Режимы работы электропривода с электродвигателем постоянного тока независимого возбуждения с точки зрения преобразования и распределения энергии

Каждая точка механической характеристики на плоскости (w, М) определяет режим работы электрической машины. Если знаки угловой скорости электродвигателя и его момента одинаковы, то есть

Рм = w М > 0, (2.20)

где Рм – механическая мощность на валу электродвигателя,

то электрическая машина преобразует электрическую энергию в механическую. Если знаки w и М различны, то есть

Рм = w М < 0, (2.21)

то происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Таким образом, с точки зрения преобразования энергии, электрическая машина может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую или механическую в электрическую. В двигательном режиме электрической машиной развивается движущий момент, а в генераторном – тормозной.

С точки зрения распределения энергии, у электрической машины существует двигательный режим единственного типа и генераторные режимы трех типов, а именно: генераторный режим с отдачей энергии в сеть (рекуперативный режим), режим противовключения и режим динамического торможения.

Якорная цепь электрической машины постоянного тока независимого возбуждения описывается уравнением (2.6). Умножим обе его части на Iя и получим:

Uс Iя = Е Iя + Iя ²Rяц, (2.22)

где Uс Iя = Рс – мощность, потребляемая электродвигателем из сети;

Iя ²Rяц = DР – потери мощности в активном сопротивлении якорной

цепи;

Е Iя = Рэ – электромагнитная мощность.

Можно записать

Рэ = Е Iя = КФwIя = КФIяw = Мw. (2.23)

Электромагнитная мощность не равна полезной мощности Рм на валу электродвигателя, а именно: больше ее на величину механических потерь (потери в подшипниках, на трение и т.д.) и потерь в магнитной системе электрической машины (потерь в стали). Следовательно, и электромагнитный момент больше момента на валу рабочего механизма на момент потерь. Однако мощность перечисленных потерь значительно меньше электромагнитной мощности. Поэтому здесь и в дальнейшем считаем, что

Рэ » Рм.

С учетом всего сказанного на основании (2.22) можно записать

Рс = Рэ + DР. (2.24)

Это уравнение описывает распределение энергии в двигательном режиме.

На основании зависимостей (2.8),(2.11) и (2.13) уравнение (2.22) можно представить в виде:

КФ w₀Iя = КФw сIя + Iя ²Rяц ;

М w₀ = Мw с + Iя ²Rяц.

Отсюда

Iя ²Rяц = DР = М w₀ - Мw с = М (w₀ - w с). (2.25)

Из (2.25) следует, что потери энергии в системе электропривода пропорциональны статическому падению скорости, которое, в свою очередь, при прочих равных условиях, определяется величиной активного сопротивления якорной цепи.

КПД (h) системы определяется следующим образом:

h = Рэ / Рс = (Рс - DР) / Рс = 1 – RяцIя / Uс. (2.26)

В соответствии с описанным на рис.2.6 показаны области А двигательного режима.

Рис.2.6. Механические характеристики при различных

режимах работы электропривода

Рассмотрим генераторные режимы работы электропривода.

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть (рекуперативный режим).

Этот режим возможен при

Е > Uс,

то есть при w > w ₀ (область Б рис.2.6).

Здесь электродвигатель осуществляет преобразование механической энергии в электрическую, отдает ее в сеть, то есть работает параллельно с сетью. При постоянном напряжении сети и магнитном потоке этот режим осуществим, если со стороны рабочего механизма к электродвигателю приложен движущий момент. Такая ситуация возможна при спуске груза, то есть при активном статическом моменте, совпадающем по знаку с моментом двигателя. В иных случаях для реализации этого режима электродвигатель необходимо перевести на механическую характеристику, где скорость идеального холостого хода ниже, чем на предыдущей характеристике.

Так как здесь энергия не потребляется из сети, а отдается в нее, то она меняет знак; электромагнитная энергия не отдается на вал двигателя, а потребляется с него, то есть также меняет свой знак. Энергия потерь остается энергией потерь и знака не меняет.

