Основы электропривода: Учебное пособие

А. П. ЕПИФАНОВ
основы
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Издание второе, стереотипное
v
'
ДОПУЩВНО. . .
-
Учебно-методическим объединением ву.юе
по агроинженерному образованию
е качестве учебного пособил для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по специальности 110302 - .Электрификация
и автоматизация сельского хозяйства•
h
ЛАНЬ®
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ* МОСКВА • КРАСНОДА Р
2009
£Л - 82> ( о * £ . 8 )
ББК 31.261
Е 67
Е67
Епифанов А. П.
Основы электропривода: Учебное пособие. 2-е изд.,
стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2009. — 192 с.: ил. —
(Учебники для вузов. Специальная литература).
ISB N 978-5-8114-0770-5
В пособии рассмотрены следующие вопросы: механика электро
привода; электроприводы с двигателями постоянного тока, асинхрон
ными, синхронными, линейными, вентильными; энергетика электро
приводов в установившихся и динамических режимах; выбор элек
тродвигателя по мощности.
Учебное пособие предназначено для студентов аграрных высших
учебных заведений, обучающихся по специальности 110302 — «Элек
трификация и автоматизация сельского хозяйства». Может быть ре
комендовано студентам специальности 140106 — «Энергообеспечение
предприятий». Будет полезно для изучающих электропривод в рам
ках подготовки бакалавров по направлению электромеханика и электротехпологии.
ББК 31.261
Рецензенты: декан факультета электрификации и автоматизации
сельского хозяйства ФГОУ ВПО «БГАУ», профессор кафедры «Элек
трические машины и электрооборудование» Р. С. АИПОВ; доцент ка
федры ПЭЭСХ Челябинского ГАУ. к. т. н. Г. М. ГРАЧЕВ.
атындагы ПМУ-д1н
гкадемик С-Бейсембаев
атындагы былыми
К1ТАПХАНАСЫ
Обложка
А. 10. ЛАПШИН
Охраняется законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение всейкниги или любой ее части
запрещается без письменногоразрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
© Издательство «Лань», 2009
© А. П. Епифанов, 2009
© Издательство «Лань»,
художественное оформление, 2009
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с про
граммой общего курса «Электрический привод» для студентов
специальности «Электрификация и автоматизация сельского
хозяйства». В нем изложены основные вопросы теории элек
тропривода, его свойства и характеристики, способы регулиро
вания скорости и момента, энергетические показатели и пути
их повышения, выбор электродвигателя для основных номи
нальных режимов — SI, S2, S3.
При написании пособия были использованы учебники по
электроприводу М. Г. Чиликина и А. С. Сандлера, В. В. Мос
каленко, Ю. А. Сабинина и С. А. Ковчина, Н. Ф. Ильинского,
И. Я. Браславского, справочники по электроприводу, учеб
ники и статьи по электрическим машинам А. И. Вольдека,
М. П. Костенко, А. И. Важнова, Б. В. Сидельникова и др., а так
же работы автора по линейным асинхронным машинам.
Последовательность изложения материала мало отличается
от принятой в учебниках. С учетом развития приводной техни
ки больше внимания уделено частотно-регулируемому асинхрон
ному приводу, линейному и вентильному. При этом использова
лись материалы по оборудованию фирм SEW, ABB, HITACHI,
Триол и др., материалы ежегодной выставки «Электротехника и
энергетика» (Санкт-Петербург), публикаций в технических
журналах.
Приводятся примеры решения некоторых задач, справоч
ные данные о преобразователях частоты фирмы SEW и iGBTтранзисторах. В приложениях приведены некоторые данные по
физическим свойствам материалов.
Все замечания и пожелания по содержанию пособия будут
с благодарностью приняты по адресу: 196608, СПб. — Пушкин,
Петербургское шоссе, 2. СПбГАУ.
ВВЕДЕНИЕ
Уровень развития промышленности, сельского хозяйства,
транспорта, жилищно-коммунального хозяйства во многом
определяется степенью использования современных систем
электропривода. При этом применение регулируемых автома
тизированных приводов обеспечивает не только преобразова
ние электрической энергии в механическую, но и управление
технологическими процессами.
В настоящее время электроприводы потребляют до 70%
всей вырабатываемой электроэнергии, поэтому в этой сфере
заложен основной потенциал энергосбережения. Вопросы эко
номного расходования топливно-энергетических ресурсов,
снижения энергоемкости продукции становятся все более ак
туальными для развития мировой экономики в связи с ростом
цен на энергоносители и опережающим ростом энергопотреб
ления. Известно, что энергосбережение путем внедрения но
вейших оборудования и технологий является и наиболее эко
номичным, и экологически безопасным способом решения
проблем энергоснабжения, так как затраты на экономию 1 кВт
мощности в 3 +4 раза меньше затрат на вновь вводимый 1 к Вт
мощности.
Создание современных электроприводов базируется на
использовании достижений силовой электротехники и, преж
де всего, полностью управляемых полупроводниковых прибо
ров-транзисторов, микроэлектроники и компьютерной техни
ки. Массовый выпуск силовых транзисторов (iG ВТ, MOSFET
и др.) позволил создать надежные и относительно дешевые ре
гулируемые электроприводы переменного тока (асинхронные
ВВЕД ЕН ИЕ
5
и вентильные) мощностью от нескольких ватт до тысяч кило
ватт, обладающие высокими регулировочными, энергетиче
скими и динамическими характеристиками. Такие системы в
развитых странах выпускаются десятками миллионов экзем
пляров и являются стандартным промышленным оборудова
нием.
Во всем мире наблюдается явная тенденция роста доли
частотно-регулируемого асинхронного привода на основе де
шевых и надежных короткозамкнутых двигателей в диапазо
не мощностей до 100 кВт. При больших значениях мощности
альтернатива этому — вентильный привод на базе синхрон
ных машин с постоянными магнитами. Диапазон малых мощ
ностей (до сотен ватт), что характерно для бортовых электри
ческих машин автомобилей, самолетов, аудио- и видеотехни
ки, также занят в основном вентильными приводами. Они
позволили существенно повысить надежность (отсутствие
скользящего контакта), энергетические и массогабаритные
характеристики.
Механизмы сельскохозяйственного производства отли
чаются широким диапазоном изменения приводных харак
теристик: технологических, энергетических, механических,
инерционных; режимов работы и нагрузочных диаграмм. По
этому здесь используются различные системы электропри
водов постоянного и переменного тока, удовлетворяющие пе
речисленным выше требованиям по характеристикам. Кроме
того, электроприводы в сельском хозяйстве зачастую работа
ют в помещениях с высокой влажностью, запыленностью и
содержанием химически активных веществ. При этом пита
ние иногда осуществляется от маломощных источников элек
троснабжения (слабые протяженные сети, автономные элек
тростанции) , что особенно влияет на работу асинхронных дви
гателей — снижаются пусковой и максимальный моменты, что
может привести к невозможности прямого пуска двигателя.
Вопросы электропривода сельскохозяйственных машин и
механизмов рассматриваются в основном в специальной лите
ратуре. Можно констатировать, что в этойсфере растет исполь
зование автоматизированного привода, в основном частотно
регулируемого асинхронного. Это позволит снизить долю руч
ного труда и повысить конкурентоспособность продукции.
IlHIIIIOIHHniHHIHIHIIIHHIHIIIIIilHHIIIiltlHIIHtiKlllHfflllfllHHIIHillllllinilRRHIIIIIIIBniieilllHIIIIRIIIflllHillOlllllffllRRIIItllfltllllllfllfllltiniillinmiHlllflll
ГЛАВА 1
МЕХАНИКА
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
i.i.
ЭЛЕКТРОПРИВОД.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СТРУКТУРА
И КЛАССИФИКАЦИЯ
Под электроприводом понимают электромеханическую сис
тему, состоящую из электродвигательного, преобразовательно
го и управляющего устройств, предназначенных для приведе
ния в движение исполнительных органов рабочей машины и
управления этим движением. Иными словами, электропри
вод —это управляемое электромеханическое преобразование
энергии [1,2,3,4,5].
Основным элементом электропривода является электро
двигатель, который преобразует электрическую энергию в ме
ханическую (в тормозных режимах наоборот — механическую
вэлектрическую). Управление электроприводом с цельюобес
печения требуемого характера движения в оптимальных ре
жимах работы машин по производительности, точности, эко
номичности осуществляется с помощью соответствующих пре
образовательных и управляющих устройств, определяющих
работу непосредственно электродвигателя.
Структурная схема автоматизированного электропривода
приведена на рисунке 1.1 [4J. Основные элементы этойсхемы:
ИЭЭ — источник электрической энергии (ЭЭ), сеть пере
менного или постоянного тока, автономный источник электро
энергии— дизель-генератор, аккумуляторная батарея и т. д.;
ПУ — преобразовательное устройство, предназначено для
питания двигателя электроэнергиейс различными параметра
ми (напряжение U и частота/при переменном токе, напряже
ние U — при постоянном). На практике используются: выпря
мители, управляемые и неуправляемые; широтно-импульсные
преобразователи; тиристорные регуляторы напряжения (ТРН);
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
7
преобразователи частоты (ПЧ)
■=. иээ
ЭЭ
СУ
для питания асинхронных и
синхронных двигателей и др.;
I/,
-------п у ZZZZ у у
ЭД — электрический дви
гатель постоянного или пере
ЭЭ
менного (асинхронный, син
<2. мэ
мэ
эд
МПУ
ио
хронный) тока; вращающийся,
шаговый, линейный, электро
Рис. 1.1
магнитный; преобразует элек
Структурная схема
автоматизированного
трическую энергию в механи
электропривода
ческую (МЭ);
У У — управляющее устройство, управляет работой П У по
командным сигналам задающего устройства (ЗУ) и обратных
связей о состоянии электропривода и технологического про
цесса. В УУ сигналы обратных связей сравниваются с задан
ными и при наличии рассогласования вырабатывается сиг
нал, воздействующий на преобразователь ПУ, электродвига
тель ЭД, устраняя таким образом рассогласование.
Перечисленные элементы относятся к электрической час
ти привода (ЭЧ).
Механическая часть (МЧ) привода включает в себя: сам
рабочий механизм (РМ) или исполнительный орган (ИО),
который приводится в движение электродвигателем через ме
ханическое передаточное устройство (М ПУ). МПУ может
изменять вид движения, например вращательное в поступа
тельное или возвратно-поступательное (пара «винт-гайка»,
кривошипно-шатунный механизм), изменять скорость и мо
мент (редуктор, ременная, цепная и другого вида передача)
и т. д. Отметим, что ротор двигателя относится и к механи
ческой части, и учитывается при расчетах моментов и сил
инерции.
Электроприводы классифицируются по различным при
знакам: по способу распределения механической энергии; по
роду тока, то есть типу электродвигателя; по уровню автома
тизации; по роду передаточного устройства (МПУ); по степе
ни управляемости; по виду движения.
По способу распределения механической энергии электро
приводы делят на три типа: групповой, индивидуальный и
взаимосвязанный.
8
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Групповой привод обеспе
чивает движение нескольких
исполнительных органов ма
шин с помощью одной или не
скольких трансмиссий. В на
стоящее время практически не
используется.
Индивидуальный привод,
самый распространенный, об
Рис. 1.2
Схема многодвигательного
ладает целым рядом преиму
электропривода
ществ по сравнению с группо
вым по управляемости, экономичности, ремонтопригодности,
взаимозаменяемости, комплексной автоматизации технологи
ческих процессов.
Взаимосвязанный электропривод содержит два или не
сколько электрически или механически связанных между со
бой электродвигательныхустройств (ЭП), при работе которых
поддерживается заданное соотношение скоростей, нагрузок,
положения исполнительных органов. В качестве примера на
рисунке 1.2 представлен привод цепного конвейера. Здесь дви
гатели имеют вынужденно одинаковую скорость. Такой при
вод может быть назван и многодвигательным, он позволяет
равномернее распределить статические и динамические на
грузки при работе.
По роду тока различают электроприводы постоянного и
переменного тока (или с двигателями постоянного или пере
менного тока).
По степени управляемости электропривод может быть:
нерегулируемым, когда скорость не регулируется и может из
меняться лишь под действием нагрузки, и регулируемым,
когда в процессе работы скорость изменяется по сигналам
управляющего устройства или поддерживается постоянной
(режим стабилизации скорости).
По роду передаточного устройства (МГ1У) привод может
быть редукторным и безредукторным.
По уровню автоматизации различают привод неавтома
тизированный, автоматизированный, автоматический. На
практике в большинстве случаев применяются автоматизиро
ванный и автоматический электроприводы.
эп
С гО
с| г |
9
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1. 2-
ПРИВЕДЕНИЕ МОМЕНТОВ
И СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ,
ИНЕРЦИОННЫ Х МАСС
И МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ
Электродвигатель приводит в действие производственный
механизм, как правило, через систему передач, отдельные эле
менты которойдвижутся с различными скоростями (рис. 1.3) [6].
При этом одни элементы могут совершать вращательное дви
жение, другие — поступательное (рис. 1.3, в, г, д), причем они
часто связаны упругими звеньями — канатами, цепями, рем
нями, длинными валами, а в соединениях звеньев имеются
воздушные зазоры. С учетом указанных факторов расчетная
-й
к
т
-Ф=
Ш
S
AL
Р
В
о ©4
12
‘
)i
П
'Hr
11
N
Г
/
-г=я ПТ-J?2
'I
i-*■
-п _
и
м:У"
ъ
UJ
Рис. 1.3
Кинематические схемы электроприводов:
а, б — с вращательным движением исполнительного органа; в, г, д — с поступательным
движением исполнительного органа.
10
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы ЭЛЕК ТРОП РИВОД А
ш, М
J, М'
эд
А
электропривода:
а — реальная; б — приведенная расчетная. гио, F„„ — скорость и сила сопротивления
исполнительного органа.
схема механической части привода представляется весьма
сложной, особенно для расчета динамики системы.
Для инженерных расчетов в большинстве практических слу
чаев пренебрегают упругостью звеньев и зазорами, представ
ляя механические связи абсолютно жесткими. При этом допу
щении движение одного элемента дает полную информацию о
движении всех остальных звеньев, поэтому сложную расчет
ную схему механической части привода можно свести к одно
му обобщенному жесткому звену (одномассовая система) типа
(рис. 1.3, а). В качестве заданного звена принимают обычно вал
двигателя. Такая система (рис. 1.4) имеет эквивалентную мас
су т или момент инерции J, на нее действует электромагнитный
момент двигателя Мяв и суммарный приведенный к валу двига
теля м омент сопротивления Мс, включающий все механиче
ские потери, в том числе и механические потери в двигателе.
Сами моменты сопротивления делят на две категории:
1 ) реактивные моменты;
2 ) активные или потенциальные моменты.
Реактивные — это моменты от трения, препятствующие
движению привода и изменяющие свой знак при изменении
направления движения.
Активные — это моменты от силы тяжести, сжатия, растя
жения и кручения упругих тел. Потенциальными их называ
ют потому, что они связаны с изменением запаса потенциаль
ной энергии отдельных элементов привода. Они сохраняют
свой знак при изменении направления движения, могут быть
как тормозными, так и движущими.
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
11
ОСНОВН Ы Е СООТНОШ ЕНИЯ
М ЕХАНИКИ
Для установившегося поступательного движения — рабо
та (энергия) силы ^ н а пути dx за время dt
dA = Fdx.
(1-1)
Развиваемая силой /^мощность
p = dA _^Fcb=Fu
dt
dt
Для вращательного движения
(1.2):
v '
dA = Frda. = Mda,
(1-3)
p = dA = Mda = M(a
( 1.4 )
dt
dt
где а —угол поворота; г — радиус; М = Fr — момент; (о — угло
вая скорость.
При ускорении или замедлении привода имеют место из
быточные (динамические) момент или сила, которые опреде
ляются по второму закону Ньютона:
/'лин = т а - m—
j—.
дш
dt
(1 -5)
Знак силы определяется знаком ускорения — .
dt
Энергия, затраченная на преодоление силы Рлт на участ
ке от 0 до х, при достижении скорости v равна запасу кинети
ческой энергии:
,
_
_
тп&
W
и
а\
ККДНН= W
КККИН- ти
2 ’
( l.b)
Аналогично при вращательном движении
Mwu=je = jj± ,
(1-7)
^ = ^ = 4 -
(1-8>
где J = \r2dm — момент инерции тела массой т.
т
В таблице 1,1 приведены расчетные формулы для опреде
ления моментов инерции часто встречающихся вращающих
ся тел.
12
Л. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Т а б л и ц а 1.1
Моменты инерции типичных вращающихся тел
Тело
Расположение
оси вращения
Момент инерцииJ
Круглое кольцо, тонкое.
Полый цилнндр,
тонкостенный
Перпендикулярно
плоскости кольца
J = пи2
Сплошной цилиндр
Продольная ось
Я ^ Л И -2
Полый цилиндр,
толстостенный
Продольная ось
Круглыйдиск
Перпендикулярно
плоскости диска
J ~\пиЛ
Круглыйдиск
Ось симметрии в
плоскости диска
J = 1 /^
4
Шар
Через центр
2
О
/ш=—
тг0
Сфера
Через центр
Стержень, тонкий
(длина 1)
Перпендикулярно
стержню, в середине
+»#)
/ = 1 инЛ
/ = А Ы2
Если ось вращения не про
ходит через центр тяжести тела
(рис. 1.5), то момент инерции
относительно оси Л определяет
ся по формуле
Ja -Js +o2™’
Рис. 1.5
К определению
м ом е н т а инерции
0-9)
где Js — момент инерции отно
сительно оси S; а. — расстояние
между параллельными осями.
Приведение моментов сопро
тивления к валу двигателя про
изводится на основе энергетического баланса. При этом потери
мощности в промежуточных звеньях (зубчатые или другого
типа передачи) учитываются введением в расчеты соответст
вующего КПД (табл. 1.2).
На основе баланса мощностей получим:
1
13
ГЛ А В А 1: М Е Х А Н И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
откуда
..
М с = М си^ * ~ — = ^ - ,
®ДВ Л»
(1.10)
«Ь
где Мс„ — момент сопротивления производственного механиз
ма; Мс — тот же момент, но приведенный к валу двигателя
(к скорости вала двигателя); i = —— — передаточное число;
(Ом
т|„ — КПД передачи.
Следовательно, величина Мс может быть как больше Мяв,
так и меньше, в зависимости от значения передаточного отно
шения (аналогии: рычаге различными соотношениями плеч;
трансформатор понижающий и повышающий).
При наличии нескольких передач между двигателем и ме
ханизмом (см. рис. 1.3, б) с передаточными числами ц, щ, 13,
..., i„ и КПД Tij, г\
2, Лз..... Лп приведенный момент сопротивле
ния будет
Мс = Мем’■
!— :— :--t------ ------.
h b h - in
( 1 .1 1 )
Л1 Л2 Лз-Л»
Если вращательное движение двигателя преобразуется в
поступательное движение рабочего механизма, то приведе
ние сил сопротивления производится аналогично (см. рис.
1.3, в, г, д).
Таблица 1.2
Значения КПД механических передач
Тип передачи
КПД
Зубчатая с цилиндрическими колесами
0,93 +0,98
Зубчатая с коническими колесами
0,92 +0,97
Цепная закрытая
0,95 +0,97
Цепная открытая
0,90 +0,93
Фрикционная закрытая
0,90 +0,96
Ременная
0,95 +0,96
Червячная самотормозящая
0,25 +0,4
Червячная несамотормозящая при числе заходов червяка
Z= 1
0,65 +0,70
Z= 2
0,70 +0,75
Z=3
0,80 +0,85
Z =4
0,85 +0,90
14
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
\
Ш
(1.12)
= /Гси^--.
Лв
где Fm — сила сопротивления механизма.
Приведенный момент
М. = - ^ ~ .
(1.13)
мдвт)п
Если вращательное движение приводится к поступатель
ному, то приведенная сила
Мставг\
п
F
(1.14)
■
*гм =■
Приведение моментов инерции к одной оси вращения так
же основано на законе сохранения энергии, а именно: сум
марный запас кинетической энергии движущихся частей, от
несенный к одной оси, остается неизменным. При этом
СО?
(1.15)
........ 2
2
" дв 2 " 1 2 ' 2
Отсюда суммарный момент инерции, приведенный к валу
двигателя
цдв
ш2
+/? •
СОя,
СО*,
2
(1.16)
где / дв — момент инерции ротора двигателя и других элемен
тов, установленных на валу.
При наличии масс, движущихся поступательно (см. рис.
1.3, в, г, д), приведение выполняется аналогичным образом
Л®ДВ
mv‘
г
J -т-
V
\
2
(1.17)
^пп
При наличии вращающихся и поступательно движущих
ся элементов суммарный приведенный момент определяется
на основании (1.16) и (1.17)
1
(1.18)
/ = / дв+/1^ г+/27212'+^ 3 *2 *2" *2 +...+т со„
h Щ
h ‘*2 '*з
Таким образом, в результате приведения реальная кине
матическая схема заменяется расчетной энергетически экви
валентной одномассовой схемой (см. рис. 1.4).
15
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1.3.
УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Работа электропривода часто сопровождается изменени
ем скорости движения его звеньев, что вызывается рядом при
чин: колебаниями механической нагрузки, включением и вы
ключением пусковых и тормозных резисторов, изменениями
напряжения питания, воздействиями со стороны системы
управления и т. д. При этом привод ускоряется или замедля
ется, появляются инерционные (динамические) силы или мо
менты, которые двигатель должен преодолевать, находясь в
переходном режиме. Таким образом, переходный режим — это
режим работы при переходе от одного установившегося со
стояния к другому, когда изменяются скорость, момент, ток и
др. Исследование характера движения рабочего органа про
изводится, как правило, на основе решения уравнения дви
жения. Уравнение движения электропривода должно учиты
вать все силы и моменты, действующие в установившихся и
переходных режимах.
Согласно уравнению равновесия сил и моментов получим
для поступательного и вращательного движения [2, 3,4, 5]
F - F c = m ^- ;
с
dt
(1.19)
с
dt
где Fc и Мс, m n J — приведенные сила и момент сопротивленамические (инерционные) составляющие силы и момента;
F, М — сила, момент двигателя.
Сама электрическая машина (двигатель) в системе приво
да может работать в двигательном (знак «+») итормозном (знак
«-») режимах, поэтому (1.19) в более общем виде запишется
±F +FC
at
±M + MC=±J
( 1.20 )
at
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
16
Выбор знаков в (1.20) зависит от режима работы двигате
ля и характера моментов сопротивления. Из анализа (1.19,
1.20) видно, что при J = const:
1) М > Мс,
= е > 0, имеет место разгон (ускорение) приof
вода, электрическая энергия преобразуется в механическую;
2) если М < Мс, 5 ^< 0 , имеем замедление (торможение)
at
привода;
3) при М = Мс, dm = 0 привод работает в установившемся
at
режиме.
Динамический момент проявляется только во время пере
ходных процессов, когда изменяется скорость привода (ана
логия: ЭДС самоиндукции e = L^- будет только при измене
нии тока), он определяется алгебраической суммой моментов
двигателя и сопротивления как по величине, так и по знаку.
Интегрированием уравнения (1.19) определяют время пе
реходных процессов при заданных возмущающих воздейст
виях (изменение Мс, напряжения и др.).
Разделив переменные, получим
( 1.21 )
dt =■ J-d(0
М -М с
Время изменения скорости от СО] до (02
Jd o i
1.2 -I
( 1.22 )
м-мс
Для решения этого уравне
ния необходимо знать механи
ческие характеристики двигате
ля и механизма, то есть оз(М) и
о (Мс). При допущении, что М =
- const, Мс = const, J = const
7(0)2-ОН)
(1.23)
1\
,г-■
м-мс
Рис. 1.6
График пуска- электропривода
По этому выражению мож
но определить время пуска дви
гателя, ПрИНЯВ (0( =0, 0)2 = 0)„,
М = М„ = const (рис. 1.6).
17
ГЛАВА 1. М ЕХАНИКА Э ЛЕК ТРОПРИВОДА
Для пуска на холостом ходу Мс = О ((О2 ~ coq) при М„ = const
, _7(Оо
( 1 .2 4 )
М„
При замедлении привода динамический момент имеет отрицательное значение, то есть М -М с = dco или же двига
ем
тель развивает положительный момент, но по величине мень
шиймомента сопротивления. В этом случае время торможения
ТJ
/асо
_ “Iг Jdw
J -1М
МЛ J
J м+м,
-(М +
+Мс)
, _ г
h
( 1 .2 5 )
“г
<01
В случае М = const, Мс = const
получим (рис. 1.7):
Lf-J
СО) -0>2
М +М.
( 1 .2 6 )
Из рисунков 1.6, 1.7 видно,
что при принятых допущениях
зависимости со(£) являются пря
мыми, наклон которых зависит от
момента (М -М с) или (М +Мс)
и момента инерции.
Если о>(М) и со(Мс) явля
ются сложными функциями, то
Рис. 1.7
Граф ик торм ож ения
уравнение движения привода
электропривода
( 1 .2 0 ) аналитически не решает
ся. В таких случаях пользуются
приближенными графическими
или графоаналитическими ме
тодами решения [2,3,4,5].
П р и м е р . Оценить время
разгона вхолостую асинхронно
го двигателя, имеющего харак
теристику со(М), показанную на
рисунке 1.8. При этом: соо =
= 314 рад/с, М „ = 8 0 Н м макг.имальный момент М , = 1 2 <ffcНоряйгыров
Рис. (.8
момент инерции р этораыА^ае*
= 0,2 кгм2.
академик С.Бейсе^Щ^Уг"времени
при пуска.
е
0
Я Ш атындагы гылыми
К1ТАПХАНАСЫ
18
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Точное определение времени пуска затруднено из-за не
линейной характеристики со(М). Если момент за время пуска
усреднить, то есть реальную характеристику заменить прямо
угольной, когда М„ = Мср = const, то получим из (1.23,1.24):
где
Мср = М *± М *. = 120+80 = 100Нм.
ЮОН •м
Очевидно, что минимум времени разгона имеет место при
наибольшем ускорении. Пусть Мс = const, а КПД механиче
ской передачи (редуктора) равен единице, тогда (1.19) может
быть записано в виде
(1.27)
где Мно — момент нагрузки исполнительного органа.
Отсюда ускорение исполнительного органа
£lIO
_do)uo _ M-iy-М ао
1. — ж .О ж
(1.28)
Максимум ускорения будет при ~гг-= 0. В итоге получим
din
р
оптимальное значение передаточного отношения:
(1.29)
Отметим, что величина приведенного момента инерции J
механизма учитывает и моменты инерции передач — зубча
тых колес, валов, промежуточных муфт. Кроме того, (1.29)
дает оптимальное передаточное отношение только по макси
муму ускорения без учета других факторов.
Если Мс С М, то (1.29) запишется в виде
(1.30)
Из (1.30) очевидно, что чем больше момент инерции про
изводственного механизма
по сравнению с Удв, тем выше
должно быть передаточное число ipредуктора. Вопрос выбора
передаточного числа редуктора особенно важен в приводах,
работающих в повторно-кратковрембнных режимах S3.
19
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1.4.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Механической характеристикой производственного меха
низма называют зависимость между приведенными к валу дви
гателя угловой скоростью и моментом сопротивления (0 (Мс).
Различные механизмы имеют различные механические харак
теристики, однако большинство из них с достаточной точно
стью описывается эмпирической формулой
- Мо +(Мсн - М0) ■
со„
(1.31)
где Мо — момент холостого хода механизма; Мс — момент со
противления при скорости со; Мси — момент сопротивления
(номинальный) при номинальной скорости сон; х — показа
тель степени, определяющий тип характеристики.
1. При х = 0 момент не зависит от скорости, то есть Мс = const
(рис. 1.9, прямые 1,2). Такой характеристикой обладают подъ
емные механизмы, насосы при постоянстве напора, конвейе
ры при неизменной массе перемещаемого материала и др.
2. П рих= 1 имеем линейно-возрастающую характеристи
ку (прямая 3, рис. 1.9). Такой характеристикой обладает ге
нератор постоянного тока независимого возбуждения при ра
боте на сопротивление R = const при iB= const, со = var.
3. Нелинейно-спадающая характеристика (кривая 4, рис.
1.9) при х - -1, то есть момент сопротивления изменяется об
ратно пропорционально скоро
сти (гиперболическая функция).
При этом мощность Р = Мш ос
тается постоянной.
4. Нелинейно-возрастающая
(параболическая) характеристи
ка (кривая 5, рис. 1.9) при х = 2,
когда момент сопротивления про
порционален квадрату скорости,
М sco2. Такой характеристикой
Рис. 1.9
обладает большинство ТурбоJг
механизмов: турбокомпрессоры,
Механические характеристики
производственных меха низм ов
(исполнительных органов)
20
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
насосы, вентиляторы. При этом
мощность Р = М о = (О3. Отметим
лишь, что указанная зависимость
имеет место в режимах, когда рас
ход Q = со, а напор (давление)
Я н ш 2 [6,41].
Характеристики, показанные
на рисунке 1.9, представляют со
бойнекоторые идеализированные,
Рис. 1.10
теоретические зависимости. Ре
Естественные механические
характеристики
альные механические характери
электродвигателей
стики имеют более сложный вид.
Механическая характеристика вращающегося электродви
гателя — это зависимость угловой скорости от вращающего
(электромагнитного) момента, то есть со(Л/). Для машин по
ступательного движения (линейные двигатели) — зависи
мость скорости от развиваемого усилия — v(F). Большинство
электродвигателей обладают спадающей механической харак
теристикой, когда с увеличением момента скорость убывает
(рис. 1.10).
Различают естественную и искусственные механические
характеристики. Естественной называют характеристику, со
ответствующую основной схеме включения при U = U„ и при
отсутствии в обмотках (электрических цепях) дополнитель
ных элементов — сопротивлений, индуктивностей, емкостей.
Кривая 4, изображенная на рисунке 1.10, — характеристика
синхронного двигателя, когда (О= const при М = var; 1 — дви
гателя постоянного тока независимого возбуждения; 2 — дви
гателя постоянного тока последовательного возбуждения; 3 —
асинхронного двигателя; 5 — характеристика, при которой
М = const с изменением скорости. Такой характеристикой об
ладают двигатели постоянного тока независимого возбужде
ния при питании от источника тока, то есть /а = const.
Искусственные механические характеристики получают
при U ЩU„, fid / н, или введением в цепь обмоток дополнитель
ных элементов. Таких характеристик может быть много. Сле
дует особо отметить, что КПД двигателей, работающих на ес
тественной характеристике, имеет значения т] = (0,8 + 0,98), а
на искусственных, в зависимости от способа регулирования,
21
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
КПД может быть значительно меньше. Эти дополнительные
потери связаны, как правило, с регулированием.
Для всейсистемы привода КПД во многом зависит и от типа
механического передающего устройства (МПУ) (см. рис. 1.1)
и в некоторых случаях может быть значительно ниже КПД
двигателя. Например, использование одноступенчатого чер
вячного редуктора для получения низких скоростей снижает
КПД привода до =0,5 и ниже.
Жесткость механической характеристики электроприво
да — это отношение изменения момента к изменению скорости
о _ <LM _ АМ
(1.32)
d(o Дш ’
Отсюда следует, что характеристика синхронного двигате
ля (рис. 1.10, прямая 4) является абсолютно жесткой (Доз = 0,
Р = °°); двигателя постоянного тока независимого возбужде
ния (прямая 1) — жесткой, а с последовательным возбужде
нием (кривая 2) — мягкой; характеристика асинхронного дви
гателя (кривая 3) имеет переменную жесткость, на рабочем
участке она жесткая; характеристика типа 5 — абсолютно мяг
кая, ДА/ = 0, Р = 0.
Таким же образом можно определить и механические ха
рактеристики производственных механизмов (см. рис. 1.9):
прямые 1,2 — абсолютно мягкие; прямые 3 ,5 — имеют поло
жительную жесткость; прямая 4 — мягкая, с отрицательной
жесткостью.
Совмещение характеристик двигателя и производственно
го механизма (рис. 1 . 1 1 ) дает представление об условиях вы
полнимости установившегося реш
1
жима, когда М = Мс,
= 0. На
рисунке 1 . 1 1 ,а представлены ме
ханические характеристики вен
тилятора (кривая 1) и двигате
ля постоянного тока независи
мого возбуждения (кривая 2).
Точка А является точкой устой
чивого установившегося режима,
здесь М = Мс. Устойчивым бу
дет режим, когда привод, будучи
ш
2
0
м '
м ,уст
Рис. 1.11
М"
м
Определение параметров
установившегося режима
22
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
выведенным из установившегося режима внешним возмуще
нием, возвращается в эту точку после исчезновения возмуще
ния. Если внешнее воздействие привело к росту скорости до
со7, то момент двигателя снижается до М'. Появился отри
цательный динамический момент Млии
<0,
привод тормозится до скорости соуст (точка Л). Если возмуще
ние вызовет снижение скорости до со", момент двигателя воз
растает до М", динамический момент Мдин > 0, скорость уве
личится до соус. (точкаЛ). Таким образом, режим работы вточке А является устойчивым.
Из сказанного выше следует, что необходимым и доста
точным условием устойчивости установившегося режима яв
ляется
^- < 0.
(1.33)
Асо
Можно воспользоваться понятием жесткости характери
стик двигателя и приводного механизма, тогда условие устой
чивой работы
Р - рс < 0 или р < Рс.
(1-34)
Для рассмотренного случая Рс > 0 (см. рис. 1.11), поэтому
устойчивость определяется знаком жесткости характеристи
ки двигателя.
О
1.5.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
РЕГУЛИРОВАНИИ КООРДИНАТ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
При работе электропривода в зависимости от типа произ
водственного механизма (или характера нагрузки), предъяв
ляемых требований по скорости, ускорению, току, моменту
и т. д. функции регулирования движением исполнительного
органа возлагаются обычно на электродвигатель и систему
управления. В некоторых случаях используется сочетание
электрического и механического (ip = var) способов регули
рования. В теории электропривода механические (со, е, угол
поворота ф), электрические и магнитные (U ,M ,I,P = Мсо, маг
нитный поток Ф) величины называют координатами, или ре
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
23
гулируемыми величинами, переменными. Регулирование ко
ординат должно осуществляться как в установившихся, так и
в переходных режимах, причем зачастую электропривод дол
жен обеспечивать регулирование одновременно нескольких
координат.
Регулирование скорости как основной выходной коорди
наты привода может осуществляться в разомкнутых и замк
нутых автоматизированных системах управления. Отметим,
что под регулированием следует понимать и поддержание ско
рости на заданном уровне (стабилизация) при колебаниях,
например, момента нагрузки.
Высокие качественные показатели регулирования скоро
сти достигаются в замкнутых системах (см. рис. 1.1), в кото
рых воздействие на двигатель осуществляется изменением
параметров электроэнергии на выходе преобразовательного
устройства (ПУ): напряжения для двигателей постоянного тока,
напряжения и частоты — для двигателей переменного тока. Для
этого служат различные ПУ: управляемые выпрямители (УВ),
широтно-импульсные преобразователи (Ш ИП), статические
преобразователи частоты на современных полупроводниковых
приборах (iGBT, например), позволяющие изменять напряже
ние и частоту. Регулирование скорости характеризуется сле
дующими основными показателями [4, 5, 8].
1.Диапазон регулирования Д определяется отношением
максимальной и минимальной скоростей Д =
— при заданCQmin
ных пределах изменения нагрузки (момента) на валу двига
теля. На практике работают электроприводы с диапазоном от
Д = 2 -fe4 до 1000 и более, в зависимости от типа механизма.
2. Направление регулирования определяется расположе
нием получаемых искусственных характеристик относитель
но естественной. Если они находятся выше естественной, го
ворят о регулировании вверх, если ниже — о регулировании
вниз. Если искусственные характеристики располагаются и
выше и ниже естественной, то регулирование называют двух
зонным.
3. Плавность регулирования определяется расположени
ем получаемых искусственных характеристик. Оценивается
отношением скоростей на двух ближайших характеристиках,
24
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
rs
Ulj
пл = ~
• Очевидно, что/Сплзависит от способов регулирова
ния параметров или напряжения на выходе ПУ (см. рис. 1.1).
4. Стабильность скорости характеризуется изменением
скорости при изменении момента на валу и определяется ве
личиной жесткости характеристики двигателя (см. п. 1.4).
5. Экономичность регулирования характеризуется затра
тами на создание (приобретение) привода и его эксплуатацию.
Важнейшим показателем здесь являются потери энергии, свя
занные именно с регулированием, а также КПД привода при
работе на разных скоростях
(1.35)
где Ръь APj, tj — полезная мощность, потери и время работы
двигателя на i- йскорости; п — число скоростей.
Сюда следует отнести и коэффициент мощности coscp, определяемый отношением активной Р и полной 5 =
+Qz
мощностей
Р
(1.36)
Для цикла работы рассчитывается средневзвешенный ко
эффициент мощности
п
COS(()CB
(1.37)
i=1
Известно, что более 60% вырабатываемой электроэнергии
преобразуется в механическую энергию системами электро
привода, поэтому снижение потерь энергии здесь является
чрезвычайно важной задачей. Актуальность проблемы быст
ро нарастает в связи с увеличивающимся потреблением энер
гии вообще, ростом цен на энергоресурсы, экологическими
проблемами.
Основным типом электродвигателя в народном хозяйстве
при мощностях до 100 кВт является асинхронный коротко
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
25
замкнутый двигатель, который при питании от сети при
U = const, по сути, представляет двигатель постоянной ско
рости. Эти машины потребляют реактивный ток, и коэффи
циент мощности их в сильной степени зависит от нагрузки.
Следовательно, вопросы компенсации реактивной мощности
также имеют важное значение.
6.
Допустимая нагрузка, двигателя ограничена предельной
допустимой температурой изоляции. При работе на естествен
ной характеристике это номинальный момент, номинальные
потери и температура не выше нормативной при соответствую
щих условиях охлаждения. При работе на искусственных ха
рактеристиках нагрузка ограничена номинальным током.
Наряду с регулированием скорости часто требуется регу
лировать ток и момент двигателя (или ограничивать их), что
бы управлять ускорением исполнительного органа. Основным
показателем регулирования тока и момента является точность.
1.6.
ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ
И ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
1.6.1.
ХАРАК ТЕРИСТИК А РЕЖ И М О В РА БОТЫ
ЭЛЕК ТРОПРИВОДА
Из уравнения движения электропривода (см. п. 1.3) сле
дует, что электропривод работает в одном из двух режимов —
установившемся или переходном.
Установившийся режим характеризуется тем, что все ме
ханические координаты привода не изменяются во времени.
С точки зрения математики это означает равенство нулю всех
производных механических координат по времени (движение
с постоянной скоростью, в том числе состояние покоя).
