двигателей в разные стороны (характеристики Г , 2' на рис. 3-23, б) характеристика 3' электропривода аналогична характеристике
леи. |
ровання |
характеристик двух- |
1 и г — характеристики двигателей; |
двшательного электропривода |
|
з — характеристика привода. |
с |
дифференциалом. |
динамического торможения. Возможны н другие комбинации харак теристик двигателей, позволяющие изменять выходную характе ристику электропривода с дифференциалом.
Г л а в а ч е т в е р т а я
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ
И ИХ МОДИФИКАЦИИ
4-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электропривод, как это следует из его определения, предназначен для сообщения движения рабочим органам различных машин и механизмов. При их-работе для обес
157
печения рационального хода технологического процесса очень часто возникает необходимость регулирования ско рости движения рабочих органов. Например, необхо димо изменять угловую скорость шпинделя токарного станка при изменении диаметра обтачиваемой детали для сохранения постоянства липейной скорости резания. Уг ловую скорость шпппделя приходится регулировать и в зависимости от характера обработки — черновое или чистовое точение, а также с изменением физпко-мохапичо- скнх свойств материалов обрабатываемой детали и резца п т. п. Таких примеров можно привести очень много. Действительно, регулирование скорости рабочих орга нов необходимо для механизмов и машин, используемых в самых различных отраслях народного хозяйства — для прокатных станов, для бумагоделательных, подъемиотрапспортпых, горнодобывающих, сельскохозяйственных, текстильных и других видов машин. Во всех случаях регулирование скорости позволяет наиболее рационально попользовать производственные механизмы, обеспечить оптимальные режимы их работы и, как правило, умень шить расход энергии.
Для регулирования скорости движения рабочего ор гана в принципе существуют две возможности: изменение угловой скорости электрического двигателя и изменение параметров кинематической цепи механической части привода, точнее, изменение передаточного отношения механических передач, устанавливаемых между двига телем и рабочим органом. Последний вариант известен давно. Его техническая реализация связана с относи тельно сложными п недостаточно надежными конструк циями (коробки скоростей, механические вариаторы и т. п.). Кроме того, в этом случае, как правило, не удастся получить плавное регулирование скорости. По этим при чинам в настоящее время задача регулирования скорости движения рабочих органов производственных механиз мов решается путем регулирования скорости основного источника механической энергии — электродвигателя.
Под регулированием угловой скорости электродвига телей понимается целенаправленное ее изменение неза висимо от момента на валу в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа механизма. В гл. 2 при апализе механических характе ристик различных двигателей было показано, что их уг ловая скорость может изменяться как при изменении па
158
раметров электрических цепей (сопротивлений) или ис точников питания (напряжение, частота), так и при из менении момента сопротивления. Регулирование ско рости электродвигателя обеспечивается первым факто ром, а именно воздействием па параметры цепей или ис точников питания, тогда как измепення скорости, свя занные с изменением момента, вызывают отклонения регулируемой величины (скорости) от заданного значе ния.
Для оценки свойств регулпруемого электропривода вводится ряд показателей. Основным пз них является диапазон регулирования, под которым понимается от ношение максимальной скорости при регулировании к ми нимальной, т. е.
D = (ОмаксЛймин- |
(4-1) |
Часто возникает задача расширения зоны регулиро вания угловой скорости и тем самым увеличения D. Однако расширение этой зоны не может быть безгранич ным. Увеличение верхнего предела угловой скорости сомакс обычно бывает ограничено механической прочностью якоря пли ротора.
Для двигателей постоянного тока верхний предел скорости ппогда ограничивается также коммутационной способностью коллектора, так как с увеличением угловой скорости растет реактпвпая э. д. с. в коммутируемой секции обмотки якоря. Нижний предел угловой скорости, как правило, ограничивается необходимой точностью поддержания заданной скорости при возможных колеба ниях момента статической нагрузки па валу двигателя. Здесь под точностью понимается соответствие заданной и действительной скоростей при наибольших отклоне ниях момента пагрузкп от заданного значения. Очевидно, что для электропривода точность регулирования ско рости будет определяться жесткостью механических ха рактеристик. При снижении модуля жесткости будет уменьшаться и точность поддержания скорости.
