книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов

Электродвижущая сила, индуктируемая в обмотке якоря двигателя, зависит от частоты вращения двигате­ ля и его магнитного потока возбуждения:

■епфОВД. (4-3)

где се— постоянный коэффициент, зависящий от кон­ струкции двигателя; п — частота вращения якоря дви­ гателя.

Подставив значение £ дв в уравнение равновесия э. д. с. (4-1), можно получить уравнение для определе­ ния частоты вращения двигателя:

ключается в том, что алгебраическая сумма моментов, действующих на вал двигателя, равна нулю. В устано­ вившемся режиме вращению двигателя, как известно из § 1-6, противодействуют момент нагрузки (статический

где см — постоянный коэффициент, зависящий от кон­ струкции двигателя.

Следовательно, при установившемся режиме ток, по­ требляемый двигателем, определяется уравнением

Если подставить значение тока из (4-7) в (4-4), то получится выражение, показывающее зависимость ча­ стоты вращения двигателя в установившемся режиме от вращающего момента. Эта зависимость называется

уравнением механической характеристики электроприво­ да по системе Г—Д. Учитывая, что сопротивления яко­ рей генератора и двигателя имеют значение одного

141

порядка, необходимо считаться с падением напряжения и в якоре генератора. При неизменном значении э. д. с. генератора напряжение на его. выводах изменяется с изменением нагрузки согласно (3-4). Поэтому для точ­ ных расчетов за неизменный параметр следует прини­ мать не напряжение UT, как это принято выше, а э. д. с. Ет, которая не зависит от нагрузки. Уравнение механи­ ческой характеристики в этом случае будет иметь сле­ дующий вид:

Ег И ^ОВД*

При идеальном х. х. момент Мдв=0 и, следовательно,

Из (4-9) следует, что частота вращения идеального х. х. двигателя пропорциональна э. д. с. Ет. Поэтому

т. е. если изменять э. д. с. генератора, то и частота вра­ щения идеального х. х. двигателя будет изменяться.

Выражение (4-8) может быть приведено к виду, представляющему уравнение прямой линии

с£ см Ф2ОВД

Из (4-11) следует, что чем больше момент Мс, тем меньше п двигателя. Такая естественная механическая характеристика двигателя изображена толстой прямой линией I на рис. 4-2 (см. также-прямую hb на рис. 1-2,д), Угол наклона этой прямой линии к горизонтальной оси определяется сопротивлением главной цепи ЗДц, а точ­ нее— падением напряжения на нем. Чем значительнее это падение, тем больше изменяется частота вращения при изменении нагрузки (менее жесткая характеристи­ ка). Наоборбт, чем меньше падение напряжения, тем

142

частота вращения меньше изменяется даже при значи­ тельно возросшей нагрузке двигателя (более жесткая характеристика).

Если при номинальном значении э. д. с. генератора произойдет стопорение двигателя (£дв= 0), то ток в главной цепи согласно (4-2) определится только ве­ личиной 2/?ц (/я=£г/2Яц). Так как сопротивление 2ЯЦ сравнительно невелико, то этот ток к. з. будет во много раз больше допустимого значения для двигателя и гене­ ратора. Следовательно, механические характеристики

Рис. 4-2. Семейство механических характеристик двигателя постоян­ ного тока в системе Г—Д.

ленное значение его э. д. с., следовательно, своя меха­ ническая характеристика. Причем все семейство харак­

режиме, как отмечалось в § 3-5, имеет насыщенную маг­ нитную цепь и изменять э. д. с. генератора можно толь­ ко в сторону ее понижения, уменьшая ток / в. Это — пе рв ый с п о с о б р е г у л и р о в а н и я .

В т о р о й с п о с о б р е г у л и р о в а н и я скорости ра­ бочего механизма осуществляется путем изменения тока возбуждения двигателя резистором #дв (см. рис. 4-1) или другим регулирующим элементом в цепи его обмо­ ток возбуждения. Увеличивая /?дв, можно уменьшить

143

поток двигателя Фовд (ослабить его поле возбуждения).

При этом если к двигателю подано номинальное напря­ жение Ur>ном, то частота вращения двигателя в области малых нагрузок (от Мдв= 0 до Мдв^Ми0м, см. рис. 4-2) увеличивается’ по отношению к основному (номинально­ му) значению, так как частота его вращения согласно формуле (4-4) обратно пропорциональна Фовд (прямые

II и III на рис. 4-2). В области больших нагрузок (больше номинальной) прямые II и III пересекают, основную механическую характеристику I и располагаются ниже нее. Таким образом, при уменьшении потока двигателя характеристика его частично располагается выше основ­ ной механической характеристики.

