Двигательный режим работы электродвигателя

Любая
электрическая машина, как электромеханический
преобразователь энергии (ЭМС), может
работать в двух режимах: двигательном,
преобразуя подводимую электрическую
энергию в механическую, или в тормозном
(генераторном) режиме, преобразуя
подводимую механическую энергию в
электрическую. В двигательном режиме
(рис.2. 6,а) электрическая энергия,
потребляемая из сети Р_потр,
за вычетом потерьв силовом канале электропривода
преобразуется в механическую и передается
рабочему органу машины РО.

Тормозные режимы
по своим энергетическим характеристикам
могут быть различными.

Режим рекуперативного
генераторного торможения;
в этом режиме (рис.2.6, б) кинетическая
энергия, запасенная в движущихся
элементах механической системы, или
потенциальная энергия, отбираемая от
рабочего органа (например, в режиме
спуска груза), поступает на вал
электродвигателя и преобразуется им,
как генератором, в электрическую энергию,
которая за вычетом потерь в электрической
машине и преобразователе отдается в
питающую сеть; в этом режиме электродвигатель
работает как генератор параллельно с
питающей сетью. Такой режим торможения
энергетически является наиболее
выгодным, т.к. энергия торможения
используется полезно.

Режим динамического
торможения; в
этом режиме двигатель отключается от
сети и работает как автономный генератор,
нагруженный на сопротивление; энергия
торможения (рис.2.6, в), поступающая на
вал электродвигателя, преобразуется в
электрическую и вся расходуется на
потери в электрической машине и (в случае
необходимости) во включенных в цепи
обмоток машины сопротивлениях.

Режим
противовключения; в этом случае двигатель,
вращающийся в одном направлении, с целью
торможения включается в другом
направлении; двигатель при этом потребляет
электрическую энергию из сети и
механическую энергию торможения,
поступающую на вал электродвигателя
(рис.2.6, г). Суммарная энергия расходуется
на потери в электродвигателе и в
сопротивлениях, включенных в цепи
обмоток машины; этот режим характеризуется
большими потерями энергии.

Иногда режим
противовключения используется в
электроприводах грузоподъемных
механизмов для создания подтормаживающего
момента при спуске груза; в рассматриваемом
режиме механизм движется под действием
силы тяжести груза, а электродвигатель
включается в направлении подъема груза,
создавая посредством устройств
регулирования необходимый тормозной
момент. Энергетически этот режим
идентичен режиму торможения
противовключением.

При
анализе энергетических диаграмм,
характеризующих процесс торможения
электропривода, следует учитывать, что,
если при торможении технологический
процесс продолжается, то часть
высвобождаемой кинетической энергии
идет на совершение полезной работы.

2.3. Уравнение движения электропривода

К механической
системе, совершающий вращательное
движение относительно фиксированной
оси вращения, прикладываются два момента:
момент М,
развиваемый двигателем, и момент
сопротивления движению М_с
(рис.2.7).

Если момент,
развиваемый электродвигателем, равен
моменту сопротивления движению.

М=М_с
или М—М_с=0,

то механическая
система будет совершать движение с
постоянной (установившейся) угловой
скоростью ω=ω_уст
или находиться в состоянии покоя (ω=0).

Это положение
соответствует первому закону механики
Ньютона – закону инерции, — который
применительно к вращательному движению
может быть сформулирован следующим
образом: тело, имеющее фиксированную
ось вращения, будет находиться в состоянии
покоя или равномерного вращения, до тех
пор, пока приложенные моменты не выведут
его из этого состояния

,
если
,

(2.2)

т.е., если
алгебраическая сумма моментов,
прикладываемых к валу, равна нулю, то
механическая система будет вращаться
с постоянной скоростью
(или будет в состоянии покоя), т.е.
находиться в установившемся режиме.

Для поступательного
движения условие установившегося режима
формулируется как
,
если,
т.е. если сумма векторов сил, приложенных
к механической системе, равна нулю, то
система будет двигаться с постоянной
установившейся скоростьюили находиться в состоянии покоя.

