Работа электропривода при равномерном движении называется работой в установившемся режиме, а при неравномерном движении (ускорении, замедлении) — в неустановившемся или переходном режиме. Например, электроприводы насосов, вентиляторов работают в основном в установившемся режиме, а работа грузовых лебедок характеризуется частыми переходными режимами (пуск, остановка, спуск, подъем и т. д.).
Зависимость между силами или моментами, действующими в движущейся системе, называется уравнением движения. Согласно основам механики, зависимость между силами движения и силами сопротивления, противодействующими поступательному движению, выражается алгебраической суммой:
При установившемся движении, соответствующем неизменной скорости движения, F = Fc.
Большинство судовых электроприводов работает при вращательном движении. Здесь пользуются уравнением моментов сил, записываемым в общем виде: M — Mc = Mд, где М — вращающий момент, развиваемый электродвигателем привода; Мс — момент статического сопротивления на валу электродвигателя; Мд — динамический момент, равный:
В установившемся режиме dw/dt=0, следовательно, и уравнение движения имеет вид М = Мc; при ускорении величины dw/dt и Мд— положительные, М>Мc; при торможении dw/dt и Мд — отрицательные, М<Мc.
Производительность грузоподъемного устройства (лебедки, крана) зависит от времени разгона и торможения, так как эти механизмы работают в режимах частых остановок и пусков.
Время разгона электропривода до частоты вращения n определяется формулой:
Радиус инерции р вращающегося тела пропорционален его геометрическому радиусу. Можно сделать второй вывод: чем меньше диаметр вращающегося устройства, тем меньше время его разгона и торможения. Совершенно очевидно, что для уменьшения времени пуска и торможения вращающиеся детали механизма и электродвигателя должны иметь уменьшенный диаметр. При этом приходится увеличивать длину. Изготовляют специальные крановые Электродвигатели, которые имеют малый диаметр якоря при большой его длине.
Регулирование частоты вращения электродвигателей
Электродвигатели постоянного тока очень хорошо приспособлены к регулированию частоты их вращения. При наличии коллектора электродвигатели требуют тщательного ухода и по сравнению с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями переменного тока менее надежны в работе, однако благодаря наличию широкого и плавного диапазона регулирования частоты вращения, их также широко используют.
Частоту вращения электродвигателя постоянного тока определяют уравнением механической характеристики n=f(M):
Если изменяется момент сопротивления на валу электродвигателя, то автоматически изменяются момент М и частота вращения электродвигателя n, но это не является процессом регулирования. Под регулированием понимают принудительное изменение частоты вращения электродвигателя путем изменения его схемы включения или величины параметров питания.
Применяемые на судах электродвигатели постоянного тока чаще всего выполняют со смешанным возбуждением.
С помощью рис. 1 и уравнения механической характеристики рассмотрим возможные способы регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока.
Рис.1. Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока
Если контакты К1, К2, К4 замкнуты, а контакт К3 (см. рис. 1, а) разомкнут, то схема включения электродвигателя имеет вид, показанный на рис. 1,б. Для этой схемы при номинальном напряжении, подведенном к электродвигателю, и номинальной нагрузке:
Из уравнения механической характеристики следует, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать изменением величины сопротивления в цепи якоря или в цепи возбуждения (регулирование потока Ф) и изменением величины напряжения питания.
Если разомкнуть контакт К1, а затем К2, то в цепь якоря будут введены резисторы Rl, R2. Получим частоты вращения:
Вернемся к естественной характеристике электродвигателя (контакты К1, К2, К4 замкнуты, К3 — разомкнут, частота вращения nн). Если теперь разомкнуть контакт К4, то в цепь шунтовой обмотки возбуждения включится резистор R4, уменьшится ток возбуждения и магнитный поток снизится до величины Ф1 (Ф1<Фн). Частота вращения электродвигателя увеличится до значения:
- при включении резисторов в цепь последовательно с якорем частота вращения электродвигателя снижается, если при этом еще включить резистор параллельно якорю (R3), то можно получить особо низкие частоты вращения;
- если включить резистор в цепь шунтовой обмотки возбуждения, т. е. ослабить магнитный поток, то частота вращения увеличится;
- при увеличении подведенного напряжения к двигателю его частота вращения увеличивается, при снижении напряжения — уменьшается, (рис. 1, г).
