Моделирование динамики двигателей постоянного тока
Моделирование динамики двигателей постоянного тока
Моделирование динамики двигателей постоянного тока
Приводится пример компьютерного моделирования динамики двигателя постоянного тока с различными способами подключения обмотки возбуждения и добавочным сопротивлением в цепи якоря.
Электропривод всегда занимал ведущее место среди других видов приводов, применяемых в промышленности. Внедрение электропривода способствует автоматизации производственных процессов, повышению производительности и улучшению условий труда. Электропривод предполагает применение различных электрических машин.
Данная работа посвящена изучению возможности моделирования работы коллекторных двигателей постоянного тока современными компьютерными системами, а именно при помощи пакета прикладных программ Electronics Workbench 5.12 (EWB). Целью исследования является демонстрация возможности имитационного моделирования различных схем пуска, реверсировании и регулировании скорости двигателей постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения. Возможности названного программного продукта подробно описаны в ряде литературных источников [1, 2, 3]. Как известно он позволяет проводить моделирование, тестирование, разработку и отладку электрических схем.
Рис. 1 Графическое обозначение МПТ
Рис. 2. Задание параметров двигателя
Такие характеристики двигателя как сопротивление и индуктивность обмотки якоря сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения, номинальная скорость вращения ротора и т. д. задаются установкой параметров (рис. 2).
Обычно напряжение возбуждения отличается от напряжения в цепи якоря. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода.
Управлением скоростью вращения ротора, посредством изменения величины добавочного сопротивления в цепи якоря. Особенностью машин постоянного тока является то, что пускать такие двигатели прямым включением в сеть сопровождается появлением больших пусковых токов. Для ограничения пускового тока в цепь якоря включается пусковой реостат. Одновременно регулирование сопротивления в цепь якоря является одним из способов регулирования скорости ДПТ параллельного возбуждения. Ниже приводится несколько схем моделирования работы МПТ в названном режиме.
Рис. 3. Схема управления ДПТ с добавочным сопротивлением в цепи якоря.
На рис. 3 приведена типовая схема [4] реверсирования двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением с управлением скоростью вращения ротора, изменением величины добавочного сопротивления в цепи якоря. В представленной схеме реверсирование осуществляется за счет изменения направления тока в якоре двигателя Реверсирование обеспечивается срабатыванием одного из контакторов КМ1 либо КМ2. Переключатель SA1 задает направления вращения двигателя.
Рис. 4. EWB — модель схемы управления ДПТ.
Пример реализации рассмотренной выше схемы в EWB приведен на рис.4.
После начала моделирования пуск схемы осуществляется нажатием на клавишу [S] клавиатуры. Эта кнопка имитирует выключатели SB1 и SB2 на электрической принципиальной схеме (рисунок 3). Нажатием на [Space] осуществляется реверсирование двигателя.
Рис. 4 Осциллограмма тока якоря
Для проверки правильности работы двигателя к нему подключен вольтметр, условно выполняющий в данном случае роль датчика скорости. После запуска схемы (клавиша [S]) постепенно выводится сопротивление реостата R, нажатием на клавишу [R].
Изменение напряжения, фиксируемое вольтметром, означает изменение скорость вращения двигателя. Для того, чтобы наблюдать переходные процессы при пуске и реверсировании двигателя необходимо модернизировать схему – вместо вольтметра, фиксирующего выходное напряжение (число оборотов), подключить осциллограф
Пример результатов моделирования работы двигателя представлен на рис. 4.
Рис. 5 . Схема управления ДПТ с регулированием величины тока в ОВМ
После пуска двигателя в прямом направлении (рис.5) сопротивление в цепи якоря постепенно уменьшалось до значения в 55% от номинального (клавиша [R]).
Рис. 6. EWB-модель схемы управления ДПТ с параллельной ОВМ
Если включить в цепь якоря резистор с сопротивлением 1 Ом и второй канал осциллографа подключить так, чтобы контролировать напряжение на этом резисторе (рис.4), то можно контролировать форму и величину тока якоря при изменении сопротивления в цепи якоря. Как видно из рис. 4, ток якоря при выведении сопротивления из цепи якоря возрастает практически ступенчато. Ток якоря в начале каждой «ступеньки» несколько выше, чем установившееся значение тока при неизменном сопротивлении в цепи якоря.