Момент сопротивления
движению обычно называют статическим
моментом, так как в соответствии с (2.2)
он характеризует установившийся режим
работы электропривода.

Момент двигателя
и статический момент зависят от скорости.
Найти скорость установившегося режима
работы механизма, когда известны
механические характеристики двигателя
и рабочего механизма, удобно графическим
путем. Рис.2.8, а соответствует механической
системе, состоящей из вентилятора и
асинхронного двигателя. Точка А
пересечения механических характеристик
двигателя и вентилятора соответствует
условию (2.2), т.е. установившемуся режиму
работы. На рис.2.8, б показаны механические
характеристики грузоподъемной лебедки,
работающей в режиме спуска груза
(скорость отрицательна). Для обеспечения
постоянной скорости спуска приводный
электродвигатель переводится в режим
торможения противовключением, которому
соответствует механическая характеристика
2. Точка Б
пересечения этой характеристики с
механической характеристикой лебедки
соответствует равенству моментов М=М_с,
т.е. установившемуся режиму движения.

Статические моменты
подразделяют на активные и реактивные.

М_са
– активный момент сопротивления движению
прикладываемый к рабочему органу машины;
этот момент создается силами тяжести
(например, в грузоподъемных механизмах,
лифтах и др.), силами ветра (механизм
поворота башенных кранов), и др.; активные
моменты могут как препятствовать
движению, так и создавать движение, в
соответствии с этим знак М_са
может быть отрицательным, если его
направление противоположно знаку
скорости вращения и положительным, если
направление момента совпадает с
направлением скорости вращения.

М_ср
– реактивный момент сопротивления
движению, прикладываемый к рабочему
органу машины; этот момент возникает
как реакция на движение рабочего органа
и всегда препятствует движению (например,
момент от сил резания в механизмах
главного движения металлорежущих
станков, момент от аэродинамических
сил вентиляторов и др.); при ω=0
М_ср=0;
к реактивным моментам сопротивления
относится также момент от сил трения в
подшипниках, передачах и других элементах
кинематической цепи рабочей машины;
момент трения всегда препятствует
движению.

Статический момент
– полный момент сопротивления движению
равен сумме его составляющих

М_с=М_са+М_ср

(2.3)

Знаки всех моментов
определяются в отношении знака скорости
вращения. Если вектор момента совпадает
с вектором скорости, то знак момента
положителен. Иначе говоря, если момент
способствует движению – он положителен,
если препятствует – отрицателен.
Алгебраическая сумма момента двигателя
(М)
и составляющих статического момента
определяет результирующий момент,
прикладываемый к валу электродвигателя

М_Σ=М+М_с

(2.4)

Для положительного
направления движения в формуле (2.4) знак
момента М,
развиваемого двигателем, будет
положительным, если он работает в
двигательном режиме, и отрицательным,
если работает в тормозном режиме. Знак
активной составляющей статического
момента М_са
будет отрицательным, если этот момент
препятствует движению (например, подъем
груза) и положительным, если этот момент
способствует движению (например, спуск
груза). С учетом (2.3)

.

(2.5)

Аналогично для
поступательного движения

,

(2.6)

где:
— соответственно векторы силы линейного
двигателя и силы сопротивления движению.

Если результирующий
момент
равен нулю, то механическая система
будет находиться в состоянии покоя или
равномерного установившегося движения.
Если результирующий момент (или
результирующая сила) не равен нулю, то
происходит изменение скорости механической
системы: при положительном значенииМ_Σ
или (F_Σ)
– ускорение; при отрицательном значении
– замедление. Режимы, при которых
,
называют переходными или динамическими.

Изменение скорости
определяется вторым законом Ньютона –
законом динамики, согласно которому
для поступательного движения – импульс
силы равен изменению количества движения

.

Импульс силы –
это вектор, равный произведению вектора
результирующей силы на время ее действия.
Количество движения – это вектор, равный
произведению вектора скорости на массу
тела.

Если масса постоянна,
то

.

(2.7)

Этот закон
устанавливает, что если результирующая
сила не равна нулю, то тело получает
ускорение (замедление), величина которого
зависит от величины силы и массы тела.