В тех случаях, когда не задана допустимая неточность при регулировании, т. е. отклонение угловой скорости от заданного значения при возможных изменениях мо мента статической нагрузки, обычно принимают зону изменения момента статической пагрузкп от 0 до (1,5 2) М с, где М с — расчетное значение момента статиче ской нагрузки. Если при этом известно также мпнималь-
159
кое значение модуля жесткости механической характери стики, то нижний предел угловой скорости может быть определен следующим образом’ (рис. 4-1):
К>М1Ш— М с /| Р |мин*
Важным показателем качества регулирования угловой скорости электроприводов является плавность регу лирования, которая характеризуется разностью двух последовательных значений скорости, представляющих собой ступени регулирования. Чем меньше эта разность, тем более плавно осуществляется регулирование. Часто для оценки данного показателя вводят понятие коэффи циента плавности регулирования, под которым пони
мается отношение двух сосед них ступеней скорости.
tpco = coi/ a ) i _ 1 ,
где со;, соj_x — значения угло вой скорости двигателя на г-йи г—1-й сту пенях регули рования; при чем сог >©!_!.
Наиболее плавное регу лирование будет иметь место при фм 1.
Плавность регулирования скорости определяется ря дом факторов, связанных с технической реализацией спо соба изменения параметров электрических цепей. В боль шинстве случаев она зависит от мощности электрической цепи, параметры которой изменяются с целью регулиро вания скорости. Регулирование скорости путем измене ния сопротивлений в главных цепях двигателей средней и большой мощности обычно осуществляется с помощью коммутирующих аппаратов, число которых должно быть ограничено. При этих условиях регулирование скорости оказывается ступенчатым, так как снижение коэффи циента плавности приводит к увеличению числа комму тирующих аппаратов.
Если же для регулирования угловой скорости следует изменять параметры цепей относительно малой мощ ности, то, как правило, нет необходимости в специальных
160
коммутирующих аппаратах, а возможно использование проволочных ползуиковых реостатов либо полей сопро тивлений с большим числом выводов, тогда коэффициент плавности регулирования сопротивления близок к еди нице.
В некоторых случаях принципиально невозможно осу ществить плавное регулирование скорости, например при изменении числа пар полюсов асинхронных двига телей (см. § 4-6).
При регулировании скорости электроприводов не обходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу электродвигателя. Обычпо считается, что двигатель работает нормально, если при продолжи тельной нагрузке токи в его цепях возбуждения и глав ных не превышают номинальных значений (см. гл. 11). В этом случае потери энергии, выделяющиеся в виде тепла, не вызывают нагрева обмоток двигателя выше допустимой температуры. Таким образом, для определе ния допустимого момента в общем случае следует найти его величину, соответствующую номинальному току глав ной цепи при различных значениях скорости и тем са мым установить зависимость Мд0П (ш). Однако указан ный способ определения МД0П (со) нуждается в уточнении. Это объясняется тем, что при снижении по сравнению с номинальной угловой скорости двигателей с самовентпляцией уменьшается поток охлаждающего воздуха, а значит, ухудшается и отвод тепла. В связи с этим не обходимо уменьшить потери в двигателе, т. е. снизить токи в его обмотках. Для закрытых необдуваемых дви гателей или двигателей с независимой вентиляцией до пустимое по условиям нагрева значение тока не зависит от скорости. С другой стороны, увеличение скорости дви гателей выше номинальной в пределах, допускаемых меха нической прочностью, может привести к некоторому уве личению допустимого тока выше номинального значения.
Таким образом, при определении зависимости М д ОП(со) следует оценивать значение скорости при регулиро вании по отношению к номинальной. В этом смысле обычно выделяют зоны - регулирования выше основной (номинальной) угловой скорости и ниже основной ско рости. В соответствии с этим так же подразделяют и спо собы регулирования скорости.