Рис. 7. Результаты моделирования работы двигателя в прямом направлении.
Управление ДПТ с параллельной обмоткой возбуждения
Данный способ весьма экономичен за счет того, что потери на возбуждение у двигателя составляют всего (3-5)% от номинальной мощности. Достигается высокая плавность регулирования, так как реостат в цепи возбуждения может иметь большое количество ступеней.
Моделирование работы схемы рис. 6. для приведенного примера выполнено в следующей последовательности. После пуска двигателя в прямом направлении сопротивление в цепи возбуждения постепенно уменьшается до значения в 45% от номинального (клавиша [R]). Затем осуществляется реверсирование двигателя, и сопротивление в цепи возбуждения уменьшается до 15% от номинального значения. Результаты моделирования работы двигателя приведены на рис. 7.
Управление ДПТ с последовательной обмоткой возбуждения
Особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что ток возбуждения одновременно является и током нагрузки. При изменении нагрузки на двигателе будет изменяться величина тока возбуждения, а, следовательно, и величина магнитного потока двигателя.
Необходимо помнить о том, что недопустимо включать двигатели последовательного возбуждения в сеть в режиме холостого хода (без нагрузки на валу) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках частота вращения якоря резко возрастает, достигая значений, при которых возможно механическое разрушение двигателя.
На практике применяются обычно следующие способы регулирования скорости:
— регулирование скорости путем введения сопротивления в цепь якоря;
— регулирование скорости за счет изменения магнитного потока;
— регулирование скорости за счет изменения подводимого напряжения.
Ниже рассмотрен способ регулирования скорости ДТП последовательного возбуждения путем введения сопротивления в цепь якоря, рис. 8.
Рис. 8. EWB-модель схемы управления ДТП с последовательной ОВМ и переменным сопротивлением в цепи якоря
Как видно из рис. 8, для регулирования скорости в цепь якоря введен регулировочный реостат. При увеличении сопротивления в цепи якоря уменьшается частота вращения двигателя и также уменьшается ток якоря. Регулирование осуществляется вниз от основной скорости с уменьшением жесткости механических характеристик.
Рис. 9. Результаты моделирования работы двигателя последовательного возбуждения с переменным сопротивлением в цепи якоря
Диапазон регулирования составляет (2…3):1. Способ неэкономичен по причине больших тепловых потерь в реостате. Применяется в основном для регулирования скорости в грузоподъемных механизмах.
При введении сопротивления в цепь якоря рис. 9 ток якоря практически ступенчато уменьшается.
Рис. 10. Регулирования скорости двигателя постоянного тока последовательного возбуждения за счет изменения магнитного потока.
Для исследования способа регулирования скорости за счет изменения магнитного потока в пакете прикладных программ EWB необходимо собрать схему, представленную на рисунке 10.
В данном случае регулирование осуществляется вверх от основной скорости с уменьшением жесткости механических характеристик. Способ также неэкономичен и отличается низкой плавностью. Диапазон регулирования составляет (2…3):1.
Рис. 11. Результаты моделирования работы двигателя последовательного возбуждения с регулированием скорости за счет изменения магнитного потока.
Как видно из рисунка 11, ток якоря при изменении магнитного потока возбуждения практически ступенчато возрастает. Значение тока якоря в начале каждой «ступеньки» несколько выше, чем некоторое установившееся значение тока при данном сопротивлении в цепи якоря.
Регулирование скорости за счет изменения подводимого напряжения широко используется в тех случаях, когда два двигателя работают на общий механический вал. Иногда этот способ сочетают с первым способом. Это позволяет получить большее количество скоростей.