Переходные режимы описываются дифференциальными
уравнениями, в результате решения которых получают зави
симость изменения переменных во времени. Переходные про
цессы возникают в результате воздействия на привод раз
личных возмущений: внешних — изменение нагрузки, па
раметров цепей двигателя, колебаний напряжения и т. д.;
внутренних — сигналов управления со стороны управляю
щего устройства (см. рис. 1.1). Режимы пуска, торможения,
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
реверса, наброса и сброса нагрузки, регулирование (или ста
билизация) скорости являются типовыми переходными про
цессами электропривода. Определяя изменение координат во
времени, находят динамические характеристики привода в от
личие от статических в установившихся режимах. На практике
встречаются электроприводы, где неустановившиеся режимы
являются непрерывными по причине изменения нагрузки
(инерционные конвейеры, прессы, поршневые компрессоры,
шаровые мельницы, сельскохозяйственные машины для при
готовления кормов и многое другое).
Физически причина переходных процессов заключается
в том, что процессы накопления и отдачи энергии — электро
магнитной и механической — протекают не мгновенно, а в те
чение определенного времени, то есть они отличаются инер
ционностью.
В зависимости от вида накопленной или отдаваемой энер
гии различают электромагнитные, механические и тепловые
переходные процессы. В качестве инерционных элементов в
них выступают индуктивность L обмоток, масса т или момент
инерции J, теплоемкость С = ст.
Тепловые процессы являются самыми медленными из пе
речисленных, постоянная времени нагрева Т„ для электродви
гателей колеблется от десятков минут до нескольких часов, в
зависимости от мощности. Поэтому они не оказывают влия
ния на электромагнитные и механические переходные про
цессы и их рассматривают отдельно.
Электромагнитная и механическая инерционность также
могут существенно различаться. Если электромагнитная посто
янная времени Тэмзначительно меньше механической посто
янной Ту, то электромагнитные процессы, как правило, не учи
тывают при рассмотрении механических. В случае сопостави
мости Тш и 7’мрассматривают электромеханические переходные
процессы, что является наиболее общим случаем из-за взаим
ного влияния электрических и механических величин.
Для анализа переходных процессов должны быть заданы:
вид рассматриваемого процесса (пуск, реверс, торможение,
сброс нагрузки и т. д.); начальные и конечные значения коор
динат — тока, момента, скорости; параметры электропривода —
коэффициенты усиления элементов и их постоянные времени.
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
27
Строгое решение уравнений электропривода в переходных
режимах представляет собой сложную задачу. В пособии рас
смотрены лишь вопросы пуска и торможения с позиций по
требления энергии (см. гл. 5).
1.6.2.
ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Управление координатами привода осуществляется целе
направленным воздействием на. двигатель с помощью систе
мы управления (см. рис. 1.1), содержащей силовой преобра
зователь ПУ и управляющее устройство. При этом ПУ выдает
нужное значение напряжения, или напряжения и частоты для
поддержания заданной величины выходной координаты (ско
рости, тока, момента, ускорения).
Системы управления делятся на неавтоматизированные и
автоматизированные. Неавтоматизированные системы управ
ления применяются в основном в нерегулируемых приводах,
операции по управлению осуществляются вручную (прямой
пуск асинхронного двигателя при питании от сети, останов
ка). Автоматизированные системы, в которых человек дает
Рис. 1.12
Принципы построения разомкнутых и замкнутых систем- управления
электроприводами:
а — схема разомкнутой системы; б — замкнутая система с обратной связью, построенная
по принципу компенсации отклонения; в — схема замкнутой системы, построенной по
принципу компенсации возмущения; г — комбинированная схема замкнутой системы.
28
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
команду только на начало и конец работы, все остальные опе
рации по заданному режиму обеспечивает система управле
ния. Такие системы делятся на разомкнутые (см. рис. 1.12, а)
и замкнутые (рис. 1.12, б, в, г).
В разомкнутой системе изменение внешних возмущений
хВОзм (нагрузки и др.) сказывается на выходной величине хВЪ1Х
(например, скорости со, связанной с моментом механической
характеристикой со(Л/)). Такая система не обеспечивает регу
лирование выходной величины при хВ03м= var, так как инфор
мация о ее значении не поступает на вход системы. Эю являет
ся наиболее существенным недостатком таких систем, но из-за
простоты, дешевизны и надежности они широко используются
при автоматизации процессов пуска, торможения, реверса
электроприводов.
В замкнутых системах, или системах с обратной связью,
влияние возмущающего воздействия хвози на выходную коор
динату хвых частично или полностью устраняется путем пода
чи с выхода на вход информации о величине агвых (система с
обратной связью, кос, хос, рис. 1.12, б) или компенсацией воз
мущающего воздействия (рис. 1.12, в), или в комбинирован
ной системе (рис. 1.12, г).
Системы с обратной связью, работающие по отклонению,
применяются наиболее широко, сигнал хос, пропорциональ
ный выходному сигналу хвых, сравнивается с сигналом зада
ния х3 (складывается или вычитается), а результирующий сиг
нал х с выхода сумматора является входным управляющим
сигналом для электропривода. Этот сигнал называют рассо
гласованием. В итоге напряжение с выхода П У (см. рис. 1.1)
изменяется в ту или иную сторону, изменяя выходную вели
чину в нужном направлении. Например, для двигателя посто
янного тока увеличение момента нагрузки приводит к сниже
нию скорости, сигнал отрицательной обратной связи умень
шается, повышая напряжение преобразователя (УВ, Ш И П ),
а с ним и скорость двигателя, восстанавливая с определенной
точностью заданный режим.
По величине установившегося рассогласования различа
ют системы статические, когда х Ф 0, и астатические, когда х = 0.
Системы привода со структурой, показанные на рисун
ке 1.12, в, реализуют принцип компенсации возмущающего
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
29
воздействия. Здесь на сумматор подаются задающий сигнал х3
и пропорциональный возмущению ха. Для работы таких сис
тем нужны датчики, в частности, нагрузки. Если же возму
щающих воздействий несколько, то столько же нужно и дат
чиков. Поэтому они применяются редко. Возможны системы
комбинированные (рис. 1.12, г), когда основное воздействие
компенсируется по возмущению, а все остальные — по откло
нению.
Многообразие автоматизированных систем управления
электроприводами характеризуется типом обратных связей —
положительными и отрицательными, жесткими и гибкими,
линейными и нелинейными; количеством регулируемых ко
ординат и структурными схемами — с общим суммирующим
усилителем, с общим усилителем и нелинейными обратными
связями (отсечками); с подчиненным регулированием к оор
динат, когда количество усилителей и замкнутых контуров
соответствует числу регулируемых координат. Такое построе
ние системы (подчиненное) позволяет осуществить раздель
ное регулирование координат и раздельную настройку про
цесса регулирования [6,8,12].
На современном этапе развития техники и технологий в
управлении технологическими процессами широко исполь
зуются ЭВМ. Их использование позволяет быстро обрабаты
вать большие объемы информации, усложняя сами законы
управления, находить и принимать оптимальные решения с
учетом большого числа факторов, значительно повышая про
изводительность труда, качество продукции и надежность р а 
бота оборудования.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
С ДВИГАТЕЛЯМИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
2. 1.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ДВИГАТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Двигатели постоянного тока долгое время применялись прак
тически во всех регулируемых приводах. Однако, начиная с
60-х гг. X X в. в связи с созданием управляемых полупровод
никовых вентилей-тиристоров, а с 1980-х гг. и полностью
управляемых силовых транзисторов на ведущие позиции вы
ходит электропривод переменного тока с асинхронными и вен
тильными двигателями.
В стране в силу сложившихся традиций и др. причин на
данный момент существует ряд сфер экономики, где приводы
с двигателями постоянного тока занимают доминирующее по
ложение [33].
Прежде всего, это тяговый привод для электрифициро
ванного транспорта, начиная от электропогрузчиков, полу
чающих питание от аккумуляторной батареи, и заканчивая
магистральными электровозами, питающимися от контакт
ной сети постоянного тока напряжением 3000 В или одно
фазной переменного тока 25 000 В. В последнем случае дви
гатели запитываются через понижающий трансформатор и
выпрямитель.
Промышленность выпускает тяговые двигатели для при
вода: трамваев мощностью 50 кВт при напряжении 275 В; ва
гонов метрополитена мощностью 110 кВт при напряжении
375 В; пригородных электропоездов мощностью 250 кВт при
напряжении 750 В; магистральных электровозов мощностью
до 1000 кВт при постоянном напряжении 1500 В и выпрям
ленном 800 В. В тепловозах, большегрузных самосвалах, на
судах, где используется электропередача по схеме: первичный
ГЛАВА 2. ЭЛЕК ТРОП РИВОД Ы С Д ВИ ГА Т ЕЛ ЯМ И ПОСТОЯН НОГО ТОКА
31
двигатель (дизель, газовая или паровая турбина) —>синхрон
ный генератор —» выпрямитель —» тяговый двигатель, также
применяются двигатели постоянного тока с последовательным
возбуждением. При этом мощности: для тепловозов до 400 кВт
на ось; самосвалов — до 600 кВт на колесо (двигатели типа
мотор-колесо с планетарным редуктором); гребные двигате
ли для судов до нескольких тысяч киловатт при низких часто
тах вращения. Например, для атомного ледокола «Ленин» был
создан двигатель мощностью 19 600 кВт в двухъякорном ис
полнении.
Для привода прокатных станов, где большие (до четы
рехкратных) кратковременные перегрузки по току, частые
реверсы, также используются одноякорные двигатели посто
янного тока мощностью до 14 000 кВт и двухъякорные мощ
ностью 25 000 кВт при частоте вращения до 100 об/мин.
Двигатели серии 4П мощностью от 132 до 1000 кВт при
меняются в приводах, где требуется регулирование частоты
вращения в широких пределах. Напряжение от 440 до 930 В,
частота вращения от 350 до 2000 об/мин. Возбуждение — не
зависимое, вентиляция — принудительная.
Можно также отметить двигатели типов 4ПП, 4ПС, 4ПМ
для буровых установок мощностью от 750 до 1000 кВт, напря
жением 800 В при частотах вращения 1000 + 1500 об/мин.
Для шагающих экскаваторов выпускаются двигатели для
привода механизмов поворота, тяги и шагания типов МПЭ,
ГПЭ мощностью от 90 до 1250 кВт [23, 37].
Машины меньшей мощности серии 4П, 2ПФ общепро
мышленного назначения допускают регулирование скорости
в диапазоне до 5:1, большие кратковременные перегрузки по
току при максимальной частоте вращения до 4000 об/мин.
Кроме перечисленных областей применения приводов
постоянного тока существуют и другие, о чем подробно в
15, 12, 37].
Если сравнивать машины постоянного тока с машинами
переменного тока, то у первых обычно отмечают их высокие
перегрузочную способность и регулировочные свойства. В то
же время они более дорогие — примерно в 2 раза дороже асин
хронных такой же мощности, у них выше материалоемкость,
габариты, эксплуатационные расходы.
32
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
2.2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
В электроприводах постоянного тока применяются элек
тродвигатели независимого (параллельного), последователь
ного и, в меньшей степени, смешанного возбуждения. Схемы
включения их показаны на рисунке 2.1, при этом добавочное
сопротивление в цепи обмотки якоря Я„дпоказано регулируемым, то есть
Rw Если Я „ =0, [/=£/„, i,=i„„ то
характеристики называются естественными, а при Яад1 0, или
U^ Ц* ^ ^вн ~ искусственными. В режиме двигателя элек
трическая энергия потребляется из сети, преобразуется в ме
ханическую, мощность которой Р = о)М. Зависимость между
моментом Ми скоростью ш есть механическая характеристика
двигателя (см. п. 1.4).
Основные соотношения для двигателей постоянного тока.
Уравнение напряжений для цепи якоря по второму зако
ну Кирхгофа
21
( . )
‘
34
и
+1
б
R,
Рис. 2.1
Схемы включения(kiu.ame.ieii:
fl - независимого возбуждения;
w
" б -последовательного
••w
U(4| \
щ
возбуждения; в - смешанного
аынюо возоуждения;
возбуждения; сплошные стрелки - направления токов в генераторном режиме, штри*
ховые - в двигательном.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
33
ЭДС обмотки якоря и момент
Еа = СФш, М • СФ1а.
(2.2)
Уравнение электромеханической характеристики
/г v
Л Ч Л Ф Д а)
U
<е(1 в ) = с ^ Ф ~
с ф
= ю
°
~ А (й
( 2 3 )
Уравнение механической характеристики
и
^ • ( Д .+ Д .д )
-----(сГф)2
=Ю° ~ Дт
(2-4)
В формулах (2.1-2.4) обозначены: R a — сопротивление
самой обмотки якоря относительно внешних зажимов; R aa —
добавочное сопротивление в цепи якоря; 1а — ток обмотки яко
ря (рис. 2 . 1 ); ^ ' = ' 2 ---- постоянная для конкретной ма
шины; р — число пар полюсов; N — число эффективных про
водников обмотки якоря; со — угловая скорость; Ф — магнит
ный поток в зазоре, Ф = a^B^ila; 0 С5 — коэффициент полюсной
71* D a
дуги, cxg = 0,6 +0,75; т — полюсное деление, т = " 2р~’
>К —
диаметр и длина якоря соответственно; В$ — индукция в зазо
ре, В&= (0,7 + 1,0) Тл; соо — скорость идеального холостого
U
*
хода, Юо = — —; Лев — снижение скорости под влиянием на
грузки.
Из (2.3,2.4) видно, что для двигателя независимого возбу
ждения при неизменных U, Ф, Яаа характеристики представ
ляются прямыми линиями, а их жесткость зависит от сопро
тивления якорной цепи /?ад +
и потока Ф. Следовательно,
изменяя указанные параметры (U, Ф, /?ад), можно регулиро
вать скорость электропривода.
На рисунке 2.2 представлены механические характери
стики двигателя независимого возбуждения в различных ре
жимах работы при /?„„ = var (/?„д1, /?ад2, /?адз). При
= Ra
(Я аД1 = 0 ) характеристика называется естественной, а осталь
ные — искусственные (/?од* 0 ). Естественная характеристи
ка является жесткой, относительный статический перепад ско[ рости Д о * = — — — =0,02+0,08. При £/= const, Ф = const,
COq
2 — 1832
34
'■ " ЕПИФАНОВ- “ НОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
deusnn
харак т ери ст и к и
двигателя п остоянного т о к а
независимого возбуждения
в р а зли ч н ы х режим ах
Двига
тельный
режим
Рис. 2.3
П1
Двига
тельный
реж им
Генера
торный
режим
Энергетические режимы Д П Т
независимого возбуждения:
а
холостой ход; б — двигательный; в —
генераторный параллельно с сетью; г —
короткое замыкание; д — генераторный
последовательно с сетью; е — генератор
ный независимо от сети.
U = Е
/ = О
R a — var все характеристики выходят из одной точки на оси
ординат — oio, скорости идеального холостого хода, когда 1а = О,
U = E . И з граф и ка ж е следуют и режимы работы (рис. 2.3).
I
к в а д р а н т . Двигательный режим, электрическая энер
гия потребляется из сети и преобразуется в механическую,
лл
п итта >~>ЕF а , lIa = R a + R a a
Д / > 0 ,
(рис.
2.3, б).
^
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
35
П к в а д р а н т . Генераторный режим, энергия (механиче
ская) поступаете вала и преобразуется в электрическую. При
этом она может отдаваться в сеть (рекуперация) при со > о)о
или рассеиваться в реостатах (динамическое или реостатное
торможение) (рис. 2.3, в, е). В режиме рекуперации М < О,
Е -Ua
Uа < Еа, 1а = 'р 2— о 2--При динамическом торможении Ua = О,
Е
па. +К
ток /в = D 0 р , М < 0. Практически, якорь отключается от
сети и замыкается на сопротивление R (рис. 2.3, е).
III к в а д р а н т . Режим двигателя, обратное вращение,
М < 0 ,( о < 0 , Р = М(й> 0, /а = ~ г-=:а-.
IV к в а д р а н т . Режим генератора или противовключения, энергия поступает как из сети (электрическая), так и с
вала (механическая) и полностью рассеивается в сопротивлеU +Е
нии якорной цепи. Ток 1а ="ёг—
необходимо ограничи•“ а ' **вд
вать выбором сопротивления Яал (рис. 2.3, д).
В генераторном режиме электромагнитный момент имеет
тормозной характер, поэтому такой режим используется для
торможения транспортных средств, лифтов, при опускании
груза и т. д. Для получения режима противовключения обыч
но переключают полярность напряжения, подводимого к яко
рю. В некоторых случаях требуется постоянство замедления,
например, в пассажирском транспорте. Для этого используют
все три вида торможения: при высокой скорости обеспечива
ется условие Z?,, > Uа (рекуперация), а величину момента (тока)
можно регулировать изменением потока; затем переходят на
реостатное торможение, регулируя момент изменением вели
чины сопротивления Яаа при уменьшающейся ЭДС Еа\при
низкой скорости используют противовключение, вплоть до
остановки при замкнутой накоротко обмотке якоря.
На практике чаще используются динамическое торможе
ние и противовключение. С точки зрения экономичности са
мым рациональным является рекуперация, однако этот режим
не всегда осуществим (по скорости) и по возможности исполь
зования отдаваемой энергии.
36
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Характеристики двигателейпоследовательного возбужде
ния также описываются уравнениям и (2.1 -2.4). Основной же
особенностью этих машин является то, что магнитный поток
зависит от тока нагрузки 1а (см. рис. 2.1, б). Следовательно,
для этих машин не существует понятия скорости идеального
холостого хода (00. Более того, при малых загрузках (/„ ^ 0,21а„)
скорость двигателя резко увеличивается из-за снижения маг
нитного потока. По этойпричине двигатели последовательно
го возбуждения запрещено запускать на холостом ходу.
Если допустить, что магнитная система машины не насы
щена, то поток Ф = kla, момент М =СФ1а = Ск!\, уравнения
электромеханической и механической характеристик будут
Ш )=Л __ R° Щт
Ща1 Ск1а
Ск -
(2.5)
'
'
to(M) = - f£ = - - | .
(2.6)
yjCkM Ск
В подтверждение сказанного выше отметим:
1. При 1а—>0, М —» 0, (0 —»<», то есть ось ординат со являет
ся асимптотой для характеристик (2.5, 2.6).
2. При /а —
М—
о—
D
D
, то есть горизонтальная
С/С
прямая с ординатой со0 =
также является асимптотой (го
ризонтальной).
Зависимости со(/а) и со(М) имеют гиперболический вид.
Отсюда следует, что эта машина не имеет генераторного
режима работы параллельно с сетью.
Режим торможения противовключением возможен и осу
ществляется так же, как и у двигателя с независимым возбуж
дением.
Динамическое (реостатное) торможение такого двигателя
чаще реализуется по схеме с независимым возбуждением (см.
рис. 2.3).
Реально, магнитная система насыщена, характеристики
не имеют гиперболической зависимости (рис. 2.4), но харак
теристику называют мягкой, с переменной жесткостью. Тем
не менее, при общей для двигателей постоянного тока пе
регрузочной способности потоку к/ - ^тах =(2-8-3) двигатели
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
37
Рис. 2.4
Х аракт ери ст и ки
двигател я п остоянного
тока, последовательного
возбуждения:
а — электромеханические; б —
механические; в — зависимость
момента и угловой скорости от
тока якоря (в относительных
единицах).
последовательного возбуждения имеют существенно большую
перегрузочную способность по моменту км —
ма
—(3 +4,5).
Именно это свойство их используется в тяговом приводе, а
также при резко изменяющемся моменте сопротивления.
Двигатель смешанного возбуждения (см. рис. 2.1, в) име
етдве обмотки возбуждения — независимую и последователь
ную, поэтому его механические характеристики занимают
промежуточное положение между соответствующими харак
теристиками двигателей независимого и последовательного
возбуждения. Здесь скорость идеального холостого хода оп
ределяется магнитным потоком независимой (шунтовой) об
мотки возбуждения,
а>о =
U
СФ„
Соотношения НС обмоток возбуждения определяются тре
бованиями по регулировочным характеристикам, перегрузоч
ной способности по моменту и др. Характеристики двигателя
(см. рис. 2.5) имеют переменную жесткость. Возможны три
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
38
способа электрического тормо
жения: рекуперативное, дина
мическое и противовключением (см. рис. 2.2, I I и IVквадран
ты). При этом во избежание
размагничивающего действия
последовательной обмотки (ток
в якоре изменяет направление)
О
м
ее шунтируют, тормозные ре
Рис. 2.5
жимы осуществляются практи
Естественн ые механические
чески при включении только
характеристики двигателей:
1 — независимого возбуждения; 2 —
независимой обмотки, поэтому
последовательного возбуждения; 3 —
и сами характеристики имеют
смешанного возбуждения.
вид прямых.
П р и м е р 2.1. Рассчитать естественные электромехани
ческую (о(/а) и механическую характеристики двигателя по
стоянного тока независимого возбуждения по паспортным дан
ным: Рн= 2,2 кВт; U„ = 220 В; 1ан = 12 А; п„ = 1000 об/мин;
ц„ = 0,77; i BU = 0,73 A; ROB= 300 Ом.
Для построения характеристик необходимо рассчитать
координаты двух точек: номинального режима и идеального
холостого хода.
1. Для точки номинального режима:
0)„ =
2п-па
60
2п1000
= 105 рад/с.
60
Номинальный момент
M h = ^ l= ^ ^ = 21Нм.
о)н 10о
Номинальный ток якоря /ан = 13 А.
Номинальное сопротивление двигателя
Ии =
= 17 Ом.
*аи
2. Для режима идеального холостого хода:
Сопротивление якорной цепи, по приближенной формуле
Ra = 0,5 •-^-(1 - Пн) = 0,5/?и(1—т|н) = 0,5-17 -(1—0,77) = 2 Ом.
*ан
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
39
Скорость идеального холостого хода
_ Ущ .
СФ’
_ t/н ~
сон
_ Еа„ _ 220 —13• 2 _ |
о)н
105
’
В-с
рад"
Й Я 220 Й
1
“ “= с Ф : =щ “ Ш рад/сНайденные значения а>0, /а, М„, сон позволяют построить
искомые характеристики.
2.3.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ,
ТОКА И МОМЕНТА
С ПОМОЩЬЮ РЕЗИСТОРОВ
В ЦЕПИ ЯКОРЯ
Этот способ, называемый реостатным, является самым про
стым по реализации, поэтому применяется для регулирова
ния скорости, тока и момента, но по отношению к току и мо
менту более правильно говорить об их ограничении.
Варьируя сопротивление добавочного резистора Яаа в цепи
якоря (см. рис. 2.1), получают семейство искусственных ха
рактеристик (см. рис. 2.2,2.4). При этом величина (Оо не зави
сит от сопротивления R aa при независимом возбуждении
Шо =const = ——,
СФ
при последовательном ось (о является асимптотой для всех ха
рактеристик. Наклон характеристик, определяемый перепа
___
„
дом скорости
,„
.
_ 4 (Д .+ ^ д )_ ^ (Д » + Д » д )
СФ
(СФ)2
при конкретных значениях тока /а и момента М, пропорцио
нален сопротивлению цепи якоря (R = Ra + Raa). Поэтому с
увеличением Raa характеристики становятся более мягкими,
А(о увеличивается. По выражению для До) строят реостатные
характеристики двигателя независимого возбуждения по из
вестным соо, со„, Д(Он, М (см. рис. 2.6). Момент короткого замы
кания (точка пересечения с осью абсцисс)
Мкз = СФ/акз,
где /окз =
^ ---ток короткого замыкания, 1аю < (2 +3)/ан.
Ra +Raa
40
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Оценка реостатного спо
соба регулирования скоро
сти по основным показате
лям (см. п. 1.5).
1. Диапазон регулирова
ния Д < (2 +3). Причина низ
кого значения Д заключается
в снижении жесткости, зна
чительных потерях и низкой
стабильности скорости.
2. Направление регули
рования — вниз от естествен
ной (однозонное).
Рис. 2.6
Естественная (R/ = R J
3. Плавность регулирова
и семействореостатны х (Rg-Rs)
ния определяется плавностью
механических характеристик
двигателя неза висимого
регулирования Rax Обычно
возбуждения
это делают ступенями, а с рос
том числа ступеней возрастает количество аппаратуры и ус
ложняется управление.
4. Стабильность скорости невысокая и снижается по мере
роста диапазона регулирования.
5. Экономичность регулирования оценивают по капиталь
ным затратам на реализацию способа и стоимости потерь энер
гии при регулировании. Здесь следует говорить в основном о
потерях мощности, особенно в настоящее время, когда цены
на энергоресурсы неуклонно растут и принята Государствен
ная программа по энергосбережению.
Потери мощности в ДПТ независимого возбуждения
ДЯ = Я, - Р2= UIa - Мсо д; РiAo)‘,
,
.
(On — О)
Aft)
•»
(2.7)
где Дог = — -- = ---- относительный перепад скорости.
О)о
0)о
Видно, что при снижении скорости, например, в 2 раза,
то есть Да>* = 0,5 и Д = 2, половина мощности теряется в цепи
якоря, и КПД привода не превышает 50% (при КПД самой
машины f] ^ 0,8 +0,9). Очевидно, что такой способ регули
рования может быть рациональным только в маломощных
приводах, когда удельный вес стоимости электроэнергии не
велик.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
41
6. Допустимая нагрузка (момент на валу) по условиям
нагрева
А/доп= СФн/ан = Мн
(2.8)
равна номинальному моменту, если условия охлаждения та
кие же, как и в номинальном режиме, например, независимая
вентиляция.
Уравнения естественной и реостатных электромеханиче
ских характеристик
=
СФ
(2.9)
v '
СФ
Отсюда скорость на искусственной характеристике при
токе/“
м
U-IaiЯ
'
, о 1т
(
^
По (2.10) строят реостатные характеристики, задаваясь
значениями Iai для конкретных Raai.
Обратная задача — когда по заданной искусственной ха
рактеристике или отдельной ее точке находится соответствую
щее сопротивление резистора /?адиз соотношения
Д.д =
I
СО,,,
Щ»
f п
■* n iГ - *
\
(2.11)
Искусственные реостатные характеристики используют
ся для ограничения тока и момента двигателей постоянного
тока в переходных процессах и, в первую очередь, при пуске.
В первый момент пуска двигатель находится в режиме корот
кого замыкания (о) = 0, Еа = 0) и ток по естественной характе
ристике при этом
1а = -7Г-= (10+ 50) •/(,„,
так как
—fjsliaL—(0,02+0,1).
Uau
Допустимый же ток по условиям на коллекторе /одоп =
= (2 +3)/д„ для двигателей общепромышленного назначения
(для тяговых машин, например, допускаются кратковремен
ные перегрузки потоку до (4 +5)/вн). Следовательно, ток (и мо
мент) необходимо ограничивать, что и достигается введением
42
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
резисторов Яалв цепь якоря. Пуск обычно осуществляют сту
пенчато, шунтируя по мере разгона сопротивления контакто
рами (рис. 2.7). При этом ток и момент не остаются постоян
ными (рис. 2.7). Для достижения высокой плавности пуска
используют импульсное регулирование пускового сопротив
ления, изменяя соотношение продолжительности открытого
и закрытого состояния тиристора (см. рис. 3.2, г). Установив
шиеся значения тока (/уст) и скорости (сОуСТ) определяются ве
личиной момента нагрузки.
SB2
SB1
КМ 1
н н ^ г с н
КМ 1
КМ 1
КТ
D КМ2
сн
SB2
SB 1
— *г W ~ J
км
■СН
Рис. 2.7
ПускДПТ независимого возбуждения:
а — в одну ступень; б — в две ступени.
[
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
а
43
+
Рис. 2.8
Схема управления пуском ДПТ в зависимости- о т времени, реверсом
и торможением пропшвовключением в зависимости о т ЭДС(а);
характеристики ДПТ независимого возбуждения при пуске и реверсе (б)
Необходимость введения добавочного сопротивления /?ад
в цепь якоря возникает также в режимах реверса и торможе
ния противовключением (рис. 2.8). При этом пуск начинает
ся при токе
у
Ra +Ran
в одну ступень. Разгон идет по характеристике 2 до значения
тока /2, затем резистор /?адшунтируется и рабочая точка перехо
дит на естественную характеристику 1, а ток изменяется до 1\.
Для осуществления режима противовключения необходи
мо изменить полярность напряжения на якоре и ввести дополнительно к Raa\резистор Дад2 для ограничения тока. Рабо
чая точка переходит из Юо (ось ординат) на характеристику 3.
При этом ток
I
и +Е
Ra ^ Д|д1 ^ Дя.д2
44
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Далее двигатель тормозится, ток уменьшается, так как умень
шается ЭДС Еа. При достижении скорости о>= 0 процесс тор
можения заканчивается, ток
/ = _____ %_____ .
fta
^ Я»д2
Если требуется после остановки запустить двигатель в об
ратную сторону, то переходят на характеристику 4 (реостат
ную), а затем на естественную (назад). Следовательно, реверс
включает в себя торможение противовключением и пуск в
противоположном направлении. На практике управление пус
ком, реверсом и торможением осуществляется в функции вре
мени, тока, используя релейно-контакторные схемы [3,4,33].
На рисунке 2.8, а приведена схема управления пуском,
реверсом и торможением в зависимости от времени (пуск) и
ЭДС. Главные контакты линейных контакторов КМ\, КМ2
образуют реверсивный мостик, обеспечивают изменение по
лярности напряжения на якоре. В якорную цепь, кроме пус
кового резистора Ra\
, включен резистор противовключения /?д2
для ограничения тока. Пуск двигателя осуществляется в одну
ступень (резистор /?Д|) с использованием реле времени КТ.
Управление осуществляется нажатием кнопокSB\ (пуск),5Я2
(торможение).
2.4.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ИЗМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОГО ПОТОКА
Из (2.3-2.4) следует, что изменением магнитного потока
можно регулировать скорость путем изменения скорости иде
ального холостого хода
■
U
СФ’
Этот способ широко применяется на практике вследствие про
стоты его реализации и экономичности как в двигателях неза
висимого, так и последовательного возбуждения.
Регулирование потока производится только в сторону его
снижения (ослабление поля) путем уменьшения тока возбу
ждения iB, так как магнитная система обычно насыщена и
увеличение потока требует непропорционально большего
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
45
Ряс. 2.9
Регулирование
скорости ДПТ
независимого возбужде
ния изменением
магнитного потока:
а, б — схемы включения
обмотки возбуждения; в—
электромеханические и ме
ханические характеристи
ки; г- механические ха
рактеристики при Ut = var.
тока iB. Следовательно, регулирование — однозонное, вверх
от номинальной.
Регулирование тока возбуждения двигателя независимо
го возбуждения осуществляется по схемам, представленным
на рисунке 2.9: с помощью резистора (рис. 2.9, а), при незна
чительных мощностях; питание от управляемого выпрямите
ля (рис. 2.9, б); по схеме «автотрансформатор-неуправляемый
выпрямитель». Номинальному значению тока возбуждения
соответствуют естественные характеристки, а при ослаблен
ном поле — искусственные (o )o i, Ш02 )В двигателях последовательного возбуждения регулиро
вание осуществляется шунтированием обмотки возбуждения
46
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
3
Рис. 2.10
Регулирование скорости ДПТ последовательного возбуждения
шунпшрованием. обмотки возбуждения:
а — схема включения; б — механические характеристики.
резистором R m (рис. 2.10, а ). Изменяя сопротивление ре
зистора, изменяют ток возбуждения. Величина тока якоря
К - h + Аш отношение /в:/а называют степенью ослабления
поля. В тяговых двигателях степень ослабления поля может
быть до 0,33, при этом диапазон изменения скорости
д = Wmax_^3
0)н
Характеристики двигателей постоянного тока в режиме ос
лабления поля приведены на рисунках 2.9, в и 2.10, б. Видно,
что электромеханические характеристики двигателя незави
симого возбуждения пересекают ось токов в одной точке, так
как ток короткого замыкания
Механические характеристики имеют разные значения момен
та короткого замыкания Мкз = СФ/КЗ, так как при /кз = const с
уменьшением потока уменьшается и момент.
Допустимая нагрузка (момент) при ослаблении поля оп
ределяется допустимым током, то есть /адоп = /он.
Млоп| СФ„1ан,
(2.12)
где Ф„ — магнитный поток на искусственной характеристике.
Так как Ф„ < Ф н, то МаоП < М„.
При условии, что ЭДС якоря на естественной и искусст
венной характеристиках примерно равны, следует
Е,» = СФа)н= UH- raHR a;
Еаи = СФшИ= U„- IaHRa.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
47
При принятом допущении (Еае = Еа„)
(2.13)
где (0„ — скорость на искусственной характеристике при 1а = /ан.
Используя (2.13) и (2.2), получим:
^доп^и
Мн0)н
Рп Const.
(2.14)
Таким образом, на искусственных характеристиках дви
гатель может быть нагружен на номинальную мощность.
Отметим одну важную особенность. При работе тяговых
двигателей при питании от контактной сети возможны кратко
временные отрывы токоприемника. Затем питание восстанав
ливается на вращающийся с той же скоростью двигатель, но
при /„ = 0. Если обмотка возбуждения шунтирована только ак
тивным сопротивлением, то из-за большой индуктивности об
мотки возбуждения ток пойдет в первый момент восстановле
ния контакта с сетью только по шунту Rm. При этом ЭДСД, < Еан
и ток включения может значительно превышать допустимое
значение. Чтобы избежать этого, шунт делают активно-индук
тивным, а индуктивность выбирают так, чтобы распределение
токов было таким же, как и в рабочих режимах.
2.5.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ИЗМЕНЕНИЕМ ПОДВОДИМОГО
К ЯКОРЮ НАПРЯЖ ЕНИЯ
2.5.1.
ЭЛЕКТРОПРИВОД
ПО СИСТЕМЕ ГЕНЕРАТОР-ДВИГАТЕЛЬ
Регулирование скорости данным способом осуществляет
ся по схеме, изображенной на рисунке 2.11, когда якорь пита
ется от управляемого источника постоянного тока (преобра
зователь П) по системе преобразователь-двигатель (П-Д).
В качестве преобразователя используются электромашинные
(система генератор-двигатель, Г-Д), управляемые выпрями
тели (УВ) и широтно-импульсные преобразователи ( ШИП) .
При этом обмотка возбуждения двигателя независимого
возбуждения питается от отдельного источника постоянного
тока, например от неуправляемого выпрямителя.
48
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
Рис. 2.11
Регулирование скорости ДГГГ независимого возбуждения изменением
подводимого к якорю напряжения:
а —схема включения; 6 — характеристики.
Схема включения (а) и характеристики (б) ДПТ последовательного
возбуждения при питании от упра-вляемого преобразователя
Сам преобразователь, в общем случае, характеризуется
ЭДС Е„, внутренним сопротивлением R„, коэффициентом уси
ления
где иу — входной управляющий сигнал.
Напряжение на выходе преобразователя по внешней ха
рактеристике
U = E a - IR„.
(2 .1 5 )
Следовательно, формулы (2.3, 2.4) для электромеханиче
ской и механической характеристик будут иметь вид
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРО П РИ ВО Д Ы С Д ВИ ГА ТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯ ИНОГО ТОКА
49
(2. 16)
На рисунках 2.11, 2.12 приведены схемы и механические
характеристики двигателей постоянного тока, работающих по
системе П -Д . Из рисунка 2.11, б видно, что изменением ЭДС
Е„ пропорционально изменяется и скорость идеального холо
стого хода соо на искусственных характеристиках, а сами ха
рактеристики имеют меньшую жесткость (больший наклон)
из-за наличия сопротивления R„. Таким образом, перепад ско
рости Да) увеличился. Естественная характеристика получена
при /?„ = О, то есть при питании от источника напряжения.
При этом I и II квадранты соответствуют режимам двигателя
и генератора при прямом вращении, а III и IV — соответст
венно, при обратном. При Е„ = О Д П Т работает в режиме ди
намического торможения.
Приведенные на рисунках 2.11, б, 2.12, б характеристики
соответствуют использованию схемы Г -Д (рис. 2 .13). Гене
ратор постоянного тока приводится во вращение асинхрон
ным двигателем (0r = const, а напряжение на якоре Д П Т регу
лируется изменением тока возбуждения генератора iBr. Якорь
генератора (сопротивления обмотки Rar —>R„) непосредствен
но электрически соединяется с якорем двигателя (электриче
ский вал). Регулирование скорости изменением ЭДС Етможет
сочетаться с ослаблением поля двигателя, что обеспечивает
Рис. 2.13
Схема электропривода
по системе
генератор-двигатель
50
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
двухзонное регулирование: от нуля до номинальной — из
менением Ег, выше номинальной — изменением тока возбуж
дения 1„д.
Основные достоинства системы генератор-двигатель
(Г -Д ) : большой диапазон и плавность регулирования скоро
сти ДПТ, высокая жесткость характеристик, реализация всех
энергетических режимов работы ДПТ.
Основной недостаток — утроенная установленная мощ
ность электрических машин, следовательно, снижение КПД,
инерционность регулирования и высокая стоимость.
Подобная схема используется в качестве электротрансмис
сии на тепловозах, судах, большегрузных самосвалах и др.,
где в качестве источника механической энергии применяются
тепловые двигатели — дизели, паровые или газовые турбины.
Генераторы постоянного тока уступили место синхронным ге
нераторам, работающим через неуправляемый выпрямитель
на двигатели постоянного тока.
2.5.2.
Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д ПО С И С ТЕ М Е
УП РА ВЛЯЕМ Ы Й
В Ы П Р Я М И Т Е Л Ь -Д В И Г А Т Е Л Ь
Основным типом преобразователей, применяемых в на
стоящее время в регулируемом электроприводе постоянного
тока, являются полупроводниковые управляемые выпрями
тели (У В ) и широтно-импульсные преобразователи (ШИП).
Схемы электроприводов (У В -Д ) (рис. 2.14) собраны на
управляемых полупроводниковых приборах (V 1 -V 6 ), могут
быть нереверсивными и реверсивными, однофазными и трех
фазными, собранными по нулевой или мостовой схемам. Чаще
используются трехфазные схемы, в качестве полупроводни
ковых приборов — тиристоры, а в последние годы — транзи
сторы (например, iG BT). У В обеспечивает регулирование на
пряжения на ДПТ за счет изменения среднего значения ЭДС
преобразователя Е„. Достигается это регулированием угла
управления транзисторов а , то есть задержкой их открытия
(рис. 2.15).
При а = 0 преобразователь работает как неуправляемый
выпрямитель, к двигателю приложено полное выпрямленное
напряжение. Если импульсы от системы управления (СУ)
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С Д В И Г А Т Е Л Я М И ПОСТОЯННОГО ТОКА
51
Рис. 2 .1 4
Схема электропривода по системе управ
ляемый выпрямитель—двигатель ( У В -Д ) :
а — нереверсивная; б — реверсивная.
k l l
Г
- k l
Л
^ 1^1
яI v i
^
,,
1
1
p
k l
r1^
k +
7
П I f ) > OB
L С
(
1
LI
Й
ОВ
Рис. 2 .1 5
Регулирование
напряжения с помощью
управляемого
выпрямителя:
а ~ схема выпрямления; б —
диаграмма напряжений; в _
диаграмма тонов.