Реверсируют электродвигатель изменением полярно­ сти напряжения на независимой обмотке возбуждения генератора контактами КВ и КН реверсивных контакто­ ров, (см. рис. 4-1).

. На экскаваторах привода главных механизмов име­ ют, кроме основной (/ на рис. 4-2), несколько (три-че­ тыре) промежуточных механических характеристик (с пониженной частотой вращения). Эти характеристи­ ки копающих механизмов используются при разработке особенно тяжелых скальных и плохо взорванных пород и для согласования скоростей рабочих движений при перемещении ковша. Промежуточные характеристики механизма поворота используются при вспомогательных операциях (подготовка забоя) и при работе с малыми углами поворота. При опускании порожнего ковша и перемещении рукояти напорным механизмом может по­ требоваться увеличение частоты вращения привода по сравнению с основной. В этом случае используется ха­ рактеристика II или III (рис. 4-2).

4-2. РЕЖИМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРОСТОЙ СИСТЕМЫ Г—Д

Пуск двигателя. В системе Г—Д в момент пуска электродвигателя на его якорь подается пониженное на­ пряжение -\-Uь чтобы получить нужный пусковой мо­ мент Мд (см. рис. 4-2). Так как МП> М С, то МД1Ш>0, и поэтому двигатель будет разгоняться. По, мере возра­ стания частоты вращения (участок 1—2) будет увели­ чиваться э. д. с. двигателя и, следовательно, согласно формуле (4-2) уменьшится ток якоря, потребляемый от

144

генератора при неизменном напряжении -}-£Л. Умень­ шение тока вызовет снижение вращающего момента на валу двигателя, который будет уменьшаться до тех пор,, пока не станет равным, моменту сопротивления, в ре­ зультате чего наступит равномерное движение с устано­ вившейся частотой вращения п\ (точка 2).

Для дальнейшего увеличения частоты вращения по­ вышают ток / в и напряжение генератора до U2 так, что­ бы момент снова возрос до Ма (участок 2—3). После этого двигатель будет разгоняться до установившейся частоты вращения в точке 4 и т. д. до тех пор, пока не

(точка 8). На.этом пуск завершается.

Аналогично можно выполнить пуск двигателя в дру­ гом направлении вращения (см. ломаную 16—16'—16"—

— 16"'—18'—18"—18'"—18). Следует заметить, что та­ кой пуск с доведением частоты вращения на каждой ступени до установившегося значения на практике неце­ лесообразен, так как затягивает время пуска.

Регулирование частоты вращения двигателя. Пред­ положим, что двигатель работает при пониженном на­

в силу инерции продолжит работу с прежней частотой вращения п2 (участрк 4—5), а затем уже перейдет на следующую механическую характеристику (участок 5—6). Вращающий момент двигателя увеличится, на его' валу создается положительный динамический момент и двигатель начнет разгоняться до частоты вращения пз

(точка 6, пз>П2 ).

Допустим, что двигатель работает при номинальном напряжении генератора Uuом и установившейся частоте вращения лном (точка 8) и необходимо уменьшить ско­ рость рабочего механизма. Для этого снижают напря­ жение UT, подаваемое к двигателю, до значения, допу­ стим, £/з, что вызовет переход двигателя на промежу­ точную характеристику (участок 8—9). Вращающий момент на валу двигателя снижаете?? и становится мень­ ше статического, т. е. создается отрицательный динами­ ческий момент, и двигатель уменьшает частоту враще­ ния до точки 6 (участок 9—6). В точке 6 двигатель бу­

дет иметь установившуюся частоту вращения /гз, мень­ шую, чем /гНом. Как видно из рис. 4-2, при переходе дви­ гателя на промежуточную характеристику (участок <8—9) создается тормозной режим от точки 9 до точки п'о, а далее двигательный режим до точки 6.

Торможение двигателя. Различают в системе Г—Д •следующие виды электрического торможения: рекупера­ тивное, динамическое, двигательное и торможение противовключением.

Рекуперативное (генераторное) торможение (возвра­ щение энергии в сеть) можно применять тогда, когда частота вращения двигателя становится больше гранич­ ной. Такой режим можно наблюдать, например, на участке 18—19 (п6> —ло), т. е. тогда, когда под дей­ ствием нагрузки (при опускании груженого ковша) якорь двигателя разгоняется до такой -частоты враще­ ния, при которой э. д. с. двигателя, наводимая в якоре, -Едв становится больше напряжения генератора Ur.