В работе была продемонстрирована возможность моделирования работы коллекторных двигателей постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения средствами пакета прикладных программ Electronics Workbench 5.12 . Показана возможность построения различных типовых моделей управления пуском, реверсирования и регулирования скорости двигателей постоянного тока. Получены примеры осциллограмм токов и напряжений в переходных процессах пуска, реверсирования и регулирования скорости. Результаты работы могут быть полезны при изучении динамики приводов на основе машин постоянного тока.
Библиографический список
Карлащук лаборатория на IBM PC.- М. : СОЛОН-Р, 2001.
Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: практикум на Electronics Workbench:в 2 т. /под общ. ред. – Т.1: Электротехника. – М.: ДОДЭКА, 1999. – 304 с., Т.2 : Электроника. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 288 с.
, , . Моделирование и анализ электрических цепей в EWB 5.0:.Учебное пособие. – Кострома: Изд-во КГТУ, 20с..
Рекус электротехника и основы промышленной электроники. Учеб. Пособие. — М. Высшая школа, 2006.
, Немцов электротехники. Учебник. — М. Высшая школа, 2005.
Modeling track record engines of the direct current
Что такое реверсирование двигателя постоянного тока
Электроснабжение предприятий и электропривод (курс лекций). В 2 ч. Ч. 1. Электропривод: учеб. пособие / [сост.: В. А. Агеев, В. О. Дронов, С. Н. Автаев]. – Саранск, 2014. – 112 с.
В учебном пособии приводятся основные теоретические сведения об электроприводе, механических характеристиках электродвигателей, способах регулирования угловой скорости электроприводов постоянного и переменного тока, переходных режимах в электроприводе, режимах работы и энергетике электропривода.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Энергообеспечение предприятий», направлений подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Электроэнергетика и электротехника».
1. Общие сведения об электроприводе
1.1. История развития электропривода
1.2. Электрический привод
1.3. Классификация электропривода
2. Механика электропривода
2.1. Приведение моментов и сил сопротивления, инерционных масс и моментов инерции
2.2. Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей
2.3. Уравнение движения электропривода
2.4. Время ускорения и замедления привода
3. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения
3.1. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения в двигательном режиме
3.2. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения в тормозных режимах
4. Механические характеристики двигателей постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения
4.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в двигательном режиме
4.2. Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения в тормозных режимах
4.3. Механические характеристики двигателя постоянного тока смешанного возбуждения
5. Механические характеристики двигателей переменного тока
5.1. Механические характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме
5.2. Механические характеристики асинхронного двигателя в тормозных режимах
5.3. Механические характеристики синхронного двигателя
6. Регулирование угловой скорости электроприводов
6.1. Основные показатели регулирования угловой скорости электроприводов
6.2. Регулирование угловой скорости электропривода с электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения
6.3. Регулирование угловой скорости электропривода с электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения
7. Регулирование угловой скорости электроприводов переменного тока
7.1. Регулирование угловой скорости электропривода с асинхронными электродвигателями
7.2. Регулирование угловой скорости электропривода с синхронными электродвигателями
8. Переходные режимы в электроприводах
8.1. Переходные режимы в приводах с двигателями постоянного тока независимого возбуждения
8.1.1. Пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения до основной скорости
8.1.2. Динамическое торможение двигателя постоянного тока независимого возбуждения
8.1.3. Торможение противовключением и реверсирование двигателя постоянного тока независимого возбуждения
8.2. Переходные режимы в приводах с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения
8.3. Переходные режимы в приводах с асинхронными двигателями
8.3.1. Пуск асинхронного двигателя до основной скорости
8.3.2. Торможение противовключением и реверсирование асинхронного двигателя
8.3.3. Динамическое торможение асинхронного двигателя
8.3.4. Рекуперативное торможение асинхронного двигателя
9. Энергетика электроприводов
9.1. Потери энергии в электроприводах постоянного и переменного тока
9.1.1. Общие сведения о потерях энергии в электроприводах
9.1.2. Потери энергии в электроприводах постоянного тока в переходных процессах
9.1.3. Потери энергии в электроприводах переменного тока в переходных процессах
9.2. Нагрев и охлаждение двигателя
9.3. Классификация режимов работы электроприводов
Устройство для реверсирования электродвигателя постоянного тока, питаемого от выпрямителя с управляющими сетками
в схемах реверсивного привода с электродвигателем постоянного тока, питаемым от управляемого ртутного выпрямителя, в том случае, если применяется один выпрямитель, в цепи якоря двигателя необдодимо иметь переключатель.