6
U 2а
Ud *vi
■В
-U .
и и
СУ
i I*
gV2
U
= var
52
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
будут подаваться со сдвигом на угол а * 0, то ЭДС Е„ снизится,
а ее величина определяется как
с*
ft
yJ2Em « я
n
(2 .1 7 )
К о - " а - ------- sin — c o s a = £cDo co sa ,
r
я
m
v
где £ Cp0 — среднее значение выпрямленной ЭДС при холостом
ходе выпрямителя и a = 0; Е — действующее значение пере
менной фазной ЭДС; т — число фаз выпрямителя.
В таблице 2.1 приведены основные соотношения для раз
личных схем выпрямления (рис. 2.16) [ 6 ].
ЭДС преобразователя имеет пульсирующ ий характер
(см. рис. 2 .1 5 ), а пульсации тока зависят от количества фаз и
индуктивности якорной цепи. В трехфазных схемах пульса
ции ЭДС меньше, а в цепь якоря включают еще дополнитель
но индуктивность L (см. рис. 2 .1 4 ).
Уравнения электромеханической и механической харак
теристик Д П Т, питаемого от вентильного преобразователя,
имеют вид
'а д ) = g g g g СФ
>■= со, - Асо;
СФ
^cpocosa M(Ra +R a)
.
сф- - - - - - ~ С ф Г ^ = Щ ~ А(й-
(2-18)
^мЩ
Здесь R„ — эквивалентное сопротивление преобразователя,
включающее: приведенные к вторичной обмотке активное и
индуктивное сопротивления фазы трансформатора; сопротивТа блица 2 .1
Основные соотношения для различных схем выпрямления
Л«
рисунка
Выпрямлен
ная ЭДС
Средний
ток
вентиля
Типовая мощ
ность транс
форматора S ,
Однофазная
мостовая
2.16, a
0 ,9 f t ,
0.5/,
1,11 Р„
Т рехф азн ая
мостовая
2.1 6 ,6
1,3f t ,
0,33 ld
1,045Р„
Однофазная д ву хполупериодная со
средней точкой
2.16, в
0,9 f t ,
0,51,
1,34 Р„
Т рехф азн ая
со средней точкой
2.16, г
1 .1 7 ft,
0,33/,
1,35 Р„
Название
схемы
Примечание. Ij, P j — ток и мощ ность на заж и м ах вы прямителя.
Г Л А В А 2 . Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д Ы С Д В И Г А Т Е Л Я М И ПОСТОЯННОГО ТОКА
А 'V А
О
|
а 1
,^ ,к з
Е
V2
V2
VI
И
Л»
V4
V3
уИ
* л™
—
53
] ----------------
А? В
VI
И
с »
V4
1
И
м
И™
1ч1
1^1 V5
*■
И 1,2
14}
______ 1------1
А
В
VI
С
V2
Е,,
О
V3
у - у- ;z
Рис. 2.16
Схемы соединений преобразователей напряжения (выпрямителей):
а — мостовые однофазные; б — мостовые трехфазные; в, г — однофазная и
трехфазная со средней точкой.
ление сглаживающ его дросселя L; сопротивления самих вен
тилей, обусловленные как процессом коммутации, так и пря
мым падением напряжения.
Характеристики по (2 .1 8 ) приведены на рисунке 2 .17.
Особенностью их является наличие зоны прерывистых токов
в области малых нагрузок и, особенно, больших углах а .
Величина /?„, как и в системе Г -Д , приводит к уменьш е
нию жесткости характеристик. При
характеристи
ки соответствуют двигательному режиму; при а = 90°, Еп = 0 —
режим динамического торможения; при а > -^ привод рабо
тает в генераторном режиме (торможение) с отдачей энергии
в сеть, а преобразователь — в режиме инвертора.
54
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рие. 2.17
Характеристики нереверсивного (а) и реверсивного электропри водов
при совместном линейном управлении (б)
Для получения характеристик во всех четырех квадран
тах (рис. 2.17, б) используют реверсивные У В, построенные
из двух комплектов нереверсивных (см. рис. 2.14), или обес
печивают изменение направления тока возбуждения двигате
ля в схеме с нереверсивным УВ. В приводе по схеме 2.14, б
управление обоими мостами (выпрямителем GCj и инвертором
а 2) осуществляется так, что
+ а 2 = п (см. рис. 2.17, б) (со
вместное линейное согласование углов управления). При этом
a t = я - а 2, крайние характеристики (вверх и вниз) соответст
вуют (Х 2 т а х , О Ц пм п И ®2min> ® 1 т а х Достоинства системы привода У В -Д .
1. Высокая плавность регулирования.
2. Большой диапазон регулирования: в разомкнутых сис
темах — до 10 , в замкнутых системах за счет уменьшения зна
чения a)rain — до 1000 и более.
3. Высокий КПД электропривода в целом, учитывая вы
сокие значения КПД трансформатора (до 0,98) и выпрямите
ля (0,9 + 0 ,95). Здесь важно отметить, что суммарная доля по
терь, сопутствующих регулированию скорости, равна сумме
потерь в выпрямителе и в двигателе (A/JyB + A/Ja), остается не
изменной и не зависит от диапазона регулирования (при кон
кретном токе /„).
Следовательно,
________ М(о
Р-l
I _____ />2 + Д Я Мш + АРуь+АРа'
(2 -1 9 )
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С Д ВИГАТЕЛЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА
55
Очевидно, что со снижением скорости КПД установки сни
жается, что является общим свойством всех регулируемых
приводов.
4. Бесш умность работы, простота обслуживания при эк с
плуатации.
Недостатки системы У В - Д .
1. Пульсации напряжения, тока и момента Д П Т требуют
применения сглаживающего дросселя.
2. В режиме прерывистых токов резко падает жесткость
характеристик, а сами они нелинейны.
3. С ростом диапазона регулирования (увеличение угла а )
сниж ается коэффициент мощности costp электропривода,
coscp = c o s a . Отметим, что ср — угол сдвига между си нусои
дальным напряжением на заж им ах трансформатора и пер
вой гармоникой тока.
4. Такой привод вносит искажения в форму тока и напря
жения источника, негативно влияет на работу других потре
бителей.
Кроме того, важное значение имеют вопросы электромаг
нитной совместимости (соблюдение высоких требований по
монтаж у).
На практике привод типа У В - Д является основным регу
лируемым промышленным приводом постоянного тока при
мощностях до нескольких тысяч киловатт.
2.5.3.
Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д ПО С И С ТЕ М Е
Ш И Р О Т Н О -И М П У Л Ь С Н Ы Й
П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Ь -Д В И Г А Т Е Л Ь
Схема включения двигателя постоянного тока и диаграм
мы напряжения U, тока / и момента М при импульсном регу
лировании напряжения показаны на рисунке 2 .1 8 . Основной
частью ШИП является полупроводниковый ключ ТК, кото
рый периодически подключает источник постоянного напря
жения к двигателю (время импульса t\) и отключает (время
паузы <г) •
Ранее использовались тиристорные ключи, которые рабо
тали при частотах не более 1 0 0 0 Гц. Кроме того, для запира
ния тиристора требуется специальная дополнительная схема
(искусственная коммутация) [5, 7 ,3 3 ] .
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОДА
56
а
ТК
+ 0 ---- &
и
-
‘ уЦ
ОВМ
- о-
I
Cl
tLu
Рис. 2.18
Регулирование скорости ДПТ независимого возбуждения по системе
ишротно-импульсный преобразоват ель-двигатель (Ш ИП -Д):
а — схема включения; б —диаграмма напряжений на якоре; в, г, д — диаграммы токов
якоря (в), потребляемого из сети (г), обратного диода (д); е — характеристики при
различных значениях £=
г, +<2
В настоящее время применяются транзисторные ключи,
при частотах до 20 кГц, следовательно, пульсациями тока и
момента на работу двигателя можно пренебречь.
Такие системы могут получать питание как от источника
постоянного тока (контактная сеть для транспорта, аккуму
ляторная батарея и др.), так и переменного через неуправляе
мый выпрямитель.
Из сети потребляется импульсный ток i за время импуль
са t\, а при закрытом ключе ток в цепи якоря поддерживается
за счет ЭДС самоиндукции, он протекает через диод V.
ГЛАВА 2. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С ДВИ ГА ТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА
57
Относительная продолжительность импульсов напряжения
*1
-*»
t\ +<2
Т
у-
( 2 . 20 )
где Т = + t2 — период коммутации ключа.
Среднее значение напряжения на якоре
Uc9= ± - jU a№ = y U ,
(2.21)
о
где U — напряжение сети.
Изменяя плавно величину у
сигналами управления, можно
регулировать напряжение на
якоре Ucр практически от нуля
до Uc. В сочетании с ослабле
нием поля двигателя возмож
нодвухзонное регулирование,
Рис. 2.19
как в системах Г - Д , У В - Д .
Схема реверсивного
Схема, показанная на ри электропривода
постоянного тока
по системе ШИП-Д
сунке 2.18, не обеспечиваетре
жимы реверса, рекуперативно
го торможения, поэтому в практике она применяется мало. На
рисунке 2.19 в качестве примера приведена функциональная
схема преобразователя, содержащая четыре ключа Т К 1 -Т К 4
с независимыми системами управления, позволяющая осу
ществить указанные выше режимы [5].
Уравнение механической характеристики для режима не
прерывного тока без учета падения напряжения на ключе
В
Ml 8 Ш.
от
<222)
Форма характеристик не отличается от приведенных на ри
сунках 2.13, 2.17, но их жесткость в системе Ш И П -Д больше.
Диапазон регулирования в разомкнутых системах огра
ничен статическим падением скорости Да), обусловленным соD/
противлением якорной цепи. Поэтому при RH - у ?н = 0 ,0 5
Д * 20, а при /£ = 0 ,0 2 Д = 50.
В замкнутых системах пределы регулирования скорости
ограничиваются техническими возможностями реализации
58
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Ymax - 0.97 + 0,98 и Ymin = 0.03 + 0,02. Поэтому достижимый диа
пазон регулирования Д - 50 [5].
Энергетические характеристики регулирования подобны
системе У В -Д с той лишь разницей, что здесь при высоких
частотах коммутации резко возрастают потери в ключах. Оче
видно, что КПД привода зависит от мощности двигателя и чем
она больше, тем выше КПД.
20
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ранее (см. п. 1.6, 2.5) было показано, что в разомкнутых
системах регулирования из-за значительного перепада ско
рости Дсо, зависящего от изменения нагрузки, сопротивления
якорной цепи двигателя Яа и внутреннего сопротивления пре
образователя Я„, не удается получить большого диапазона ре
гулирования скорости и обеспечить высокую точность. Дру
гими словами, в разомкнутых системах недостаточная жест
кость механических характеристик.
Для расширения диапазона регулирования и повышения
точности используются замкнутые системы (см. п. 1.6). Сама
идея (суть) замкнутых систем регулирования сводится к
тому, что воздействие возмущающих факторов автоматиче
ски компенсируется повышением напряжения U на выходе
преобразователя, или ЭДС/?П. Следовательно, информация о
значении регулируемой величины должна поступать на вход
системы и суммироваться с задающим сигналом. Эту роль
выполняют обратные связи, отрицательные и положитель
ные, жесткие и гибкие по скорости, току, моменту, напряже
нию и др. Как правило, энергии сигнала рассогласования
(суммы задающего и обратной связи) недостаточно для воз
действия на регулирующий орган (преобразователь), поэто
му в системе еще есть усилитель У. Перечисленные элемен
ты в совокупности образуют регулятор, который и осуществ
ляет процесс регулирования.
На рисунке 2.20 приведена структурная схема системы
автоматического регулирования (САР) скорости с жесткой
отрицательной обратной связью по напряжению Ua на якоре
ГЛАВА 2. Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д Ы С Д В И ГА Т Е Л Я М И ПОСТОЯННОГО ТОКА
59
ОВМ
Рис. 2 .20
Структурная схема■системы автоматического регулирования
скорости ДПТ с жесткой отрицат ельной обра тной связью
по напряжению (а) и характеристики двигателя (б)
двигателя независимого возбуждения (например, У В - Д , Г -Д ,
Ш И П -Д ) [ 3 ,4 , 5 ] .
Д ля установивш егося режима система уравнений эле
ментов:
^вх
&Uai, Е П—kyknUBX,
•
и а = Е П- 1Ra, Ua = Ea + IaRa,
Ea =СФ(£>, M =СФ1a,
{2.23)
где fey = j r -— коэффициент усиления усилителя; k„ = у ^ —
^вх
Uy
коэффициент усиления преобразователя; и у — напряжение,
которое определяет угол регулирования а в У В , ток возбуж 
дения генератора в системе Г - Д , относительную продол
жительность импульсов Ш ИП; Е„п Еа — ЭДС преобразова
теля и якоря двигателя; R„, Ra — внутреннее сопротивление
60
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
преобразователя и якорной цепи двигателя; к„ =у ^ — ко
эффициент обратной связи по напряжению.
Уравнение механической характеристики в замкнутой
системе
ш(М) =
krU,
—М
СФ(1+а/сс)
*•'
Ra +Ra(i+ a k c)
СФ2(\ + а/сс) ’
(2 .2 4 )
где кс = кук„ — общий коэффициент усиления.
В этом уравнении первый член представляет скорость иде
ального холостого хода соо, пропорциональную задающему
сигналу U3 (характеристики 3,3' на рис. 2.20, б, соответствую
щие различным значениям задающего сигнала U3).
Жесткость механической характеристики в такой системе
даже при кс —»<» не выше жесткости естественной характери-
У
и.
III
п
л
овм
Y
усо
и„ < и.
о
М(1)
Рис. 2.21
Структурная схема системы автоматического регулирования
скорости с жесткой отрицательной обратной связью
по скорости (а) и характеристики двигателя (6)
О В ТГ
ГЛАВА 2. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С ДВИ ГА ТЕЛ ЯМ И ПОСТОЯННОГО ТОКА
61
стики двигателя при питании от источника напряжения, то
есть при Я„ = 0 (характеристика 1 на рис. 2.20, б). Действи
тельно, в данной системе посредством обратной связи компен
сируется лишь падение напряжения на внутреннем сопротив
лении Я„ источника. Поэтому такая САР не может обеспечить
большой диапазон регулирования и не обладает высокой точ
ностью поддержания скорости из-за низкой жесткости харак
теристики, немногим больше, чем в разомкнутой системе (ха
рактеристика 2).
На рисунке 2.21 изображена структурная схема САР ско
рости с жесткой отрицательной обратной связью по скорости.
В качестве датчика обратной связи здесь используется тахогенератор GT с электромагнитным возбуясдением (OBGT). Прин
цип действия такой системы заключается в следующем. С рос
том момента на валу двигателя возрастает ток /а, скорость его
снижается, так как увеличиваются падения напряжения на
сопротивлениях цепи якоря IaRa и преобразователя //?„. При
этом уменьшаются ЭДС тахогенератора, сигнал обратной свя 
зи уо), увеличивается сигнал рассогласования UBXна входе уси
лителя (при U3 = const). Следовательно, возрастает ЭДС пре
образователя П, что автоматически приводит к компенсации
снижения скорости [3 ,4 , 6 ].
Система уравнений для схемы, показанной на рисунке 2.21:
UBX—U3 —Y'O), Еа ЩЦ ‘UBX,
Ua = E a - l R a,U a = E a + Ia Ra ,
Еа =С Ф о ), М = С Ф /0 ,
(2.25)
где (/3 — задающее напряжение в системе с обратной связью,
как и в предыдущем случае; у = ——— коэффициент передаю
чи обратной связи по скорости.
Выражение для механической характеристики
ВЗЕ1В 1
1 +ук
где ^ = 7 ф = СФ—
системы;
Г"- = Ы о —АО),
СФРЦ+ук)
<2 -2 6 )
коэффициент передачи (усиления) всей
= /?, + /?„ — общее сопротивление якорной цепи.
62
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
При к —co n st (/су, к„, Ф — постоянные) характеристики
линейны. Статизм в такой системе регулирования при М = Мн
определится как
я
K K i
СФ2к и з '
^2 -2 7 ^
Статизмом механической характеристики системы элек
тропривода называется отношение изменения скорости д ви 
гателя До), вызванное изменением нагрузки на валу от иде
ального холостого хода до номинальной, к скорости идеально
го холостого хода на заданной регулировочной характеристике,
[ 6 ].
5=
JPop
Отсюда видно, что статизм уменьш ается с ростом коэффи
циента усиления к. В пределе, при к —» «> можно получить аб
солютно жесткую характеристику (1, рис. 2 . 2 1 , 6 ). При конеч
ных к характеристики ( 2 , 2') более ж есткие, чем в разомкну
той системе (3, рис. 2 . 2 1 , б).
Увеличение коэффициента усиления в таких САР огра
ничено их динамической устойчивостью (в переходных ре
ж имах) и чувствительностью к помехам. Ограничение на ко
эффициент усиления системы предопределяет и ограничения
на диапазон регулирования. Система автоматического регу
лирования с обратной связью по скорости реагирует на все
возможные внешние возмущения: изменение момента на валу,
напряжения питания Ua, магнитного потока Ф, сопротивле
ния цепи. Она обладает лучшей стабильностью среди сущ ест
вующих систем, диапазон регулирования достигает значения
Д = 2 0 0 0 [ 3 ,4 , 6 ] .
На практике используются С А Р и с другими обратными
связям и : системы регулирования момента, скорости и момен
та, комбинированные и др. ( 6 , 8 ). При необходимости ограни
чения тока (момента) используется схема, показанная на ри
сунке 2 . 2 2 .
Схема содержит узел токовой отсечки, имеющий нелиней
ную характеристику (рис. 2 .22, а ). При этом на первом участ
ке (I, рис. 2.22, б) сигнал обратной связи U„ = 0. При Uoc > Uon
(£/„„ — опорное напряжение, оно задается) на вход системы
поступает сигнал отрицательной обратной связи 1/ж. Зн ач е
ГЛ А В А 2. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д В И Г А Т Е Л Я М И П О СТО Я И Н О ГО ТО К А
63
ние Uon определяется током /, с которого начинается регули
рование. Этот ток называется током отсечки / отс. Таким обра
зом на участке I система является разомкнутой ((/„. = 0 ), а при
1 > А»гс — замкнутой, ограничивает ток / и момент М.
Ток / ст при со = 0 называют током стопорения. Приведен
ные на рисунке 2 .2 2 , б характеристики отличаются значения
ми сигнала задания U3 по скорости, следовательно, й величи
нами соо- Точность регулирования (ограничения) тока зави
сит от общего коэффициента усиления системы — чем он
выше, тем больше характеристика на участке II приближает
ся к вертикали.
Рис. 2.22
Зам кнут ая сист ема регулирования с нелинейной обрат ной связью
по т оку (с отсечкой по току, моменту)
1Ш1Ш1ШВ1Ш111Ши1ИУ1Ш11УиШШШН1Ш111!)и0118111НШУ11111й1««111ИН111ЙШ11№йй111Н1Х11В1Н111111Н11111ПВ1йи11Н11ВПЯ11Н81111Ш№В1)11П1111вВШП№Ш118111д1Н1111
ГЛАВА 3
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
С АСИНХРОННЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ
3.1.
ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ,
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,
СХЕМ Ы ВКЛЮЧЕНИЯ
Асинхронные двигатели (АД) общего назначения мощностью
до 400 кВт на напряжение до 1000 В являются в настоящее
время самым распространенным видом электродвигателей в
промышленности и сельском хозяйстве. Это положение опре
деляется рядом преимуществ АД по сравнению с другими ти
пами двигателей: они более просты и надежны в эксплуата
ции, имеют меньшие стоимость, массу и габариты при той же
мощности, хорошие пусковые и достаточно высокие энерге
тические характеристики (КПД от 0,7 до 0,96; cos<p от 0,7 до
0,92 в зависимости от мощности и частоты вращения).
Отечественная промышленность выпускает асинхронные
короткозамкнутые двигатели общего назначения (основного
исполнения) серий 4А и АИР, а также различные модифика
ции: с повышенным пусковым моментом; с повышенным
скольжением; многоскоростные; с фазным ротором; встроен
ным электромагнитным тормозом. Кроме того, выпускаются
специализированные исполнения по условиям окружающей
среды, в том числе двигатели для сельского хозяйства.
Двигатели предназначены для работы от сети переменно
го синусоидального напряжения частотой 50 Гц. Допускается
эксплуатация при отклонениях напряжения от - 5 до +10% и
частоты на ±2,5% номинального значения [ 6 ,1 1 , 24]. Огова
риваются также коэффициенты несимметрии и несинусоидал ьности [ 11 , 22 ]
-----
и
с нес им “- i t
k
Jiw
бр 100
k
11/1/,Яцесин
“- * мv
U ном
^ ном
/100
11/1/,
(3-1)
ГЛ А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
65
где U0бр — напряжение обратной последовательности; Uv —
напряжение v -й гармоники.
Г [ р И ЭТОМ £цесим ^
2 % , ^несим ^
5% .
На выводах асинхронных двигателей допускаются боль
шие значения коэффициентов несимметрии и несинусоидальности, если нагрев двигателя при данной нагрузке не превы
шает допустимого.
Двигатели с повышенным пусковым моментом предназна
чены для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска
(компрессоры, поршневые насосы, транспортеры и др.) при
синхронных частотах вращения 1 5 0 0 ,1 0 0 0 и 7 5 0 об/мин. Дви
гатели с повышенным скольжением предназначены для при
вода механизмов с пульсирующей нагрузкой, а также м еха
низмов, работающих в повторно-кратковременном режиме S3.
Многоскоростные АД служ ат для приводов механизмов,
работающих при различных скоростях (регулирование — сту
пенчатое) . Выпускаются двигатели двух-, трех- и четырехско
ростные, например, 5 0 0 / 7 5 0 / 1 0 0 0 / 1 5 0 0 об/м ин.
Р я с . 3.1
Э лем ен т ы конст рукции
аси н х р он н ого дви гат ел я :
а — пакет статора; 6 — статор с частично уложен
ной обмоткой; а — фазный ротор; г — коротко
замкнутая обмотка ротора («беличья клетка»).
3 — 1(32
66
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Двигатели с фазным ротором применяются для приводов
с особо тяжелыми условиями пуска (центрифуги, сепарато
ры), а при незначительных мощностях и для регулирования
скорости.
На рисунке 3.1 представлены элементы конструкции асин
хронных двигателей. Короткозамкнутая обмотка («беличья
клетка») чаще выполняется алюминиевой, заливкой жидким
металлом пазов магнитопровода ротора вместе с короткозамыкающими кольцами. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку
с таким ж е числом полюсов, как и обмотка статора, выполнен
ную изолированным проводом и соединенную в звезду. Начала
обмотки выводятся на контактные кольца с наложенными на
них щетками, через которые обмотка соединена с трехфазным
резистором /?2Д = var.
Трехфазная якорная обмотка укладывается в пазы сер
дечника статора, соединяется в звезду или треугольник. На
чала и концы обмотки выводятся на клеммы. Обмотка потреб
ляет из сети ток 1\, содержащий две составляющие: намагни
чивающий ток /д и нагрузочный (ток ротора) /2.
Электромагнитные процессы в АД во многом сходны с про
цессами в трансформаторе [ 20 , 21 , 22 ], когда передача и преоб
разование энергии осуществляется магнитным потоком взаи
моиндукции (общим для обмоток статора и ротора потоком в
зазоре Ф5).
Токи статорной обмотки создают вращающееся со скоро2 я/
стью (Оо = ------ магнитное поле В&(х, t) - #5msin(cbf - <хг), ко
торое наводит ЭДС в обмотках статора и ротора. Ток обмотки
ротора создает собственное магнитное поле, в результате взаи
модействия которого с полем статора и создается электромаг
нитный момент. Величина вторичной ЭДС Е%=
при прочих равных условиях определяется скольжением
s = — ----- или частотой/ 2 = sf\. При неподвижном роторе s = 1,
со
/2 = fit такой режим называется коротким замыканием.
До недавнего времени (70-е гг. X X в.) АД с короткозамк
нутым ротором применялись в основном в нерегулируемых
электроприводах. Однако с разработкой и массовым выпус
ком полностью управляемых полупроводниковых приборов —
67
ГЛАВА 3. Э Л ЕКТРО П РИ ВО ДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВ И ГА ТЕ Л Я М И
КМ"\. КМ 1 — главный
контактор
FBI I FR1 — Реле
перегрузки
Q1 — система
плавного
пуска
Рис. 3.2
Схемы включения
асинхронных
двигателей:
а — схема пуска АД с КЗР
с помощью магнитного
пускателя; б —включение
АД с КЗР с использовани
ем системы плавного пус
ка; в — пуск АД Ф Р с по
мощью резисторов в цепи
ротора; г — плавный пуск
АД ФР с импульсным ре
гулированием сопротив
ления; д — схема пуска,
реверса и торможения
противовключением асин
хронного двигателя с КЗР.
&
qf£ =£
4
\d Г \ d W
\d г
/>
\d 7 \ d 7
КМ 1
КМ2
[]FA
SB1
m
КМ 1
КК
КМ2
FA
КМ 1
учгОКК
SB2
КМ 2
[]
IT
68
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
силовых транзисторов (iG B T и др.) и созданием компактных
и надежных преобразователей частоты асинхронный регули
руемый электропривод стал занимать доминирующие пози
ции при мощностях до 5 0 -1 0 0 кВт и более.
В настоящее время такие регулируемые приводы исполь
зуются в различного рода насосных и вентиляторных уста
новках, работающих с переменной подачей, грузоподъемных
механизмах, технологических линиях пищевой и перераба
тывающей промышленности и многих других.
На рисунке 3.2 представлены схемы включения асинхрон
ных двигателей. Короткозамкнутый АД запускается прямым
включением в сеть (рис. 3.2, а) или через устройство плавно
го пуска (УПП) (рис. 3.2, б), когда необходимо ограничить
пусковые токи, динамические нагрузки в системе путем сни
жения начального напряжения. АД с фазным ротором пус
кается в ход с помощью реостатов в цепи ротора (рис. 3.2, в, г).
При этом регулирование сопротивления R %д может быть сту
пенчатым (контакторы К 1 -К З ) (рис. 3.2, в) или импульсным
(плавным) (рис. 3.2, г), когда резистор шунтируется сило
вым управляемым полупроводниковым вентилем — тиристо
ром или транзистором. Такое импульсное регулирование, по
сути, представляет широтно-импульсный преобразователь
(см. гл. 2). Частота коммутации/к = 400 + 1000 Гц.
На рисунке 3.2, д изображена схема пуска, реверса и тор
можения противовключением асинхронного двигателя; ревер
сивный магнитный пускатель включает в себя два линейных
контактора КМ1 и КМ2.
3.2.
СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ
И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Эквивалентные схемы замещения, являющиеся электри
ческим аналогом электромеханических преобразователей энер
гии (ЭМП), широко используются для анализа работы элек
трических машин. Такие схемы состоят из пассивных элемен
тов — сопротивлений и индуктивностей, соединенных таким
образом, чтобы физические процессы для машины и схемы
описывались одинаковыми уравнениями.
ГЛАВА 3. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С АСИНХРОННЫМИ ДВИ ГА ТЕЛ ЯМ И
69
Асинхронный двигатель, как и любой ЭМП, представляет
собой систему токо- и магнитопроводов, то есть совокупность
электрических и магнитных цепей. Электрические цепи — это
обмотки статора и ротора, а магнитные — ферромагнитные
элементы плюс воздушный зазор, по которым замыкается маг
нитный поток. От степени насыщения стальных участков за
висят потокосцепления и индуктивности обмоток, следова
тельно, режим магнитной цепи (индукция В, поток Ф) во мно
гом определяет параметры электрической цепи, и наоборот.
Активные сопротивления схемы замещения (обмотки ста
тора — R\, и ротора — /?г) считают практически неизменными
для рабочих режимов при скольжениях меньших критическо
го (sK). При этом основной магнитный поток в зазоре Ф§ оста
ется постоянным, Фд = const [18, 20, 21]. Следовательно, ин
дуктивности обмоток также практически постоянные.
При расчете пусковых режимов (fy =/ 1), когда вытеснени
ем тока в обмотке короткозамкнутого ротора и насыщением
зубцов от потоков рассеяния пренебречь нельзя, уточняют
параметры по разработанным методикам [ 21 ].
Сами величины сопротивлений и индуктивностей рассчи
тывают по геометрическим размерам, физическим характери
стикам материалов — удельной электропроводности у и маг
нитной проницаемости ц [19, 20 , 21 ].
На рисунке 3.3 представлены: Т-образная схема замеще
ния с приведенными к обмотке статора параметрами вторич
ной обмотки — Гг, хг (рис. 3.3, а), подобная схеме замещения
трансформатора, то есть вращающийся ротор заменен непод
вижным (эквивалентным) с соответствующими параметра
ми; Г-образная схема замещения с вынесенным на зажимы
сети намагничивающим контуром (рис. 3.3, б, в), когда при
U\ = const ток идеального холостого хода /оо = const.
Приняты следующие обозначения: U\ — первичное фаз
ное напряжение; 1\ — фазный ток статора; rj и Х\ — активное
и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора; /„, хм,
гм — ток, индуктивное и активное сопротивления намагничи
вающего контура;
= i ?2 — ЭДС первичной и приведенной
„ л
г£-( 1 - s )
вторичнои обмоток;
!-------
сопротивление, в котором
70
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Рис. 3.3
Схемы замещения асинхронного двигателя:
а — Т-образная; б, в — Г -образные.
при токе /2 и неподвижном роторе выделяется мощность
гп.ал -- ТiПf ------------- , равная механической мощности машины
Рмех = Mw, Ry = qrf, /?2 = Cj -г2'; Х 2 = cf -z 2 — приведенные со
противления обмотки ротора; ct —1 + — = 1, 0 2 + 1, 1; s — сколь
зи
СОо----- ; coo— синхронная угловая скорость (ско,
жение, $ = —
0)о
2 ?t/i
рость вращения магнитного поля), (Оо = — —; р — число пар
полюсов;/! — частота питающей сети.
Расчеты характеристик АД ведутся, как правило, по схе
ме, изображенной на рисунке 3.3, б, в, поэтому в справочной
литературе [23, 24, 43] приводятся параметры
Х\, /?2, Х 2
(рис. 3.3, в) в относительных единицах. За базовое прини
мается номинальное сопротивление фазы обмотки статора
у
—
At — г— . а относительное значение параметра, например,
1н
П* = - - = Х
Т1 <и. Для асинхронных машин мощностью от нескольких киловатт и выше значения параметров [ 21 ]:
Г Л А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
71
а£ = 2 + 4; гм* = 0 ,0 8 + 0 ,3 5 ;
Г\ а г2'* = 0,01 + 0 ,0 7 ; x f а х? = 0 ,0 8 + 0 ,2 .
На рисунке 3 .4 приведены энергетические диаграммы
асинхронной машины для двигательного и генераторного ре
жимов [ 2 0 ], которые показы ваю т процесс преобразования
энергии и сопутствующие этому потери (р^, р ш, р а, р мх).
Рис. 3.4
Энергетические диаграммы асинхронной маш ины в реж им ах:
а — двигателя; б — генератора.
Уравнения напряжений для фазы статора и ротора из Т-об
разной схемы:
U\——Ё\ + i\-Z\= —Ё\ + Д •Г\+ JX\ •i \;
(3.2)
£ 2 = Ё \ = /2 -Z z = /2
+ /г • s
•r2 + j x2 ' /2»
где Е х = 4 ,4 4 /1 •u v Ф т •к ^ — ЭДС фазы обмотки;
Фт = 1 -В ъ х1л
п
— магнитный поток на полюс; В 5 ^ (0,7 + 1,0) Тл — индук/
\
я-.А
ция в зазоре (амплитуда); т — полюсное деление, ъ = — — ;
"Р
72
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
— активная длина статора; D\ — внутренний диаметр стато
ра; 2р — число полюсов.
Для Г-образной схемы
1'г = ci Iz'> h = Ах) - Й | ^оо =
И + jx 1 + гн + jxu
Ua
/2 =
(3 -3)
‘
Д, + ^ 1
+ № + * г )2
где ш Xi, гм, жм, R\, Ri, Х\, Х%— параметры схемы замещения
по рисунку 3.3, в.
Подводимая к двигателю электрическая мощность
Р\ = т\ I U\ •1\- cos<p ==л/3 ■U ■I •cos<p, Вт,
(3.4)
где тп\ = 3 — число фаз; U, I — линейные напряжение и ток.
Часть этой мощности расходуется на потери в обмотке ста
тора АРэл1, а вращающийся поток вызывает магнитные поте
ри в стали АРре
[Д/^л, =пц Д2 -/*;
[ДРРе = п ц -I g •/■„.
^3-5)
Электромагнитная мощность, передаваемая вращающим
ся потоком через зазор на ротор
\Р*Н =Р\
- A P Fe =!Щ Г22 — )
s
•j
„
(З.о)
[Рэы =М - Шо.
Электрические потери в обмотке ротора
Д^эл2 = Щ -1^ ■ri = nvl -Il rz.
(3.7)
Полная механическая мощность, развиваемая двигателем
В 411 - И
= ^ / 2'2
9 s1
= м -са
(3.8)
Полезная механическая мощность на валу
Pi = Рмвх ~ АРд,
(3.9)
где Ямех, АРд — механическая мощность и добавочные потери
соответственно.
73
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРО П РИ ВОД Ы С АСИНХРОННЫМИ ДВИ ГАТЕЛ ЯМ И
Коэффициент полезного действия
Р2
Р2
1]~ Р х ~ Р г + '£ ь Р '
(3 1 ° )
Коэффициент мощности
А
к
Г Т »
Р\
<31,)
Из ( 3 .6 -3 .8 ) следует, что потери в обмотке ротора
АЯ,л2 = м ■ Юо -
М ■ со = | •| з м ; Р м е х = (1 - I
■U
(3 .1 2 )
Следовательно, потери в обмотке ротора пропорциональны
величине скольжения и не зависят от причин его изменения.
3.3.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АСИНХРОННЫХ ДВИ ГАТЕЛЕЙ
Механическая характеристика асинхронного двигателя —
это зависимость угловой скорости от электромагнитного мо
мента со(М) при Щ | const,/) = const, или M(s) при тех же ус
ловиях. Момент на валу М2 будет меньше электромагнитного
на величину момента холостого хода М0, который обычно
включают в момент сопротивления нагрузки.
М = М0 +М2,
ИМ —
со
со
■
Электромагнитный момент из (3.6), (3.12)
т
М -щ
2
S-COo
тЛ'12 '—
2 - ____
.s .
(3.14)
СОо
Подставив в (3.14) значение тока 12 с учетом I2 = cj •12 ,
й 2 =с\-<{ по схеме, показанной на рисунке 3.3, в, получим
А. II. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
74
Видно, что при конкретном скольжении момент пропор
ционален квадрату напряжения и тем меньше, чем больше R\
и индуктивные сопротивления рассеяния Х\, Х2. Физически
это означает: с ростом R\, Х\увеличивается падение напряже
ния на них и уменьшается ЭДС Ец с увеличением х2 возраста
ет угол \|i2 между ЭДС Е2 и током 12, уменьшается активная
составляющая вторичного тока. Отметим, что квадратичная
зависимость от напряжения сохраняется только при сниже
нии напряжения от номинального. При повышении напря
жения больше чем на 10 % от номинального резко возрастает
намагничивающий ток из-за насыщения магнитной системы.
Исследование (3.15) на экстремум, то есть решение урав-
дает значения максимального момента Мти соответствующе
го ему критического скольжения sK
пц •p-U\
М
s —
я 2-
(3.16)
где Хк = Х\ + Х2 — индуктивное сопротивление короткого за
мыкания; знак «+» относится к двигательному режиму рабо
ты, а « - » — к генераторному.
Из (3.16) видно, что величина максимального момента не
зависит от сопротивления цепи ротора R2, а скольжение sKпро
порционально величине /?2В нормальных асинхронных машинах R\ значительно мень
ше Хк (как правило, R\ составляет 10 + 15% от Хк [21, 2 4 ,2 5 ]).
В этом случае
<3 1 7 >
Отметим еще раз, что R\ = cj •rj здесь общее активное со
противление фазы, включая и возможное добавочное сопро
ти влен и е;^ = Ci •Х\,Х2 = cf •х2; R2 = с\- г2 — общее сопротив
ление фазы ротора (в двигателе с фазным ротором сюда вхо
дит и сопротивление /?2д;)•
Г Л А ВА 3 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
75
Значения моментов М„, и скольж ений sKприводятся в спра
вочных данны х. Д ля двигателей различного назначения п е
регрузочная способность
=- = (1 ,8 + 3 ,0 ), sK = 0 ,0 5 + 0 ,3 .
Более ком пактная формула момента через известны е Мт,
sK, R\, Rz получена из (3 .1 5 , 3 .1 6 ) и носит название формулы
Клосса [2 0 , 21]
м
2-M m-( l+ a - s K)
-+ ^ -+ 2 -a -sK
sK
где a =
ii
/»2
s
<3 -1 8 )
s — текущ ее значение скольж ения.
В маш инах без добавочного сопротивления в цепи ротора
г, = Гг, значит и
= /?2- Поэтому (3 .1 8 ) мож ет быть переписа
на в виде
М _
2 (l + sK]
Мт s .
,o i
(3 .1 9 )
+^ -+ 2 sK
SK s
По каталож ны м данным (Мн, М„„ sH) можно определить
sK, а затем рассчитать и характеристику M(s) по (3 .1 9 ).
Если в (3 .1 9 ) пренебречь слагаемым 2sKв числителе и зн а
менателе, то получим используемую для приближенных р ас
четов упрощ енную формулу Клосса
М
Щт
2
J _ + £k.
*к
*
(3 .2 0 )
В режиме короткого зам ы кан и я, при s = 1, двигатель раз
вивает пусковой момент М„, представляю щ ий важ ную х ар ак
теристику для электроприводов
р - П Ц - U f -Г2
-;;2
— ■
-------ттп(Оо [(г, + ct -г2)2 + (х, + с, a*) J
М п = ------г/
:
(3 .2 1 )
При этом предполагается, что параметры схем ы за м е 
щ ения постоянны . Д ля двигателей различного назначения
= (1 ,0 + 2 ,0 ) [20, 2 4 ,4 3 ].
76
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Рис. 3.5
Механическая M(s) и электромеханическая I(s) характеристики АД КЗР
Рис. 3.6
Механические характеристики АД
ФР при
= var
Рис. 3.7
Зависимости и>(М) (а) и sM(Pg) АД
КЗР (б)
ГЛ А В А 3 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
77
На рисунках 3 .5 - 3 .7 представлены м еханическая и эл ек 
тромеханическая характеристики M\s), I\s) короткозамкну
того двигателя мощностью 15 к В т (рис. 3 .5 ); механические х а 
рактеристики со(М) двигателя с ф азным ротором (рис. 3 .6 ) и
короткозамкнуты м (рис. 3 .7 ). На рисунке 3 .7 , б приведены
значения номинальны х скольж ений для короткозамкнуты х
двигателей различной мощности.