Поскольку £дВ>UT, то в этом случае согласно (4-2) ток (на рис. 4-2 он будет откладываться в квадранте IV) будет проходить от двигателя к генератору. От взаимодействия этого тока с неизменным потоком Фовд

•создается на валу двигателя электрический тормозящий момент, направленный в сторону, противоположную вра­ щению механизма.

При рекуперативном торможении Едв больше Uv на

.значение падения напряжения в якорной цепи, т. е.

Чем больше будет, допустим, скорость опускания ков­ ша, тем больше э. д. с. Едв и ток якоря и, следователь- МО, тем больше тормозной момент Мт= сЛ1Ф0ВД/ я, со­

здаваемый на валу двигателя. В нашем случае iWT= M c и двигатель вращается с постоянной частотою п&.

Как видно, рекуперативное торможение двигателя осуществляется без потребления электроэнергии от ге­ нератора, за счет кинетической энергии опускающегося груза. Более того, при этом часть энергии возвращается •обратно в питающую сеть. Поэтому рекуперативное тор-

346

можение относится к числу наиболее экономичных ви­ дов торможения, и его следует применять всегда.

Динамическим торможением двигателя называется такой генераторный режим его работы, при котором механическая энергия вращающихся масс преобразуется двигателем в электрическую и расходуется в главной цепи системы Г—Д.

Допустим, что двигатель вращается с частотою щ (точка 4). Если отключить обмотку ОНГ генератора от источника Un питания (см. рис. 4-1), то э. д. с. Ег станет равна нулю, но якорь двигателя в силу инерции будет продолжать вращаться (рис. 4-2, участок 4—13) и в нем по-прежнему будет наводиться э. д. с. £дв= ^^овд7^*

Под действием э. д. с. £дв в якоре двигателя возникнет ток, направление которого совпадает с направлением действия э. д. с. Тогда на валу двигателя вместо вра­ щающего момента создается тормозной момент М'т, и он замедлит свою частоту вращения. Вместе с тем будут уменьшаться до нуля его э. д. с., ток и Момент (участок 13—0). Еслй это рабочие двигатели механизмов напора или поворота, то они в точке 0 остановятся. Для полной остановки двигателя подъема ковша при малых скоро­ стях применяют механический тормоз, иначе под дей­ ствием веса ковша произойдет разгон в противополож­ ную сторону (участок 0—14). В этом случае произойдет так называемый тормозной спуск с частотою вращения двигателя n-j.

При динамическом торможении э. д. с. £дв, наводи­ мая в якоре, уравновешивается падением в главной це­ пи, т.е, £ дв=/я2./?ц. Поэтому ток равен:

«с

Следовательно, ток в якоре, а значит,-и тормозной момент на валу двигателя зависят от э. д. с. £дв (т. е. от частоты вращения якоря) и от сопротивления глав­ ной цепи.

Механическая характеристика двигателя при дина­ мическом торможении изображается прямой 13—0, ко­ торая расположена в квадранте II и проходит через на­ чало осей координат; наклон ее зависит от величины

2/?ц.

Динамическое. торможение осуществляется без по­ требления электроэнергии из сети (если не считать не.-

большой части энергии, затрачиваемой на создание ‘Фовд) за счет кинетической энергии движущихся масс.

Большая часть этой энергии преобразуется в двигателе в электроэнергию, которая затем расходуется на нагрев главной цепи, в том числе и якоря генератора, выпол­ няющего функции тормозного резистора. Этот режим торможения также относится к экономичным видам

торможения.

Торможение противовключением заключается в том, что работающий двигатель включают в противополож­ ную сторону (противоток). Для этого во время его ра­ боты изменяют полярность подаваемого напряжения Ur. Благодаря кинетической энергии системы якорь двига­ теля еще продолжает вращаться в прежнем направле­ нии, и,-следовательно, направление э. д. с. в якоре со­ хранится и теперь совпадает в главной цепи с направ­ лением напряжения генератора. Ток якоря совпадает с направлением э. д. с. двигателя и создает момент, тормозящий двигатель.

В режиме противовключений ток в двигателе опре­ деляется суммой напряжения Ur и э. д. с. двигателя £ дв:

В простой системе Г—Д, как видно из формулы ^4-15), ток якоря при торможении противовключением может быть очень большим, если не принять мер для его ограничения.