Следовательно, для описываемого режима (2.24 ) можно представить в виде:

- Рс = - Рэ + DР. (2.27)

Или Рс = Рэ - DР.

При этом КПД hр определится следующим образом:

hр=Рс/Рэ=1-½RяцIя/Е½. (2.28)

Из (2.27) следует, что при увеличении Rяц происходит уменьшение КПД. Причем, для режима рекуперации

w = w₀ + Rяц ½Iя½/ КФ,

то есть при увеличении сопротивления якорной цепи происходит увеличение скорости. По указанным причинам введение добавочных сопротивлений в якорную цепь в режиме рекуперации не рекомендуется.

Режим противовключения.

Если в двигательном и рекуперативном режимах ЭДС и напряжение питания электродвигателя имеют противоположные знаки, то основной характеристикой режима противовключения является наличие у ЭДС и напряжения одинаковых знаков. Следовательно, для перехода из двигательного режима в режим противовключения необходимо и достаточно изменить знак ЭДС или напряжения питания двигателя.

Изменение знака ЭДС возможно при активном статическом моменте, когда

Мс > Мкз.

Например, двигатель включен на подъем груза, но под действием его веса вращается в противоположную сторону, то есть опускает груз (область В рис.2.6 ).

Изменение знака Uс осуществляется изменением полярности напряжения питания на якоре двигателя. При этом рабочая точка электродвигателя перемещается на реверсивную механическую характеристику и электропривод работает в режиме противовключения до тех пор, пока его скорость не станет равной нулю (область Г рис.2.6).

В режиме противовключения электрическая машина потребляет энергию из сети и с вала двигателя и вся эта энергия расходуется на потери в ее силовых цепях, то есть уравнение баланса мощностей имеет вид:

Рс +Рэ = DР. (2.29)

В данном случае отсутствует полезное использование энергии, то есть режим является наименее экономичным. Необходимо отметить, что ток здесь протекает под воздействием не разности, а суммы ЭДС и напряжения двигателя.

½Iя½=(Uс+Е)/Rяц. (2.30)

Следовательно, при реализации этого режима в якорную цепь должны быть включены токоограничивающие добавочные резисторы.

В настоящее время в большинстве случаев режим противовключения используется для аварийного торможения.

Динамическое торможение.

В электроприводах с машинами постоянного тока режим динамического торможения осуществляется путем отключения двигателя от сети питания и включения его на сопротивление Rд динамического торможения. При этом электрическая схема имеет вид, представленный на рис.2.7.

Рис. 2.7. Схема динамического торможения

Уравнения скоростной и механической характеристик динамического торможения можно получить из (2.10) и (2.12) при Uс = 0, а именно:

w = - Rяц Iя / КФ; (2.31)

w = - Rяц М / (КФ)²; (2.32)

При М = 0 и Iя = 0 угловая скорость электродвигателя равна нулю, то есть – это прямые, проходящие через начало координат (характеристика Д рис.2.6).

В этом режиме энергия, потребляемая из сети, равна нулю, на электрическую машину поступает энергия с вала рабочего механизма, которая расходуется на потери в силовых цепях электродвигателя, то есть баланс мощностей в данном случае имеет следующий вид:

0=Рэ+DР. (2.33)

Так же, как и в предыдущем случае, здесь отсутствует полезное использование энергии.

Однако потери в режиме динамического торможения меньше, чем в режиме противовключения, так как потребляемая из сети мощность равна нулю и ток якоря обусловлен только величиной Е двигателя:

Iя= - Е/Rяц. (2.34)

Величина сопротивления динамического торможения выбирается из условия получения тока якоря, не превышающего допустимого.

В современных электроприводах режим динамического торможения чаще всего применяется в качестве аварийного.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

- потери в силовой цепи электрической машины пропорциональны активному сопротивлению якорной цепи;

- статическое падение скорости электродвигателя пропорционально активному сопротивлению его якорной цепи, то есть жесткость характеристик снижается при его увеличении;

- наиболее экономичным режимом является режим рекуперации;

- режимом, характеризующимся максимальными потерями является режим противовключения.