Х ар актерн ы м и точкам и м ехан и ческой характеристики
(рис. 3 .5 , 3 .7 ) являю тся следующ ие:
1. s = 0 , а) = coo, М = О, Е2 = 0 , / 2 = 0 — точка идеального х о 
лостого хода;
2 .s = 1, со = О,М = Мкз = М„ — точка короткого зам ы кания,
Мп — пусковой момент, 11= 1П= (4 ,5 + 7)/„ — пусковой ток для
АД с К З Р ;
3. s = sK, М = М,„ — точка м акси м альн ы х момента М,„ и
скольж ен и я sK. В режиме генератора: -М тт, - s mr;
4. s = s„,M = М„, со = соо(1 - s„) — точка номинального д ви 
гательного режима;
5. со = comjn, М = Mmin, s = smin — точка минимального м о
мента. З н ачен и е Mmin приводится в сп р аво ч н и ках, Мт ;„ ~
~ (0 ,8 + 0 ,9 ) •Ма.
М инимальный момент обусловлен моментами (тормозны
ми) от вы сш и х гармонических намагничиваю щ ей силы , в о с
новном 7-й гармоники. С кольжение
Smin = ! - £ = § = 0 ,8 5 7 .
Значение скольж ен и я однозначно определяет и энергети
ческий режим работы АД [2 0 , 2 1 ]:
1 .0 < s < 1 ,0 < со < coo, М > 0 — двигательный режим.
2 . - о о < s < 0 , со0 < со< «j, М < 0 — генераторный режим с
отдачей энергии в сеть.
3 . s > 1 , со< 0 , М < 0 — генераторный (тормозной) режим,
или противовклю чения, когда ротор и магнитное поле вращ а
ются в противополож ных направлениях.
П р и м е р 3 .1 . Д ля асинхронного двигателя с фазным ро
тором 4 А Н К 3 1 5 5 1 0 У З : 1) построить естественную м еханиче
скую характеристику; 2 ) рассчитать сопротивление /?гд доба
вочного резистора, при включении которого в цепь ротора мо
мент при пуске будет равен максимальному; 3) определить
78
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
сопротивление Яад, при котором реостатная (искусственная)
характеристика пройдет через точку s = 0,2 при М - Мн.
Паспортные данные двигателя: Рн - 75 кВт;п„ = 573 об/мин;
Uu = 380 В ; 2?2н = 217 В (при неподвижном и разомкнутом
роторе); г] = 0,9; cos<p = 0,8; Л =
М
=
МД =1,8; /2н = 221 А;
sH= 0,045; як = 0,158.
Относительные сопротивления Г-образной схемы замеще
ния: Rx= 0,036; Rz = 0,052; Хх = 0,14; Х2 = 0 ,19; Х„ = 3,5.
Р е ш е н и е . 1. Построение механической характеристики:
1) коэффициент трансформации
2) коэффициент трансформации токов
3) коэффициент приведения
k = ku-ki= 1,75 •1,4 = 2,45;
4 ) номинальный ток обмотки статора
/ _
Ргш
>l3 UHri-cos<p
_
75 Ю 3
=158А .
V3 380 0,9 0,8
5) номинальное сопротивление двигателя
mU
2»=т
its1=т11=1'3920м:
loo
6) коэффициент
С, s i + ^ . * 1 + ^ = 1,04;
3,5
7) сопротивления
Ri = R fZ „ = 0,036 •1,392 = 0,052 Ом,
Хх =X i Ztt = 0,14 1,392 = 0,195 Ом,
Х2 = X } Z n = 0,19 1,392 = 0,264 Ом,
/?2 = R&'ZH= 0,052 ■1,392 = 0,072 Ом;
Х„ ж4,87, Хк = 0 ,4 5 9 Ом;
79
ГЛАВА 3. Э Л ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С АСИНХРОННЫМИ Д ВИ ГА ТЕЛ ЯМ И
8 ) критическое скольжение
*
-
y lB f+ X *
Я£
_
0,052
V 0.0362 + 0 ,3 3 2
(по каталогу sK= 0 ,1 5 8 );
9) при R21=4R? Т х 2 скольжение sK= 1. Следовательно,
приведенное Я 2г = 0,3 3 2 . Добавочное сопротивление /?2д =
= Л и - R2 = 0 ,332 - 0 ,072 = 0,26 Ом.
Реальное сопротивление Я 2д (неприведенное)
D
Я2п = —^ - = 0 ,0 9 8 Ом — ответ на вопрос 2) в условии приfc-cf
мера.
Проверка:
Я2 _ s K _ 0 ,052 _ 0,157 _ 0
Я2г 1 0 ,0332
1
10 ) максимальный момент через параметры
3 -ui
Мт= ----------------- 4-------------(R i+ jtq + X * )
3 -2 2 0 2
= 2271 Нм
2 •62,8 •(0,052 + л/0,0522 + 0 ,4 5 9 2 )
(по каталогу Л/т = 2251 Нм).
В режиме генератора
Мт = --------------------... .......................- — = -2 7 5 9 Нм;
2 -6 2 ,8 ( 0 ,0 5 2 - ^ 0 ,0522 + 0 ,4 5 9 2 )
11 )
уравнение естественной механической характеристи
ки (формула Клосса)
М=
2 -M m- ( l + a - s K)
2-2271 (1 + 0,109)
— + — + 2 -a -s K
+ 2-0,109
sK s
0,157
s
Задаемся значениями скольжения и находим величину
момента.
*
и
0
0
0,045
1250
0,09
1986
0,12
2198
0,157
2271
0,30
0,6
1,0
1890
985
746
А. П. ЕП ИФ А НО В. О СН ОВ Ы Э Л ЕК ТР О ПР ИВ ОД А
80
2. Ответом, п. 9.
3. При номинальном моменте отношение сопротивлений
роторной цепи будет
se
sa
=
/?2
«2 2
0,045 0,072 „/
n qo г»
"ТГоТГ =
r 21 = 0 .3 2 Ом.
0 ,2 0
R 21
Величина добавочного сопротивления
Ягд = X h - R 2 = 0 ,3 2 -0 ,0 7 2 = 0,248 Ом.
щ д = Яад _ 0,248 = 0,094 Ом.
кЩ
2 ,4 5 1 ,0 8
3.4.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при
работе от сети U = const,/= const является двигателем практи
чески постоянной скорости, поэтому в большинстве нерегу
лируемых приводов мощностью до 2 0 0 -4 0 0 кВт используют
ся именно такие двигатели.
Начиная с 80-х гг. X X в. в связи с массовым выпуском
полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов-транзисторов (iGBT, M OSFET и др.) [16, 38, 39, 40] и
на их базе преобразователей частоты (ПЧ), асинхронный при
вод по схеме П Ч -А Д стал наиболее широко используемым
регулируемым электроприводом.
Скорость асинхронного двигателя
to = (1 - s ) -й)о = а)о- s •(Оо = Шо - Да>,
гяе
где
(3.22)
2я-/—
(1)0 = -----
Р
— синхронная скорость; Дсо — изменение (падение) скорости
вследствие действия нагрузки. Величина Да) определяет жест
кость механической характеристики
р =Ш . (см. п. 1.4).
До) '
. 1
Из (3.22) видно, что путей регулирования скорости всего
два: 1) о>о = var; 2) Да) = var при а)о = const, что означает изме
нение скольжения или жесткости характеристики а)(М).
Г Л А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
81
Сразу отметим, что электрические потери в цепи ротора
ДРэл2 = sP3M= М ■Дю ~ s •Р\ (см. п. 3.2 ) при прочих равных у с
ловиях пропорциональны величине скольжения, поэтому спо
собы регулирования скорости изменением жесткости харак
теристики а>(М) по определению являются неэкономичными
с точки зрения потерь энергии.
3 .4 .1 .
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
ИЗМЕНЕНИЕМ ЖЕСТКОСТИ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Изменение величины Дсо, то есть переход на искусствен
ные характеристики, может быть достигнут регулированием
приложенного напряжения U\ = var при/) = const и введени
ем добавочного активного сопротивления /?2д в цепь ротора
(только фазного).
Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал управ
ления, и в этом его преимущество перед короткозамкнутым.
Искусственные реостатные характеристики (рис. 3.8) получа
ют включением регулируемого сопротивления в цепь ротора.
В зависимости от способа регулирования величины со 
противления — ступенчато или плавно, зависит и плавность
регулирования скорости, а само регулирование осущ ествля
ется вниз от основной скорости (однозонное регулирование)
(см . п. 1 .5 ).
Рис. 3.8
Регулирование координат АД ФР с помощью резисторов в цепи ротора:
а — схема; б — механические характеристики.
82
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Диапазон регулирования
д = “ ш!« = (1 ,5 + 2 )
®min
ограничен уменьшением жесткости характеристик to(М) , сле
довательно, и снижением стабильности регулирования (или
точности), определяемой как изменение скорости Дш при из
менении момента на валу.
При одном и том же моменте АД для естественной и искус
ственной характеристик справедливы соотношения [1 1,20 ,2 5 ]
Зки _ Su _ г2 + Д2д . Дзд _ 5И
*ке
Pi
’ Ч
Se
■4,
(3.23)
где s„, se — текущие значения скольжения для искусственной
и естественной характеристик.
По (3.23) можно рассчитать величину добавочного сопро
тивления /?2д для получения нужных искусственных харак
теристик.
При увеличении скольжения возрастают и потери в цепи
ротора, АРэдг = * •Р\- Например, при снижении скорости в два
раза потери во вторичной цепи составляют приблизительно
50% от потребляемой мощности, не считая потерь в статоре.
Следовательно, по всем основным показателям и, главное,
по потерям энергии этот способ регулирования является не
эффективным. Однако из-за простоты реализации применя
ется в приводах небольшой мощности.
Регулирование напряжения вниз от номинального возмож
но осуществить введением сопротивления (активного или ре
активного) в цепь статора; использованием автотрансформа
тора; включением двигателя через тиристорный регулятор на
пряжения (ТРН ) (рис. 3.9).
При включении сопротивления в цепь статора напряже
ние на зажимах двигателя зависит от тока статорной обмотки
и, кроме того, потери Z2 •R делают этот способ неэффектив
ным. Использование автотрансформатора требует больших
капитальных затрат, процесс регулирования сложно автома
тизировать, надежность системы привода снижается.
На практике применяются тиристорные регуляторы на
пряжения (рис. 3.9), когда, управляя углом включения тири
сторов, можно плавно изменять действующее значение напря-
ГЛАВА 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х РО Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
83
1,0
0,8
со
Рис. 3.1 0
Схема CAP скорости
по системе ТРИ-АД (а),
механические характеристи
ки (б) и зависимость
коэффициента мощности
и costp от скороспш
при Мс = Мн (в)
0,6
V
----------------------- «В
-
'Uс
л.
/
0 ,4
0,2
<
/
/
f/
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
жения. На рисунке 3 .1 0 приведена схема замкнутой системы
автоматического регулирования (СА Р) скорости Т Р Н -А Д и
механические характеристики АД при U = var. При этом мак
симальный момент при пониженном напряжении уменьша
ется пропорционально квадрату напряжения
84
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
1М
ГЛгпн =М
iV*n
(3.24)
Ж
где Мт„ — максимальный момент на искусственной характе
ристике (пониженное напряжение U); Мт — при номиналь
ном напряжении UH.
Критическое скольжение sKпри этом остается неизменным,
а регулирование скорости происходит за счет уменьшения
жесткости (увеличения скольж ения). Изменение скорости
осуществляется бесступенчато. Из приведенных на рисун
ке 3.10, б характеристик видно, что пределы регулирования
весьма ограничены даже при вентиляторном характере нагруз
ки, когда момент сопротивления Мс = ш2. Допустимый момент
Л/доп ограничен и потерями в цепи ротора АРэл2 = s ■Р\, следо
вательно, с ростом диапазона регулирования КПД привода
снижается.
В тепловом отношении необходимо, чтобы потери в рото
ре на искусственных характеристиках не превышали потери в
номинальном режиме, с учетом ухудшения теплоотдачи с по
нижением скорости, то есть
Л Рэл2 < АРэл2„.
(3 .2 5 )
Следует отметить, что с ростом угла управления снижает
ся коэффициент мощности системы Т Р Н -А Д X (рис. 3.10, в),
cos Удд, увеличивается потребляемая реактивная мощность,
растут потери от высших гармонических тока и напряжения.
Допустимый по нагреву момент двигателя при продолжи
тельном режиме работы будет [ 11 ]
пя*
SH
яоп.1 Ми ^ k ^ - s '
(3 -2 6 >
где s — рабочее скольжение; /сп2 — коэффициент увеличения
потерь в цепи ротора от высших гармонических, /сп2 = 1, 1 .
В таблице 3.1 приведены значения Л/доп в зависимости от
скольжения (илио)/сон) [ 11 ].
Из (3 .2 6 ), данных рисунка 3 .1 0 , б и таблицы 3.1 следу
ет, что регулирование скорости АД в системе Т Р Н -А Д при
Мс = co n st невозможно из-за резкого снижения максималь
ного момента и роста потерь.
f
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРО П РИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ Д В И Г А Т ЕЛ ЯМ И
85
Т а б л и ц а 3.1
З ави си м о сть Afjon от s и ш/со„
ю/ю.
1
0,937
0,833
0,625
0,416
0,208
*
0,04
0,10
0,20
0,40
0,60
0,80
1
0,36
0,182
0,091
0,06
0,045
М
*
/ндоп
На практике такие приводы и спользую тся для регулиро
вания скорости в небольш их пределах маломощ ны х венти
ляторов в си стем ах обеспечения микроклимата птицеферм,
хранилищ .
3.4.2.
Р Е ГУ Л И Р О В А Н И Е СКОРОСТИ
П Е РЕ К Л Ю Ч Е Н И Е М ЧИСЛА ПАР ПОЛЮ СОВ
Из выражения для угловой скорости асинхронного дви га
теля
А г
«Sfito : Й
в
Р
й
)
следует, что синхронную скорость А Д можно регулировать
изменением числа пар полюсов при заданной частоте f\ и не
значительно изменяю щ емся скольж ении s. Т акое регулиро
вание является ступенчаты м, так как число пар полюсов м о
жет быть только целым. Реали зуется такой способ регулиро
вания в А Д с короткозамкнутым ротором, когда при изменении
числа полюсов статора короткозамкнутая обмотка автомати
чески приспосабливается к лю бому числу полюсов. Измене
ние числа пар полюсов достигается:
1 ) переключением числа пар полюсов одной обмотки, уло
женной на статоре (см . рис. 3 .1 1 , а ) ;
2 ) выполнением на статоре д ву х независимы х обмоток;
3 ) выполнением д ву х независимы х обмоток, каж дая из
которых с переключением полюсов (или одна из д в у х).
М инимальная синхронная частота вращения вы пускае
мых многоскоростны х двигателей равна 5 0 0 об/м и н , а м акси
мальная — 3 0 0 0 об/м и н при 2 р = 2. Д иапазон регулирования
скорости не превышает 6:1 (3 0 0 0 :5 0 0 о б /м и н ). Направление
регулирования (вверх или вниз от основной скорости) зави 
сит от того, при каком числе полюсов скорость А Д принята
номинальной.
86
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Рис. 3.11
Схемы включения полуобм от ок дл я изменения числа полюсов
с соот нош ением 2:1 (а ) и м еханические характ ерист ики АД
при регулировании с М = const (б) и Р = const (в)
Регулирование (теоретически) возм ож но при М = co n st и
при Р = М ■О) = co n st (рис. 3 .1 1 , б, б). Реально получить такие
характеристики слож но, можно говорить о некотором прибли
ж ении к ним. Например, двигатель 4А 160 S 4/2 У З является
двухскоростны м (П] = 1 5 0 0 и 3 0 0 0 об/мин), мощности Р2 = 11
и 14 к В т соответственно, то есть ближ е к Р - co n st. Д вигатель
4А 2 0 0 L 12/8/6/4 У З — четы рехскоростной ( 5 0 0 ,7 5 0 ,1 0 0 0 и
1 5 0 0 об/мин), соответствую щ ие мощ ности Р2 - 6 ; 10 ; 1 0 ,5 ;
15 к В т, ближ е к М = co n st.
Т акой способ регулирования экономичен, характеристи
ки имеют вы сокую ж естко сть. О днако маш ина усл ож н яется
конструктивно, использование акти вн ы х материалов неоди
наково на разн ы х скор остях (по индукции в зазоре Вь и л и 
нейной токовой нагрузке А ).
j
ГЛАВА 3. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С АСИНХРОННЫМИ ДВИ ГАТЕЛ ЯМ И
87
Двигатели с переключением полюсов находят достаточно
широкое применение там, где не требуется плавного регули
рования скорости: некоторые металлорежущие станки, вен
тиляторы, насосы, цементная и нефтегазовая отрасли, пище
вая и перерабатывающая, сельскохозяйственная техника.
3.5.
ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИ ГАТЕЛЕЙ
Частотный способ регулирования скорости обладает теми
же преимуществами, что и регулирование двигателей посто
янного тока изменением подведенного к обмотке якоря на
пряжения. Это касается, в первую очередь, экономичности,
диапазона регулирования, плавности и точности при высокой
жесткости искусственных механических характеристик. Од
новременно с регулированием решается и проблема пуска в
приводах с большими моментами инерции и работающих в
повторно-кратковременных режимах. Возможность регули
рования скорости АД изменением частоты вытекает из выра
жения синхронной скорости
Уравнения равновесия напряжений при U = var, /t = v ar
(см. рис. 3.3) [ 1 0 ,1 1 ,2 0 ]
t
где ос = -------- относительная частота, у =
Лн
ное значение напряжения.
Значение магнитного потока из (3.27)
88
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Из (3 .2 8 ) видно, что магнитный поток определяется отно
шением у - и нагрузкой (током 1\). При этом величина Х{ ■1\
от частоты не зависит, а влияние падения напряжения на активном сопротивлении (член --1\) усиливается с уменьше
нием частоты и при а —» 0 , величина —-1\ —>°°.
а
Момент асинхронного двигателя [ 2 0 ,2 1 ]
М = Ст■Ф5 •/ 2 •COSV2,
(3 .2 9 )
через ЭДС Е2 = 4 ,4 4 •w2 ■Ф§ •к2о&-,Щ — угол сдвига между ЭДС
Е2 и током 12.
Момент двигателя при неизменных параметрах определя
ется потоком в зазоре. Следовательно, для поддержания, на
пример, постоянства момента необходимо иметь Ф§ = const,
I2 = const, cos \|/2 = const. Такие соотношения могут быть полу
чены только при Ф§ = const и /2 = const, или, вводя параметр
/,
абсолютного скольжения, p = -i=- = const. Очевидно, что при
fiН
изменении потока Ф§ и М = const изменится ток 12, скольже
ние Р, cos\j/2. Подтверждением сказанного служит регулиро
вание скорости АД в системе Т РИ — АД (см. рис. 3.9, 3 .1 0 ),
когда при / t = const снижение напряжения означает умень
шение магнитного потока.
В 1925 г. М. П. Костенко сформулировал основной закон
регулирования [ 20 ], который записывается следующим обра
зом:
(3 .3 0 )
где Мф Мс/с — моменты нагрузки при скоростях двигателя, со
ответствующих частотам/*,/k при фазных напряжениях £/,, [ 4 .
Соотношение (3 .3 0 ) получено при допущении r t = 0 и по
стоянстве перегрузочной способности двигателя. В этом слу-
U
чае поток в зазоре определяется только отношением -т , то есть
89
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВ ИГАТЕЛ ЯМ И
не учитывается влияние нагрузки (слагаемое
•1\ и падение
напряжения / t •r t). Из (3 .3 0 ) получены частные законы из-
U
менения — при различных механических характеристиках
производственных механизмов.
При постоянном моменте нагрузки Мс = const
— = const.
( 3 .3 1 )
Для вентиляторного характера нагрузки, Мс = ш2
U ■=const.
( 3 .3 2 )
/2
Здесь следует отметить, что зависимость ( 3 .3 2 ) относится
к вентилятору (насосу), работающему на постоянное аэроди
намическое (гидравлическое) сопротивление. При этом напор
пропорционален второй степени скорости, а расход — первой
степени, мощность — третьей степени скорости, Р = со3. М но
гие приводы насосов работают по замкнутой схем е со стаби
лизацией напора при переменном р асходе. В этом случае
М = const и закон регулирования по ( 3 .3 1 ) , то есть у - = co n st.
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном ск о 
рости
жг
- = = const.
( 3 .3 3 )
В таблице 3 .2 приведены правила частотного регулирова
ния по (3.30) для различных типов нагрузки.
Т а б л и ц а 3.2
Правила частотного регулирования
Параметры
Постоянная мощность
М = М&Постоянный момент
М = Мы= const
Вентиляционный закон
тъ
М
М.
и
и»
к
const
1
const
р
Рн
/
/
к
|ш §§ в
/
ф
ф
г»
I] я
con st
co n st
/
/
/и
/а
90
А П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
б
U,
I fflj “ 1
b
(0, - 0 ,7 5
; '------«
1
<D, - 0 ,5
(0, = 0 ,2 5
0 ,5
?
L
1 ,5
2
M *
CD, = 1
0 ,7 5
Рис. 3 .(2
ш, =j 0 ,5
0 ,5
М еханические характ ерист ики АД
при частот ном регулировании:
<0, - I 0 ,2 5
0 ,5
1
I
1 ,5
2
а — у - = co n st; б, в — при
M*
co n st и с
/ х /?- компенсацией.
В а ж н о отм етить, что д о п у щ ен и е Г\ = 0 м ал о с к а зы в а е т с я
при в ы с о к и х ч асто тах, б л и зк и х к н о м и н ал ьн ы м , но при н и з 
к и х ч а сто тах р е зк о сн и ж а е т с я зн ач ен и е м а к си м а л ь н о го м о 
м ента (ри с. 3 .1 2 , а ) [4 , 5 ] .
П р и чи н а этого з а к л ю ч а е т с я в у м ен ьш е н и и м агн и тн ого
потока при -^ - = c o n s t и з -з а в л и я н и я сл агае м о го
( 3 .2 8 ) .
Д л я п о д дер ж ан и я Мт = c o n s t при п о н и ж ен и и частоты н а п р я 
ж е н и е сл ед у ет у м ен ьш ать в м ен ьш ей м ере, чем по со о тн о ш е
нию ( 3 .3 1 ) (р и с. 3 .1 2 , б) за в и си м о сть U .
С оврем енны е преобразователи частоты (П Ч ), оборудован 
н ы е м и кр оп р оц ессор ам и [ 3 9 , 4 0 ] , в ы п о л н я ю т ся с у четом эт о 
го вл и ян и я, то есть с/ х / ? -к о м п е н са ц и е й . На рис. 3 .1 2 , в пред
ст а в л ен ы хар ак тер и сти к и M (f), P (f) аси н хр он н о го д ви га т ел я
при п р оп ор ц и он ал ьн ом у п р авл ен и и и с / х /?-ком п ен сац и ей .
П ри ч а ст о тах от 0 д о /н ск о р о сть, н ап р я ж е н и е и м о щ н о сть
и зм ен я ю тся по л и н ей н о м у за к о н у при М = co n st, а п р и / > / н
н ап р яж ен и е U = co n st, то есть н аблю дается р еж и м о сл аб л ен 
ного поля. Н а этом у ч астк е м ак си м ал ьн ы й мом ент пропор
ц ионален 1//.
Ч астотное управлен и е аси нхр онны м и дви гателям и наш ло
ш ирокое прим енение в п ри водах с и зм ен я ю щ ей ся н агр уз-
ГЛ А ВА 3 . Э Л ЕК ТРО П РИ ВО Д Ы С АСИ Н ХРОН Н Ы М И Д ВИ ГА ТЕЛ ЯМ И
91
кой — насосы и вентиляторы с переменным расходом, тран с
портеры, грузоподъем ны е м еханизм ы и лифты, бесступен 
ч аты е коробки передач в м еталлореж ущ их стан ках, в техн о
л оги ч ески х ли н и ях пищ евой и перерабаты ваю щ ей пром ы ш 
ленности и др. Т ак о й привод я вл я ется мощ ным энерго- и
ресурсосберегаю щ им средством. На рисунке 3 .1 3 , я представ
лена схем а насосного агрегата при стабилизации давления (н а
пора) и переменном расходе. На рисунке 3 .1 3 , б показаны х а 
рактеристики насоса при различны х скоростях со< > (Ог > соз
(кривы е Г , 2 ', 3') и сопротивлениях системы (кривы е 1 ,2 ,3 ).
Закрыта
Напорная
Открыта
Рис. 3 .1 3
Схема насосного агрегата при стабилизации напора (Н = const) uQ = var
(замкнутая система) (а); характеристики насоса при различных
скоростях (б); зависимости потребляемой приводом мощности
при различных способах регулирования расхода (в)
92
А. II. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Если расход изменяется от QAдо Qg и Qc, то рабочая точка H -Q
при регулировании скорости перемещается по искусственным
характеристикам насоса из А в С, сохранив постоянный на
пор Н3. При регулировании расхода дросселированием ск о 
рость со = о>1 = const, рабочая точка перемещается по харак
теристике Г насоса в С". В этом случае излиш ки напора
ДН = Н'с ~Нз, а потерянная гидравлическая мощность насоса
ДР = ДН ■Q. Очевидно, что экономичность подобного регули
руемого привода будет возрастать с увеличением неравномер
ности расхода. На рисунке 3.13, в приведены зависимости по
требляемой приводом насоса мощности от относительного рас
хода при регулировании дросселированием (со = const) и при
стабилизации напора путем регулирования угловой скорости
электродвигателя (рис. 3.13, а, б). Если учесть, что в реаль
ных системах водоснабжения, очистных сооружениях, тепло
снабжении расход колеблется в пределах ( 0,2 + 1,0 ) •(?ном в
течение суток, то эффективность замкнутых систем регулиро
вания очевидна.
Кроме экономии электроэнергии, сберегается ресурс дви
гателя и насоса из-за снижения скорости, сокращаются поте
ри воды в трубопроводах.
Компенсация падения напряжения на активных сопро
тивлениях обмотки статора устраняет снижение главного пото
ка с понижением частоты (I ■/?-компенсация), но не устраняет
снижение потока с ростом нагрузки из-за падения напряже
ния на индуктивных сопротивлениях (слагаемое
в
(3 .2 8 )). Поэтому на практике используются и другие законы
управления, например, управление при постоянстве главного
потокосцепления, то есть с компенсацией падения напряже
ния 2n-f\- La\•/j. В этом случае ЭДС фазных обмоток будут
постоянными, независимо от нагрузки (тока 1\). При таком
управлении основной поток двигателя становится несколько
больше, чем при —
т= const и с /х Я-компенсацией, остается
постоянным при всех частотах и моментах нагрузки. При та
ком управлении возрастает перегрузочная способность дви
гателя за счет увеличения максимального момента при s a sK,
Н'
а само скольжение будет sK - —у- вместо (3 .1 7 ), напряжение
х2
ГЛ А В А 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
93
увеличивается на величину j-I\-x ^ , характеристики становят
ся более жесткими, повышаются энергетические показатели.
Возможности современных ПЧ позволяют, кроме ск азан 
ного выше, поддерживать постоянство полного потокосцепления ротора, независимо от частоты и нагрузки. При этом
обеспечивается компенсация падения напряжения на полном
сопротивлении обмотки статора (r\ + jx\) и индуктивном ро
тора, поддерживается постоянство угла \|/г = con st (например,
\у2 = V 2hom) •В этом случае перегрузочная способность двигате
ля неограниченна (теоретически) и достигается путем регу
лирования напряжения. Практически ограничение момента
обусловлено насыщением магнитной системы и тепловым со 
стоянием двигателя.
3 6
П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л И ЧАСТОТЫ
Для осущ ествления частотного способа регулирования
скорости АД необходимо иметь преобразователь частоты ( П Ч ),
на выходе которого по требуемому закону могут изменяться
как частота, так и напряжение.
Преобразователи частоты по типу связи с питающей се
тью делятся на непосредственные преобразователи частоты
(Н П Ч ) и преобразователи с промежуточным звеном постоян
ного тока. В современных приводах применяются в основном
Дроссель
Выпрямитель
IG BTпреобразователь
Датчики
Р и с. 3 .1 4
Структурная схема частотно-регулируемого асинхронного привода
с промежуточным звеном постоянного тока
и автономным инвертором напряжения (АИН)
94
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока
(см. рис. 3 .1 4 ), основными звеньями которого являются вы
прямитель, фильтр звена постоянного тока и автономный ин
вертор. Напомним, что инвертор преобразует постоянное на
пряжение в переменное регулируемой частоты.
По типу инвертора преобразователи подразделяются на два
класса: с автономным инвертором напряжения (АИН) и с ав
тономным инвертором тока (АИТ).
ПЧ с АИН обеспечивает заданную форму выходного на
пряжения, а ПЧ с АИТ — заданную форму выходного тока не
зависимо от параметров нагрузки. При этом форма тока в ПЧ с
АИН и напряжения в ПЧ с АИТ определяется как самим вы
ходным сигналом, так и параметрами (характером) нагрузки.
а
Рис. 3 .1 5
Форма кривых напряжения, ЭДС и тока в фазах обмотки статораасинхронного двигателя:
а — при питании от тиристорного преобразователя частоты; б — при питании от ПЧ е
широтно-импульсным регулированием напряжения.
ГЛАВА 3. ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д Ы С АСИНХРОННЫМИ ДВИ ГАТЕЛ ЯМ И
95
Наибольшее применение в регулируемых асинхронных
электроприводах получили преобразователи частоты с авто
номным инвертором напряжения (см. рис. 3.14).
ПЧ получает питание от трехфазной сети переменного тока,
напряжение через дроссель подается на вход выпрямителя.
Дроссель служит для защиты ПЧ от кратковременных скач
ков напряжения. В ПЧ мощностью до 2 кВ т питание возмож
но и от однофазной сети.
Выпрямитель может быть как управляемым, так и не
управляемым (см. п. 2 .5 ). Если амплитуда выходного пере
менного напряжения регулируется в звене постоянного тока,
то выпрямитель — управляемый (У В ). В этом случае ПЧ на
зывают ПЧс амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ ),
формы кривых U\(t), ii(t) представлены на рисунке3.15, а.
В случае неуправляемого выпрямителя (Н У В ) регули
рование выходного напряжения осуществляется в звене пе
ременного тока широтно-импульсной модуляцией (Ш ИМ )
(рис. 3.15, б). При этом частота импульсов, промодулированных на полупериоде основной частоты по синусоидальному
закону, достигает (4 + 16) кГц. Современные силовые транзи
сторы типа iG B T , на которых выполняются инверторы, могут
работать при частотах до 50 кГц [1 3 ,1 6 ,4 0 ]. Большинство со
временных ПЧ строятся по схеме: Н У В — АНН с ШИМ. Прин
цип работы АИН поясняется изображенной на рисунке 3.16, а
условной схемой однофазного инвертора напряжения, рабо
тающего на активно-индуктивную нагрузку.
Вентили V I - V 4 включаются и выключаются попарно
(V 1 - V 3 и V 2 -V 4 ) по управляющим сигналам, работают в
ключевом режиме (открыт-закрыт). Следовательно, источник
постоянного напряжения Е подключается к нагрузке с разной
полярностью (см. рис. 3.16, а), формируя переменное напря
жение прямоугольной формы (рис. 3.16, в). Кривая тока при
этом будет состоять из отрезков экспонент. При коммутации
вентилей ток в индуктивности не может измениться мгновен
но и замыкается через обратные диоды V D 1 -V D 4 до значе
ния i„ = 0. Затем вступает в работу очередная пара транзи
сторов и ток потребляется от источника. Выход выпрямите
ля (источник) шунтируется конденсатором Со, который будет
заряжаться, когда ток протекает от инвертора к источнику,
96
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рис. 3.16
Условные схемы однофазных инверторов напряжения (а) и тока■(6)
и их диаграммы токов и напряжений (в, г) соответственно
(id ~ ток, потребляемый ив сети)
и разряж аться, когда ток потребляется от источника. Емкость
этого конденсатора зависит от частоты переключения венти
лей. В ПЧ на тиристорах (по схем е, показаной на рис. 3 .1 6 )
при частотах до (1 0 0 + 3 0 0 ) Гц величина емкости составляла
до 5 0 0 мкФ и занимала значительное место по объему, массе и
стоимости. В ПЧ на транзисторах при несущей частоте до
16 кГц (см . рис. 3 .1 4 ) величина емкости невелика (1 0 мкФ ).
Таким образом, основная особенность АИ Н состоит в том,
что независимость напряжения на нагрузке от ее характера
достигается введением в схем у обратных диодов V D 1 -V D 4 ,
предназначенных для пропускания индуктивного тока нагруз
ки (рис. 3 .1 6 ) , и включением параллельно источнику конден
сатора Со, на который этот ток замыкается.
97
ГЛАВА 3. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С А С И Н Х Р О Н Н Ы М И Д В И Г А Т Е Л Я М И
Автоном ны е инверторы ток а ( А И Т ) о б л ад аю т с в о й ст в а м и
источника тока, для чего н а вы ход е вы п р я м и тел я у с т а н а в л и 
вается дроссель с больш ой и н д ук ти вн остью (р и с . 3 .1 6 , б). П ри
этом ток н а вы ходе им еет п р я м оугол ьн ую ф ор м у, а н а п р я ж е 
ние определяется хар ак тер ом н агр у зк и (р и с. 3 .1 6 , г).
Н а ри сун ке 3 .1 7 и зо бр аж ен ы у с л о в н а я с х е м а м о ст о в о г о
трехф азного инвертора (а.) и д и агр ам м ы ф а зн ы х и л и н е й н ы х
напряж ений (б, в) при у г л а х п р овод и м ости вен ти л ей X = 1 8 0 °
(б) и X = 1 2 0 ° (в ). При этом в каж ды й м о м ен т в р ем ен и о к а з ы 
ваю тся включенны ми три вентиля из ш ести и з а в р ем я п е р и о 
да имеется ш есть р азли чны х со ч етан и й отк р ы ты х и за к р ы т ы х
состояний (р и с. 3 .1 7 , б, в). В к аж д ом из эт и х и н тер в ал о в н а
напряж ение и сточн ика вкл ю ч аю тся в се три ф азы : д в е п а р а л 
лельно + одна п оследовател ьн о (с м . р и с. 3 . 1 8 ) .
а
+о-
\7 J33'l sJ l
‘O
- i
Рис. 3.17
if I ю
I
тН I СМ
I
СМ I со
1 1 I
н I см
I I I
II I
<0 | тН
ю
1
ч*
ч*
1
СО
5 -6
V 4\7
1ч
fi- l
Условная схема мостового
трехфазного инвертора (а)
и диаграммы
выводных напряжений
при углах проводимости
вентилей 180° (б) и 120° (в)
см
1
со
1
см
t-
* '^
* ч
>
✓
\
)
i
Е
&
S*
4
'Ч
Л
S
V
у
-
V
*
ч
V
ч
ч
4 — 1832
Ч
И
98
А. П. Е П И ФА Н О В. О С Н О В Ы ЭЛ Е К Т Р О П Р И В О Д А
Характеристики высоковольтиьи
Предельные условия
эксплуатации
Электричеет
при Тагр,х= 25°С
Модель
е
Я
-е
35
ё
1
2
S
а
Р, Вт
а
s
н
CM600DY-34H
1700
600
6200
2,75
3,58
70
CM600E2Y-34H
1700
600
6200
2,75
3,58
70
CM800DZ-34H
1700
800
5000
2,8
3,64
72
СМ800НА-34Н
1700
800
8300
2,75
3,58
93
СМ1200НА-34Н
1700
1200
12 500
2,75
3,58
140
<
а*
Высоковольтные IGBT модули на 1700 В
Высоковольтные IGBT модули на 2500 В
CM400DY-50H
2500
400
3400
3,2
4,16
40
СМ800НА-50Н
2500
800
6900
3,2
4,16
80
СМ800НВ-50Н
2500
800
10400
2,8
3,64
120
СМ1200НА-50Н
2500
1200
10400
3,2
4,16
120
СМ1200НВ-50Н
2500
1200
15 600
2,8
3,64
180
Высоковольтные IGBT модули на 3300 В
CM400DY-66H
3300
400
3400
4,4
5,72
40
CM800E2Z-66H
3300
800
10400
3,8
4,94
120
СМ800НА-66Н
3300
800
6900
4,4
5,72
80
СМ800НВ-66Н
3300
800
10400
3,8
4,94
120
СМ1200НА-66Н
3300
1200
10400
4,4
5,72
120
СМ1200НВ-66Н
3300
1200
15 600
3,8
4,94
180
СМ1200НС-66Н
3300
1200
12 500
3,3
4,29
180
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОП РИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ Д ВИ ГА ТЕЛ ЯМ И
99
Т а б л и ц а 3.3
I шовых транзисторов
I рактеристики
Параметры диода
Максимальное время
переключения
а
е
©
о
=L
, \эо
Л
g
о
5 2
5
9
5
2— °5
— о
5 s
М. ®
т
я -
В =е Я
2= 3н
2 х
(• =z
s а
5?
о
S
SB
1
в)
ь
\о |
н
*?|
33
5
5* в
СО 5
IX и
S
CQ а
к
О
о
Ed
S
я
а
* а“
к
10
3 ,8
1 ,2
1 ,5
2
0 ,6
2 ,4
100
2
10
3 ,8
1 ,2
1 ,5
2
0 ,6
2 ,4
100
2
9
3 ,6
1 ,6
2
2 ,7
0 ,8
2 ,6
150
2 ,7
1 3 ,3
5 ,1
1 ,2
1 ,5
2
0 ,6
2 ,4
135
2
20
7 ,6
1 ,2
1 ,5
2
0 ,6
2 ,4
200
2
4 ,4
1 ,3
1
2
2
1
2 ,9
85
1 ,2
83
2 ,7
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,9
170
1 ,2
1 3 ,2
4
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,5
230
1 ,2
1 3 ,2
4
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,9
250
1 ,2
1 9 ,8
6
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,5
350
1 ,2
4
1 ,2
1
2
2
1
3 ,3
100
1 ,2
12
3 ,6
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,8
270
1 ,4
2 ,4
3 ,8
1 ,6
2
2 ,5
1
3 ,3
200
1 ,2
12
3 ,6
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,8
270
1,4
12
3 ,6
1 ,6
2
2 ,5
1
3 ,3
300
1 ,2
18
5 ,4
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,8
400
1 ,4
18
5 ,4
1 ,6
2
2 ,5
1
2 ,8
400
1,4
£ ^
s 5
я —
А. П. Е П И ФА Н О В. О СН О ВЫ Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
1 00
a
Z.
f-C Z H
.
zc
or—
Еа
jv
г О
zA
Zb
'
2 Еа 1 1
п
r - d
О zc
<^
2£0
i
Ео 1 1
b
Zc
Z„
<
L
Е0
o ' ------
ЬL
2Е0
Рис. 3 .1 8
Схемы соединения фаз нагрузки (ZA, ZH, Zc)
для трех интервалов времени за один полупериод
Рис. 3 .19
Схема силовых цепей, системы привода ПЧ-АД сАИН
и широтно-импульснымрегулированием
Очевидно, что при прямоугольно-ступенчатой форме н а
пряжения кривые токов далеки от синусоиды (см. рис. 3.15, а),
что вы зы вает в АД дополнительные потери и тормозные мо
менты. При этом КПДдвигателей может снижаться на (2 + 5 )%
по сравнению с питанием от источника синусоидального на
пряжения [3 3 ].