Схема управления этим переключателем должна обеспечивать: 1) включение переключателя при пуске в нужном направлении; 2) переключение переключателя при реверсировании двигателя; 3) автоматическое переключение при переходе двигателя с моторного режима на генераторный и обратно.
Предметом настоящего изобретения является устройство для реверсирования подобного привода, выполняющее указанные условия достаточно простым способом.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 которого изображена принципиальная электрическая схема привода, а на фиг. 2 и 3 — схемы оперативных цепей.
На чертеже имеются следующие обозначения: / — трансформатор, питающий выпрямитель; 2 — ртутный выпрямитель; 3 — сглаживающий сель; 4-приводной двигатель; 5 — электромагнит переключателя, работающий при включении «вперед (переключатель может быть собран из двух контакторов); 6 — электромагнит переключателя, работающий при включении «назад ; 5-1, 5-2 — главные контакты переключателя на стороне «вперед ; 6-1, 6-2 — главные контакты переключателя на стороне «назад ; 5-5, 5-4 — блокконтакты переключателя на стороне «вперед ; 6-3, 6-4 — блокконтакты переключателя на стороне «назад ; 7-/ — катущка постоянного тока дросселя насыщения; 7-2 — катушка переменного тока дросселя насыщения; 8 — минимальное реле переменного тока; 8-/, 8-2 — контакты реле 8; 9, 10 — промелхуточное реле; 9-, 9-2, 10-/, 10-2 — контакты реле 9 и 10; 11 — контакты «вперед командоконтроллера; 12 — контакты «назад командоконтроллера; 13 — контакты фазорегуляторов , включающиеся при движении «вперед ; 14 — контакты фазорегуляторов , включающиеся при движении «назад ; /5, 16 — вспомогательные шины постоянного тока; 17, 18 — вспомогательные шины переменного тока.
Устройство работает следуюш,им образом. При постановке командоконтроллера на любую ступень направления «вперед включается контакт 11, реле 9 возбуждается и его контакт 9-/ включает электромагнит 5 переключателя , а контакт 9-2 разрывает цепь второго промежуточного реле 10. Переключатель включается «вперед. При включении переключателя «вперед замыкается контакт 5-4 и восстанавливает цепь реле 10; одновременно размыкается контакт 5-5 и разрывается цепь электромагнита 6 переключателя , служаш,его для включения «назад.
При движении командоконтроллера «вперед начинают поворачиваться фазорегуляторы, управляюш,ие сетками выпрямителя, и их блокконтакты 13 включают реле 10. Контакты 10-2 реле 10 разрывают цепь реле 9, а контакты 10-1 подготовляют к включению электромагнит 6 переключателя.
Если при включении переключателя ток в якоре двигателя не возникнет или будет недостаточен, реле 8 не включится, и спустя некоторое время, определяемое выдержкой времени реле 9, последнее отпадает. Переключатель вернется в нейтральное положение , блокконтакт 5-3 замкнется и включит электромагнит 6; переключатель включится «назад.
Далее, если ток в якоре не возникнет , переключатель будет все время .переключаться из положения «вперед в положение «назад и обратно.
Если при включении переключателя «вперед возникнет достаточный ток, сработает реле 8 и питание реле 9 будет происходить через контакт S-/.
При уменьшении тока в цепи якоря двигателя реле 8 отпадает, реле 9 отключается и переключатель переключается , как описано выше.
При реверсировании командоконтроллер ставится на одну из ступенгй положения «назад и первое включение происходит в обратную сторону.
Дроссель насыш,ения 7-/, 7-2 служит для увеличения чувствительности минимального реле 8.