Для вращательного
движения относительно фиксированной
оси второй закон Ньютона формулируется
следующим образом: импульс момента
равен изменению количества движения

(2.8)

Количество движения
– произведение момента инерции
вращающихся масс на их угловую скорость.

Момент инерции J
(кг.м²)
– параметр, аналогичный по физическому
смыслу массе при поступательном движении.
Он характеризует меру инерции тел,
вращающихся относительно фиксированной
оси вращения. Момент инерции материальной
точки с массой m
равен произведению массы на квадрат
расстояния от точки до оси вращения

Момент инерции
тела есть сумма моментов инерции
материальных точек, составляющих это
тело. Он может быть выражен через массу
тела и его размеры. Значения момента
инерции для тел вращения приводятся в
каталогах и справочниках. Иногда в
каталогах дается значение махового
момента GD².
Для того, чтобы найти момент инерции
нужно GD²
разделить на четыре
.

Отметим, что
механическая инерционность вращающегося
тела зависит не только от его массы, но
и диаметра. При одной и той же массе
тело, имеющее больший диаметр, обладает
значительно большим моментом инерции.
Поэтому малоинерционные электродвигатели
стремятся конструировать с меньшим
диаметром ротора большей длины. Напротив,
когда в состав кинематической цепи
рабочей машины включается маховик, его
целесообразно конструировать с большим
диаметром.

Если
момент инерции постоянен, то уравнение
второго закона Ньютона можно представить
в виде

(2.9)

Исходя из того,
что М_Σ
определяет динамику механической
системы, то результирующий момент М_Σ
часто называют динамическим.

.

(2.10)

Учитывая (2.4),
получим

(2.11)

Это уравнение,
отражающее второй закон Ньютона, называют
уравнением движения электропривода.

Отметим, что в этом
уравнении все моменты приложены к валу
двигателя, а момент инерции

отражает инерционности всех масс,
связанных с валом электродвигателя и
совершающих вместе с ним механическое
движение.

Для поступательного
движения уравнение движения электропривода
соответственно будет

(2.12)

где: F
— усилие,
развиваемое двигателем;

F_с
— усилие
сопротивления движению на штоке этого
двигателя;

m
— массы
подвижных элементов, связанные со штоком
двигателя;

v
— линейная
скорость штока двигателя.

Соседние файлы в папке Главы по ЭП

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Во всех режимах работы асинхронный машин всегда присутствует вращающееся магнитное поле статора. Оно создаётся тремя обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, скорость этого вращения равна:

где:

n1 – Скорость вращения магнитного поля статора;

f – Частота питающей сети (50Гц);

Так же известно, что в их конструкции присутствует ротор, вращающаяся часть, которая может вращаться с различными скоростями. В целом можно сказать, что в асинхронных машинах скорость вращения изменяется только у ротора. Многочисленные наблюдения показали, что в зависимости от частоты вращения ротора асинхронной машины, с ней происходят различные явления. Для упрощения понимания этого вопроса, был введен параметр скольжение S – разность скоростей вращения магнитного поля статора, от скорости вращения ротора:

Эти скорости обозначают буквенно: n – скорость вращения ротора; n1 – скорость вращения магнитного поля.

Режим работы асинхронной машины зависит именно от этого значения разности скоростей вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора.

Различают следующие режимы работы асинхронных машин:

• Режим двигателя;
• Режим генератора;
• Режим электромагнитного тормоза;
• Режим динамического торможения;

Режим двигателя

Асинхронные двигатели стали очень популярна и наиболее часто применяемая в электроприводах. Режим электродвигателя применяется для приведения во вращение различные устройства, механизмы, насосы, лебедки, редуктора и т.д. путем преобразования электрической энергии в механическую.  Как уже многим известно, что её принцип действия объясняется взаимодействием двух магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле статора создается системой трехфазных обмоток и магнитопровода, расположенных непосредственно на статоре (корпусе асинхронной машины). Это поля является вращающимся, так как в трех фазной цепи, ток протекает из фазы А в фазу В, из фазы В в фазу С, а из фазы С обратно в фазу А. Обмотки каждой фазы располагают на статоре так, что бы равномерно заполнить всю окружность, т.е. окружность занимает 360 градусов, имея три обмотки, делим 360/3 получаем 120 градусов на каждую обмотку.