Широтно-импульсная модуляция позволяет получить прак
тически синусоидальную форму тока (см. рис. 3 .15 , б) и не
значительное увеличение потерь.
101
Г Л А В А 3 . ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ Д В И Г А Т Е Л Я М И
В общем случае питание от ПЧ привносит следующие я в
ления.
1. Дополнительные потери, снижение КПД.
2. Электромагнитная совместимость.
3. Ухудшение условий работы изоляции двигателя.
Электромагнитная совместимость узлов установки и всей
системы (уровень помех, шумы, помехоустойчивость) дости
гается выполнением требований к монтажу: сетевые фильт
ры, экранированные провода, заземления.
При работе АД от ПЧ требования к изоляции двигателя
повышаются до 2 МОм. Это связано с диэлектрическими поте
рями при высокой частоте напряжения и крутых фронтах,
перенапряжениями на зажимах статора вследствие волновых
Т а б л и ц а 3.4
Характеристики преобразователей частоты фирмы SE W
Мощность двигателя
Показатель
1,1 кВт | 2,2 кВт
4,0 кВт
5,5 кВт
15 кВт
30 кВт I
Вход
Напряжение сети, Uc
Трехфазная сеть 3 х 380 В
Частота сети,/.
Номинальный ток
сети, /с
50/60 Гц
j 2,8 А
5,0 А
8,6 А
11,3 А
28,8 А
54 А I
Выход
Выходное
напряжение
3 x 0 + 380 В, — = const с / х Я-компенсацией
Выходная частота
Выходной ток, /„
3,1 А 1 5,5 А
9,5 А
12,5 А
Частота ШИМ
4/8/12/16 кГц
Разрешение по
частоте
0,005 Гц
Потери мощности
при /„
Ограничение тока
Время пуска
Масса
1
0 + 400 Гц
58 Вт | 97 Вт
155 Вт
220 Вт
32 А
60 А 1
1
550 Вт 9 5 0 Вт
125% /нв продол»кительном режиме, 150%
1
иДо 60 с!
0 + 999 г.
2,0 кг | 2,5 кг j 2,5 кг | 5 кг
| 15 кг
ПЧ
102
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТ РО ПРИ ВОД А
процессов (и з-за крутизны фронтов). Поэтому длина кабе
лей должна быть минимальной и по существующим оцен
кам [15, 39] не должна превышать 15 м.
Используемые в отечественной промышленности и сель
ском хозяйстве ПЧ являются, как правило, импортными, или
собраны в РФ на импортной элементной базе (транзисторах).
На рисунке 3.19 представлена принципиальная схема ПЧ со
звеном постоянного тока, с широтно-импульсным регулиро
ванием выходного напряжения. Поставками частотно-регу
лируемых приводов, их адаптацией и сервисным обслужива
нием занимаются фирмы: A B B , S E W , HITACHI, S IE M E N S ,
DAN F O S S и др.
В таблицах 3.3 (с. 9 8 - 9 9 ) и 3.4 приведены некоторые тех
нические данные современных высоковольтных модулей IG B T
и преобразователей частоты фирмы S E W .
1111М1111111111111111№
111111Ш
1НН
ГЛАВА 4
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
С ДРУГИМИ ТИПАМИ
ДВИГАТЕЛЕЙ
4.1.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
С СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Синхронные двигатели (СД) нашли широкое распростране
ние в нерегулируемых электроприводах мощных центробеж
ных и поршневых насосов и компрессоров, вентиляторов, газои воздуходувок, мельниц, дробилок и др. благодаря высоким
технико-экономическим показателям.
1. СД позволяют регулировать коэффициент мощности
изменением тока возбуждения и могут работать при coscp = 1,
что приводит к снижению потерь в самой машине и линиях
электроснабжения. На практике приводы большой мощности
работают, как правило, с опережающим coscp = (0,8 * 0,9), от
дают в сеть реактивную мощность, улучшая режим ее работы.
2. КПД современных синхронных двигателей составляет
0,90 + 0,98, что выше, чем у асинхронных двигателей тех же
габаритов, из-за отсутствия потерь скольжения ( А р * •Рэ»
У АД).
3. Момент СД зависит от напряжения в первой степени
(у асинхронного М ЩV2), поэтому он менее чувствителен к ко
лебаниям напряжения сети.
4. Максимальный момент, следовательно, и перегрузочную
способность СД можно регулировать изменением тока возбу
ждения (основной ЭДС£<))5. Абсолютно жесткая механическая характеристика, воз
можность изготовления двигателей на очень большие мощности
(до 100 МВт) при низких частотах вращения (до 125 об/мин).
Практика показывает, что при нечастых пусках синхронные
двигатели экономически выгодны по сравнению с асинхронны
ми при мощностях Р ^ 200 кВт, несмотря на большую стоимость.
104
А. П. Е П И ФА Н О В. ОС Н О ВЫ ЭЛ Е К Т Р О П Р И В О Д А
Разработка и массовый вы пуск недорогих высокоэнергетичных постоянных магнитов N d - F e - B позволили строить
синхронные двигатели без обмотки возбуждения (магнито
электрические маш ины ), что дает еще большие преимущ ест
ва с точки зрения экономичности, надежности и управляе
мости.
4 .1 .1 .
КОНСТРУКЦИЯ, СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ
СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Конструктивно синхронные маш ины с электромагнит
ным возбуждением вы полняю тся д вух типов: с явн ополю с
ным ротором (рис. 4 .1 ) и с неявнополю сным (полнополю с
ным) (рис. 4 .2 ) [ 2 2 ,2 6 ] . Обмотка возбуждения располагается
на роторе и питается постоянным током через щетки и кольца.
Двигатели выполняются, как правило, явнополюсными при
частотах вращ ения п < 1500 об/мин и полнополюсными при
п = 1 5 0 0 об/мин и 3 0 0 0 об/мин.
Двигатели с постоянными магнитами могут быть и ди ско
вой конструкции (рис. 4 .3 ), используются в специальных при
водах, когда необходимо сократить аксиальны е размеры м а
шины при некотором увеличении момента инерции.
Устройство синхронной машины
с явнополюсным ротором :
1 — якорь (статор); 2 — обмотка якоря; 3 — полюс индуктора (ротора); 4 — обмотка
возбуждения; 5 — ярмо индуктора; 6 — вал.
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГ ИМ И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
Р и с. 4 . 2
°
Устройство синхронной машины с неявнополюсным
(полнополюсным) ротором:
105
°
I — якорь; 2 — обмотка якоря; 3 — зубцы ротора (и н дуктора); 4 — обмотка позбуждения; 5 — ярмо индуктора; 6 — вал.
Р и с. 4 .3
Устройство синхронной машины цилиндрического типа:
I — якорь; 2, 3 — зубцы (п олю са) якоря; 4 — катуш ка обмотки якоря; 5, 6 — полюса
ротора (постоянны е м агн и ты ); 7 — подш ипник; 8 — корпус.
И звестно, что синхронный двигатель сам по себе при пи
тании от сети не имеет пускового момента. На практике в боль
ш инстве случаев исп ользуется асинхронны й пуск СД. Для
этого на роторе двигателя заклады вается дополнительная
106
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рис. 4.4
Демпферные (пусковые) обмотки синхронных машин
короткозамкнутая пусковая обмотка (рис. 4.4), а пуск СД про
водится прямым включением в сеть.
По достижении частоты вращения близкой к «о включает
ся ток возбуждения и двигатель «втягивается в синхронизм»
[20]. Операции по пуску синхронных приводов, как правило,
автоматизированы.
Основной характеристикой СД является угловая характе
ристика, то есть зависимость электромагнитного момента М (или
мощности Ры) от внутреннего угла 0 , представляющего собой
угол сдвига между ЭДС обмотки статора Е0 и напряжением сети
U, или, что то же самое, между осями результирующего магнит
ного потока в зазоре Ф5и полюсов (продольная ось d, поток Фо).
Уравнение равновесия напряжений синхронного двига
теля (для фазы)
U = E0 + r J + У Ё I jxdi d, ,
(4.1)
где / — ток обмотки статора; /?, Ij — составляющие тока по
поперечной ( q) и продольной (d) осям; xq, x,j — индуктивные
сопротивления машины по осям q и d соответственно [ 21].
Уравнению (4.1) соответствует изображенная на рисун
ке 4.5 векторная диаграмма. Электромагнитный момент син
хронного двигателя
(OoXrf
2 Wo
_L_JL sin 2 0 ,
(4 2 )
где первый член выражения определяет основную составляю
щую момента(активную)
л. = ------mUE0- s in
■ 0ъ ,
//
Мх
(4.3)
u*0xd
которая зависит как от напряжения, так и от тока возбужде
ния или ЭДС Е0.
ГЛАВА 4. Э ЛЕК ТРО ПРИ ВОД Ы С ДРУГИМИ ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
Рис. 4.5
Векторная диаграмма синхронной машины
107
Угловая характеристика
синхронного двигателя
Второй член выражения (4.2) определяет дополнительную
составляющую момента, свойственную реактивным двигате
лям, и не зависит оттока возбуждения
М ,=
т U2
2(Оо
V
1____1_
sin 2 0 .
*Е(1
(4.4)
7---
Таким образом, явнополюсная машина развивает момент
и при Ео = 0 , то есть поток реакции якоря стремится пройти
через ротор по продольной оси d. Момент М2 имеет наиболь■ту
шее значение при 0 = —. Для полнополюсного двигателя характерен момент только по (4 .3 ), так как здесьд:^ = xq и вторая
составляющая М2 = 0 .
Из ( 4 .2 ) - ( 4 .4 ) следует, что при Q - —, s in 0 = 1, s in 2 0 = 0
и Ео = const момент принимает наибольшее значение. Зави
симость момента синхронного двигателя от внутреннего угла
0 представлена на рисунке 4.6.
Следовательно, устойчивая работа двигателя будет при
О < 0 < —, а при 0 > ~ двигатель выпадает из синхронизма.
Отношение -тгЧ как и в других приводах, называют перегруiWji
зочной способностью. Обычно -гг~ - 2 + 2,5, а угол 0 в номиАГН
нальном режиме 0 „ = 25 + 30°.
Из (4.2) также видно, что изменением напряжения и основ
ной ЭДС Ео (или тока возбуждения if) возможно регулировать
108
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ Э ЛЕК ТРО ПРИ ВОД А
максимальный момент Мт, то есть перегру
зочную способность двигателя. Отметим
еще раз, что момент СД зависит от напря
жения в первой степени, поэтому он менее
чувствителен по сравнению с асинхронным
к колебаниям напряжения сети.
При работе двигателя с переменным
моментом нагрузки средняя скорость его
остается неизменной, равной с% но в неко
Рие. 4.7
Схема включения
торых пределах ±Д© изменяется угол 0 .
синхронного
При этом пусковая обмотка выполняет
двигателя при
динамическом
роль демпферной (успокоительной) и обес
торможении
печивает быстрое затухание колебаний.
Синхронный двигатель может работать и в режиме генера
тора параллельно с сетью при синхронной угловой скорости,
тогда угол 0 принимает отрицательные значения, ротор стано
вится ведущим звеном, а поле статора— ведомым [ 21 , 22 ].
Очевидно, что такой режим для торможения практического
значения не имеет, так как coo = const.
Для торможения СД чаще используется динамический
режим, когда двигатель отключается от сети и работает на ре
зистор, как автономный генератор (рис. 4.7)
4.1.2.
РЕГУ Л И РО ВА Н И Е
Р Е А К Т И В Н О Й М О Щ Н О С ТИ
СИ Н ХРОН Н Ы Х Д ВИ ГА ТЕЛ ЕЙ
Возможность регулирования коэффициента мощности я в 
ляется одним из основных достоинств синхронных двигателей.
Работа систем электроснабжения характеризуется потреб
лением реактивной мощности в основном асинхронными элек
тродвигателями. Это вызывает дополнительные потери энер
гии в звеньях системы, необходимо иметь повышенную про
пускную способность подстанций и распределительных сетей
(см. гл. 5 ). В связи с этим для повышения технико-экономи
ческих показателей системы электроснабжения производят
компенсацию реактивной мощности.
Коэффициент мощности СД при конкретной нагрузке за 
висит от установленного тока возбуждения. Можно устано
вить такой ток возбуждения if, чтобы coscp = 1 при определен
ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
109
ной мощности. Тогда при сни
жении нагрузки двигатель бу
дет работать с опережающим
cos<p, а при увеличении — с от
стающим. На практике мощ
ные двигатели работают в ре
жиме автоматического регули
ь
рования соэф при изменении
Рис.
4.8
нагрузки. Необходимо отме
U-образные характеристики
тить, что при М = const и if = var
синхронной машины при разных
зна чениях мощност и
изменяется и ток обмотки ста
тора, что в целом определяется
iZ-образными характеристиками, приведенными на рисунке 4.8
для различных значений активной мощности (кривые 1,2, 3).
Используя СД в качестве источника реактивной мощно
сти, необходимо обеспечивать повышенные токи обмоток воз
буждения и якоря, следовательно, увеличивать полную мощ
ность машины. Вопрос «на сколько?» является основным при
экономическом обосновании способа компенсации.
Отношение полной мощности к активной [3]
(4.5)
где S = mUI, Q = mCJIsmq), Р = mUIcosy.
Например, требуется, чтобы реактивная опережающ ая
мощность составляла 4 0 % активной составляющей, то есть
то есть генерирование указанной реактивной мощности по
требует увеличения полной мощности всего на 8 % .
4 .1 .3 .
УП РА ВЛЕН И Е
СИ Н ХРО Н Н Ы М И ЭЛЕКТРО П РИ ВО Д А М И
Системы управления электроприводами с СД в общем слу
чае должны обеспечивать пуск и синхронизацию СД с сетью,
регулирование скорости и торможение, регулирование тока
возбуждения с целью изменения максимального момента и
коэффициента мощности.
110
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТ РО ПРИ ВОД А
При неизменной или медленно меняющейся нагрузке (на
сосы, вентиляторы и др.) СД должны иметь кратность пуско
вого момента
-^ 2- = 0 ,4 + 0 ,6 ,
Ми
входного момента (при скорости ш = 0,95(Оо)
4Мн
^ = 0 ,8 + 1 ,2
и перегрузочную способность
тМа
г - = 1>5 * 2 При пульсирующей нагрузке (станки-качалки в нефтедобы
че, поршневые компрессоры и др.) требования к СД практи
чески не отличаются от перечисленных выше.
Особые требования предъявляются к двигателям для при
водов дробилок, прокатных станов. В таких системах
^ * - = 1,2 + 2, ^ - = 2 ,5 + 3 ,5 .
Мн
Мн
Для улучшения показателей работы сети и обеспечения устой
чивости СД в электроприводах этого класса осуществляется ре
гулирование тока возбуждения, как правило, автоматическое
(А Р В ). Общие требования к системе А Р В следующие [3]:
1. Обеспечение устойчивой работы СД при заданных ре
жимах нагрузки.
2. Поддержание напряжения в узле нагрузки, к которому
подключены СД.
3. Обеспечение min потерь энергии в системе электроснаб
жения и самом двигателе.
4. Возможность выдачи повышенной реактивной мощно
сти за счет форсировок возбуждения при кратковременных
снижениях напряжения.
Автоматическое регулирование возбуждения СД может
осуществляться в статических и динамических режимах по
различным законам. Для статических режимов чаще исполь
зуется регулирование при постоянстве созф; постоянстве вы 
рабатываемой реактивной мощности; постоянстве напряже
ния или costp в узле нагрузки; минимуме потерь энергии.
Закон регулирования, обеспечивающий coscp = const СД,
целесообразен для приводов средней и большой мощности с
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДРУГИМИ ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
111
плавно изменяющейся нагрузкой при незначительных коле
баниях напряжения в сети. При costp = 1 обеспечивается и
минимум потерь в СД и питающей сети.
При значительных колебаниях напряжения в узл ах н а
грузки используется закон регулирования возбуждения на
поддержание постоянства напряжения. При этом должно быть
предусмотрено ограничение тока возбуждения снизу по у сл о 
виям устойчивости (ограничение момента снизу) и сверху по
условиям нагревания СД.
Задачи А РВ в динамических режимах работы электро
привода заключаются в повышении динамической устойчи 
вости СД при изменениях нагрузки на валу. Здесь основное
требование к системе А Р В сводится к обеспечению вы сокого
быстродействия. Это качество достигается за счет п овы ш е
ния кратности форсировки тока возбуждения, и сп о л ьзо ва
ния малоинерционных звеньев в системе А Р В (тиристорные
возбудители), введения гибких обратных связей (по произ
водным координат).
Для запуска СД, как отмечалось ранее, чаще использует
ся асинхронный пуск. При прямом подключении к сети крат
ность пускового тока -^ -= 4 + 5 . Для мощных приводов в о з
никает необходимость ограничения пусковых токов, что реа
лизуется использованием реакторов, устройств плавного пуска,
как и для асинхронных двигателей (см. гл. 3)
Для регулирования скорости синхронных электроприво
дов, как и асинхронных, применяются преобразователи ч ас
тоты, позволяющие формировать требуемые характеристики
в статических и динамических режимах.
Синхронный электропривод обладает некоторыми сво й 
ствами, не присущими частотно-управляемому асинхронно
му приводу в разомкнутых системах:
1) стабильностью угловой скорости независимо от момен
та нагрузки во всем диапазоне регулирования (о = сад
2) высокой точностью синхронного движения нескольких
исполнительных органов;
3) возможностью реализации больших моментов при м а
лых скоростях, получаемых за счет соответствующего регули
рования напряжения и тока возбуждения.
1 12
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Электромагнитный момент явнополю сного СД по (4 .2 ),
пренебрегая насы щ ением магнитной си стем ы , мож н о пред
ставить в виде
тг.
, -.2
иь U
М = А —r -s in © + 5
Л
/
s in 2 0 ,
( 4 .6 )
где i j — ток возбуж дения; >1 и в — постоянные коэффициенты.
Основные режимы управления СД вытекают из (4 .6 ) [3 ,2 2 ]:
1. Регулирование при/ = co n st, U = var, if = v ar характерно
д ля нерегулируемого по скорости двигателя. При этом (4 .6 )
м ож но запи сать
М = Cjf/tysin© + C2(/2s in 2 @.
(4 .7 )
У гл овы е характеристики СД М (0 ) представлены на ри
су н к а х 4 .9 , а, б. Видно, что изменением напряж ени я и тока
возбу ж д ен и я во зм о ж н о в ш ироких пределах регулировать
момент двигателя. Однако не следует забы вать, что при этом
возрастает ток статорной обмотки, изм ен яется коэффициент
мощности, двигатель работает с перевозбуждением (if> i^) или
с недовозбуж дением (if< iy„).
2. Реж им частотного регулирования электропривода при
у - = co n st, if = var. У равнен ие (4 .6 ) мож но зап и сать как
М = c 3iysin© + C4s in 2 0 .
(4 .8 )
Рис. 4 .9
Моментно-угловые характеристики синхронного двигателя:
а — при U= consl, if - var; б — при И - var, i/= const; М\ — момент от поля возбужде
ния; Мг — момент от явнополюсности; М — суммарный момент; 1 — /у= //„ (или t/= £/„);
2 — if > if [ и л и U > U„), 3 —if < if (или U < U„).
Г Л А ВА 4 . Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И Т И П А М И Д В И Г А Т Е Л Е Й
113
Характеристики М ( 0 ) для
этого случая представлены на
рисунке 4 .1 0 .
Как и в предыдущем сл у 
чае, момент СД изм еняется за
счет регулирования основного
потока (тока возбуж дения if) и
маш ина работает при / = var,
coscp = var.
Закон регулирования при
условии постоян ства угла 0 и
тока во зб у ж д ен и я i j = c o n st,
приняв, что U ^ E , получают
Рис. 4 .1 0
(4 .9 )
то есть закон регулирования
имеет тот ж е вид, что и для асин
хронного двигателя (см. гл. 3 ).
Д ля различного вида н а
грузок остаю тся соотношения:
Момешпно-угловые характеры стики частотно-регулируемого
си нхронного электропривода
U = const,
, .
при —
if = var:
1 — ij = ijx, 2 — i/> ifi 3 — if< if ; M\ —
момент от поля возбуждения; Мг — мо
мент от явнополюсности; М — суммар
ный момент.
и
У- = co n st при М = М„ = co n st, - = = co n st при Р = Ри - const;
J
V/
U
= co n st при вентиляторной нагрузке.
/
При частотном регулировании СД наиболее слож ны м я в 
ляется соблюдение 0 = const в динамических режимах. Р еаль
но темп изменения частоты должен быть строго согласован с
моментом инерции нагрузки, так как асинхронный режим
здесь недопустим. В целом ж е частотное регулирование СД
ограничено устойчивостью работы машины.
3.
Реж им частотного регулирования синхронного электро
привода при U - co n st, ij= c o n s t,/ = var. Соотношение (4 .6 )
запиш ется при этом
M = ^ ~ s i n e + ^ - sin 26,
тц,еС5 = А - U -ifiC 6 = В - U2.
(4 .1 0 )
114
А. ГГ. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ Э ЛЕК ТР ОПР ИВО ДА
Видно, что при снижении частоты момент СД возраста
ет, особенно составляю щ ая от явнополюсности (второе сл а
гаемое). Следовательно, при низких угловых скоростях дви
гатель обладает значительным максим альны м моментом
(рис. 4 .1 1 ). При этом, однако, сущ ественно увеличивается
ток обмотки статора.
При/—» 0, противо-ЭДС обмотки Е\ —» 0, индуктивные со
противления х —» 0, и при = 0 (принятое допущение) М —><»,
/ —»<*>. Поэтому неучет активного сопротивления статора вно
сит заметные искажения в расчетные значения момента при
низких частотах. Однако по сравнению с асинхронными дви
гателями здесь это влияние может быть в некоторой степени
скомпенсировано регулированием возбуждения.
В целом частотное регулирование скорости СД характе
ризуется в основном теми ж е показателями, что и частотное
регулирование асинхронных
двигателей. Такое регулиро
вание плавное, экономичное,
двухзонное; высокая стабиль
ность скорости; диапазон ре
гулирования вниз может быть
до 100:1 при обеспечении си
нусоидальности напряжения,
необходимого запаса устойчи
вости и сохранении значений
максимального момента.
Однако частотно-управ
ляемый синхронный электро
привод не получил широкого
практического применения,
главным образом из-за свой
ственных синхронным маши
нам колебаний и неустойчи
вости работы, особенно в зоне
Рис. 4.11
низких скоростей. Но сама
Моментно-угловые характеристи
синхронная машина исполь
ки синхронного двигателя при
U = const, if = const, / = var:
зуется в вентильном электро
M|— момент от поля возбуждения; Мг —
приводе, о чем пойдет речь в
момент от явнополюсности; М— суммар
следующем параграфе.
ный момент.
ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С ДР УГ И М И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
115
4 .2 .
Э Л ЕК ТРО П РИ ВО Д Ы
С ВЕН ТИ Л ЬН Ы М И Д ВИ ГА ТЕЛЯМ И
Двигатель постоянного тока, обладая хорошими регули
ровочными свойствами, во многих случаях не может удовле
творить практическим потребностям современного автомати
зированного электропривода. Наличие коллектора и щеточ
ного аппарата снижает надежность машины, ограничивает
предельные значения токов, мощностей и скорости вращения,
применение по некоторым условиям окружающей среды. По
этому стремление заменить коллекторную машину постоян
ного тока бесщеточной давно привлекало внимание разработ
чиков. Замена механического коммутатора (коллектора) ста
тическим преобразователем, выполняющим те ж е функции,
что и коллектор со щетками, стала практически возможной с
освоением и массовым выпуском управляемых силовых по
лупроводниковых приборов — тиристоров и транзисторов.
Таким образом, бесщеточная машина постоянного тока
представляет собой совокупность синхронной машины и пре
образователя. Такая машинно-вентильная система получила
название «вентильный двигатель». Вентильный ж е электро
привод, кроме двигателя и преобразователя, включает в себя
и систему управления [32, 4 4 ].
Управление (регулирование координат) вентильным элек
троприводом производится так ж е, как и приводом постоян
ного тока, — изменением напряжения питания якоря и ос
новного потока (при электромагнитном возбуждении).
В двигателе постоянного тока механический коллектор ин
вертирует постоянный ток в многофазный переменный. Часто
та основной гармоники этого тока жестко связана с частотой
вращения якоря при любых скоростях. Поэтому коммутация
тока в секции (или фазе) происходит при определенном поло
жении ее относительно индуктора (главных полюсов). Угол
нагрузки, то есть угол между осями результирующего магнит
ного поля в зазоре и полюсов, имеет ограниченное изменение.
В вентильном двигателе частота коммутации тока в фазах
задается частотой вращения ротора. Источником напряжения
синхронизации является датчик положения ротора (Д П Р ),
механически сочлененный с валом машины.
116
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Р азр аботка постоянн ы х магнитов N d - F e - B и создание
м аш ин с бесконтактны м возбуж дением сущ ественн о расш и 
рили области применения вентильны х маш ин: мощ ны й в ы 
со к о - и н изкоскоростной электропривод, гребные двигатели
д ля судов и подводны х лодок, привод н асосов и компрессоров
для перекачки нефти и газа, прокатны х станов. Д вигатели
малой мощ ности ш ироко и спользую тся в аудио- и видеотех
нике, бытовой аппаратуре, электроприводах разли чн ы х м еха
низм ов в автомобилях. М ощ ности вентильны х маш ин — от
н еско льк и х ватт до д есятко в мегаватт, частоты вращ ен ия от
единиц до д есятко в ты сяч об/мин [3 2 , 3 3 , 4 4 ] .
На рисунке 4 .1 2 представлена ф ункциональная схем а вен 
тильного привода, состоящ его из вы прямителя В , конденсато
ра фильтра Сф, тормозных резистора Я ти транзистора Т, эл ек
тронного коммутатора ЭК, СД с постоянными магнитами (С Д ),
датчика положения ротора Д П Р и системы управления С У. При
этом система управления принимает информацию о п олож е
нии ротора (угол а ) , сигнал задания U3 и вы р абаты вает си гн а 
лы для управления электронным коммутатором, который о су 
щ ествляет периодическое (дискретное) переключение ф азных
обмоток статора. Это приводит к изменению пространствен
ного полож ения вектора магнитного потока статора и со зд а 
нию электромагнитного момента. На рисунке 4 .1 3 п оказан а
Рис. 4 .1 2
Структурная схема■вентильного электропривода:
В — выпрямитель; Сф — конденсатор фильтра; Т, Rr — тормозные тран
зистор и резистор; ЭК — электронный коммутатор (преобразователь);
СД — синхронный двигатель; Д П Р — датчик положения ротора; СУ —
система управления.
ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И ТИП АМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
„
117
Р и с. 4 .1 3
схе* а электронного коммутатора
(преобразователя.) на. транзисторам V T 1 - VT6
а
VT2, VT3, VT6
В
VT2, VT3, VT5
В
VT2, VT4, VT5
В
V T 1 , V T 4 , VT 5
В
V T 1 , V T A , VT&
В
V T 1 , V T 3 , VT6
А
в
/ Т к „
Временные
_
VT4, VT&-, е — V T \ ’ v T 3 , УТЪ. ^
и р е ^ л ь ^ р у ю щ е г о потока
при проводимости вентилей:
в ~
VT2’ VT/*. И75; г — VT\. VTA, V Tb ; a — VT\
118
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
схема электронного коммутатора, собранного на силовых тран
зисторах VT\- V76.
Электронная коммутация фаз обмотки статора произво
дится через каждые 60 электрических градусов по сигналам
ДПР. Диаграммы распределения токов по фазам и во време
ни, направления потока статора Фо за один полный оборот
приведены на рисунках 4.14, 4.15. На рисунке 4.14 указаны
номера транзисторов, открытых для приведенных схем соеди
нения фазных обмоток.
Таким образом, в зазоре машины образуется бегущее («пры
гающее») магнитное поле статора, которое делает шаги по 60°,
увлекая при этом за собой ротор. Коммутация токов в фазах
происходит так, что вначале вектор потока статора (ведущего
звена) опережает поток ротора на 120°, а в конце перед новым
Рис. 4.15
Временные диаграммы фазных токов вентильного двигателя.
ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И ТИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
119
Рис. 4 .16
Зависимость
электромагнитного
мом ента двига теля
скачком (следующей коммутацией) на 60°. Очевидно, что при
этом электромагнитный момент изменяется по величине: он
наибольший при угле между векторами потоков 90° и мень
ший при углах 60° и 120°; Afmjn = Мшаcos 30° = 0 ,8 6 Ммт. На ри
сунке 4.1 6 приведена зависимость момента от угла поворота
ротора. Видно, что при дискретном управлении имеют место
значительные пульсации момента. Для получения Мм = const
в ответственных приводах разработаны и используются не
прерывные (синусные) методы управления коммутацией фаз.
При этом силовой модуль питания СД выполняется по схеме
инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией,
обеспечивающей синусоидальную форму выходного напря
жения и управляемый Д П Р . Кроме того, в мощных двигате
лях используются шестифазные обмотки (две трехфазные,
сдвинутые на 3 0 °), питаемые от двух независимых преобразо
вателей частоты.
При питании от инвертора напряжения [5, 32, 44] систе
ма управления обеспечивает непрерывную пространственную
ориентацию вектора фазного напряжения (результирующего
потока) относительно продольной оси ротора (ЭДС Е0) , то есть
задает угол 0 = const.
При питании от инвертора тока [3 ,3 2 ,4 4 ] Д П Р задает угол
между вектором тока / и ЭДС Eq, т о есть \|/= const. При этом
угол 0 = \|Г - ф не контролируется и может изменяться в неко
торых пределах в зависимости от момента нагрузки.
Величина электромагнитного момента вентильного дви
гателя определяется как [44]
м ..*
И И Ш Зй
СО
(О
*
« in »
где Iq, Id, Lg, Ld — составляющие тока статора и индуктивности
по поперечной q и продольной d осям.
При Iq = 1, ШШ 0, то есть при ортогональности основного
потока ротора и потока реакции якоря получим, подобно ма
шинам постоянного тока,
Мн = т ■р ■w - Ф0 -1 = Ммт.
(4 .1 2 )
120
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТ РО ПРИ ВОД А
Значение момента по (4.12) есть не что иное как первое
слагаемое в (4.1 1 ).
Энергетические показатели ВД из-за двукратного преоб
разования энергии могут быть несколько ниже, чем у двигате
лей постоянного тока, а механические характеристики имеют
меньшую жесткость.
4.3.
ЭЛЕКТРОП РИ ВОД Ы
С ЛИНЕЙНЫМ И
ЭЛЕКТРОДВИ ГА ТЕЛЯМ И
В настоящее время около 4 0 - 5 0 % серийных электродви
гателей эксплуатируется в производственных механизмах с
поступательным или возвратно-поступательным движением
рабочего органа.
Для преобразования вращательного движения в поступа
тельное используются разнообразные устройства: пневмо- и
гидропередача, пара «винт-гайка»; кривошипно-шатунный
механизм, шестерня и рейка, колесо и путевая структура в
транспортных системах и др. Кроме того, в таких приводах,
как правило, используются редукторы, являющиеся местом
дополнительных потерь и отказов.
Линейные электродвигатели позволяют непосредственно
осуществить поступательное движение без механического кон
такта между первичной (обычно статором) и вторичной (рото
ром) структурами, следовательно, исключить передаточный
механизм. При этом значительно упрощается кинематическая
схема, повышается надежность, точность управления, а сами
линейные электродвигатели хорошо приспосабливаются к ис
полнительному механизму, обладают технологичностью в про
изводстве и меньшим расходом стали благодаря малоотходно
му раскрою.
На практике применяются линейные двигатели постоян
ного тока (в основном — шаговые), асинхронные (Л А Д ), син
хронные (ЛСД) и электромагнитные (ЛЭМ Д).
Наибольшее распространение получили линейные асин
хронные двигатели в силу их конструктивной простоты, де
шевизны, технологичности изготовления, надежности, разно
образия конструктивных решений.
Г Л А В А 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И Т И П А М И Д В И Г А Т Е Л Е Й
121
Из инф ормационных источников и звестно о ш ироком и
успеш ном и спользовании Л А Д в приводах конвейеров, ро
бототехнических ко м п л ексов, зад в и ж ек для трубопроводов,
плун ж ерны х н асосов, ткац ки х стан ков, в рудничном тр ан с
порте, металлургии и многом другом. В агропромышленном
ком плексе использую тся линейные электроприводы колеба
тельного движения в зерноперерабатывающей и пищевой про
мышленности [2 8 , 3 1 ].
Самые крупные проекты с использованием Л А Д связан ы
с созданием высокоскоростного наземного транспорта ( ВС Н Т)
на магнитном подвесе со скоростями до 5 0 0 км/ч [2 8 , 3 0 ].
В 7 0 - 9 0 - е гг. X X в. научно-исследовательские работы по этой
проблеме проводились во многих странах, в том числе и в Со
ветском Союзе. Были созданы и испытаны физические модели,
опытные экипажи, построены коммерческие транспортные си с
темы при скоростях до 100 км/ч (Канада, Англия, Я пония),
которые работают до сих пор. Однако дальнейшие разработки
пока приостановлены — возмож ности пары «ко л есо -р ел ьс»
еще не исчерпаны (в 199 0 г. поезд T G V (Ф ранция) достиг ск о 
рости 5 1 5 км/ч, а в 2 0 0 7 г. — 5 7 5 км/ч).
Наиболее просто можно представить Л А Д , если мысленно
разрезать по образующ ей обычный асинхронный двигатель
(рис. 4 .1 7 , а ) и развернуть его в плоскость [2 8 ]. При этом в о з
м ожны прямой вариант (короткий индуктор, статор) (рис.
4 .1 7 , в) и обращенный (короткий вторичный элемент и длин
ный статор) (рис. 4 .1 7 , г).
а
б
в
2
рвгсги и т л ш г|
г
д
2
jaooLiuTJ и и ц ц|
\7
Рис. 4 .1 7
Конструкции линейных
асинхронных дв ига тел ей:
а — вращающийся АД; б — дугостаторный двигатель; в — ЛАД с коротким индуктором;
г — ЛАД с длинным индуктором; д — цилиндрический ЛАД. 1 — индуктор; 2 — ротор.
122
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Принцип действия Л А Д ничем не отличается от вращаю
щегося АД: трехфазная обмотка индуктора создает магнитное
поле, бегущее со скоростью v = 2т/. При скольжении s * 0 это
поле индуктирует во вторичном элементе (реактивной шине)
ЭДС, а взаимодействие поперечной составляющей токов шины
и нормальной составляющей индукции в зазоре Bs создает тя
говое усилие F. Так же, как и во вращающемся двигателе, со 
противление вторичного контура (шины) определяет жест
кость механической характеристики v(F).
Изображенный на рисунке 4 .1 7 , б дугостаторный двига
тель, предложенный в 1936 г. П. А. Фридкиным, можно рас
сматривать как модификацию ЛАД. Особенностью его являет
ся зависимость частоты вращения ротора не только от частоты /
и полюсного деления т, но и от диаметра ротора. Широкого
применения эти машины не нашли из-за низких показателей
использования материалов и энергетических показателей.
Конструктивно ЛАД выполняются в основном двух форм:
цилиндрические (рис. 4 .1 7 , а) и плоские (рис. 4 .1 8 ). Цилинд-
Устройство плоских линейных а синхронных двигателей:
1 — индуктор с обмоткой (статор); 2 — вторичная структура (реактивная ш ина); 3 —
обратный магнитопровод; а — двухсторонний ЛА Д ; 6 — односторонний ЛАД ; в — шли
цованная РШ ; г, д — короткозамкнутая клетка с обратным магнитопроводом. 1 — ин
дуктор с обмоткой; 2 — реактивная шина; 3 — обратный магнитопровод. Ь, с, d, h ,L ,b —
размеры соответствующих элементов конструкции.
ГЛАВА 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р УГ И М И Т ИПАМИ Д В И Г А Т Е Л Е Й
рические двигатели имеют луч
шие удельные показатели, но
гораздо сложнее в изготовле
нии. Применяются в приводах
механизмов возвратно-посту
пательного движения, напри
мер, для привода выключате
лей — разъединителей. Пло
ские ЛАД [30] могут быть двухи односторонними (Д Л А Д ,
О ЛАД) (рис. 4 .1 8 , а, б ). В то
ричная структура (шина) может
быть сплошной (рис. 4 .1 8 , б),
шлицованной (рис. 4 .18, в), в
виде короткозамкнутой клетки
в пазах обратного магнитопровода (рис. 4 .1 8 ,г ,5 ) . Обмотки
индукторов могут быть одно
слойными и двухслойными. На
рисунке 4 .1 9 приведена схема
Д Л А Д рельсового транспорт
ного средства (1 9 0 2 г., патент
А. Зедена).
Бесконтактная передача
усилия, следовательно, воз
можность получать значитель
ные ускорения определили ис
пользование ЛАД для испыта
ний моделей судов в опытовых
бассейнах (рис. 4 .2 0 ). При этом
за счет укорочения участков
разгона и торможения при до
стижении высоких скоростей
удалось существенно сократить
длину бассейнов.
На рисунке 4.21 приведены
схемы линейных электроприво
дов колебательного движения
[3 1 ]. Такие системы работают,
123
Рис. 4.19
Применени е ЛАД
для рел ьсового транспортного
средства (патент Зедена):
1 — индуктор; 2 — реактивная шина.
Рис. 4.20
Применение ЛАД
для опытового бассейна:
1 — индуктор; 2 — реактивная шина.
124
I------ЛАД | L
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ Э Л ЕКТ РО ПРИ ВОД А
ДП
Г-Н ЛАД I
у?;;///?;
I^
ДП
Рис. 4.21
Структура электропривода колебательного движения на основе ЛАД:
ЛАД — линейный асинхронный двигатель; ДП — датчик положения; ТК — тиристор
ный коммутатор; УЭ — упругий элемент; СУ — система управления, а — с одним УЭ;
б — с двумя УЭ.
Рис. 4.22
Компоновка систем тяги
и подвеса пассажирского салона поезда
системы TRANSRAPID
как правило, при импульсном питании (вклю чен-вы клю чен).