Таким образом, фактором, определяющим выполнение автоматического I переключения двигателя при переходе I с моторного режима на генераторный и обратно, в предлагаемом устройстве является сила тока в цепи якоря двигателя . При спадании тока в цепи якоря происходит автоматическое пере; ключение главного переключателя и : вся схема автоматически подготов; ляется к переключению в обратном наi правлении в случае уменьшения тока : при новом режиме.
1. Устройство для реверсирования электродвигателя постоянного тока, ; питаемого от выпрямителя с управляющими сетками, с применением реверсивного переключателя в цепи двигателя , командоконтроллера для дистанционного управления означенным переключателем и фазорегуляторов для управления сетками, отличающееся тем, что, с целью автоматического переключения цепи якоря в зависимости от режима двигателя, в цепях двух промежуточных реле 9 и 10, служащих для замыкания цепей электромагнитов 5 и 5 переключателя, распоI ложены контакты минимального реле I 5, действующего в зависимости от i тока нагрузки двигателя, контакты командоконтроллера и блокконтакты фазорегуляторов, включенные таким образом, чтобы переключения при реверсировании осуществлялись командоконтроллером , переключения при переходе двигателя с моторного режима на генераторный и обратно осуществлялись минимальным реле при I спадании тока в якоре двигателя до некоторой небольшой величины, и I после каждого переключения схема автоматически подготавливалась к переключению в обратную сторону.
2. В устройстве по п. /, при питании оперативной цепи переменным током , применение минимального реле переменного тока, последовательно с которым включен дроссель с подмагничивающей обмоткой, включенной в цепь двигателя.
Реверсирование и электрическое торможение асинхронных двигателей.
Для изменения направления вращения, реверсирования, асинхронного двигателя необходимо поменять местами два любых линейных провода, соединяющих трехфазную сеть со статором машины. При таком переключении порядок чередования токов в фазах изменяется на обратный, что вызывает изменение направления вращения поля и направления вращения двигателя. Схема реверсирования двигателя представлена на рис. 1; положения 1 и 2 рубильника соответствуют различным порядкам чередования токов в фазах и, следовательно, противоположным направлениям вращения двигателя.
Включение неподвижного двигателя в том или другом направлении производится путем включения рубильника в положение 1 или 2. При реверсировании двигателя на ходу путем переключения рубильника вначале происходит торможение от данной скорости до нулевой, а затем разгон в другом направлении. Такое торможение может быть использовано также для торможения при так называемом противовключении. При таком реверсировании или торможении у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором имеют место значительные токи. Поэтому исходя из условий нагрева для этих двигателей допустимо число реверсирований в час не более десятков. Для ограничения токов и увеличения вращающих моментов в цепь фазного ротора асинхронного двигателя вводят сопротивление.
Рассмотрим три основных способа электрического торможения асинхронных двигателей.
Торможение по способу противовключения, как было указано, производится при переключении двигателя на ходу. Магнитное поле при этом вращается в другую сторону относительно направления вращения двигателя, и вращающий момент двигателя является тормозным — действует против направления вращения.
Генераторное торможение имеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератором. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Генераторное торможение может быть также в подъемнике при спуске тяжелого груза, разгоняющего двигатель до скорости, превышающей синхронную; тогда машина начинает отдавать в сеть энергию, сообщаемою ей опускающимся грузом.
Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможении следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключение). Фиксации положения в конце при необходимости производится только с помощью механического тормоза.
При динамическом торможении обмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного или однофазного переменного токи. При этом возможны различные способы соединения фаз обмотки статора.
Обмотка статора, питаемая постоянным током, создает неподвижное магнитное поле. Аналогично тому, как при нормальной работе двигателя его вращающееся поле увлекает за собой ротор, неподвижное поле при динамическом торможении заставляет ротор быстро останавливаться. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Плавность торможения обеспечивается регулированием напряжения на зажимах статора, Тормозной момент двигателя с фазным ротором может регулироваться также реостатом в цепи ротора. Недостатком динамического торможения является необходимость наличия источника постоянного тока с низким напряжением.