Прп проектировании регулируемых электроприводов следует оценивать и экономические показатели, а именно:
6 М. Г, Ч илпкпн - |
461 |
первоначальные затраты, необходимые для установки соответствующего электрооборудования, а также эксплу атационные расходы. При оценке первоначальных за трат исходят из стоимости оборудования регулируемого электропривода. В ряде случаев этот показатель может быть оценен косвенными методами, например по величине установленной мощности электрооборудования. При этом последнюю обычно относят к установленной мощности электродвигателя. Иногда помимо стоимости электро оборудования бывает необходимо оценивать также его массу и габариты.
Эксплуатационные затраты, как правило, оцениваются косвенным методом, главным образом по технико-энер гетическим показателям: к. п. д. и коэффициенту мощ ности при регулировании скорости. При этом в тех слу чаях, когда в течение рабочего цикла устанавливается ряд скоростей двигателя, следует определять средние за этот цикл значения к. п. д. и коэффициента мощности по общему правилу интегральной оценки средних зна чений переменных величин. Полагая значения к. п. д. и коэффициента мощности функциями угловой скорости
ц (со) и cos ф (to), |
можно записать: |
|
||
|
“ макс |
|
|
|
11ср = |
—-------— |
\ |
r|(c o )tfa ); |
(4 -2 а ) |
|
Ю.макс“ шмш1 |
.) |
|
|
|
“мин |
|
|
|
|
1 |
“ маис |
|
|
|
I' |
соэфН^со, |
(4-26) |
|
cos фср = —---------— |
\ |
|||
|
шмакс — шмин |
J |
|
|
“ мнм
где (йд1акс, сомин — соответственно наибольшее л наимень шее значения скорости в заданной зоне регулирования.
Для регулирования угловой скорости различных элек тродвигателей необходимо изменять параметры их элек трических цепей или источника питания (напряжение, частота).
Этот вывод следует непосредственно из анализа эдектромеханических свойств двигателей и, в частности, из анализа уравнений их механических характеристик [см., например, (2-9), (2-35) и (2-55)]. В соответствии с ука занным положением обычно все способы регулирования скорости электроприводов подразделяются на парамет рические, т. е. связанные с изменением параметров элек-
162
трпческпх цепей двигателей, и способы регулирования, основанные на изменении напряжения источника пита
ния, |
а для двигателей переменного тока — н частоты |
тока |
источника питания. |
Следует отметить, что регулируемые параметры элек трических цепей или значения напряжения источника питания могут оставаться неизменными во времени после установления заданного значения угловой скорости элек тропривода или могут периодически изменяться, откло няясь от заданного среднего значения. В первом случае речь идет о методах непрерывного регулирования ско рости, а во втором — о методах импульсного регулиро вания.
4-2. РЕОСТАТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Реостатное регулирование скорости электроприводов осуществляется путем изменения активных сопротивле ний резисторов, включенных в главные цепи двигателей. При этом для асинхронных двигателей имеются в виду резисторы, включаемые в цепи ротора или статора, а для двигателей постоянного тока — резисторы, включаемые
вцепи обмоток якоря.
Вкачестве резисторов (реостатов) применяются, как
правило, металлические.
Для двигателей малой мощности переключение сту пеней сопротивления может осуществляться с помощью плоского контролера, имеющего большое число переклю чающих контактов, благодаря чему коэффициент плав ности близок к единице. Для регулирования} скорости двигателей средпей мощности переключение ступеней сопротивления осуществляется с помощью контакторов. Число последних в схемах управления электроприводом должно быть ограничено в целях снижения стоимости электрооборудования и повышения надежности электро привода. Вследствие этого соседние ступени сопротивле ния могут заметно отличаться друг от друга. В этих случаях коэффициент плавности при регулировании ско рости может быть значительно больше единицы.
Способы реостатного регулирования скорости двига телей постоянного тока и асинхронных двигателей имеют много общего, а именно: регулирование скорости в дви гательном режиме производится вниз от основной ско
6* |
163 |