Достоинства таких приводов заключаются в возможности ре
гулирования амплитуды колебаний (до 0,5 м), обеспечения ав
токолебательного режима и снижения потерь, получения вы 
соких ускорений. Отметим, что в электроприводах с механиче
ским преобразователем (кривошипно-шатунный механизм)
при максимальных ускорениях порядка 100 м/с2 достигается
амплитуда колебаний рабочего органа не более 0,05-*-0,15 м.
Управление параметрами движения осуществляется так же, как
и вращающихся АД: изменением сопротивления вторичной
структуры, напряжения, регулированием частоты и длитель-
Г Л А В А 4. Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д Ы С Д Р У Г И М И Т И П А М И Д В И Г А Т Е Л Е Й
125
ности вклю чений. По такой схем е работают инерционные ко н 
вейеры для транспортирования влаж н ого сахара и ворошители
бункеров-питателей сы пучи х грузов [3 1 ].
Л и н ей н ы е двигатели постоянного тока (Л Д П Т ), сохран яя
принцип д ей стви я вр ащ аю щ и хся м аш ин , имею т более с л о ж 
ную по ср авн ен и ю с аси н хр он н ы м и конструкцию , особенно
протяж ен ного коллектора, обмотки якор я и си стем ы в о зб у ж 
дения. Эти м аш ины не наш ли прим енения, хотя бы ли п о п ы т
ки и сп о л ьзо ван и я их при н езн ач и тел ьн ы х п ерем ещ ени ях.
Л и н ей н ы е си нхронны е дви гатели (Л С Д ) наряду с Л А Д
р ассм атр и вал и сь в кач естве одного из о сн о вн ы х типов тя го в о 
го дви гателя вы со коскор остн ого назем ного транспорта. П ред
п олагалось разм ещ ен и е индуктора на эк и п аж е с и сп о л ь зо ва 
нием свер хп р о во д и м о сти , а обмотки статора — на путевой
структуре. В Германии в 1 9 8 0 - 1 9 9 0 -е гг. на полигоне в Э м сланде бы ли испы тан ы п олн ом асш табн ы е образц ы эки п аж ей
при скор остях до 4 0 0 км/ч. На таки е си стем ы T R A N S R A P ID
у ж е были получены за к а зы из С Ш А , К анады . В сам ой Герм а
нии бы л готов проект линии Б е р л и н -Г а м б у р г и определено
начало строительства — 1 9 9 6 г. (рис. 4 .2 2 ). Однако и з-за вы со 
кой стоимости проекта, а т ак ж е в св я зи с созданием новы х в ы 
сокоскоростных колесны х поездов
(Я п о н и я , Ф р ан ц и я , Г ер м ан и я )
строительство так и не началось.
С 1 9 9 0 -х гт. в Ш анхае (Китай) эк с
плуатируется п а сса ж и р ск а я л и 
ния длиной 3 0 км по си стем е
T R A N S R A P ID .
И сп ользован и е Л С Д п р и вле
кал о в основном во зм о ж н о стью
получения вы со ко го coscp (б л и з
кого к единице) при больш их в о з 
д уш н ы х зазо р ах (до н еско л ьк и х
сан ти м етров).
Рис. 4 .2 3
Л и ней ны е электромагнитные
Конструкция магнитной
двигатели (Л Э М Д ) [ 4 2 ], я вл я ю 
системы ЛЭМД:
1 , 3 — ферромагнитные якорь и
щ иеся по своей сути электромаг
статор; 2 — обмотка возбуждения;
нитами с систем ой у п р авл ен и я ,
4 — направляющий корпус; 5 —
пружина.
м о гу т со в е р ш а т ь н е п р ер ы вн о е
12 6
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТ РО ПРИ ВОД А
Рис. 4.24
Электрическая схема питания ЛЭМД
электромеханическое преобразование энергии при возвратно
поступательном движении рабочего органа. ЛЭМД находят
достаточно широкое применение в вибрационных устройст
вах: отбойные молотки, ручной инструмент различного назна
чения, вибростенды. Такие двигатели обладают высокими
удельными энергетическими показателями, надежностью,
компактностью.
На рисунке 4 .2 3 приведена конструкция магнитной си с
темы ЛЭМД для электропривода по маркировке и клейме
нию. Работает такой привод в импульсном режиме при пита
нии от сети с использованием емкостного накопителя энер
гии (рис. 4 .2 4 ) [4 5 ].
ГЛАВА 5
Э Н ЕРГЕТИ К А
ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО ДО В
Электрические приводы потребляют более 60% всей выраба
тываемой в стране электроэнергии, поэтому расчет основных
энергетических показателей приводов и определение спосо
бов их повышения имеет большое практическое значение с
точки зрения энергосбережения.
С другой стороны, потери в двигателе определяют темпе
ратуру отдельных его частей, следовательно, и допустимый мо
мент или мощность на валу.
К основным энергетическим показателям работы электро
приводов относят потери мощности АР, энергии A W, КПД и
коэффициент мощности. В некоторых случаях работу элек
трических машин или приводов оценивают по энергетическо
му фактору (tj •coscp).
Следует отметить, что при работе электродвигателей от пре
образователей энергии (У В, ТРИ, ПЧ) токи и напряжения на
обмотках несинусоидальны, что приводит к росту потерь, ре
активной мощности [11, 33]. В этих случаях в дальнейшем
под значениями токов и напряжений предполагаются их пер
вые гармонические.
Энергетические характеристики системы электроприво
да зависят от режима его работы, характера изменения мо
мента нагрузки и способа регулирования координат — тока,
момента, скорости. Эти показатели рассматриваются отдель
но для нерегулируемого и регулируемого приводов в устано
вившемся и динамических режимах. При этом динамические
режимы ограничены рассмотрением вопросов пуска и тор
можения.
128
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
5 .1 .
ЭНЕРГЕТИКА
Н ЕРЕГУЛИ РУЕМ Ы Х ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
В общем случае мощность потерь в нерегулируемом при
воде АР складывается из потерь в электродвигателе и в меха
нической передаче от вала двигателя к исполнительному ор
гану рабочей машины. Механические потери, как правило,
оцениваются с помощью КПД различного рода передач [ 6 ],
поэтому здесь анализируются только потери в электродвига
теле, которые условно делят на постоянные АРс (const, не за
висящие от нагрузки) и переменные АР„ (var) [ 3 , 4 , 5 , 11J .
При этом
АР = АРС+ АР„.
(5.1)
Постоянные потери — это потери в стали машины и меха
нические — трение в подшипниках, вентиляционные, а для
ДПТ независимого возбуждения и синхронных двигателей —
это и потери в обмотках возбуждения. Следовательно, условие
АРс = const предполагает высокую жесткость механической
характеристики, то есть со = const, Ф 5 = const.
Переменные потери — это потери, выделяемые в меди
якорных обмоток ДПТ, СД, а в асинхронных двигателях — в
обмотках статора и ротора.
Для двигателей постоянного тока мощность Р = 1а, поэто
му переменные потери в обмотке якоря
A / W ^ ^ a V ^ -■*ан
^ A / ^ - Hj
(5.2)
где АР„„ = /2„ •Ra — потери в номинальном режиме; Ra — со
противление якорной цепи; Ка = 77- = у 2— коэффициент
загрузки.
в
““
Для асинхронных двигателей переменные потери — это
потери в обмотках статора и ротора:
■ "
"
*»
• . «V г М
Г}/
о
r< 2 1
D '
.
“
1
1 29
ГЛ АВ А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А ЭЛ Е К Т РО П Р И В О Д О В
где
К
К
о н = - p L ~ ( 0 ,8 5 + 0 ,9 5 ); о = -2 -
1\и
ч
— номинальная и текущ ая кратности приведенного тока ро
тора и статора. Величина а зависит от скольжения и тока хо
лостого хода двигателя о = (0 ,4 5 + 0 ,9 5 ) [5 ,1 1 ]; R\ и И2 — а к 
тивные сопротивления фазы обмотки статора и приведенного
ротора, причем Я2 — полное сопротивление цепи ротора,
включая и добавочное ЯгцД ля синхронного двигателя потери в обмотке статора
f t 'л®
Д Р ,,*3 / ? .Я | = 3 / & .Я ,
к
/ / "\2
= ЛЯ,., -р-
{Ь н
(5 .4 )
Обозначая кратность токов в ( 5 .2 - 5 .4 ) через х, перемен
ные потери в двигателях определяются общим выражением
APv = ДРт •х 2.
(5 .5 )
Полные потери мощности
ДР = ДРс + ДР„ = ДР = ДРс + ДР„„ •х2 = АРп,(а + х 2), (5 .6 )
др
где а =-т-р£— коэффициент потерь, а = (0,5 + 1,5) [2, 3 ,4 ] .
“ УН
При работе двигателей в номинальном режиме полные
потери
.
APu=jP itL l X
(5 .7 )
Пн
Потери энергии за время работы *рс постоянной нагрузкой
A W = A P tp.
(5 .8 )
При работе двигателя с циклической нагрузкой потери
энергии
<ц
„
AW = jA P ( t ) d t ^ A P i -ti ,
(5 .9 )
о
*=1
где ДPi — потери в промежутке времени tf, tn — продолжи
тельность цикла.
Коэффициент полезного действия
л = ~р\= р 2+ а р '
(5 -10)
130
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Р и с. 5 .1
Рабочие характеристики асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором мощностью 50 кВт, 220/380 В, 50 Гц,
1470 об/м ин в относительных единицах (за базовые приняты значения
хара ктеристи к в номинальном режиме)
КПД двигателя зависит от его загрузки К н = т р (рис. 5 .1 )
•*н
и достигает своего наибольшего значения при АРс = AР„. По
этому для снижения потерь энергии следует обеспечивать близ
кую к номинальной загрузку и ограничивать время работы на
холостом ходу, особенно для асинхронны х двигателей, с це
лью ограничения потребляемой реактивной мощности.
При наличии малозагруженных двигателей иногда целе
сообразно произвести их замену на двигатели меньшей мощно
сти, соответствующей реальной нагрузке. Практика показыва-
р
ет, что такая замена рациональна при Ка = -£ = -< 0 ,4 5 [ 3 , 4 ] .
Асинхронные двигатели потребляют из сети реактивную
мощность (отстающий тоК), вызывая тем самым дополнитель
ные потери в цепи и сточн и к-ли ни я-дви гатель. Для этих м а
шин КПД и коэффициент мощности зависят не только от з а 
грузки (рис. 5 . 1 ) , но и от числа полюсов, то есть от синхроно
2 n /t
.
г г» г о\
нои скорости а)о = ------ (рис. 5 .2 , 5 .3 ) .
р Ш 8
ГЛ АВ А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В
V '
0 , 0 6 0 ,1 2 0 , 2 5 0 ,5 5
1 ,1
2 ,2
4
7 ,5
15 22 37 55 90 «
|Н
Рис. 5 .2
Значения КПД асинхронных двигателей серии 4А
Рис. 5.3
Значения коэффициента мощности двигателей серии 4А
132
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСН ОВ Ы ЭЛ ЕКТ РО ПРИ ВОД А
где Р[ — потребляемая из сети активная мощность, Pi = S- coscp;
S — полная мощность, S = 3£/ф •1$,Q — реактивная мощность,
Q = 3/ц •Хц + 3 I f ■Х{ + Ъ12 •x<i, где основная составляющая свя 
зана с намагничивающим током, /j = const при U = const, зна
чение которого /} = (0,25 + 0,7)/ iH, в зависимости от мощно
сти. При cos<p = (0,7 -г- 0,9) двигатель на каждый киловатт (кВт)
активной мощности потребляет (0,5 + 0,75) кВА реактивной.
При снижении загрузки АД costp снижается (см. рис. 5.1 ), так
как удельный вес реактивной мощности Q в (5.11) возрастает
с уменьшением Р\.
По сравнению с питанием постоянным током и условии
равенства мощностей, при переменном токе в системе проте
кала бы только активная составляющая тока /а = 1\- coscp. Сле
довательно, потери в системе (источник, линия, потребитель)
при заданной активной мощности Р\ рассчитываются по вы 
ражению [ 11]
2
ДР = /2/?£ = Ш
./?£ — 1 — = ДРцт-----L - ,
I и \
COS^ ф
COS^ ф
(5 .1 2 )
где АРПТ — потери на постоянном токе;
— суммарное актив
ное сопротивление цепи от источника до потребителя.
Видно, что в цепях переменного тока потери возрастают в
1
-----5— раз. Например, при совф = 0,8 потери увеличиваются в
cos ф
1,56 раза. Таким образом, совф определяет экономичность по
требления активной мощности.
Для повышения соэф, как и КПД, следует соблюдать за
грузку в пределах (0,7 + 1,0) от номинальной. В приводах, ра
ботающих с переменной нагрузкой, целесообразно понижать
напряжение в интервалы недогрузок. При этом снижается ре
активная мощность и повышается совф. Реализуется сниже
ние напряжения обычно с помощью тиристорных регулято
ров напряжения (ТРН ) (см. гл. 3 ). Здесь следует отметить, что
при регулировании напряжения изменением угла открытия
вентилей кривые напряжения и тока двигателя несинусои
дальны, потребляемая реактивная мощность больше мощно
сти при синусоидальном напряжении и эта разница увеличи
вается с ростом угла управления [3].
Снижение напряжения (ступенчато, в V3 раз) возможно и
переключением обмоток статора с треугольника на звезду. При
133
ГЛАВА 5. Э Н ЕР ГЕТ ИК А Э ЛЕК ТРО ПРИВОДОВ
а
б
в
Ряс. 5.4
Рабочие характеристики (ток (а), КПД (б), cos<p (в)) асинхронного
двигателя мощностью 28 кВт при соединении обмоток статора
в треугольник и в звезду при напряжении сети, равном номинальному
фазному напряжению двигателя
этом момент двигателя уменьшается в 3 раза, а экономичность
такого приема ограничена значением нагрузки, только ниже
которой такое переключение целесообразно (рис. 5.4) [21].
В некоторых случаях рационально использовать статиче
ские устройства компенсации реактивной мощности, инди
видуальные или групповые, лучше регулируемые и работаю
щие в автоматическом режиме, с переключением величины
емкости в зависимости от coscp [36].
5.2.
ЭНЕРГЕТИКА
РЕГУЛИРУЕМ ОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В УСТАНОВИВШ ЕМСЯ РЕЖИМЕ
Определение энергетических показателей работы регули
руемых электроприводов представляет собой более сложную
задачу, чем нерегулируемых.
Эго связано со следующими причинами:
1) изменением скорости и магнитного потока двигателя,
следовательно, и постоянных потерь ДРс;
2) наличием силового преобразователя (У В , ШИП, ТРИ ,
П Ч ), в котором также имеют место потери;
134
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
3)
зависимостью энергетических показателей от способа ре
гулирования. В этом плане способы регулирования делятся на
экономичные и неэкономичные. К экономичным относятся ре
гулирование скорости ДПТ изменением напряжения и магнит
ного потока, частотное регулирование АД. Неэкономичные —
реостатные для ДПТ и АД, изменением напряжения для АД.
Наиболее сложная задача здесь — определение потерь в
силовом преобразователе. Если питание преобразователя осу
ществляется от отдельного трансформатора, то постоянные и
переменные потери в преобразователе — это потери в стали и
меди обмоток трансформатора, потери в полупроводниковых
приборах (тиристорах, диодах, транзисторах). Они определя
ются током и прямым падением напряжения Д U, которое ука
зывается в справочной литературе. В целом потери в преобра
зователе могут быть оценены и с помощью усредненных зна
чений КПД. Поэтому ниже приводится определение потерь
только в двигателе.
Электропривод с двигателем постоянного тока.
Вне зависимости от способа регулирования постоянные
потери АРс с достаточной точностью могут быть определены по
формуле [3 ,4 ]
f
ч1_5
Hi
где ДРСН— постоянные потери номинального режима.
Переменные потери на искусственных характеристиках
АР„ =/| ■/?„£ =М(соои-со) = А/-Доо,
(5.14)
где /?а2 — полное сопротивление якорной цепи, включая до
бавочные сопротивления /?ад; М — электромагнитный момент
двигателя, М = СФ1а; соо„ — скорость идеального холостого хода
на искусственной характеристике; Дсо — перепад скорости
(влияние нагрузки).
При регулировании скорости Д П Т изменением напря
жения ( Г -Д , У В -Д , Ш И П -Д ) при Мс = const ток якоря о с
тается неизменным, поэтому и переменные потери при этом
ДРу = const.
КПД двигателя
Рг
_
Af-co
Л (Р 2 +ДРЯВ) Мсо+Д/ V
Д р
ГЛАВА 5. ЭНЕР ГЕТ ИКА ЭЛ ЕКТРОПРИВОДОВ
135
где М — приведенный к валу момент сопротивления; со — ско
рость двигателя.
Очевидно, что с уменьшением скорости и АРЮ~ const КПД
привода снижается.
Электропривод с асинхронным двигателем.
Для АД к постоянным потерям относят механические по
тери ДРмех, потери в стали статора и ротора A/Ve, а иногда и
потери в обмотке статора от намагничивающего тока /ц [ 11J
ДРС= ДРмех + ДРРв + 3/2 •Я ,.
(5.16)
Механические потери, как и для ДПТ, могут быть опреде
лены по (5 .13).
Потери в стали пропорциональны квадрату индукции В2
и частоте в степени 1,3 [21], но поток в зазоре пропорциона
лен напряжению, поэтому
2
ч1.3
( А
{ и н} ,/lH t
(5-17)
где ДРрен — потери в стали при номинальной частоте/i„.
Переменные потери при реостатном регулировании [11]
АРи = Д/£„1 + ДРзлг = Д/эл1н[-4 + (1 - А)М*2J + Мсоо«
или
1
J
. „
М СОо • « • / ? ! , , ,
ДРи = —^73----- - + М щ -s,
(5.18)
'
'
п2
где AP 3„iH— потери в обмотке статора для номинального ре
жима; А =
/о И • М*
В* =—
М-----относительный момент; М —
м
1
я
момент двигателя, текущее значение; СОо = — —; р — число пар
полюсов; s — скольжение; /о — ток холостого хода.
Коэффициент полезного действия АД при реостатном ре
гулировании
п = ^ = ----------------------------------------------------- — -----------, (5.19)
Р\ Мс -со+Л/^соо —со)+ Д/зл1н\_А+ (1 —А)М*^ ] + АРрен
где Мс — приведенный к валу двигателя момент сопротивления.
136
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТ РО ПРИ ВОД А
При этом зависимость КПД от скорости представляет со 
бой прямую, а ее наклон зависит от момента на валу.
Коэффициент мощности может быть определен из схемы
замещения как
cos(p =
—
(5 .2 0 )
где Я э, X , — эквивалентные активное и индуктивное сопро
тивления Г-образной схемы замещения.
Энергия, потребляемая из сети при работе с установившей
ся скоростью за время работы tp, представляет собой сумму
механической (полезной) энергии
и потерь Д 1У:
W i=W uex+AW =
fp{M c -Q )o + A ^ lH[ ^ + ( l - A ) i l/ c*2 ]+ A P FeH}.
<5 '2 1 )
Отметим, что Мс - щ = Рм — электромагнитная мощность
двигателя, Рм= Рнвх + APm2Электропривод «тиристорный регулятор напряжения-АД».
Структура такого привода приведена в гл. 3. При этом на
пряжение на заж им ах АД регулируется изменением угла от
крытия тиристоров от U\ = U\Hдо U\ = 0, синхронная скорость
а)о и критическое скольжение не изменяются, но регулирует
ся момент двигателя М = С/2, изменяется, точнее, увеличива
ется рабочее скольжение. Кривые напряжений и токов со 
держат спектр нечетных гармоник, что увеличивает потери в
двигателе, возрастание которых возможно учесть с помощью
коэффициентов [1 1 ]. Потери в обмотках и в стали определя
ются по следующим выражениям [ 11]:
(5 .2 2 )
где 5 = (0,96 + 0,98) — для двигателей единой серии [11 ]; sH—
скольжение номинального режима; s — рабочее скольжение
на искусственной характеристике.
Г Л А В А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В
137
К П Д электропривода
Л=
Мс -со
Мс -С0 + АРМ{ + АРэл2 + АР ре
(5 .2 3 )
В таки х п ри водах с ум ен ьш ен и ем н ап ряж ен и я у вел и ч и 
вается ск о л ьж ен и е, относительны е потери в роторе п р евы ш а 
ют относительны е потери в остальны х элементах маш ины [ 11 ],
так к а к АРзл2 - АРМ■s. П оэтому м ощ ность дви гател я долж н а
бы ть вы брана таким образом , чтобы во всем ди ап азон е пони 
ж ен н ы х скоростей потери в роторе бы ли м еньш е н ом ин аль
н ы х — ДРэлгн.то есть необходимо соблю дать усл ови е
( 5 .2 4 )
из которого следует, что доп устим ы й по н агреву относи тель
ный м ом ент дви гател я
( 5 .2 5 )
В итоге м ож н о ск азат ь, что электроприводы по систем е
Т Р И - А Д имею т н и зкую энергетическую эф ф ективность. Од
нако сущ еству ет ряд устрой ств, где для вы п олнени я техн оло
ги чески х требований целесообразно и сп ользовать таки е при
воды: м алом ощ ны е вентиляторы ферм, н асосы , работаю щ ие с
перем енны м расходом , другие м ехан и зм ы с вентиляторной
м ехан и ческой характери сти кой [ 6 , 11 ] .
Электроприводы по системе «преобразователь ч астоты -А Д ».
Ч астотны й сп особ регулирования скорости аси н хр он н ы х
двигателей я вл я ется сам ы м экономичным по сравнению с дру
гими (см . гл. 3 ) . Э коном ичность п реобразования энергии в
си стем е П Ч -А Д определяется общ им К П Д электропривода
Лап =
Р%
мех
Р
“ Лпч * Чдв»
( 5 .2 6 )
где Р мех — м ехан и ч еская м ощ ность АД; Рмвх = Р2 + АРивх; Р —
потребляемая из сети м ощ ность; ri n4 — К П Д преобразователя;
Лдв — К П Д д ви гател я:
138
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Здесь Р\ — мощность, потребляемая двигателем от преобразо
вателя; ДРПЧ, АЯдв — потери в преобразователе и двигателе со
ответственно.
Потери в преобразователе складываются из составляющих:
■ потери в вентилях выпрямителя и автономного инвертора
напряжения (АИН);
■ потери в дросселях, фильтрах электромагнитной совмес
тимости на входе выпрямителя и выходе ПЧ;
■ потери в конденсаторах звена постоянного тока и выход
ного фильтра.
Основную долю полных потерь мощности в ПЧ составля
ют электрические потери в вентилях выпрямителя, АИН и
дросселях.
Точный расчет потерь в ПЧ представляет собой сложную
задачу, поэтому здесь ограничимся усредненными значения
ми КПД л„ч = (0,95 + 0,98) [11].
При частотном способе управления потери в двигателе
ДРдв = АРэл! + ДРэлг + &Рре + АРя
(5.28)
Составляющие потерь в обмотках
\2
Д Р» 1 = Д Р * 1н-|-ГМи
(5.29)
эл2и ' 1L
IL
Потери в стали статора могут быть определены по (5.17),
механические потери — по (5.13).
В заключение отметим, что каждая из составляющих по
терь зависит от режима работы двигателя, отношения -т-, то
л
есть от закона регулирования (см. гл. 3 ). Например, при
Мс = М„ = const, Д(о = const, /2 = const полные переменные по
тери
139
ГЛАВА 5. ЭНЕР ГЕТ ИК А ЭЛ ЕКТ РОПРИВОДОВ
5.3.
ЭН ЕРГЕТИ ЧЕСКИ Е ПОКАЗАТЕЛИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
Динамические режимы (или переходные процессы) свя
заны с процессами накопления и отдачи энергии — электро
магнитной, механической, тепловой. На протекание переход
ных процессов оказывают влияние различные виды инерции:
1)
инерция электромагнитная, обусловлена энергией маг
нитного поля, связанной с обмотками машин и аппаратов,
А 2\
W3U=U
2
+ Lo
f ;2\
+ M\2hl2',
2) механическая инерция, связанная с кинетической энер
гией вращающихся и движущихся поступательно масс,
wK= s f - , w , = j ( i ±
3) тепловая инерция, связанная с накоплением и распро
странением (передачей) тепловой энергии.
Степень влияния инерционности того или иного вида ха
рактеризуется соответствующими постоянными времени, оп
ределяющими скорость протекания переходных процессов.
Электромагнитная постоянная времени Тэ И Ц где L и
К
R — индуктивность и активное сопротивление обмотки
Электромеханическая постоянная времени
Т„ =
(сФ)
(см. ниже).
В
Постоянная времени нагрева Ти = —, где С = cm — тепло
емкость, А = a S — теплоотдача (см. гл. 6 ).
Тепловые процессы протекают значительно медленнее
электромагнитных и механических, поэтому их рассматрива
ют отдельно. Электромагнитные процессы по сравнению с ме
ханическими являются быстрыми (Т3 «С Т„), поэтому во мно
гих случаях ограничиваются рассмотрением только механи
ческих переходных режимов (электромеханических).
А. П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
140
5.3.1.
ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПРИВОДОВ
С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Из во зм о ж н ы х ди н ам и чески х реж и м ов здесь рассмотрим
только п у ск, торм ож ение и реверс электроприводов [ 3 ,4 , 5 ].
Процесс пуска Д П Т независимого возбуж дения в одну сту
пень оп и сы вается уравнен иям и электрического и м ехан иче
ского р авн овеси я.
U = С Ф в )+ »(*)•#;
или
(5 .3 0 )
U = m + i( t ) - R ;
М =ci(t) = Mc + J
где с = СФ при Ф = const; U = co n st — н ап ряж ен и е сети; R =
= R a + R aa — полное сопротивление якорной цепи.
Реш ение д ля угловой скорости Q)(f), без вы кл ад ок [3 , 4]
ы(г) = Шс +(ш|1ач - w j e Т»,
(5 .3 1 )
где сос — у стан ови вш ееся значение скорости при моменте со противления Мс;
— электром еханическая постоянн ая времени; Мкз — момент
Д П Т при К З (и введенном сопротивлении в якорную ц еп ь ),
- СФ/КЗ; I кз ^ 3/дн,
U
^ = СФ
— скорость идеального холостого хода; 0)1|ач — начальное зн а 
чение скорости.
Э лект ром еханической пост оянной времени н а зы ва ется
врем я, в течение которого привод с моментом инерции J р а з
гоняется без цагрузки из неподвиж ного состоян и я до ск о р о 
сти идеального холостого хода Шо при неизменном моменте,
равном моменту короткого зам ы кан и я. П остоянная Т м не з а 
висит от нагрузки, но зави си т от Мкз, то есть тока /а. С у вел и ч е
нием Я у вел и ч и вается и постоянн ая времени, так к а к у м ен ь
ш ается М кз.
Г Л А В А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В
141
Е сл и п у с к со в ер ш ает ся под н агр у зко й и з со сто я н и я покоя
(а)„ач = О), то
(
_j_
ш = сос 1 - е т
- |.
( 5 .3 2 )
П ри п у ск е б ез н агр у зк и , сос = оо0
f
_j_
to = (Dq 1 —е r”
( 5 .3 3 )
Н а р и су н к е 5 .5 п р ед став л ен ы к р и в ы е ca(t), i(t) при п у ск е
в одну и н е ск о л ь к о ст у п ен е й , под н агр у зк о й и б ез н а гр у зк и .
П р о ц есс п у с к а п р ак т и ч еск и за к а н ч и в а е т с я при t = ( 3 4 ) Т М,
так к а к ск о р о сть при этом отл и ч ается от (Оо (или (0С) н а (5 2 ) % .
О т р е зо к А В на р и с у н к е 5 .5 , б р авен п ер еп ад у ск о р о сти от д е й 
ст ви я н а г р у зк и , Асо = со0 - (ос. Е с л и бы п у с к с о в е р ш а л с я при
н еи зм ен н о м зн ач ен и и м о м ен та М кз, то ск о р о с т ь и зм е н я л а с ь
бы л и н ей н о , п о п р я м ы м ОА и ОВ.
Рис. 5.5
К ривые i(t) (а ), со (I) (б) при пуске Д П Т независим ого возбуждения, в одну
ст упень; граф ик i(t) и сo(t) при пуске в н еск олько ст упеней (в):
1 — пуск под нагрузкой; 2 — пуск вхолостую.
П р и п у с к е в н е с к о л ь к о с т у п е н е й (р и с . 5 .5 , в) т о к к о л е б 
л е т с я о т 1\, д о /2 и з - з а в ы к л ю ч е н и я с т у п е н е й п у с к о в о г о р е о с т а 
т а . П р и это м в ы в е д е н и е м Raaу м е н ь ш а е т с я и э л е к т р о м е х а н и 
ч е с к а я п о с т о я н н а я в р е м е н и , ч то п р и в о д и т к т о м у , ч то в р е м я
работы н а к а ж д о й п о сл е д у ю щ е й ст у п ен и р а зл и ч н о : tT\> tx2 > tx3.
Т о к в обм отке я к о р я при п у ск е под н агр узк о й и з н еп од 
ви ж н о го со сто я н и я
^ S lR iiB L
<5 3 4 )
142
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
где/„с — установившееся значение тока; /кз = ^г
кого замыкания, при со = 0; R = Ra +Raa.
При пуске без нагрузки, когда /^ “ 0
t
ток корот-
i(t) = I K3-e т».
(5.35)
Торможение противовключением осуществляется измене
нием полярности напряжения на выводах обмотки якоря, при
чем для ограничения тока вводится дополнительно резистор
R aд. График перехода из двигательного режима в режим противовключения показан на рисунке 5.6. Торможение проис
а
б
<о
Рис. 5.6
Схема (а) и механические характеристики (б) ДПТ
независимого возбуждения при переходе из двигательного
режима в режим противовключения
ходит по характеристике М„ачО\. Если двигатель в точке 0\ не
отключить, то он, развивая момент М > Мс, разгонится в про
тивоположном направлении до скорости — соусх (рис. 5.6, б).
Процесс торможения и последующего разгона в обратном на
правлении до скорости —соуст называется реверсированием.
Значение Мплч, /Н4Ч определяются сопротивлением якорной
цепи.
При динамическом торможении уравнения равновесия
С Ф -a>+i(t)-R = 0;
C < b i(t) = J ^ + M c,
at
где R = Ra + Я а„ — полное сопротивление цепи якоря.
<5 -3 6 )
143
ГЛ АВ А 5. Э Н Е Р Г Е Т И К А Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д О В
Рис. 5 .7
Механические характеристики ДПТ неза висимого возбуждения при переходе
из двигательного режиме в режим динамического торможения (а);
кривые со(I) и i(t) (б) при динамическом, торможении
Реш ение для скорости при торможении с нагрузкой
_<_
о # ) = -Дсос + (юнач + Д(ос) •е г« ,
А
(5 .3 7 )
М С ' Л
- — абсолютное значение перепада скорости,
где Доос = ,
(СФ )2
по характеристике динамического торможения при моменте
нагрузки Мс (рис. 5 .7 , а).
При ди н ам и ческом торм ож ении без н агрузки , Мс = О,
Д(Ос = 0 и (0нач = (Оо
_i_
ЩЩг=(й0е Ти(5 .3 8 )
Переход из двигательного
режима в режим динамическо
го торможения показан на ри
сунке 5.7, а, а зависимости со(£),
i(t) — на рисунке 5.7, б. З н аче
ние сонач = сос (рис. 5.7, а ) , а вер
шины М„ач и /нач определяю т
ся сопротивлением резистора,
на который зам ы кается об 
мотка якоря, при Ф = co n st
(см. гл. 2 ).
В д ви гател ях п о сл ед о ва
тельного возбуждения магнит
ный поток и момент нелиней
но изменяются в зависимости
от тока якоря. Поэтому пере
ходные характеристики имеют
Рис. 5 .8
Электромеханическая характе
ристика ДПТ последовательного
возбуждения при реверсировании:
1 — естественная характеристика дви
гателя; 2 — характеристика в режиме
противовключения-
144
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
более сложный вид. На рисунке 5.8 приведены характеристи
ки ш (4) при реверсировании двигателя. Динамическое тормо
жение часто осуществляется по схеме двигателя независимого
возбуждения, поэтому справедливы выражения (5 .3 6 -5 .3 8 ).
5.3.2
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
Ранее (см. пп. 5.1,5.2) приведен расчет потерь электропри
водов в установившихся режимах, когда Мс = const, /„ = const,
О) = const.
В переходных режимах целесообразно определять не сред
нее значение потерь мощности, а расход и потери энергии за
время переходного процесса, так как здесь I * const, 0) Фconst.
В общем случае потери энергии в двигателе за время пере
ходного процесса fnn [3 ,4 , 5]:
пт
Д Waa = J (ДРС+ ДР„) {t)dt.
(5.39)
о
Динамические режимы характеризуются повышенными
значениями тока, поэтому постоянные потери ДРс в силу их
малости по сравнению с ДР„ можно не учитывать.
Для Д П Т независимого возбуждения потери при пуске
и
ДИ^п = j М(о>о ~(o)dt,
( 5 .4 0 )
о
где (Оо = V* — скорость идеального холостого хода.
При пуске вхолостую при Мс = 0 из уравнения движения
лл
J-doa j *
Ч - — ЗГ
J-d(o
тогда из (5.40) при шнач = 0
wo
AWao = J У(а>о -o))rf(o=
Ш
нач
ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРОПРИ ВОДОВ
Видно, что потери энергии
при пуске двигателя вхолостую
определяются запасом кинети
ческой энергии вращающихся
масс, накопленной к концу пус
ка. При этом ДИ^о не зависит
от того, вводится пусковое со
противление в якорную цепь
или нет.
Основное здесь: напряже
ние сети при пуске U = const.
Полезная работа при пус
ке вхолостую также равна за
пасу кинетической энергии
145
Рис. 5.9
Идеализированные графики
(0(1), Р1(1),иР2(1)ДПТ
независимого возбуждения
при пуске вхолостую
(5.42)
AH', =
Суммарная энергия, потребляемая из сети
ДИ^эл = ДИш, + ДИ^пол
(5.43)
На рисунке 5 .9 приведены идеализированные графики
(o(t), полезной и потребляемой мощности. Потребляемая из
сети энергия изображается прямоугольником Obcf, а полезная
мощность растет по прямой Od (скорость растет линейно Oj).
При этом не учитываются постоянные потери ДРс (отрезки ab,
cd, ef). По окончании пуска (время £по) полезная мощность
падает до нуля (Мс = 0 ). Энергия, потребляемая цепью якоря,
пропорциональна площади Oadf, потери в якорной цепи —
площади треугольника Oad, а полезная энергия W2 — Odf.
При пуске под нагрузкой и Мс = const, (0нач = 0 потери
энергии
/
l
Д ^о = |М(соо - сo)dt = \(МС+ Мапи) (coo - (o)dt.
Подставив в (5.44) dt =
Jd(Q
получим
(5.44)
146
А. П. ЕПИ ФАН ОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
где шс — установившееся значение скорости при моменте Мс.
Первый член в (5.45) представляет потери энергии в якор
ной цепи, вызванные разгоном инерционных масс, подобно
(5 .4 1 ), а второй — наличием момента нагрузки Мс. Таким об
разом, полные потери
(5.46)
ДЖп = ДЖпдин + ДЖпс.
Если считать, что о)с = соо (ж есткая характеристика), то
/йй
ДЖ,
(йо<п- j аЖ
(5.47)
Интеграл в (5.47) есть не что иное, как путь, проходимый
приводом за время t„. При равноускоренном движении
о
тогда потери энергии будут
(5 .4 8 )
При торможении противовключением вхолостую потери
в якорной цепи
О
“и
о i,J
= j /(-(Do-to)rfco = |/(o)o +(o)rf(o = —
( 5. 49)
(DO
0
При этом энергия поступает с вала двигателя (механиче
ская) и из сети при Uc = co n st (электрическая), сумма этих
составляю щ их и определяет тройной запас кинетической
энергии.
При торможении противовклю чением под нагрузкой
(Мс = co n st), подобно (5 .4 5 ), но при соответствующ их зн а
ках и 0)с » 0>о
3/ой
ДИС„ =-
(OqIt + j (odt
(5.50)
Здесь также можно получить выражение типа (5.48 ) при
е = const.
Видно, что потери энергии при торможении двигателя под
нагрузкой меньше, чем вхолостую (знак « - » перед второй со
ставляющ ей).
147
ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРОПРИ ВОДОВ
При динамическом торможении ДП Т кинетическая энер
гия преобразуется в электрическую и выделяется в якорной
цепи (обмотка и резистор) в виде теплоты.
Торможение вхолостую, как и при пуске
A Wjo = ^ Г -
( 5 -5 1 )
При торможении под нагрузкой (Мс = const)
AW™ B
^
R
J S
(5.52)
о
Потери энергии при реверсировании без нагрузки равны
сумме потерь при торможении противовключением (5.49) и
пуске (5.41)
-ад
4^
ДИ^о= J /(-«о
(5.53)
too
При реверсировании под нагрузкой потери равны сумме
потерь по (5 .4 4 ,5 .4 8 ) и (5.50)
AWp I AWa I АН ^.
(5.54)
Особо отметим, что при пуске и торможении ДПТ независи
мого возбуждения вхолостую и Uc = const потери в якорной цепи
не зависят от значения тока якоря, числа пусковых ступеней,
электромагнитного момента и времени пуска (торможения).
П р и м е р 5.1. Пригородный электропоезд массой 2 5 0 т
(10 вагонов по 25 т) разгоняется при U = const до выхода на
естественную характеристику — скорость v = 36 км/ч = 10 м/с.
Определить потери энергии при пуске и динамическом тор
можении.
Потери энергии при пуске
Д Wa
Ш
= 250• 103
W
= 12,5 •10е Дж = 3,5 к В т •ч.
При суточной работе в течение 18 часов и пусках каждые
7,5 минут (144 пуска)
Д И ^ = AW„ •144 = 500 кВт •ч.
Не трудно видеть, сколько энергии теряется в масштабах
города и всей страны.
При динамическом торможении потери будут такими же,
как и при пуске, Д W„x = 500 кВт •ч.
148
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
5.4.
ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
Общность процессов электромеханического преобразова
ния энергии в электрических машинах [1 8 ,1 9 ] во многом оп
ределяет единство подходов и приемов при рассмотрении не
только установившихся режимов электроприводов, но и пе
реходных процессов. Однако для асинхронных электропри
водов есть ряд важных особенностей по сравнению с привода
ми постоянного тока [ 3 , 4 , 5 , 8 , 1 1 ] .
1. В АД электромагнитные переходные процессы оказы 
вают большее влияние на электромеханические. Поэтому ди
намическая механическая характеристика далеко не совпа
дает со статической, рассчитанной по параметрам обмотки
на основе схем замещения (рис. 5 .1 0 ). При наличии момен
та нагрузки и больших инерционных масс двигатель относи
тельно долго работает при низких скоростях, когда электро
магнитные процессы затухают медленно. Следовательно, и
вид динамической характеристики определяется не только
параметрами обмоток, но и моментом нагрузки, моментом
инерции и видом самого переходного процесса (пуск, тормо
жение, реверс).