Это вращающееся магнитное поле пронизывая ротор, индуцирует в нем ЭДС, так как ротор короткозамкнутый, то по нему протекает ток. Протекание тока вызывает образование у ротора собственного магнитного поля. Поле статора, которое вращается с скоростью n1 взаимодействует с полем ротора, которое является неподвижным, и старается остановить, затормозить поле статора. Так как ротор закреплен на подшипниках, он способен свободно вращаться вокруг своей оси. Получается, что магнитное поля статора притягивает поле ротора, увлекает его за собой с определенной силой, в результате чего и сам ротор начинает вращаться.

Особенностью этого режима является то, что скорость вращения магнитного поля статора и скорость вращения ротора не должны быть равными, тем более, скорость ротора всегда меньше. Если же каким-либо образом их скорости будут равными, то исходя из явления электромагнитной индукции, обязательна разность магнитного потока, пересекающего тот или иной контур, что и обеспечивается отставанием ротора от магнитного поля статора. Если же все-таки их скорости сравняются, по короткозамкнутой обмотке ротора перестанет протекать электрический ток, исчернит его магнитное поле и ротор не будит увлекаться полем статора.  Скольжение в режиме электродвигателя должно быть положительным числом и не равным нулю.

Стоит добавить, что режим двигателя у асинхронных машин является самым часто используемым.

Режим генератора

Режим генератора у асинхронных машин является полной противоположностью режиму двигателя.  Самым главным отличием является то, что при режиме двигателя, асинхронная машина потребляет из сети электрическую энергию. А в режиме генератора наоборот отдает в сеть выработанную электрическую энергию.

Режим генератора возможен только тогда, когда скорость вращения ротора n будет выше скорости вращающегося магнитного поля статора. В этом случаи скольжение S будит отрицательным. Для этого необходимо ускорить ротор синхронной машины, то есть посадить на вал ротора, какой-либо механизм (турбина, редуктор, другой двигатель).

Допустим ротор мы разогнали до 3500 оборотов в минуту, а скорость магнитного поля статора 3000 оборотов в минуту, определим скольжение:

Режим генератора у асинхронных машин не является часто используемым, и может применяться в узких специализированных областях, в маломощных электростанциях.

Стоит отметить, что при таком режиме работы, отдаваемая в сеть электроэнергия совпадает по частоте с частотой самой сети. Так как она зависит только от частоты вращения магнитного поля статора, которая как мы знаем не изменяется.

В использовании таких генераторов есть огромный плюс, в его устройстве отсутствуют скользящие контакты, вращающиеся обмотки, это обеспечивает надежную и долговременную эксплуатацию. Так же эти генераторы мало восприимчивы к коротким замыканиям в сети. Еще не маловажным условием работы является, наличие остаточной намагниченности ротора, которое усиливается конденсаторными установками, включенными в цепи статорных обмоток.

Режим электромагнитного торможения

Режим электромагнитного торможения является еще более специфичными специализированным. Вся суть этого режима в том, что если вращение ротора асинхронной машины не совпадает с направлением вращения магнитного поля статора, то ротор будит затормаживаться под действием этого магнитного поля статора. Такой режим возможен только при реверсивном подключении асинхронной машины, так как путем переключения двух фаз достигается изменение направления вращения магнитного поля статора, и используется в различных грузоподъемных и транспортировочных устройствах. Этот режим часто называют режимом торможения противотоком или противовключением. При таком режиме, если нам необходимо остановить двигатель, при полной остановке, статор необходимо отключить от сети, так как вал начнет вращаться в обратном направлении.

Режим динамического торможения

В таком режиме, асинхронная машина отключается от трех фазной сети, и на обмотки статора подается постоянный ток. Таким образом на статоре образуется постоянное магнитное поле (постоянный магнит), которое тормозит ротор двигателя.

Все выше представленные режимы работы асинхронных машин, кроме режима двигателя, являются специализированными, и используются только в определенных установках, устройствах, станках и т.д.