Система электропривода генератор-двигатель

3.8 Система электропривода генератор-двигатель

Система генератор-двигатель долгое время была основной системой регулируемого электропривода постоянного тока, которая позволяла обеспечивать предъявляемые к регулируемым электроприводам требованиям. Однако, в связи с бурным развитием полупроводниковой техники, эта система постепенно заменилась системой «тиристорный преобразователь - двигатель» и «преобразователь частоты - асинхронный двигатель». В настоящее время эта система используется в мощных регулируемых электроприводах существующих установок, в которых применение полупроводниковых преобразователей встречает определенные трудности «шахтовых подъёмных установок, экскаваторы и другие мощные реверсивные электропривода». Поэтому необходимо рассмотреть электромеханические и регулировочные свойства этой системы электропривода.

Принципиальная схема системы Г-Д представлена на рис.3.17. Согласно этой схемы исследуемый двигатель Д получает питание от генератора, приводимого во вращение асинхронным или синхронным двигателем.

Питание цепей возбуждения электрических машин осуществляется от электромашинного или полупроводникового возбудителя В. Для агрегатов большой мощности в качестве приводного двигателя используется синхронный двигатель.

Изменением напряжения на зажимах двигателя осуществляется путём изменения тока возбуждения генератора сопротивлением R_вдг. Изменением тока возбуждения, и значит и потока двигателя выполняется с помощью сопротивления R_вд.

Т.к. двигатель питается от отдельного генератора, напряжение которого может меняться в широких пределах, поэтому это оказывает большое влияние на основные свойства и характеристики привода.

Как видно из схемы (рис. 3.17) в цепи якоря отсутствуют пусковые сопротивления. Кроме того, сопротивление якоря генератора имеет величину того же порядка, что и сопротивление якоря двигателя, поэтому приходится считаться с падением напряжения в цепи якоря генератора. В результате даже при неизменном значении ЭДС генератора, напряжение на его зажимах меняется с изменением нагрузки.

Следовательно, в уравнении механической характеристики двигателя за неизменный параметр необходимо принять не «U» (как в случае питания от сети с постоянной напряжением), а ЭДС генератора «Е_г », которая не зависит от нагрузки.

В этом случае при идеальном холостом ходе системы, ЭДС двигателя Е_д и напряжение U на его зажимах будут равны ЭДС генератора Е_г и скорость идеального холостого хода определится так

Рекомендуемые материалы

где E_г=k·Ф_г·ω_г – ЭДС генератора.

Уравнение электромеханической и механической характеристик будут иметь следующий вид

                                   (4.1)

                          (4.2)

где R_я=R_яг+R_яд – суммарное якорное сопротивление системы Г-Д;

   R_яг, R_яд – сопротивление обмоток якоря генератора и двигателя

Наклон механической характеристики, а следовательно, и номинальный перепад скорости будут определяться суммой сопротивлений якоря обеих машин

где R_яг% и R_яд% - сопротивления  обмоток якоря генератора и двигателя, отнесенные к номинальному сопротивлению R_н цепи якорей

Следовательно, механические характеристики двигателя независимого возбуждения по системе Г-Д имеют вид параллельных прямых (рис. 3.18). Из выражения для механической характеристики и графика следует, что в зоне изменения напряжения генератора механические характеристики имеют большую крутизну, чем естественная характеристики, получаемая при питании от сети с постоянным напряжением. Объясняется это тем, что в системе Г-Д падение напряжения вызывается суммарным сопротивлением обмоток якорей машин.

В отдельным случаях падение скорости может превышать 20%.

Пуск двигателей в системе Г-Д

Пуск двигателя осуществляется плавно в следующей последовательности. Сначала запускается приводной двигатель АД с генератором и включается возбудитель.

Увеличивая ток возбуждения генератора, повышают его ЭДС Е_г. При этом ток и момент двигателя увеличиваются и двигатель плавно разгоняется до выхода на естественную характеристику.

Каждому значению тока возбуждения генератора соответствует определённое значение его ЭДС и, следовательно, своя механическая характеристика двигателя. Механические характеристики системы Г-Д при различных токах возбуждения генератора и при постоянном номинальном потоке двигателя имею одинаковую крутизну, т.е. параллельны друг другу. Таким образом, может быть получена основная скорость, соответствующая полному напряжению на зажимах генератора.

Для увеличения скорости выше основной необходимо ослабить магнитный поток двигателя. Механические характеристики системы в зоне повышенных скоростей при работе с ослабленным потоком двигателя имеют большую крутизну причем параллельность характеристик нарушается.

Механические характеристики системы Г-Д при изменении напряжения генератора и Ф_д=const, и при изменении магнитного потока двигателя Ф_д=var, U_г=const приведена на рис. 3.18.

Изменение направления вращения двигателя осуществляется изменением полярности генератора, которое достигается изменением направления потока в его обмотке возбуждения с помощью специального переключателя.