Рассмотрим торможение противовключением на сле­ дующем примере. Допустим, .что двигатель работает на подъем ковша с установившейся частотою вращения п\ (рис. 4-2, точка 2) . Требуется его остановить торможе­ нием противовключением. Для этого изменяют поляр­ ность напряжения, подаваемого к якорю двигателя, на

— U|, т. е. переводят двигатель на участок 2—15. Со­ здается тормозной момент М"т, и двигатель начнет сни­ жать свою частоту вращения до нуля (участок 15—16). Для полной остановки двигателя при малых частотах вращения (около точки 16) следует применить механи­ ческий тормоз. Если .же в точке 16 двигатель не будет остановлен, то он начнет разгоняться в противополож­ ную сторону (участок 16—17). В этом случае произой­ дет реверсирование двигателя, т. е.. будет осуществлять-

.148

ся силовой спуск ковша (квадрант III). При активном моменте нагрузки будет иметь место спуск ковша с ча­ стотою вращения п&(точка 17).

Следовательно, торможение противовключением осу­ ществляется как за счет потребления электроэнергии из сети, так и за счет энергии вращающихся масс, т. е. это самый невыгодный с точки зрения экономии электро­ энергии режим торможения. Кроме того,, большие бро­ ски тока вызывают появление больших динамических моментов (например, момент Л1"т), что приводит к рез­ кому торможению или резким динамическим ударам, отрицательно влияющим на работу двигателя, механиз­ мов передачи и металлоконструкции экскаватора.

Таким образом, система Г—Д позволяет осуще­ ствлять плавный пуск, плавное регулирование частоты вращения и в больших пределах применять наиболее рациональный режим рекуперативного торможения.

4-3. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ Г—Д

Рассмотрение переходных режимов электроприводов с учетом всех влияющих факторов во многих случаях представляет ряд труд­

текания переходного процесса и время пуска, реверсирования и тор­ можения почти не зависят от статического момента на валу дви­ гателя. Кроме того, для упрощения применяется целый ряд других предположений, как, например, то, что влияние гистерезиса и вих­ ревых токов мало и может не учитываться; реакция якоря, отсут­ ствует; магнитный поток двигателя является постоянным; индук­ тивность цепи якорей равна нулю; магнитная цепь генератора не насыщена, а значит,- индуктивность обмотки возбуждения генера­ тора постоянна.

При неустаиовнвшнхся режимах работы в системе Г — Д одно­ временно протекают два переходных процесса: электромагнитный процесс изменения магнитного потока возбуждения генератора Фп=

= ф0нг (см. Рис- 4-1) и механический процесс изменения частоты

вращения двигателя я (см. § 1-6).

Электромагнитный процесс независимый, и его характер опре­ деляется лишь операциями, производимыми в цепи управления (воз­ буждения), и параметрами этой цепи. Механический процесс яв­ ляется подчиненным и определяется, с одной стороны, электромаг­ нитным процессом, который для него является ведущим, а с дру­ гой— механическими параметрами; механической характеристикой двигателя, статическим моментом и моментом инерции, действую­ щими на валу двигателя.

Ниже подробно рассматриваются оба эти процесса и харак­ тер их взаимосвязи при пуске, торможении и реверсировании рабо­ чего двигателя.

149

Переходные процессы при пуске. Пуск двигателя Д (см. рис. 4-1) осуществляется, как известно, подачей на обмотку возбуждения генератора ОНГ напряжения Uв включением контакта КВ (КН) . Так как обмотка воз­ буждения генератора обладает значительной индуктив­ ностью LB, то нарастание тока в ней и потока возбуж­ дения Фонг до конечных значений происходит не мгно­

венно, а в течение некоторого времени.

Процесс возрастания тока возбуждения tB описывается диффе­ ренциальным уравнением (4-16), составленным по второму закону Кирхгофа для цепей с индуктивностью

(4-16)

где (л и га— мгновенное значение тока возбуждения и активное сопротивление обмотки возбуждения.

Возрастание тока возбуждения iB, как следует из формулы (4-16), происходит по экспоненте (рис. 4-3):

где /в,уст=£/в//в — установившийся ток возбуждения; е—2,72— основание натуральных логарифмов; / — текущая координата вре­ мени; Тв— электромагнитная постоянная времени обмотки возбуж­ дения генератора, равная LB/rB.

Постоянная времени Тй является характеристикой относитель­ ной скорости возрастания экспоненты тока и измеряется в секун­ дах. Это время, за которое ток возбуждения достиг бы установив­

на 5%. Поэтому практически считают переходный процесс закон­

возбуждения, тем больше Тв (меньше быстродействие). В экскаваторных приводах средней и особенно большой мощности индуктивность обмотки возбуждения и Ть цепи возбуждения весьма велики. Поэтому влияние электромагнитной инерции цепи возбуждения всегда больше, чем механической инерции. Генераторы, приме­ няемые на экскаваторах, имеют постоянную, времени в пределах 7в=1-*-4 с. Например, у генератора подъема экскаватора ЭШ-15/90 Тв= 2,5 с.

150