2. Динамическими режимами АД с фазным ротором воз
можно управлять введением сопротивлений в цепь ротора,
подобно Д П Т с резисторами в якорной цепи.
Рис. 5 .1 0
Характеристики АД:
а — статическая (2) и динамическая (7) механические характеристики; б — переход
ные характеристики при частотном пуске АД вхолостую.
149
ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРОПРИ ВОДОВ
3. Двигатели с короткозамкнутым ротором запускаются,
как правило, прямым включением в сеть. При этом пусковой
момент М„ = (1 + 2 )М„, пусковой ток /п = (4,5 + 7)/„.
4. Механическая характеристика со(М) имеет нелинейный
характер (см. гл. 3), электромагнитный момент изменяется от
Мкз = М„ до Мт при (0К, затем уменьшается до М„ при сон или
М = Мхх при О) = со0.
5 .4 .1 .
Д И Н А М И Ч ЕСК И Е РЕЖ И М Ы
ЭЛЕКТРО П РИ ВО Д О В
С АСИ Н ХРОННЫ М И Д ВИ ГА ТЕЛЯМ И
Механические переходные процессы в асинхронном элек
троприводе описываются основным уравнением движения
(см. гл. 1)
(5.55)
M (s)-M c(ш) = Jdco
dt
где M(s) и Мс(со) — механические характеристики (статиче
ские) двигателя и рабочей машины.
При допущении Мс = const, учитывая приближенную за
висимость M(s) (упрощенную формулу Клосса), уравнение
(5.55) может быть решено аналитически.
d<a
toods
и можно записать
При этом
dt
dt
2 Mn
■~МГ = -
sK | s
s sK
Jatpds
dt
(5.56)
Решение для s(J), со(t) и M(t) из (5.56) достаточно слож
ное [3, 4 ], поэтому ниже приводится только оценка переход
ных процессов для холостого хода, то есть при Мс = 0.
Из (5.56) при Мс = 0 следует
dt = - T * \ ^ + — Ids;
s Su
*н»ч
nnпО
- f J T +f H ! = T
In
(s|
S2 )
°KOH /
(5.57)
150
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
m
J COq
электромеханическая постоянная времени;
где т« - ш
«нач. skoh — начальное и конечное значения скольжения; £пп0 —
время переходного процесса при Мс = 0.
Для режима пуска $нач = 1, sKOH= 0 ,05, время переходного
процесса равно времени пуска
^пО-■
ук 1 п 2 0 + (1 -0 ,0 5 2)
2sK
sK
l,5 sK+ - J j.
(5.58)
Видно, что время пуска зависит от характера механиче
ской характеристики, то есть значения sK. При sK= 0 ,4 0 8 вре
мя пуска tn0 = 1,22jTm— минимально.
Торможение противовключением, «нач = 2, sK0H= 1
tIo = JrM|0,35sK+ - s K|.
(5.59)
При динамическом торможении sHa4 = 1, sK0H= 0,05, поэто
му справедлива формула (5 .5 8 ).
5 .4 .2 .
П О ТЕРИ ЭН ЕРГИ И
АСИ Н ХРО Н Н Ы Х ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО ДО В
В ДИ Н А М И Ч ЕСК И Х РЕЖ И М А Х
Ранее (см. п. 5 .3.2) указы валось, что в динамических ре
жимах следует говорить не о мощности, а о потерях энергии за
время переходного процесса. Общее выражение (5.39) остает
ся в силе и здесь, как и учет только потерь энергии, обуслов
ленных переменными потерями мощности ДР„.
Составляющая потерь энергии AWVможет быть определе
на через электрические величины — токи и сопротивления
статора и ротора как
%Й
^пп
AWV= 3 J i(2(i)f?i<ft + 3 J u?(t)Rldt.
(5 .6 0 )
о
о
Сложность расчета потерь по (5.60) заключается в том, что
необходимо знать законы изменения токов ц и £2 в переход
ном процессе. Кроме того, сопротивление короткозамкнутой
обмотки
за время пуска и торможения не остается посто
янным из-за поверхностного эффекта (/2 = var).
151
ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРО ПРИ ВОДОВ
Поэтому здесь, как и ранее, переменные потери выража
ются через механические величины — момент и скорость.
При пуске асинхронного двигателя вхолостую (Мс = 0)
потери энергии в цепи ротора (без вывода), подобно двигате
лю постоянного тока (5.4 1 ),
AW U =
»’. ) = М ( Уаач _ Skoh)>
(5.61)
2я/,
где индексы: п — пуск; L — цепь ротора; о>о = --------- скорость
идеального холостого хода; сонач — начальная скорость.
При (Онач —0, $нач 1 >®кон 0
Д^„20 = ^ -
(5 -6 2 )
При торможении противовключением синач = 0)о> °>KO„ = 0
(*н»ч = 2, sK0H= 1)
Д И ^ ^ р -.
(5.63)
При реверсе ш„ач = -соо, соко1! = со0 или sHa4 = 2, sK0H= 0
(5.64)
Потери энергии в цепи обмотки статора в общем виде
А п
^P\vo
-OT2D
_ A P 2 -R\
------щ
л н /
_ A ^ 2 v o ' A
> p^iuo ~
щ
_
•
_
(о.65)
Полные потери энергии
/cog
“
2
R\
R' 1^нач *кои)‘ (5.66)
Отметим, что здесь, так же как и в ДПТ, потери в обмотке
ротора не зависят от сопротивления R2, времени пуска, зави
симости M(s) при пуске.
При пуске и торможении под нагрузкой справедливыми
остаются формулы (5 .4 5 -5 .5 2 ) для двигателей постоянного
тока. Подставив в (5 .4 7 ,5 .5 2 ) значение
dt = -----^ — ds
шшт
152
А. П. ЕПИ ФАН ОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИ ВОДА
из уравнения движения и полагая, что за время пуска момент
двигателя остается неизменным М —Мср = const, получим об
щую формулу (для оценочных расчетов) для двигателей по
стоянного тока и асинхронных
АЖ“Т = (М
М+
-М
(Мср
Мс) 2
- 4 > н)= Мср + Мс
(5 -6 7 )
5 .5 .
СНИЖ ЕНИЕ П О ТЕРЬ ЭНЕРГИИ
В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖ ИМ АХ
Во многих случаях переходные процессы занимают суще
ственную часть общего цикла работы электроприводов, поэто
му снижение потерь в таких режимах имеет важное значение.
Отметим лишь приводы грузоподъемных механизмов, лиф
тов, многих транспортных средств, работа которых характе
ризуется частыми пусками и торможениями.
Анализ полученных выше соотношений, в частности (5.41,
5.61, 5 .6 6 ), определяет два основных способа снижения по
терь энергии в переходных процессах:
1) уменьшение момента инерции электропривода;
2) регулирование скорости идеального холостого хода.
Уменьшение момента инерции ротора электродвигателей
возможно:
1) применением малоинерционных электродвигателей за
счет повышения отношения длины к диаметру ротора;
2) выбором рационального передаточного числа механи
ческой передачи, конструкционных материалов.
Регулирование скорости идеального холостого хода может
быть обеспечено для Д П Т использованием систем У В -Д , Г -Д ,
Ш И П - Д (см. гл. 2 ), а для асинхронных двигателей измене
нием числа пар полюсов (ступенчато) и регулированием час
тоты по схеме П Ч -А Д (см. гл. 3).
Рассмотрим пуск двухскоростного АД на высокую ско
рость при Мс = 0, (рис. 5. 11, а ). Пуск в этом случае возможен
двумя способами: прямым включением обмотки на число по
люсов р и скорость (йог или включением обмотки сначала на
число полюсов 2р и скорость Шо1 с последующим переключе
нием на р и о>о2 (ступенчатый пуск).
ГЛАВА 5. ЭН ЕРГЕТИ КА ЭЛЕКТРОПРИ ВОДОВ
153
Рис. 5.11
Характеристики двухскоро
стного АД при двухступен
чатом. пуске (а); схема, (б)
и график процесса разгона (в)
двухдвигательного привода
с ДПТ независимого возбуж
дения в две ступени
OBM1
ОВМ2
При прямом пуске (sHa4 = 1, sm„ ~ 0) потери энергии в роторе
(5.68)
При пуске в две ступени: первая ступень ^нгач
вторая ступень 5нач = 0,5, sKoh Р
л иг’
АИ'гпО=
«
2
^кон ®*
Соответственно потери
...
.
= о >
/„2 _ „2 \- ^Ы0
bW2'a0 = *^°^2
2 \*нач
дкон! ~
g
154
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
Суммарные потери за время пуска
1 /|\2
AW2n0 = ДИ^о + д и ^ о = - ~ :
(5.70)
Видно, что при пуске в 2 ступени потери энергии в цепи
ротора вдвое меньше по сравнению с прямым пуском. Оче
видно, что при этом уменьшатся и потери в обмотке статора.
В общем случае, при п ступенях скорости идеального хо
лостого хода, потери в роторе уменьшаются в п раз
(5.71)
где соо„ — максимальная скорость идеального холостого хода
двигателя, соответствующая последней ступени.
Сокращаются потери и при ступенчатом торможении.
Для двигателей постоянного тока ступенчатое изменение
скорости идеального холостого хода достигается в многодвига
тельных приводах переключением групп соединения: последо
вательн ое- (последовательно-параллельное) -параллельн ое
(см. рис. 5 .11, б). На практике это используется на железно
дорожном транспорте.
Например, вагоны метро все моторные. Двигатели на на
пряжение U = 375 В, в контактной сети Uc = 750 В. Пуск воз
можен в две ступени для одного вагона (4 двигателя) или в
три ступени для двух вагонов (8 двигателей). Характер изме
нения потерь при этом будет таким же, как показанный на
рисунке 5 .11, в.
Из (5 .71) следует, что при п —» «. потери можно сократить
до нуля (теоретически). Реально это возможно сделать при
плавном изменении о>о в приводах Г - Д , П -Д П Т , П Ч -А Д ,
причем изменение Шо должно быть очень медленным. Прак
тически, по условиям функционирования, время переходно
го процесса tnо ограничено, поэтому потери возможно только
существенно снизить (до 5 - 7 раз). Например, при линейном
изменении напряжения на якоре Д П Т [ 3 , 4] потери энергии
(5 .7 2 )
Видно, что степень снижения потерь определяется соот
ношением электромеханической постоянной времени Тми вре-
155
ГЛАВА 5 . Э Н ЕР ГЕ ТИ К А Э Л ЕК ТРО П РИ ВО Д О В
- Ш Для
п асинхронных приво
мени пуска <п0, или величинои
дов аналогичным показателем является темп увеличения час
тоты,
В современных ПЧ величина
при пуске может
задаваться в широких пределах [4, 11]. Реально пуск произ
водят при токах 1\ ~ 1,5/t,,.
Обычно при частотном управлении минимальные потери
достигаются при оптимальном значении частоты вторичных
h
токов/2 или абсолютного скольжения РОПТ “ е * При этом за/н
данному току статора соответствует наибольший электромаг
нитный момент, что обеспечивает необходимое быстродейст
вие (время £по).
П р и м е р 5.2. В примере 5.1 предполагалось, что при на
пряжении в контактной сети (7С= 30 0 0 В и Ua„ = 750 В все че
тыре двигателя соединены всегда последовательно. В настоя
щее время промышленность выпускает комплекты электро
оборудования моторных вагонов с двигателями на напряжение
(/„„= 1500 В. Следовательно, пуск и торможение возможно
проводить в две ступени — последовательном и последовательно-параллельном соединении. При этом потери снижаются в
два раза.
П р и м е р 5.3. Двухскоростной АД имеет данные: Р„ =
= 2,5 кВт; «ot = 1500 об/мин;
= 3000 об/мин;/= 0,2 3 кг •м2;
- § -= 1 ,6 ; Мс = 0.
«2
Рассчитать потери энергии при прямом и ступенчатом пус
ках и торможениях.
1. Угловые скорости
(Ooi =
2я/1а9
0 0 о л/
/
ас7
in
1 2 я "3 0—
= 314 рад/с; Мог = 157 рад/с.
2. Полные потери при прямом пуске, по (5.66)
AWa0
0 ,2 3 -3 1 4 2
2
2
_ р2 \_
(1 +1,6) (I2 - О2) = 29 4 8 0 Дж.
3. Потери при ступенчатом пуске:
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
156
а) пуск до скорости СО02
AWn0, =
+1,6) (I2 - О2) =
. 2,6 •1 = 7370 Дж;
б) пуск ДО скорости О>02 ( 5 нач = 0,5, SKOH = 0)
A wa02 = 0 ,2 3 23 1 4 2 (1 +1,6) (0,25 - 0 ) = 7370 Дж;
в) суммарные потери при ступенчатом пуске
АИ^по = А1У„о1 + A W„o2 = 14 740 Дж.
Потери уменьшились в 2 раза по сравнению с прямым
пуском.
4. Потери энергии при одноступенчатом торможении про
тивовключением от (Dot Д° нуля по (5.66) при «нач = 2, sKOI4 = 1.
ДИ^о = ~ ~ "~2~~~ 2'(1 + 1-6 ) (22 - 12 ) = 88 440 Дж.
5. Потери энергии при двухступенчатом торможении.
а) генераторное (динамическое) торможение от (Doi до (йог:
АИ'о! = ° ,2321j72 (1 +1,6) (I2 - О2)= 7 3 7 0 Дж;
б) торможение противовключением o t (Do2 до 0:
о 94.1^72
A W%
02 = ’ 2
(1 +1,6) (22 - 12)= 2 2 1 1 0 Дж;
в) суммарные потери:
AW .0 = Д Wm + Ш щ = 7370 + 22 110 = 29 480 Дж.
По сравнению с одноступенчатым торможением здесь по
тери уменьшились в 3 раза.
■111И11ШШ1111М111111М1ШШШШ111И11ШИ111111Ш11ИШ1111Л111111ДО1111Ш1И1М1
ГЛАВА 6
ВЫ БОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ПО МОЩНОСТИ
6.1.
О БЩ И Е ПОЛОЖ ЕНИЯ
ПО В Ы Б О Р У Д ВИ ГА ТЕЛ Я
Н ад еж н ая и экономичная работа электропривода возможна
только при соответствии двигателя режимам, в которых он
должен работать совместно с производственным механизмом,
и ожидаемой нагрузке.
Основным требованием при выборе электродвигателя я в 
ляется соответствие его мощности условиям технологическо
го процесса. Определяющими при выборе мощности являю т
ся нагрев его обмоток, а также возможные кратковременные
перегрузки. Следовательно, можно сформулировать и требо
вания: при работе двигателя температура изоляции обмоток
не должна превышать предельных допустимых значений для
используемого класса изоляции.
При недостаточной мощности будет повышенный нагрев,
ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя.
При завышенной мощности растут начальная стоимость
привода, потери энергии из-за снижения КПД, а для асинхрон
ного электропривода — и коэффициента мощности [2 4 ,2 5 ].
Важным является соответствие условиям пуска рабочей
машины и возможных перегрузок, то есть пусковой и м акси
мальный момент двигателя.
Выбор серийных двигателей производится с учетом сле
дующих показателей [ 3 ,4 ] .
1. Род тока. Двигатель должен иметь род и величину на
пряжения, соответствующие сетям предприятий.
2. Скорость. Для вновь проектируемого привода номиналь
ная скорость двигателя и передаточное число редуктора вы 
бираются на основе технико-экономического обоснования. Эго
158
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО П РИ ВОД А
особенно важно для электроприводов, работающих с частыми
пусками, реверсами, остановками. При имеющемся редукто
ре выбор номинальной скорости двигателя проводится по за 
данной скорости исполнительного органа и передаточному
числу редуктора.
3.
Способ вентиляции и защита от действия окружающе
среды. По способам защиты от действия окружающей среды
различают двигатели открытые, защищенные и герметичные.
Для работы в особых условиях выпускаются специализиро
ванные двигатели [24]. По способам вентиляции — двигатели
с естественной вентиляцией, самовентиляцией и независимой
( принудительной).
Порядок выбора электродвигателя:
1) расчет мощности и предварительный выбор двигателя;
2) проверка выбранного двигателя по условиям пуска и
перегрузки;
3 ) проверка выбранного двигателя по нагреву.
Если выбранный в п. 1 двигатель удовлетворяет условиям
пп. 2 и 3, то на этом выбор заканчивается. Если не удовлетво
ряет условиям пп. 2 и 3, то выбирают другой двигатель и про
верка повторяется.
Основой для расчета мощности и выбора электродвигате
ля является нагрузочная диаграмма и диаграмма скорости (тахограмма) исполнительного органа рабочей машины.
Нагрузочная диаграмма рабочей машины — это зависи
мость приведенного к валу двигателя статического момента
нагрузки от времени — Mc(t).
Нагрузочная диаграмма привода, как правило, не совпа
дает с нагрузочной диаграммой рабочей машины вследствие
наличия инерционных масс (моментов инерции) и наклона
механических характеристик двигателей (жесткость Р * ° ° ) .
При пиках нагрузки инерционные массы отдают часть запаса
кинетической энергии, облегчая работу двигателя. При резко
пиковой нагрузке иногда с целью сглаживания нагрузочной
диаграммы искусственно увеличивают момент инерции, у с
танавливая маховик. Особо отметим, что выбор мощности дви
гателя может быть сделан только на основе нагрузочной диа
граммы самого двигателя. При предварительном выборе дви
гателя, его номинальный момент принимается большим, чем
ГЛ А ВА 6. В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО МОЩ НОСТИ
среднее значение стати ческо
го момента с учетом динам и
ч ески х нагрузок.
Л/„ = К 3 - Л/сэ =
= (1,1 + 1,5)Мсэ,
1 59
М.
(6 .1 )
где К3 = ( 1 , 1 1 1, 5) jMca — сред
нее квадратичное значение ста
тического м ом ен та(п р и веден 
ного) за цикл работы tn. Коэф
фициент зап аса К3 в ( 6. 1)
долж ен быть тем больш е, чем
резче пики нагрузки рабочей
машины и больш е включений
в час должен иметь двигатель.
Д иаграмма скорости — это
зависим ость скорости д ви ж е
ния и сполнительного органа
от времени VHO(t) или ш„„(£)•
Рис. 6.1
При известном передаточном
К расчету мощности и проверке
числе редуктора после приве
двигателя:
дения тахограмма изображает
а — нагрузочная диаграмма исполни
тельного органа; б — диаграмма ско
ся графиком о>(£).
рости; в — график динамического мо
На рисунке 6 .1 , а, б в к а 
мента; г — зависимость момента дви
гателя от времени.
честве примера приведены н а
грузочная диаграмма и тахо 
грамма рабочей маш ины; на рисунке 6 .1 , в, г — график дина
мического момента (пуск и торможение) и момента двигателя
M(t). Цикл состоит из участков разгона tp, движ ения с устано
вивш ейся скоростью ty„ торможения t, и п аузы t0. Время цик
ла (ц = tp + fyCT+ L, + to. На примере приведенных диаграмм по
рядок расчета мощности, предварительного выбора и провер
ки двигателя следующ ий:
1.
Ориентировочно определяется номинальный момент
двигателя согласно формуле (6 .1 )
(6 -2 )
где К3 = (1,1 + 1,5) учитывает динамические режимы. Д ля диа
граммы, показанной на рисунке 6 .1 , М„ = Мс. Е сли момент
160
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Р; ар
р.
О
D
Рис. 6.2
|АР*
U
Ступенчатый
график мощности
на валу двигателя
и потерь в нем при
продолжительной
нагрузке
нагрузки Мс (ток, мощность) изменяется во времени (рис. 6.2),
что чаще бывает на практике, то эквивалентный момент (ток,
мощность) определяют как среднюю квадратичную величи
ну, аналогично действующему значению переменного тока.
(6.3)
где Mci, t( — момент и длительность г-го участка нагрузочной
диаграммы производственного механизма. Для рисунка 6.1
Мсз = Мс = const.
Как известно, нагрев двигателя определяется графиком
тока /(f), то есть потерь ДР„. Поэтому методом эквивалентного
момента можно пользоваться, если момент пропорционален
току. Например, при ослаблении поля в Д П Т эта пропорцио
нальность отсутствует,
поэтому приходится переходить к графику тока, построенно
му в масштабе моментов.
2. Определяется номинальная скорость двигателя. Для рас
сматриваемого случая (см. рис. 6.1) шн ^ Шуе,..
3. Рассчитывается номинальная мощность двигателя
РИ—Мн •(|)„ ^
•Мсз ‘ ®усг"
(6.4)
4. По каталогу выбирается электродвигатель ближайшей
большей мощности и скорости соответствующего исполнения.
5. Проводится проверка выбранного двигателя по перегру
зочной способности.
ГЛАВА 6. ВЫ БО Р ЭЛЕКТРОДВИ ГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ
161
Момент двигателя в зависимости от времени на основании
уравнения движения
М = МС+ / ^ = МС+ М ДНН.
(6.5)
Динамический момент Мл„„определяется суммарным приdxo на учаведенным моментом инерции Уr и ускорениями е = —
at
стках разгона и торможения. При е = const (рис. 6. 1, 6)
■Мдин = const. Следовательно, нагрузочная диаграмма двигате
ля представляет собой алгебраическую сумму моментов Мс и
МдИ„ в зависимости от времени (рис. 6.1, г).
Таким образом, для рассматриваемого случая должно вы
полняться следующее условие:
Мт>Мх.
(6.6)
Если условие (6.6) выполняется, то двигатель обеспечит
I ускорение на участке разгона tp (рис. 6.1, б, г), если нет, слеI дует выбирать другой двигатель. Напомним, что для двигате] лей постоянного тока максимальный момент ограничен ком-
М
J мутацией (по току якоря), - ^ - = (2+3); для асинхронных
М
“
I двигателей - ^ 2- = (2 + 3 ).
6.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
| при прямом пуске должны проверяться по условиям пуска
Мп>Мс.
(6.7)
Для рассмотренного примера (рис. 6.1) М„ > Мс.
Для двигателей с фазным ротором возможно Мт= М„, что
достигается выбором пусковых сопротивлений в цепи ротора.
Необходимо отметить, что допустимые отклонения напря
жения сети переменного тока составляют
(5 + 10)% , а в сельI ских сетях из-за их протяженности и недостаточной мощноI сти, особенно при пуске, существенно больше. Следователь
но, момент двигателя снижается и условие (6.7) будет
и
К1-Ма >Мси,
(6.8)
где л в —_. •
I
Ш
,н
Если выбранный двигатель удовлетворяет условиям пп. 5
и 6, то проводится проверка по нагреву. Этот этап рассматри* вается в следующих параграфах главы 6.
6 — 1832
162
Л. 11. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
62
НАГРЕВАНИЕ
И ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ.
КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
Работа электрических машин сопровождается потерями,
которые вызывают нагревание машины, отдельные элементы —
обмотки, магнитопроводы и др., нагреваются по-разному. Оче
видно, что нагреваться машина может лишь до определенной
допустимой температуры, определяемой нагревостойкостью
изоляционных материалов. Соблюдение установленных огра
ничений по температуре нагрева обеспечивает нормативный
срок службы машины в течение 1 5 - 2 0 лет. Повышение до
пустимых значений температуры приводит к преждевремен
ному разрушению изоляции обмоток и сокращению срока
службы. Так, для изоляции класса А превышение допусти
мой температуры на 8 - 10°С сокращает срок службы вдвое.
Анализ теплового состояния двигателя позволяет оценить
степень его загрузки по мощности. Если нагрев двигателя
близок к нормативному, это говорит о хорошем использова
нии установленной мощности двигателя, то есть его работе в
близком к номинальному режиму. Если же нагрев двигателя
существенно меньше нормативного, то двигатель недогружен
и его мощность завышена по сравнению с требуемой. Кроме
того, при малой загрузке энергетические показатели — КПД
и coscp имеют меньшие по сравнению с номинальными значе
ния (см. рис. 5.1)
Изоляционные материалы, применяемые в электрических
машинах, делятся на классы по допустимой предельной тем
пературе (табл. 6.1).
Основными классами изоляции в электрических маши
нах на настоящее время являются В, F, Н.
При выполнении тепловых расчетов принимается стан
дартная температура окружающей среды, равная 40°С. Оче
видно, что при снижении температуры окружающей среды
Таблица 6.1
Классы изоляции
Класс изоляции
А
Е
В
F
Н
С
Предельная температура, °С
105
120
130
155
180
>180
ГЛАВА 6. ВЫ БО Р Э ЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ
163
двигатель может быть нагружен несколько выше номиналь
ной мощности, а при повышении — ниже.
Тепловые потоки под действием разности температур от
дельных элементов машины, корпуса и окружающей среды
распространяются путем теплопроводности, конвекции и лу
чеиспускания. Отдельные части машины, выполненные из
различных материалов, имеют разные теплоемкость и тепло
проводность. Неодинаковыми являются и условия нагрева
отдельных элементов.
Следовательно, точное исследование тепловых процессов
машины представляет собой очень сложную задачу. Поэтому
в теории электропривода изучение процессов нагрева и охла
ждения двигателей проводится при следующих допущениях
[ 2 ,3 ,4 ] :
1) двигатель рассматривается как однородное тело, имею
щее теплопроводность X = и одинаковую температуру по все
му объему;
2) теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна раз
ности температур машины и окружающей среды (превыше
нию температуры);
3) теплоемкость двигателя и коэффициент теплоотдачи не
зависят от температуры.
Таким образом, имеем массу тела (двигателя) т, наруж
ную поверхность — 5 пов. коэффициент теплоотдачи а , Дж/
(м2 -°С), удельную теплоемкость с, Д ж / (кг-°С ). Требуется
определить характер процесса изменения температуры ©(<),
если суммарные потери — АР.
Уравнение теплового баланса:
dQ = dQt + dQ2,
(6.9)
где dQ — тепловая энергия, выделившаяся в машине за время
dt; dQ\ — часть энергии, которая аккумулируется в двигателе
и вызывает его нагрев; dQi — энергия, отданная в окружаю
щую среду.
Выразив составляющие уравнения (6.9) через тепловые
параметры машины и время, получим:
fAPdt = cmdQ + ctSQdt;
1 APdt = CdQ + AQdt,
(6 Л 0 )
164
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТРО П РИ ВОД А
где АР — потери в двигателе, Вт; С = cm — общая теплоемкость,
Дж/°С; А = a S — теплоотдача с поверхности машины в окру
жающую среду, Дж/°С; 0 = 0 ДВ - 0 оср —■превышение темпе
ратуры двигателя над температурой окружающей среды.
Разделив (6.10) на dt, получим:
Д Р = с | + /1-0.
(6.11)
При t —>оо, когда тепловой режим устанавливается, то есть
0 = const, тепловыделение при этом равно теплоотдаче, —г - =0.
dt
Следовательно, установившееся значение превышения температуры
д/^ д/>
v л
S f
(6-12)
Решение уравнения (6.10) будет [3, 4]
(
0(0 = 0 у
гг,
где l u
С
cm
-/ \
i
1 - е 7" + 0 н « ..е г" ,
(6.13)
— постоянная времени нагрева, которая рав
на времени нагрева тела до установившейся температуры без
отдачи тепла в окружающую среду.
Величина Т„ изменяется от нескольких минут для машин
малой мощности до нескольких часов у крупных машин (мощ
ностью Р > 100 кВ т).
Из (6.13) видно, что при скачке потерь (тепловыделения)
температура тела двигателя изменяется монотонно, по экспо
ненте, скорость нарастания определяется величиной Тн. Роль
инерционного элемента здесь выполняет теплоемкость С, по
добно массе в механике, индуктивности в электромагнитных
процессах.
При сбросе нагрузки (АР = 0) происходит охлаждение ма
шины по закону
(6.14)
В ( 0 = в Уе Ж
где Тос — постоянная времени остывания, зависит от внешних
условий теплоотдачи.
В общем случае Т„ Ф Тос и, если машина охлаждается при
отсутствии искусственной вентиляции, то
> Т„.
ГЛАВА 6. ВЫ Б О Р Э Л ЕКТРО Д ВИ ГА ТЕЛ Я ПО МОЩНОСТИ
165
Кривые нагревания (а) и охлаждения (б) двигателя
Количественно ухудшение теплоотдачи характеризуется
коэффициентом ухудшения теплоотдачи при неподвижном
роторе.
Ро = А = (0 ,3 + 0 ,9 5 ),
(6.15)
д
гдеАо.А — теплоотдача при неподвижном роторе и номиналь
ной скорости соответственно.
Для случая независимой вентиляции (3 = 1, Т„ = Т^..
На рисунке 6.3 приведены кривые нагревания и охлаж 
дения однородного тела. Процесс нагрева можно считать у с
тановившимся, когда превышение температуры двигателя
достигает (0,95 + 0 ,9 8 )0 усх. При этом время £уст~ (3 + 4)Т„
(рис. 6 .3 ).
Для оценки теплового режима электродвигателей необхо
димо знать график (диаграмму) потерь мощности от времени,
который, в свою очередь, определяется диаграммой измене
ния нагрузки двигателя. По характеру изменения нагрузки
на валу двигателя существующая классификация предусмат
ривает восемь типовых режимов с условными обозначениями
от S1 до S 8 (см. рис. 6.4).
При этом основными номинальными режимами являют
ся S I , S2, S 3 , а остальные — их разновидностями. Для работы
в режимах S I , S 2, S 3 промышленность выпускает электриче
ские машины, режим и соответствующие ему номинальные
данные указываются на щитке.
166
М
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
51
S2
М
S4
\. Продолжительный номинальный режим работы ( S1) —
это режим работы двигателя при неизменной нагрузке, продол
жающейся столько времени, что превышение температуры всех
его частей достигает установившегося значения (рис. 6.4). Мож
но сказать, что время работы при этом tp > (3 + 4) Т„.
1 67
ГЛ А ВА 6 . В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО МОЩ НОСТИ
1
!ч
Рис. 6.4
Графики изменения
мощности и температуры
в режимах S I-S 8
2.
Кратковременный номинальный режим ( S 2 ) — это р
ж и м , когда периоды неизменной нагрузки чередуются с пау
зами (рис. 6 .4 ); при этом за время работы температура двигаАР
теля не достигает установивш егося значения 0
=
а за
168
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО ПРИ ВОД А
время отключения все части двигателя охлаждаются до тем
пературы окружающей среды. Стандартные значения длитель
ности работы — 10, 30, 60 и 90 минут. Можно отметить, что
для тяговых двигателей электротранспорта расчетным явл я 
ется часовой режим, £р = 60 минут.
3.
Повторно-кратковременный номинальный режим (S3) —
это режим, в котором периоды неизменной нагрузки череду
ются с паузами (см. рис. 6 .4 ), причем за интервалы работы и
пауз температура не достигает установившихся значений.
При этом максимальная продолжительность цикла £„ =
= tp + t0 принята равной 10 минут, а сам режим характеризу
ется относительной продолжительностью включения е или
продолжительностью включения П В %
е = — — = — ; П В % = — •100% = е ■100% .
(6.16)
tp ~^to
£ц
Стандартные значения П В составляют 1 5 , 2 5 , 4 0 и 6 0% .
Режимы S 4 - S 8 являются более сложными, включают пе
риоды пуска, холостого хода, торможения, реверса, работы при
разных скоростях. Основным ж е остается то, что по диаграм
мам нагрузки в итоге определяются допустимые потери.
В дальнейшем анализ тепловых процессов двигателя и
оценка его нагрева проводится для режимов S I , S 2 , S 3 .
6 3
П РО ВЕРК А Д ВИ ГА ТЕЛ ЕЙ
ДЛЯ ПРОДОЛЖ ИТЕЛЬНОГО
РЕЖ ИМ А РА БО ТЫ
В режиме S1 двигатели могут работать с постоянной или
переменной (циклической) нагрузкой.
Постоянная нагрузка. Графики изменения момента и по
терь приведены на рисунке 6.4. При этом о) = const, Р = Мш =
= const, двигатель выбирается по условию Р ^ Р„, следователь
но, выполняется и условие АР < АРн, 0 тах = 0 усТ < 0 ДОП, где
0доп — допустимое превышение температуры; Р„, АРн — но
минальные мощность и потери двигателя соответственно. Оче
видно, что здесь не требуется дополнительных расчетов по оп
ределению теплового режима двигателя. Если в каталоге нет
двигателя по рассчитанной мощности, то выбирается ближай
ший больший по мощности.
169
ГЛ А В А 6. В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО МОЩ НОСТИ
Примером таких механизмов могут служ ить насосы и вен 
тиляторы, работающие при постоянных расходе Q и напоре Н.
Д ля насоса мощ ность двигателя
п
p-Q
Q -j-H g
Лнас
Лнас
(6 .1 7 )
где р — давление, Па; Q — расход, м3/с; Лнас — КП Д насоса;
j — плотность жидкости, кг/м3; Н — напор, м \g = 9,8 м/с2. КПД
насосов зависит от типа, скорости и давления, г|нас = 0 ,3 0 ,8 .
[6,41]
П р и м е р . Q = 3 6 0 м3/ч; Н = 1 5 0 м; Т1нас = 0 ,7 5 ; п = 150 0
об/мин, насос для перекачки воды.
р _ 3 6 0 -1 0 0 0 1 5 0 -9 ,8 = 196 0 0 0 В т = 196 к В т
3 6 0 0 - 0 ,7 5
При этом давление
p = j . H g = 1 0 0 0 - 1 5 0 - 9 , 8 = 1,47 - 106 Па.
Д вигатель: 4 А 315М 4У З , Рп = 2 0 0 кВ т.
Д ля вентиляторов, как и для насосов,
Р = -£ У -,
(6 .1 8 )
Л веш*
где р — давление, Па; Q — расход, м3/с; Т1вент — КПД, riBeHT =
= ( 0 , 3 + 0 , 8 ) — для центробеж ны х вентиляторов; Лвсит=
= (0 ,2 + 0 ,4 ) — для осевы х [6, 41 ].
П ерем енная ц и кл и ч еская н агр узка. Если в режиме S1
нагрузка на валу не остается постоянной, а периодически и з
меняется (циклический характер, см. рис. 6 .2 ), то периодиче
ски будут изм еняться потери в двигателе и его температура.
О бязательным остается условие
©max ^ ®доп-
■
(6 .1 9 )
Отметим, что @ тах — усредненное значение температуры,
а сам а оценка нагрева двигателя может быть выполнена пря
мым или косвенным методом.
Прямой метод проверки заклю чается в расчете зависим о
сти 0 (< ) по формуле (6 .1 3 ). Д ля такой проверки необходимо
знать тепловы е параметры двигателя — С, А, Т„, которые не
приводятся в каталогах, а расчет их весьма приблизителен.
170
А. П. ЕП И Ф А Н О В. О СН О ВЫ Э Л ЕК Т РО П Р И ВО Д А
Поэтому на практике задача проверки двигателей по нагреву
проводится, как правило, косвенными методами. Основные
из них:
1) метод средних потерь;
2) методы эквивалентных величин — момента, тока и мощ
ности.
Метод средних потерь является наиболее точным и уни
версальным. Суть его заклю чается в определении средних по
терь АРср за цикл работы двигателя с последующим сопостав
лением их с потерями в номинальном режиме. У словие соот
ветствия двигателя по нагреву будет (см. рис. 6 .7 )
ДРср < ДРН; ДРср =
(6 .2 0 )
(=1
где APj — потери на i -м интервале; — длительность интерва
ла; т — число интервалов.
Сам расчет потерь производится за цикл, достаточно уда
ленный (<р > ЗТ„), когда величина среднего превыш ения тем
пературы не изменяется, то есть 0 ср ~ const. В этом случае теп
ловыделение равно теплоотдаче, а температура
0
АРСВ
= — SE.
ср
А •
Если АРср > АР„, то двигатель будет перегреваться, а при
АРср < АР„ — недоиспользоваться по нагреву. В обоих случа
ях следует выбрать другой двигатель, построить новую за ви 
симость АР = /(£) и вновь выполнить проверку.
Действительнее максимальное значение температуры от
личается от среднего, и различие это зависит от соотношения
длительности цикла и постоянной времени нагрева. Р а сх о ж 
дение среднего и наибольшего значений температуры незна
чительно, если £ц •с Тн и qt4 > (3 + 4 ) Тн, где q — число циклов.
При этом 0 тах.» ©ср.
Применительно к графику работы, показанному на рисун
ке 6 .2 , когда на каж дом участке цикла Pt = const, APt —const,
AD
^
AP^+APih +APzh
V v U
•
(6 2 ,)
Потери в двигателе для номинального режима определя
ются по каталожным данным — Ри, т]н.
Г Л А В А 6 . В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО МОЩ НОСТИ
17!
I
гдет1н — КПД двигателя в номи
нальном режиме.
На осн о ве метода средних
потерь бази рую тся методы эк 
ви вален тн ы х величин — тока,
*
мом ента, мощ ности. Д ей стви о
тельно, переменные потери в
ц
двигателе пропорциональны 1®,
Рис. 6.5
а момент И МОЩНОСТЬ
току В
Диаграмма изменения тока
двигателя при циклической
первой степени при условии понагрузке
стоян ства потока.
В о в с е х сл у ч ая х предполагается, что теплоотдача остает
ся неизменной или учи ты вается коэффициентом ее ухудш е
ния (см . п. 6 .2 ).
Метод эквивалентного тока используется, когда известен
график /(£) (рис. 6 .5 ). У словие работы двигателя по нагреву
через среднеквадратичный ток, эквивалентный действитель
ному, изменяю щ емуся во времени току, будет
(6 .2 3 )
где
— эквивалентное значение тока. Д ля графика, показанного
на рисунке 6 .5 ,
Iftj + I$t2 +I$t3
+ Ijh
(6 .2 4 )
а при произвольной форме тока
(6 .2 5 )
Отметим, что условие (6 .2 3 ) справедливо, если постоян
ные потери не изменяю тся за цикл работы, то есть АРс = const.
Это может быть при ш = const, Ф » con st.
172
А. П. ЕПИ ФАН ОВ. ОСНОВЫ ЭЛ ЕКТРО П РИ ВО Д А
Метод эквивалентного момента используется при извест
ном графике M(t) (см. рис. 6 .4 ). Здесь должно соблюдаться
условие — постоянство магнитного потока на протяжении все
го цикла работы двигателя. Это требование вытекает из соот
ношений для электромагнитного момента Д П Т М = СМФ •/а и
АД М = СМФ •/2cos\|f2.
Условие работы двигателя в этом случае будет
(6.26)
Метод эквивалентной мощности предполагает график из
менения мощности Р = Miо = f(t) (см. рис. 6 .2 ), но при допол
нительном, по сравнению с методом эквивалентного момента,
условии: не только Ф = const, но и со = сон = const. Само усло
вие записывается в виде
ч i=i
У
i=i
В практических расчетах используют одну из приведен
ных выше нагрузочных диаграмм — AP(t), i(t), M(t), P (t ),
которая обеспечивает наиболее простой расчет и выполнение
необходимых допущений при определении эквивалентных
величин.