При регулировании электродвигателя постоянного тока можно получить хорошую плавность изменения частоты вращения. Например, в цепь якоря можно включить несколько резисторов R1, R2, R3, R4, R5 и т. д., имеющих небольшую величину, и, включая их друг за другом, можно получить плавное снижение частоты вращения.
В цепи обмотки ШОВ протекает небольшой ток, поэтому резистор R4 можно сделать управляемым не контактом К4, а выполнить его в виде реостата, тогда величину R4, а соответственно, и частоту вращения электродвигателя можно изменять плавно.
Регулирование резисторами Rl, R2 не экономично, так как они выделяют много тепла, а в цепи резистора R4 ток и тепловые потери небольшие.
Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели
Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели переменного тока очень удобны и надежны в эксплуатации, но, к сожалению, не обеспечивают плавности регулирования частоты вращения — это их основной недостаток. Плавный пуск асинхронного двигателя сегодня осуществляется с помощью специальных пусковых устройств на микропроцессорной технике, которые со временем могут полностью вытеснить способ пуска типа "звезда-треугольник".
Частота вращения асинхронного электродвигателя равна:
Регулирование изменением частоты тока питания f получается плавным и в большом диапазоне. Регулируемый двигатель должен иметь свой питающий генератор изменяемой частоты, что усложняет и удорожает схему, поэтому способ регулирования частоты вращения электродвигателя изменением подведенной к нему электрической частоты применяют редко, например для гребного электродвигателя. Однако регулирование частотой питания перспективно, так как вместо вращающихся генераторов появились мощные статические преобразователи частоты, собранные на полупроводниковой технике; они компактны, не требуют обслуживания.
Принудительно изменять величину скольжения S асинхронному короткозамкнутому электродвигателю не представляется возможным.
Остается изменение числа пар полюсов р — этот способ регулирования оказался наиболее приемлемым. Число пар полюсов определяется видом обмотки статора электродвигателя. При изготовлении электродвигателя одну и ту же обмотку укладывают так, что ее можно переключать на разное число пар полюсов, получая две скорости. Кроме того, в статор электродвигателя укладывают еще одну обмотку, которая включается при отключенной первой обмотке и обеспечивает третью скорость электродвигателя.
Используя переключение обмотки на разное число пар полюсов или переключаясь на независимые одна от другой обмотки статора, можно получить двух-, трех- и четырехскоростные электродвигатели. Конечно, плавность регулирования таких электродвигателей недостаточна, а их изготовление обходится дорого.
На рис. 2, а показан принцип включения двухскоростного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, имеющего две независимые обмотки на статоре. При замыкании контактов малой скорости КМС работает обмотка на число пар полюсов 2р=12— получается малая скорость. Если контакты КМС разомкнуть и замкнуть контакты большой скорости КБС, то число пар полюсов уменьшится вдвое, а частота вращения ротора удвоится.
Если на переменном токе все же необходимо получить большое количество скоростей и сделать регулирование плавным, приходится устанавливать асинхронный электродвигатель с фазным ротором (рис. 2,б).
Рис. 2. Регулирование частоты вращения асинхронного
электродвигателя переменного тока
Когда все контакты К1—К4 разомкнуты, в цепь ротора введены все резисторы R1—R4 (как показано на схеме), ротор, электродвигателя развивает минимальную скорость. При замыкании контактов К1 сопротивление каждой фазы ротора уменьшается на величину R1, частота вращения ротора увеличивается. При замыкании друг за другом контактов К2, К3, К4 частоту вращения можно плавно увеличить до максимальной (все резисторы из обмотки ротора выведены, контактами К4 ротор замкнут накоротко).
Следует добавить, что при введенных резисторах в цепь ротора электродвигатель обладает повышенным пусковым моментом, что немаловажно для грузоподъемных устройств.
Двигатель с фазным ротором снабжен токосъемными кольцами и электрическими щетками, что делает его менее надежным по сравнению с короткозамкнутыми электродвигателями.
Вывод: при регулировании изменением числа пар полюсов переключают обмотку статора, при этом возникают броски тока и механические толчки. Для получения большого числа скоростей применяют менее надежный асинхронный электродвигатель с фазным ротором и регулировочными резисторами. Перспективным способом является регулирование изменением частоты питания.
