацию регулируемой величины; с ее помощью можно получить механическую характеристику электродвигателя заданной формы. Обратная связь обычно осуществляется с помощью различных усилителей: электромашинных (ЭМУ), транзисторных, магнитных, тиристорных и др.

Обратная связь называется жесткой, если она действует постоянно, и гибкой, если она действует только во время переходных процессов, способствуя скорейшему их окончанию и успокоению системы.

На рис. 40, а представлена схема электропривода по системе Г—Д с ЭМУ с обратными связями. Обмотка возбуждения генератора ОВГ питается от электромашинного усилителя ЭМУ, который имеет следующие обмотки: ОУ — обмотка управления или задающая; ООС — обмотка обратной связи по скорости двигателя; ООТ — обмотка обратной связи по току двигателя; ОС — стабилизирующая обмотка. Кроме того, имеется компенсационная обмотка ОК, которая служит для устранения размагничивания ЭМУ током нагрузки усилителя.

Управление рабочим электродвигателем М (пуск, регулирование скорости, реверсирование, торможение и т.п.) осуществляется изменением величины или направления тока в обмотке ОУ с помощью реостата R1 и реверсивных контактов В и Я. С помощью обмотки ООС осуществляется обратная связь по скорости. Обмотка ООС получает питание от тахогенератора ТГ, соединенного жестко с валом двигателя. Намагничивающая сила обмотки ООС направлена встречно намагничивающей силе обмотки управления, т.е. вычитается из нее. Если, например, скорость снизилась, то уменьшится размагничивающее действие обмотки ООС из-за снижения напряжения тахогенератора. Благодаря этому э.д.с. на зажимах ЭМУ возрастает, и в результате частота вращения двигателя восстановится до первоначальной величины. Механические характеристики двигателя становятся более жесткими, увеличивается диапазон регулирования; механической характеристике можно придать желаемую форму. Благодаря обмотке обратной связи по току ООТ можно получить так называемую «экскаваторную» механическую характеристику (рис. 40, б). На рабочем участке, т.е. в пределах, когда нагрузка электродвигателя не превышает допустимой величины, характеристика жесткая (ω₀ — а), чем обеспечивается высокая производительность механизма. При перегрузке, во избежание аварии двигатель должен остановиться, сохраняя высокий момент на валу с таким расчетом, чтобы после устранения перегрузки двигатель сразу пошел в ход. Для обеспечения такого рода механической характеристики используется узел отсечки по току. На обмотку ООТ действуют два напряжения: постоянное от стабилизированного источника U_п встречно ему направленное напряжение U_ab пропорциональное току двигателя. При нормальной работе, когда нагрузка не превышает допустимой, U_п>U_ab однако диод Д не пропускает ток в обмотку ООТ и она не действует. При перегрузке двигателя падение напряжения на участке ab якорной цепи двигателя возрастает и напряжение U_ab станет больше напряжения источника U_n. Поскольку поток обмотки ООТ направлен встречно потоку управляющей обмотки ОУ, то при перегрузке двигателя ЭМУ размагнитится, что приведет к снижению напряжения генератора и остановке двигателя (точка б на рис. 40, б). Идеальной является экскаваторная механическая характеристика прямоугольного вида. Стабилизирующая обмотка ОС включена через конденсатор С и, следовательно, ток по ней проходит только при колебаниях напряжения ЭМУ, т.е. при переходных процессах. В установившихся режимах обмотка ОС бездействует. Она осуществляет гибкую обратную связь, способствуя убыстрению протекания переходных процессов и повышая устойчивость системы.

Литература

1. Электропривод рудничных машин. М.М. Фотиев, М.: Недра, 1981
2. Электропривод и электрификация открытых горных работ. Б.П. Белых, В.И. Щуцкий,… М., Недра, 1983, 269 с.
3. Общий курс электропривода. М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, М., Энергоиздат, 1981, 576 с.

{/spoilers}