Регулирование скорости в системе Г-Д

Одним из важных условий, определивших широкое применение системы Г-Д, является возможность изменения скоростей двигателя в широком диапазоне. Теоретически можно получить механическую характеристику с любой сколь угодно малой скоростью идеального холостого хода или скоростью при номинальном моменте. Но при небольших потоках возбуждения генератора работа двигателя становится неудовлетворительной. Это можно объяснить тем, что при ослабленном магнитном потоке генератора больше сказывается реакция якоря генератора и непостоянное падение напряжения в щёточных контактах обеих машин, которое может быть значительным. Большое влияние на работу при низких скоростях оказывает также сопротивление самих последовательно включенных в цепь якорей обмоток генератора и двигателя.

Хотя механические характеристики системы Г-Д при регулировании напряжением параллельны, но по мере снижения скорости они становятся более мягкими. Действительно, абсолютное статическое падение скорости при номинальном моменте остаётся одним и тем же. А относительное падение скорости, выраженное а долях от скорости идеального холостого хода, увеличивается при снижении скорости идеального холостого хода. И в этом случае сравнительно малым колебаниям момента будут соответствовать значительные изменения скорости.

Нижний предел скорости ограничивается также и остаточным намагничиванием, а также возможными колебаниями нагрузки М_с=1.5÷2.0 М_н. На рис. 3.19 показано определение максимального диапазона регулирования скорости изменением напряжения на зажимах двигателе. В среднем E_ост=(3÷6)% от номинального напряжения. При низких скоростях остаточное напряжение может заметно влиять на величину скорости при заданном возбуждении генератора. И скорость двигателя становится практически не управляемой.

Всё это ограничивает возможность изменения напряжения генератора пределами 1:10. А изменение скорости за счёт ослабления магнитного потока двигателя возможно в пределах 1:3. Поэтому общий диапазон изменения скорости в обычной системе Г-Д без специальных мер не превышает 1:30.

Остаточное напряжение может также вызвать в цепи якорей возникновение тока, под действием которого в двигателе создаётся момент, достаточный для вращения исполнительного механизма на низкой «ползучей» скорости. Чтобы устранить это явление, при остановке двигателя обмотку возбуждения генератора переключают к зажимам его якоря так, чтобы за счёт остаточного напряжения в ней протекал ток, размагничивающий генератор.

Следовательно, в системе Г-Д используется двухзонное регулирование скорости (рис. 3.20):

I зона – изменением напряжения U

Ф_н.д. = const, Ф_г=var

I_я=const, M=const, P=ω·M=var;

II зона – изменением тока возбуждения двигателя

Ф_д<Ф_н.д., Ф_г=const

I_н=const, M=k·Ф_д·I_н<M_н, P=ω_н·M=const.

Торможение двигателей в системе Г-Д

Основной вид торможения – торможение с отдачей энергии в сеть. Если двигатель работает в зоне с ослабленным магнитным потоком, то процесс торможения осуществляется усилением тока возбуждения двигателя. При увеличении тока возбуждения его ЭДС становится больше напряжения на зажимах генератора Е>Е_г. Ток в цепи якорей при этом меняет направление (рис.3.21), и машины меняются ролями: двигатель превращается в генератор, а генератор, работающий при этом в двигательном режиме, ускоряет асинхронный двигатель и заставляет последний отдавать энергию в сеть. В таком виде процесс торможения может протекать до тех пор, пока магнитный поток двигателя не достигнет номинального значения. И дальнейшее торможение ведётся уменьшением тока возбуждения генератора. При этом ЭДС двигателя также будет больше напряжения генератора.

Торможение таким способом возможно почти до полной остановки. Процесс торможения (см. рис.            3.21)

Режим динамического торможения осуществляется в том случае, когда Ф_г=0, а значит Е_г=0. Соответствующие этому режиму характеристика проходит через начало координат и показана на рис. 3.21.

Преимущества системы Г-Д:

1) управление процессами пуска, регулирование скорости торможения и реверса перенесено в цепи возбуждения имеющие малые токи. Это облегчает и удешевляет аппаратуру управления;

2) отсутствуют громоздкие пусковые реостаты, а также соответствующие потери при пуске и торможении;

3) обеспечивается возможность плавного регулирования скорости в значительных пределах до 1:30;

4) категория регулирования двухзонное регулирование;

5) возможность торможения с рекуперацией энергии в сеть;

6) простота реверса без переключения в цепи якоря.

Недостатки:

Ещё посмотрите лекцию "2.4. Особенности инженерной защиты населения" по этой теме.

1) высокая установленная мощность, превышающая в 3 раза мощность двигателя;

2) высокая первоначальная стоимость машинного оборудования;

3) сравнительно низкий КПД вследствие 3-кратного преобразования энергии (η=75÷80%).

4) повышенная крутизна механических характеристик в зоне регулирования напряжением и в большей мере при регулировании потоком.

При больших мощностях реверсивных двигателей от простой системы Г-Д переходят к каскадной (двухступенчатой) с управлением в цепи подвозбудителей.

5) неустойчивая работа двигателя в зоне низких скоростей, ограничивающая диапазон регулирования скорости.