Электрическое торможение электропривода
При отключении электродвигателя от сети начинается его естественное торможение, которое создается моментами трения в опорах, трением вращающихся устройств о воздух и моментом сопротивления рабочей машины (нагрузка). На такое торможение уходит много времени, поэтому большинство электроприводов при остановке на некоторое время включается на специальную схему и электродвигатель развивает тормозной электрический момент, действующий согласно с механическими моментами торможения. Кроме того, электроприводы грузоподъемных устройств снабжены дополнительными пневматическими или электрическими тормозами.
Для двигателей постоянного тока применяют динамическое электроторможение, торможение противовключением и рекуперативное торможение (рекуперация — возврат, в данном случае — электроэнергии).
Динамическое торможение наиболее приемлемо для полной остановки электропривода. Предположим, электродвигатель при замкнутых контактах Kl, К2 и разомкнутом контакте К3 (рис. 3, а) работает в двигательном режиме. Ток электродвигателя:
Рис. 3. Электроторможение при постоянном токе
Для остановки электродвигателя с применением электроторможения на ходу размыкают контакты K1, К2 и замыкают контакт К3. Теперь на якорь напряжение не подается, но обмотка ШОВ продолжает получать питание и, следовательно, имеется магнитный поток.
Якорь, отключенный от сети, продолжает вращаться по инерции, проводники его обмотки пересекают магнитный поток, создаваемый обмоткой ШОВ, и в якоре наводится э. д. с., которая создает ток через резистор торможения Rт:
Торможение противовключением получается при реверсе (рис. 3,б). При замкнутых контактах «вперед» Bl, В2 двигатель работает, например, вправо. Ток якоря:
Рекуперативный режим торможения не применяется для остановки привода, он возникает только на высоких скоростях. Например, электродвигатель развивает электромагнитный момент в сторону спуска груза; ток якоря:
Для асинхронных электродвигателей переменного тока применимы рассмотренные способы электроторможения двигателей постоянного тока.
При динамическом торможении после отключения асинхронного двигателя от питающей сети контактами К1, К2, К3 (рис. 4,а) в обмотку статора подается постоянный ток от полупроводникового выпрямителя В, который питается от сети через понижающий трансформатор Тр. Постоянный ток, протекающий по обмотке статора, создает неподвижное магнитное поле, индуктирующее во вращающемся по инерции роторе э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора возникает ток, в результате взаимодействия которого с магнитным полем статора возникает тормозной момент, и ротор двигателя останавливается.
Рис. 4. Электроторможение при переменном токе
В электроприводах грузоподъемных механизмов для двигателей с фазным ротором применяют разновидность динамического торможения — однофазное (рис. 4,б). При этом электродвигатель переключается на питание от двух фаз, а в обмотку ротора включен резистор R. В статоре нарушается вращение магнитного потока и возникает пульсирующий поток, так как в его обмотку поступает переменный ток. Пульсирующий поток индуктирует ток во вращающемся по инерции фазном роторе. Между током в обмотке ротора и пульсирующим магнитным потоком статора возникает взаимодействие, появляется тормозной момент, и ротор двигателя останавливается.
Реверсирование асинхронного двигателя осуществляется переключением двух любых проводов, которыми обмотка статора подключена к питающей сети (рис. 4, в): размыкаются контакты «вперед» Bl, В2, В3 и замыкаются контакты «назад» H1, Н2, Н3.
В момент переключения магнитный поток статора реверсирует, теперь он вращается против вращающегося по инерции ротора. Возникает тормозной момент, ротор останавливается — это торможение противовключением. После остановки электродвигатель нужно отключить, иначе он среверсирует. В момент переключения электродвигателя на противоположное вращение могут возникнуть опасные токи и моменты, поэтому перед переключением следует понизить напряжение питания.
Рекуперативное торможение асинхронного двигателя возможно, когда частота вращения ротора превысит частоту вращения магнитного потока. Двигатель переходит в генераторный режим, развивая тормозной момент. Двигатель от сети не отключается, происходит рекуперация электроэнергии в сеть. Этот режим торможения возможен только на высоких скоростях (выше частоты вращения магнитного потока) и возникает при спуске тяжелого груза.