6.4 .
П РО ВЕРКА Д ВИ ГА ТЕЛ ЕЙ ,
РАБОТАЮ Щ И Х
В КРАТКОВРЕМ ЕННОМ РЕЖ И М Е
РА Б О Т Ы
Кратковременный режим работы характеризуется графи
ками, изображенными на рисунке 6.6 (такж е см. рис. 6 .4 ).
В течение времени tp двигатель нагружен мощностью Рк, а за
тем длительное время отключен, так что температура его частей
достигает температуры окружающей среды. За время работы
температура двигателя не успевает достигнуть установивш е
гося значения 0уСТ, соответствующего продолжительному ре
жиму S1 при мощности Рк.
Для полного использования в режиме S 2 двигателя, пред
назначенного для режима S 1 , его следует перегружать, то есть
173
ГЛАВА 6. ВЫ БО Р ЭЛЕКТРОДВИ ГАТЕЛЯ ПО МОЩНОСТИ
Рк > Рн- Степень перегрузки зависит от продолжительности
времени работы и постоянной времени нагрева. При этом к
концу рабочего периода температура двигателя не должна
превышать предельно допустимого значения (рис. 6.6)
и
®доп
® уст
Л
•(6.28)
® ус
Для количественной оценки
возможной перегрузки пользу
ются коэффициентами термиче
ской и механической перегрузки.
Коэффициент термической
перегрузки — это отношение по
терь мощности в кратковремен
ном режиме к номинальным по
терям (в режиме S1)
Рт =
Рис. 6.6
Графики кратковременного
режима-работы двигателя
А РК _ © уст
АРи
0V
'
.ь У
1 - е г“
(6.29)
Коэффициент механической перегрузки — это отношение
мощностей в кратковременном и продолжительном режимах
работы
Р и = - j r = J(l + a ) - p T - a . ,
(6.30)
АР
где а. = ——— коэффициент потерь (см. гл. 5); ДРс, ДPv — по-
ЬРи
стоянные и переменные потери соответственно.
Подставив в (6.30) значениерТпо (6.29), получим
Рн =
(1 + а)р Т
(
1 -е 2
'
-а
(6.31)
Зависимости коэффициентов термической и механической
перегрузок от относительного времени работы при а = 1 пред
ставлены на рисунке 6.7.
174
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО П РИ ВОД А
Рт.
Если пренебречь постоян
ными потерями, то есть при
нять а = 0, то
1
=Va -
1 - е Т»
(6 .3 2 )
Из рисунка 6.7 видно, что
Рис. 6.7
Зависимости коэффициентов
термической и механической
перегрузки от относительной
продолжительности работы
при — = 0 ,3 + 0 ,4 допустимый
■*м
по условиям нагрева коэффи
циент механической перегруз
ки близок к значению 2,5, что
соответствует перегрузочной способности двигателей по мо
менту (А Д ) и по току якоря (Д П Т ). Следовательно, при
Н
0 ,3 полное использование таких двигателей по нагреву
ограничено их перегрузочной способностью. Поэтому при м а
лых -=т- можно не проводить проверку двигателей по нагреву,
■* м
а выполнить только проверку по условиям перегрузки.
Отметим, что при изменяющейся нагрузке за время рабо
ты tp необходимо реальную нагрузочную диаграмму заменить
эквивалентной (см. рис. 6 .4 ,6 .7 ), воспользовавш ись методом
эквивалентных величин (см. п. 6 .3 ).
Для проверяемого по условиям нагрева двигателя долж 
ны быть известны номинальный момент М„, постоянная вре
мени нагрева Тн, коэффициент потерь. Необходимое условие
при этом
Мк =М н -ри ^М 3 или Рк =Ри р и ^Р3,
(6 .3 3 )
где Рк, Мк — мощность и момент в кратковременном режиме;
Рк —Мк ■шн; Р„ —Мн •ш„; М3 — эквивалентный момент при из
меняющейся нагрузке.
Промышленность выпускает специальные двигатели для
номинального кратковременного режима. Основная их осо
бенность — повышенные перегрузочная способность и посто-
ГЛАВА 6. В Ы Б О Р ЭЛ ЕК ТРО Д ВИ ГА ТЕЛ Я ПО МОЩНОСТИ
175
яяные потери. В таких двигателях проверка по нагреву требу
ется, если нагрузочная диаграмма не соответствует номиналь
ным данным двигателя по времени работы tp и мощности Рк.
Предполагается, что двигатель при номинальной нагрузке Ркн
за каталожное время — 10, 30, 60 и 90 минут (нормирован
ное) нагревается до допустимой температуры.
/
(6.34)
V
/
Если нагрузка Рк Ф Ркн и время работы tp Ф tpкат, то в тече
ние реального времени tp Ф tp„„температура также не должна
превышать допустимого значения.
(6.35)
Отношение потерь
V
/
(6.36)
откуда получим отношение мощностей
(6.37)
где Рк„, АРКИ— номинальные мощность и потери в режиме
S 2 при нормированном (каталожном) времени 1р.
Если мощность по (6.37) больше эквивалентной мощно
сти Ря, то двигатель будет работать в номинальном тепловом
режиме. Аналогичные (6.37) расчетные формулы могут быть
получены для допустимых момента Мк или тока /к.
П р и м е р 6.1. Выбрать асинхронный двигатель серии 4А
для работы в кратковременном режиме с мощностью Рк = 18 кВт,
длящейся в течение tp = 20 минут. Постоянная времени нагре
ва Т„ = 1 час. Момент на валу не зависит от скорости.
176
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Р е ш е н и е . По формуле (6.29) находим коэффициент тер
мической перегрузки
'
1
1
A = - V =— ^Чг =3’551_ е т«
1 - е ео
Коэффициент механической перегрузки по (6.30)
ри = yl(l+a)-рт- а = ^/(1 + 0,5)• 3 ,5 5 —0,5 = 2,2,
где а = 0,5 — коэффициент потерь, а = Фр**
Мощность двигателя
"
Ра = - = 4^ -= 8,2 кВт.
Ри 2,2
Ближайший больший асинхронный двигатель 4А132М4УЗ, Р н = 11 кВт, пн = 1460 об/мин, М*п = 3,0; Л/„ =2,2.
Двигатель необходимо проверить по механической пере
грузке и условиям пуска:
Ма = — = 1^Q0Q‘30 = 72 И-м;
(Он
Я •Пц
Мт = М'т•Ми = 3,0 •72 = 216 Н •м;
Ма =М* Мн =2, 2- 72 = 158,4Н м.
Момент сопротивления механизма
М = Л = 18000 -30 = 117;8 Н - м < М п.
О)
п-п
Таким образом, выбранный двигатель обеспечивает пуск
даже при снижении напряжения до 10%.
6.5.
ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОГО
РЕЖИМА РАБОТЫ
Основными показателями режима работы S3 являются
момент М на рабочих участках tp, продолжительность интер
валов работы tp и паузы to, величина относительной продол
жительности включения (см. рис. 6.4)
е = - ^ — = ^-; ПВ% = е - 100%.
(6.38)
Г Л А В А 6 . В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я П О М О Щ Н О С ТИ
177
Р ис. 6 .8
Рг
График переменной нагрузки
для повторно-кратковременного
режима-
Л
Рг
•
l fp ll
*р2 в
*0
Рг
Р ис. 6 .9
t
t
Изменение температуры
двигателя при регулярном графике
К стандартному режиму нагрузки сводятся и более слож
ные, многоступенчатые графики (рис. 6 . 8 ) путем расчета эк
вивалентных величин — момента, тока, мощности как
КШ
ы
1
(6 .3 9 )
1=1
где п — число ступеней нагрузки; для графика, изображенно
го на рисунке 6 .9 , п = 3; Pi — мощность (момент или ток) на
отдельном участке цикла.
Для режима S 3 выпускаются специальные серии двигате
лей. В каталогах указывается номинальная мощность Р„ для
стандартной продолжительности включения П В = 1 5 , 2 5 , 4 0 и
6 0 % . При этом длительность цикла *ц < 10 мин.
Если мощность и П В по нагрузочной диаграмме равны
или близки к номинальным, то проверка двигателя по нагре
ву не требуется.
178
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРО П РИ ВОД А
Для достаточно удаленного от начала работы цикла коле
бания температуры устанавливаются (см. рис. 6.9), 0 тах = 0 уст =
0ДОП ® 0Щ1П = 00Если постоянные времени нагрева и остывания равны,
например, при независимой вентиляции, то зависимости пре
вышений температуры
(
J?_\
_h_
©уст = 0 уст 1 - е т
« + 0 ое г«,
\
(6.40)
/
0 0 —0усг^
(6 .4 1 )
I
пературы при работе в режиме S i c мощностью Р и потерями
АР (рис. 6 .9 ); 0 уст = 0 ДОП— допустимое превышение темпера
туры.
Подставив (6.41) в (6 .4 0 ), получим коэффициент терми
ческой перегрузки, как и в режиме S 2 (см. п. 6 .4 ).
(<р+<0)
©уст _ 1 —е
0V
CT
yCT
J
•
tp
_ 1 —е ^и'е
- iГ .
А
Т
-Ь.
(6.42)
Выбор двигателей, предназначенных для продолжитель
ного режима работы, но используемых в повторно-кратковременном, основан на анализе теплового состояния двигателя в
интервалы работы tp и паузы t0. При допущении Тн = Т„. и пре
небрегая постоянными потерями АРС, получают:
M$i - М$3VE; /si - /s3^ ; Psi - P S3^E-
(6.43)
Если в реальном цикле е отличается от нормативной е„, то
должно соблюдаться условие
или
APi -tpi - A ll -tpH
.
. ^ ,
.
^pl ^01
^рн ^0u
(6.44)
AP\ ■et < AP„ •£„,
где АР\ — средние потери, по нагрузочным диаграммам.
ГЛАВА 6. ВЫ Б О Р Э Л ЕКТРО Д ВИ ГА ТЕЛ Я ПО МОЩНОСТИ
179
Из (6.44) получены формулы пересчета
ЩШ
Ро25 =Ре} / м 5 ’
Р °А
Pofi
(6.45)
Р,0 = Р е&
где Pt, е — мощность и относительная продолжительность
включения по реальной диаграмме нагрузки.
П р и м е р 6.2. Выбрать двигатель с фазным ротором
для режима S 3 со следующими параметрами: Р\ = 100 кВт,
t\ = 0 ,5 мин; Рг = 5 0 кВт, t2 - 3 мин; Р3 = 90 кВт, t3 = 0,5 мин;
<о = 6 мин.
Постоянная времени нагрева Т„ = 60 мин; коэффициент
ухудшения теплоотдачи во время паузы р = 0,25.
АР
Отношение потерь а = —^- = 0,25;
= tp + t0; П В = 40% .
Р е ш е н и е по м е т о д у т е р м и ч е с к о й и м е х а 
н и ч е с к о й п е р е г р у з к и . Коэффициент термической пе
регрузки по (6.42)
\—е ти То
Рг =1 - е ггде tp =
1 _ е 60 240
= 1,36,
1 - е во
60
+ <2 = 4 мин; Тж = - ^ = ^ - ^ - = 240 мин.
Механический коэффициент перегрузки (6.30)
ри = J(\ + a)-pT- а = yj(1+0,5)• 1 ,3 6 -0 ,5 = 1,26.
Эквивалентная мощность за время работы tp = 4 мин.
Р \ к + P j - h + P j - t3
t\ +^2
/]002 0,5 + 5 02 -3 + 902 0,5 с / с „
=J
’ - »
Е
— = 64,5 кВт.
V
0 ,5 + 3 + 0,5
Необходимая мощность двигателя
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
180
Ближайший больший по мощности двигатель:
4А К 2508В4У З, Рн = 55 кВт, ге0 = 1500 об/мин;
М
М* = ^ - = 3, п = 1 4 7 0 об/мин.
Наибольший момент по диаграмме нагрузки — при Р\ =
= 100 кВт.
P i 100 103 -30
= 6 5 0 Н •м.
сон
я - 1470
Максимальный момент двигателя
Мм = 3 •Мп = 3
= 1072 Н м.
Следовательно, выбранный двигатель удовлетворяет и по
условиям перегрузки.
66
ДОПУСТИМАЯ ЧАСТОТА ВКЛЮ ЧЕНИЙ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Известно, что при пуске АД с короткозамкнутым ротором
(К ЗР) пусковой ток/п = (5,4 + 7)/н. Поэтому при большой час
тоте включений потери в переходных процессах вызывают
интенсивный нагрев машины, следовательно, число включе
ний в единицу времени должно быть ограничено. Или, что то
же самое, на практике возникает задача определения мини
мально допустимой длительности цикла tnдоп в режиме S 3, при
которой превышение температуры не превышает допустимо
го значения. Особенно важна
эта проблема для АД с КЗР,
когда все потери энергии вы 
деляются внутри объема самой
машины, и в большей степе
ни — в обмотках. Допустимым
числом h включений в час счи
тают такое, при котором сред
нее превышение температуры
Рис. 6.10
.
Диаграмма изменешя скорости
будет равно допустимому.
двигателя при определении
Пусть рабочий ЦИКЛ СОСТОдопистимой частоты, его
включений
-
ИТ из времени пуска t„, работы
ГЛ А ВА 6. В Ы Б О Р Э Л Е К Т Р О Д В И Г А Т Е Л Я ПО МОЩНОСТИ
181
при установивш ейся скорости сон и Мс = const, торможе
ния tj и паузы to (рис. 6 .1 0 ), время цикла tK= t„ + tycT + t? + t0.
Потери энергии, выделяющ иеся за цикл в двигателе, со
стоят из потерь энергии при пуске A W„, торможении ДИ^Т и
работе с установившейся скоростью — Д И ^ = ДР^уСТ. При этом
в окружающую среду выделяется: за время tycTД Wyct = APHtycT;
за время паузы AW0 = РоД/Vo. где Ро — коэффициент ухудш е
ния теплоотдачи при неподвижном роторе; за время пуска и
торможения
(коэффициент ухудшения теплоотдачи принят равным сред
нему между начальным и конечным значениями). Следова
тельно, при равенстве тепловыделения и теплоотдачи можно
записать
ДИ^П+ AWycr + AWT —
1+R
(6 .4 6 )
= APH(tn +tT) - ^ - + APHtyct + роД/>-to.
Для АД с К ЗР при пусковых и тормозных токах /„ = (5 -®-7)/н
число включений в час [ 3 , 4 , 5]
1г = 3 6 0 0 (А/" ~ ^
+
(1 ~ £ ).
AWa + ДИ^Т
(6 .4 7 )
При работе двигателя при со = toy с номинальной нагруз
кой Р„ (и потерями АР„) (6.4 7 ) упрощается:
L
ОСПААРн ро ( 1 - е )
"Д Й ^ + Д Й Г '
<6 4 8 )
При этом значения АР„, AW„ и A WTопределяются по фор
мулам гл. 5.
Из (6 .4 7 ) видно, что допустимая частота включений тем
больше, чем меньше AР„, AW„ и AWr.
В зависимости от продолжительности включения величи
на h представляется более сложной зависимостью: определя
ется это разностью (А Р„ - АР) , с одной стороны и P0A/Jn —
с другой, то есть между тепловыделением и теплоотдачей.
Увеличение допустимого числа включений может быть
достигнуто использованием независимой вентиляции (Р = 1),
уменьшением потерь энергии AW„n AWT, применением, на
пример, частотного регулирования. На практике применяют
ся электроприводы с числом включений в час до 1000 и более.
182
А. П. ЕПИФАНОВ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
П р и м е р 6.3. Д П Т независимого возбуждения работает
с номинальным моментом нагрузки по графику скорости, по
казанному на рисунке 6.2, со следующими характеристика
ми: t„ = 0,4 с, fycT = 26 с, tf = 0,3 с, to = 50 с. Суммарный приве
денный момент инерции J = 0,12 кг •м2.
Паспортные данные двигателя приведены в примере 2.1
Определить допустимое число включений в час.
Используем формулу (6.48), определим входящие в нее
величины. Номинальные потери
Рн(t - Л„) = 2 2 0 0 J T- 0 J 7 ) =
Лн
0,77
1. Относительная продолжительность включения
г _*р_
0,4 + 26 + 0,3 _ q ос. riRO/ # А
OU+I 0,3
Л О+1 50
СА ”
П В /О —35 /О.
0 ,4/ +I 26
2. Определим потери энергии при пуске AW„ и торможе
нии Д WT. Потери при пуске и торможении вхолостую
а |1/
АЫ/
М
Д Vrn0 =Д1гто =
0,12 1202 Qft/ п
= ------ - ------ = 864 Дж.
При пуске и торможении под нагрузкой по формулам
(5.49, 5.6 7). При этом средний момент, приближенно, при
е = const
Мср »
+
ta
Мс = 0,1f ' 105 +21 = 52,5 Н м.
0,4
Тогда потери энергии при пуске и торможении с нагруз
кой по (5.67)
ДЖ" = М ^ Ж Л^
= 5 ^ 2 Т ' 864 = ' 440Дж '
•5
&
864 = 6 1 7 'Цж-
Допустимое число включений, при (3 = 0,5
/1= 3 6 0 0 ^ ^ ^ " - ^= 3 6 0 0 ^ ^ 1^
ДИ^+ДИ^
1440 + 617
= 747 — .
ч
Таким образом, по условиям нагрева двигатель может быть
включен 747 раз в течение часа. Заметим, что длительность
*
пап
&
цикла Гц = /о,7 с, и по условиям работы п =
л'
3600
цикло
= 4 1— j----- .
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1
Множители и приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц
Мно
житель
Обозначение
При
ставка
Рус
житель
ское
между
народное
При
ставка
Обозначение
рус
ское
между
народное
экса
Э
Е
ю 1
деци
Д
d
1015
пета
П
Р
10"2
санти
с
с
10 а
тера
Т
Т
10"3
МИЛЛИ
м
ш
10е
гига
Г
G
10®
микро
мк
ц
10е
мега
М
М
1 0 '9
нано
н
п
103
кило
к
1с
1 0 -1“
пико
п
р
102
гекто
г
h
10-15
фемто
ф
f
10
дека
Да
da
22
атто
а
а
О
10“
Таблица 2
Основные физические константы
Значение
Единица
измерения
Заряд электрона, е
1 ,6 0 2 1 0 -19
Кл
Масса электрона, те
9,109-10~31
кг
Масса протона, тр
1,672*10 ' 27
кг
4я*10“7
Гн/м
8,854-10”12
Ф/м
Скорость света
310®
м/с
Скорость звука в воздухе
331
м/с
Скорость звука в водороде
1284
м/с
Наименование
Магнитная постоянная, fi*,
Электрическая постоянная, Eq
184
А . П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
П р о д о л ж е н и е т а б л. 2
Значение
Единица
намерения
Скорость звука в воде
1500
м/с
Ско|юсть звука и трансформаторном масле
1425
м/с
Скорость звука в железе
= 5000
м/с
Наименование
Таблица 3
Коэффициент теплопроводности материалов
Материал
АЛЮМИНИЙ
X, Вт/м ■К
Материал
X, Вт/м К
209,3
Бумага обыкновенная
0,14
Железо
74,4
Гранит
Золото
312,8
Дуб (вдоль волокон)
0 ,3 5 -0 ,4 3
0 ,6 7 -0 ,8 7
3,14
Медь
389,6
Кирпичная кладка
Серебро
418,7
Лакоткань
0,21
Сталь
45,4
Асбест
0,15
62,8
Пропитанная лаком
изоляция пазов
0,10
Чугун
Сталь листовая вдоль
слоя
63
Сталь листовая лаки
рованная поперек слоя
1,2
Воздух
0,026
Водород
0,175
Изоляция класса В
0,16
Изоляция класса F
0,16
Изоляция класса Н
0,18
Таблица 4
Коэффициент линейного расширения твердых тел
(при температуре около 20°С)
Вещество
а, 10'® 1C1
Вещество
а , 1<Г6 К*1
Алюминий
22,9
Медь
16,7
Бронза
17,5
Никель
13,4
Вольфрам
4,3
Олово
21,4
Гранит
8,3
Платина
8,9
Дерево
(поперек волокон)
5 0 -6 0
Золото
14,5
Сталь углеродистая
Кирпичная кладка
5,5
Стекло обычное
8,5
Константан
17,0
Фарфор
3 ,0
Магний
25,1
Цинк
30 ,0
Свинец
28,3
1 1 -1 2 ,6
185
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 5
Температурный коэффициент сопротивления металлов
(при температуре 20°С )
а, 1<Г3 К '*
Металл
а , 1<Г3 К ' 1
М еталл
Алюминий
4,9
Никель
5,0
Бронза
4,0
Олово
4,2
Вольфрам
4,5
Ртуть
0,9
Железо
6,2
Свинец
4,1
Латунь
2 -7
Серебро
3,6
Медь
4,0
Цинк
3,5
Таблица 6
Удельные теплоемкости и температуры плавления 6 ^
некоторых веществ
В е щ еств о
С, Дж/(кг •К)
Алюминий
880
658
Ацетон
2180
Германий
С, Дж/(кг •К)
при 2 0 °С
e „ ,ec
Магний
130
651
-9 4 ,3
Медь
390
1083
310
958
Никель
460
1452
Дерево
1700-2400
—
Олово
230
232
Железо
450
1530
Свинец
130
327
Золото
130
1064
Серебро
235
961,9
380
900
460
13001400
4190
0
при 2 0 °С
Латунь
Лед (вода)
е„.„вс
В е щ ество
Сталь
Вольфрам
3400
Таблица 7
Удельная теплота сгорания
W, МДж/кг
Топливо
И', МДж/кг
Антрацит
3 2 -3 4
Дизельное топливо
42,7
Бурые угли
2 5 -2 9
Мазут
39 -4 1
Горючие сланцы
2 7 -3 3
Этиловый спирт
27,2
Дрова
19,0
Водород
11,0
Торф
2 2 -2 5
Природный газ
36,0
Бензин
44,1
Топливо
186
А . П. Е П И Ф А Н О В . О С Н О В Ы Э Л Е К Т Р О П Р И В О Д А
Таблица 8
Удельная электрическая проводимость проводниковых материалов
при 20°С
Материал
у, См/м
у, См/м
АЛЮМИНИЙ
3,57 •107
Никель
1 •ю 7
Вольфрам
1,82 •107
Свинец
0,45 •107
Материал
Сталь
(5 + 10) •10®
Серебро
Латунь
(1,6 + 4) •107
Константен
Медь
5,7 •107
6,25 •107
(2 ,2 + 1 ,9 ) •10*
Нихром
1 -1 0 4
Таблица 9
Плотность материалов при 20°С
Материал
АЛЮМИНИЙ
Бронза
р, кг/м
Материал
р, кг/м3
2700
Резина твердая
1200
8 7 0 0 -8 9 0 0
Стекло
обыкновенное
2500
Вольфрам
19340
Сталь
7800
Винипласт
1400
Золото
19310
Полистирол
1060
Константен
8800
Текстолит
Медь
8900
Фторопласты
Платина
21460
Вода
1000
Ртуть
13600
Бензин
700
19100
Масло
машинное
900
7000
Молоко
ср. жирности
1030
2500
Этиловый спирт
790
Уран
Чугун
Асбест
Фарфор
2 2 0 0 -2 4 0 0
1350
2 1 0 0 -2 4 0 0
Графит
2220
Воздух
1,293
Кварц
2650
Водород
0,09
Дерево
5 0 0 -9 0 0
Криптон
3,74
Т а б л и ц а 10
Основная таблица намагничивания. Сталь 2 3 1 2
В, Тл
Н, А/м
ц = В/Н, Гн/м
Нт = Ц/Ц.
0,4
68
5,88 •1 0 '3
4680
0,5
76
6,58 •10-3
5238
0,6
86
6,98 •1 0 3
5557
187
ПРИЛОЖЕНИЕ
П р о д о л ж е н и е т а б л . 10
В, Тл
Я, А/м
ц = В/Н, Ги/.ч
0,7
96
7,29 •10*3
5804
0,8
140
5,71 Ю ' 3
4546
0,9
190
4,74 •10‘ 3
3773
1,0
240
4 ,1 6 6 - 10-3
3316
1,1
300
3,66 •1 0 '3
2914
1,2
400
3,0 •to -3
2388
1,3
550
2,36 -1 0 '3
1878
1,4
1000
1,4 Ю ' 3
1114
1,5
1600
9,37 •Ю '4
746
1,6
3400
4,7 • 10-4
374
1,7
7700
2,2 •Ю-4
175
1,8
13400
1,34 •10-*
107
1,9
19400
9,8 •Ю-5
78
2,0
38 800
5,85 ■10 5
41
2,1
74 000
2,83 •10*5
22,5
2,2
144 000
1 ,5 2 - 10-5
12,1
2,3
224 000
1 ,0 3 -1 0 -5
8,2
2,4
304 000
7,89-10-®
6,28
ЛИТЕРАТУРА
1. Голован А. Т. Основы электропривода. М.: Госэнергоиздат, 1 9 5 9 .3 4 4 с.
2. Андреев В. П., Сабинин Ю. А. Основы электропривода. М.; 31.: Госэнер
гоиздат, 1 9 6 3 .7 7 2 с.
3. Чиликин М. Г., СандлерА. С. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 198 1 .5 7 6 с.
4. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1 9 8 8 .4 1 6 с.
5. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат, 1994.496 с.
6. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред.
В. А. Елисеева, А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.
7 .СандлерА. С., Сарбатов Д. С. Частотное управление асинхронными дви
гателями. М.: Энергия, 1 9 7 4 .3 2 8 с.
8. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1988. 704 с.
9. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.:
Энергия, 1 96 6 .4 0 0 с.
10. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателя
ми. М.: Академия наук СССР, 1955. 216 с.
11. Браславский- И. Я., И шматов 3. III., Поляков В. Н. Энергосберегающий
асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004. 248 с.
12 .Б елов М. П., Новиков В. А., Райсудов Л. //. Автоматизированный электро
привод типовых производственных механизмов и технологических ком
плексов. М.: ACADEMA, 2004. 576 с.
13. ЧехетЭ. М. Регулируемый электропривод переменного тока как эффек
тивнейшее средство энерго- и ресурсосбережения // Техническая элек
тродинамика. Киев, 1997. J\s 1. С. 2 5 -3 0 .
14. Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. М.:
Энергия, 1 9 7 2 .2 4 0 с.
15. Беспалов В. Я., Зверев К. Н. Импульсные перенапряжения в обмотках
асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя //Элек
тротехника. 1999. № 9.
16 .ФлоренцевС. И., Ковалев Ф. И. Современная элементная база силовой
электроники //Электротехника. 1996. JVS 4. С. 2 - 8 .
17 . Шмипщ Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия, 1969.
336 с.
18. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энер
гия, 1 9 7 3 .4 0 0 с.
19 . Епифанов А. П. Электромеханические преобразователи энергии. СПб.:
Лань, 2004. 208 с.
Л И ТЕРАТУРА
189
20. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. J1.: Энер
гия, 1973. Т. 1, 2 .5 4 2 с.; 648 с.
21. ВольдекА. И. Электрические машины. М.; Л.: Энергия, 1966. 782 с.
22. Важное А. И. Электрические машины. J I .: Энергия, 1969. 710 с.
23. Справочник по электрическим машинам в 2-х т. / Под ред. И. П. Копы
лова, Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989.
24. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А. Э. Кранчик,
М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. М.: Энергоатомиздат,
1 9 8 2 .5 0 4 с.
25. Асинхронные двигатели общего назначения / Под ред. В. М. Петрова,
А. Э. Кравчика. М.: Энергия, 1 9 8 0 .4 8 8 с.
26. Осип И. Л., Ш акарян Ю. Г. Электрические машины (синхронные маши
ны). М.: Высшая школа, 1990. 304 с.
27. Епифанов А. П. Электрические машины. СПб.: Лань, 2006. 272 с.
28. Веселовский О. Н., Коняев Ю. А., Сарапулов Ф. Н. Линейные асинхрон
ные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 232 с.
29. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. Л.: Энергоатом
издат, 1983. 264 с.
30. Епифанов А. П. Основные вопросы проектирования тяговых линейных
асинхронных двигателей // Электротехника. 1992. JV5 1, 5 ,1 0 .
3 1 .Лилов Р. С. Линейные электрические машины и приводы на их основе.
Уфа: Изд-во ВГАУ, 2 0 0 3 .110 с.
32. Аракелян А. К., Афанасьев А. А., ЧиликинМ. Г. Вентильный электропри
вод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М.: Энергия,
1977. 224 с.
33. Винокуров В. А.. Попов Д. А. Электрические машины железнодорожного
транспорта. М.: Транспорт, 1986.520 с.
3 4 . Яворский Б. М., ДетлафА. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1981.
510 с.
35. Бронштейн И. П., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Нау
ка, 1965. 612 с.
36. Котеленец Н. Ф., Акимова И. А., Антонов М. В. Испытания, эксплуата
ция и ремонт электрических машин. М.: ACADEMA, 2003. 384 с.
37. Электрические машины и аппараты. Номенклатурный каталог ОАО
«Электросила», 1998, 2000. 68 с.
38. Системы плавного пуска: Учебное пособие. Фирма А ВВ, 2003. 230 с.
39. Проектирование приводов EU BO D BIV E (S E W ). Практика приводной
техники, 2001, 2002, 2003.
40. EU RO D BIV E (S E W ). Преобразователи частоты MOVITRAC 07. Сис
темное руководство, 2001. 58 с.
41 .Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. М.: ИНФРА-М, 2005. 278 с.
42. Ряшенцев И. П. и др. Электропривод с линейными электромагнитными
двигателями. Новосибирск.: Наука, 1 9 8 1 .146 с.
43. Алиев И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. Рос
тов-на-Дону: Феникс, 2004. 478 с.
44. Сидельников Б. В., Рогачевская Г. С. Вентильные двигатели с магнитоэлек
трическим возбуждением // Проблемы создания и эксплуатации новых
типов электроэнергетического оборудования. Вып. 3 .2001. С. 5 5 -6 6 .
45. Егоров А. А., Угаров Г. Г. Оптимизация режима конденсаторного питания
линейного электромагнитного двигателя в приводе ударных машин //
Вестник СГТУ. 2006. № 3(15). С. 7 8 -8 3 .
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ..........................................................................................................................
3
Введение ............................................................. ..................................................................
4
Глава 1. М еханика электропривода................... ....................................................... 6
1.1. Электропривод. Определение, структура и классиф икация................. 6
1.2. Приведение моментов и сил сопротивления,
инерционных масс и моментов и н ер ц и и .............. ....................................... 9
Основные соотношения м ехан и ки ................................................................. 11
1.3. Уравнение движения электропривода...........................................................15
1.4. Механические характеристики производственных
механизмов и электродвигателей.............. ..
Л ........................................ 19
1.5. Основные положения о регулировании координат электропривода . 22
1.6. Характеристика режимов работы и принципы управления
электроприводами ................................................... .......................................
25
1.6.1. Характеристика режимов работы электропри вода............25
1.6.2. Принципы управления электроприводами............................ 27
Глава 2 . Электроприводы с двигателями постоянного т о к а ..........................30
2.1. Общие сведения о двигателях постоянного тока.
Области прим енения..............................................................................................30
2.2. Механические характеристики двигателей
постоянного тока в различных режимах р а б о т ы ......................................32
2.3. Регулирование скорости, тока и момента с помощью
резисторов в цепи я к о р я ................... ................................................................... 39
2.4. Регулирование скорости двигателей постоянного тока
изменением магнитного потока .................. .................................................... 44
2.5. Регулирование скорости двигателей постоянного тока
изменением подводимого к якорю напряжения ......................................47
2.5.1. Электропривод по системе генератор—д ви га тел ь .................47
2.5.2. Электропривод по системе управляемый
вы п р я м и тел ь-д ви гател ь............................................................... 50
2 .5.3. Электропривод по системе широтно-импульсный
преобразователь-двигатель ...........................................................55
2.6. Автоматическое регулирование скорости электроприводов
постоянного т о к а .....................................................................................................58
Глава 3. Электроприводы с асинхронными дви гател ям и ...............................64
3.1. Общие сведения, области применения, схемы включения ................ 64
3.2. Схема замещения и основные соотношения для асинхронных
д ви гател ей ............ .................. Г . . Л . .................................. ........... ........ ........... 68
ОГЛАВЛЕНИЕ
191
3.3. Механические характеристики асинхронных д ви гател ей .................. 73
3.4. Регулирование скорости асинхронных двигателей................................ 80
3.4.1. Регулирование скорости изменением
жесткости характеристики......... .................................................81
3.4.2. Регулирование скорости переключением числа пар
п о л ю со в ................................................................................................ 85
3.5. Частотное регулирование угловой скорости
асинхронных двигателей................ ................ . ............................................... 87
3.6. Преобразователи ч астоты .............. ................................................................... 93
Глава 4. Электроприводы с другими типами д ви гат ел ей ............................103
4.1. Электроприводы с синхронными двигателями.......................................103
4.1.1. Конструкция, схема включения
и характеристики синхронных двигателей......................... 104
4.1.2. Регулирование реактивной мощности
синхронных двигателей .............................................................108
4.1.3. Управление синхронными электроприводами.................. 109
4.2. Электроприводы с вентильными двигателям и.......................................115
4.3. Электроприводы с линейными электродвигателями........................... 120
Глава 5. Энергетика электропри водов................................................................127
5.1. Энергетика нерегулируемых электроприводов
в установившихся режимах ...... ................................................................... 128
5.2. Энергетика регулируемого электропривода
в установившемся р еж и м е............................................................................. 133
5.3. Энергетические показатели электроприводов постоянного тока
в динамических р еж и м ах ................................................................................139
5.3.1. Динамические режимы приводов
с двигателями постоянного т о к а ..............................................140
5.3.2. Потери энергии электроприводов постоянного тока
в динамических р еж и м ах........................................................... 144
5.4. Энергетика электроприводов с асинхронными двигателями
в динамических р еж и м ах ................................................................................148
5.4.1. Динамические режимы электроприводов
с асинхронными двигателям и....................... ...........................149
5.4.2. Потери энергии асинхронных электроприводов
в динамических р еж и м ах ........................................................... 150
5.5. Снижение потерь энергии в динамических р еж и м а х ......................... 152
Глава 6 . Выбор электродвигателя по мощ ности..............................................15/
6.1. Общие положения по выбору дви гател я .................................................. 15/
6.2. Нагревание и охлаждение двигателей.
Классификация режимов р аб о ты ................................................................162
6.3. Проверка двигателей для продолжительного режима работы......... 168
6.4. Проверка двигателей, работающих
в кратковременном режиме р а б о т ы ............................^ . ........................ 172
6.5. Проверка двигателей для повторно-кратковременного
режима работы ................................................................................................... 176
6.6. Допустимая частота включений асинхронных двигателей
с короткозамкнутым ротором........................................................... .............180
П рилож ение......... ........................ ................................. ............. ............. ..
183
Л и тер ату р а...................................................................................................................... 188
Алексей Павлович ЕПИФАНОВ
ОСНОВЫ Э Л ЕК ТРО П РИ ВО Д А
Учебное пособие
Издание второе, стереотипное
Художественный редактор С. Ю. Малахов
Редактор И. Л. Яновская
Корректоры Р. В. Лободина, А. К. Райхчин
Подготовка иллюстраций В. В. Воскресенская
Выпускающие Н. К. Белякова, О. В. Шилкова
Л Р № 0 6 5466 от 21.10.97
Гигиенический сертификат 7 8 .0 1 .0 7 .9 5 3 .П.0 0 4 1 73.04.07
от 26.04.2007 г., выдан ЦГСЭН в СПб
Издательство «ЛАНЬ»
[email protected]; www.lanbook.com
192029, Санкт-Петербург, Общественный пер., 5.
Тел./факс: (8 1 2 )4 1 2 -2 9 -3 5 , 4 1 2 -0 5 -9 7 , 4 1 2 -9 2 -7 2 .
Бесплатный звонок по России: 8 -8 0 0 -7 0 0 -4 0 -7 1
ГДЕ КУППТЬ
ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИЙ:
Для того, чтобы заказать необходимые Вам книги, достаточно обратиться
в любую из торговых компаний Издательского Дома «ЛАНЬ»:
по Р осси и и за р у б еж ью
« Л А Н Ь -Т Р Е Й Д » . 1 9 2 0 2 9 , С ан кт-П етербург, ул. Крупской, 13
тел.: (8 1 2 ) 4 1 2 - 8 5 - 7 8 ,4 1 2 - 1 4 - 4 5 ,4 1 2 - 8 5 - 8 2 : тел./ф акс: (8 1 2 ) 4 1 2 -5 4 - 9 3
e -m a il: tra d e @ la n p b l.sp b .ru : ICQ: 4 4 6 - 8 6 9 - 9 6 7
w w w .laiipbl.spb.ru/prico.hlin
в М о ск в е и в М о ско вск о й области
« Л А Н Ь -П Р Е С С » . 1 0 9 2 6 3 , М осква, 7 -а я ул. Т ексти л ьщ и к ов, д. 6/ 19
тел.: (4 9 9 ) 1 7 8 -6 5 -8 5 ; e -m a il: lan p ress@ iu llim an et.ru
в К р асн одаре и в К р асн одарском кр ае
« Л А Н Ь -Ю Г » . 3 5 0 0 7 2 , Краснодар, ул. Ж лобы , д. 1/1
тел.: (8 6 1 2 ) 7 4 -1 0 - 3 5 ; o-m ail:lankrd 98@ > m ail.ru
ДЛИ Р О ЗН И Ч Н Ы Х П О К У П А ТЕЛ ЕЙ :
интернет-магазины:
•Сова»: littp://w w w .sym plex.ru; «O zon.ru»: htlp://w w w .oion.rn
«Виблион»: hl.tp://www.biblion .ru
т а к ж е Вы мож ете отправить за я в к у на п окуп ку книги
по адресу: 1 9 2 0 2 9 , С ан кт-П етербург, ул. Крупской, 13
Подписано в печать 2 0 .0 7 .0 9 .
Б у м ага оф сетная. Гарнитура Обы кновенная. Ф орм ат 8 4 * 1 0 8 ,/.е.
П ечать оф сетная. У ел. п. л. 10,08. Т и р аж 1500 акз.
З а к а з № 1832
О тпечатано с готовы х диапозитивов в ОАО «И зд ательскополиграфическое предприятие «П ривда Севсри».
1 6 3 0 0 2 , г. А рхан гел ьск, пр. Новгородский, 32.
Т ел./ ф акс (8 1 8 2 ) 6 4 -1 4 -5 4 , тел.: (8 1 8 2 ) 6 5 -3 7 -6 5 , 6 5 -3 8 -7 8 , 2 0 -5 0 -5 2
ww w.ippps.ru, e-m ail: zakaz@ ip p p s.ru

Основы электропривода: Учебное пособие

Разделы

Поддержка

Основы электропривода: Учебное пособие

Добавить этот документ в коллекции

Добавить этот документ в сохраненные

Предложите, как улучшить Pubdoc