Лабораторная работа №3. «Исследование управления электродвигателем по системе генератор – двигателя»
Цель работы: изучить особенности системы управления электродвигателем по системе генератор – двигатель в таких режимах: 1. пуск и остановка двигателя; 2. регулирование скорости; 3. электрическое торможение; 4. изменение направления вращения ( реверс ).
1. Основные сведения Основная особенность системы генератор – двигатель состоит в том, что исполни- тельный двигатель получает питание не от судовой сети, а от отдельного генератора. Эта особенность позволяет управлять двигателем, при этом не влияя на работу остальных. Система Г – Д позволяет плавно и в широких пределах регулировать скорость при- вода. На судах систему Г – Д применяют, в основном, в грузоподъёмных и якорно-швар- товных устройствах ( грузовые лебёдки, краны, брашпили), а также в гребных электриче- ских установках В настоящее время систему Г – Д, в которой применяются 3 вращающиеся машины переменного и постоянного тока, заменяют системами двойного рода тока с одной враща- ющейся машиной – исполнительным электродвигателем постоянного тока.
2. Описание принципиальной схемы системы Г – Д Принципиальная схема состоит из 2-х частей : 1. силовой; 2. схемы управления.
2.1. Основные элементы принципиальной схемы К основным элементам схемы относятся ( рис. 1 ): 1. L1, L2, L3 – линейные провода питающей сети; 2. НL1 – лампочка сигнальная «Питание на схему подано»; 3. R - пусковые резисторы, для ограничения пускового тока двигателя М1; 4. КК1-КК2 ( в цепи обмотки статора ) – нагревательные элементы тепловых реле; 5. FU1-FU2 – предохранители, для защиты катушки контактора КМ1 от токов ко- роткого замыкания. 6. рU1 – вольтметр, для измерения напряжения сети переменного тока; 7. КМ1 – линейный контактор, для подачи напряжения на схему; 8. SB1 – кнопка «Пуск», для включения контактора КМ1; 9. SB2 – кнопка «Стоп», для отключения контактора КМ1; 10. SB3 - кнопка «Пуск двигателя», для включения контактора КМ2; 11. SB4 – кнопка «Стоп», для отключения контактора КМ2; 12. КМ2 – контактор, для включения двигателя М1 через пусковые резисторы R ; 13. НL2 – лампочка сигнальная «Пуск двигателя через резисторы»; 14. КК1-КК2 ( в цепи катушки КМ2 ) – размыкающие контакты тепловых реле; 15. КТ – реле времени, для создания выдержки времени включения контактора КМ3; 16. КМ3 – контактор, для отключения пусковых резисторов R ; 17. НL3 – лампочка сигнальная «Пуск двигателя закончен»; 18. G – обмотка якоря генератора постоянного тока независимого возбуждения, для производства электроэнергии, потребляемой двигателем М2; 19. А1–А2 – выводы обмотки якоря генератора G; 20. рU2 - вольтметр, для измерения напряжения на якоре генератора G; 21. М2 – двигатель постоянного тока независимого возбуждения, для приведения в действие механизма; 22. А3–А4 - выводы обмотки якоря исполнительного двигателя М2; 23. рА1 – амперметр, для измерения силы тока якоря двигателя М2( генератора G ) 24. F1–F2 – выводы независимой обмотки возбуждения генератора G; 25. F3–F4 – выводы независимой обмотки возбуждения двигателя М2; 26. QF1, QF2 – автоматические выключатели, для защиты обмоток F1-F2 и F3-F4 от токов короткого замыкания; 27. R1 – разрядный резистор, для защиты обмотки F1-F2 от перенапряжений при отключении обмотки от сети; 28. R2-R6 – 5 ступеней резистора, для изменения тока возбуждения генератора G; 29. R7 – настроечный резистор в цепи обмотки F1-F2, для получения необходимого значения тока возбуждения генератора G; 30. R8 – экономический резистор в цепи обмотки F3–F4, для уменьшения её нагре- ва при работе; 31. R9 – разрядный резистор, для защиты обмотки F3-F4 от перенапряжений при отключении обмотки от сети; 32. R10 – резистор, для настройки необходимого значения тока возбуждения дви- гателя М2; 33. рА2 – амперметр, для измерения тока возбуждения генератора G; 34. BR – тахогенератор, для измерения скорости двигателя М2 ( датчик ); 35. рn – указатель скорости двигателя М2. . 2.2. Силовая часть схемы Силовая часть схемы состоит из 3-х электрических машин: 1. М1 – приводного асинхронного двигателя, на одном валу с которым находится генератор G; 2. G – генератор постоянного тока независимого возбуждения; 3. М2 – исполнительный двигатель постоянного тока независимого возбуждения. Такое сочетание 3-х электрических машин образует систему генератор – двига- тель. Обмотки якорей А1-А2 генератора и А3-А4 двигателя соединены последовательно. Это означает, что двигатель М2 получает электроэнергию от отдельного генератора, а не от судовой сети. Поэтому работа двигателя М2 не влияет на судовую сеть и другие двигатели. Независимые обмотки возбуждения F1 – F2 генератора и F3-F4 двигателя получа- ют питание от независимой сети постоянного тока напряжением 110 В постоянного тока: 1. обмотка F1-F2 – через контакты К1-К4 реверсивного мостика и регулировочные резисторы R2-R7; 2. обмотка F3-F4 – через экономический резистор R8 и настроечный R10; Номинальные данные электрических машин: 1. приводной двигатель М1: .1. мощность Р = 2,2 кВт ( на валу ); .2. линейное напряжение U = 220/380 В; .3. линейные токи I = 8,4 / 4,9 А ; .4. соединение обмоток «звезда» - «треугольник»; .5. чаcтота вращения n = 1450 об/мин; .6. коэффициент полезного действия η = 82,5%; .7. коэффициент мощности cos φ = 0,83; 2. генератор G: .1. мощность Р = 1,4 кВт .2. напряжение U = 110 В; .3. ток I = 8,7 А ; .4. коэффициент полезного действия η = 87%; .5. частота вращения n = 1450 об/мин; .3. двигатель М2: .1. мощность Р = 1,0 кВт ( на валу ) .2. напряжение U = 110 В; .3. ток I = 8,7 А ; .4. коэффициент полезного действия η = 83%; .5. частота вращения n = 2850 об/мин. Особенности электрических машин в системе генератор-двигатель: 1. частоты вращения приводного двигателя М1 и генератора G одинаковы – 1450 об/мин, т.к. обе машины сидят на одном валу; 2. номинальные напряжения генератора G и двигателя М2 одинаковы, т.к. генера- тор G питает электроэнергией двигатель М2; 3. мощности электрических машин возрастают при переходе от двигателя М2 ( 1,0 кВт) через генератор G ( 1,4 квт ) к двигателю М1 ( 2,2 кВт ), что объясняется необходимо стью покрытия потерь в каждой электрической машине; 4. общий коэффициент полезного действия ( КПД ) системы равен произведению КПД этих трёх машин: η = ηМ1* ηG* ηм2 = 0,825*0,87*0,83 = 0,595 ≈ 0,6, т.е. достаточно мал. Тем не менее эту систему применяют ввиду её достоинств: плавного и в широких пределах регулирования скорости исполнительного двигателя. На современных судах вместо 3-машинной системы Г - Д , использованной в этой работе, применяют статическую систему преобразования энергии, а именно : переменное напряжение судовой сети поступает на вход управляемого выпрямите- ля, с выхода которого выпрямленное напряжение, которое можно изменять по величине, далее поступает на обмотку якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения Таким образом, по сравнению со схемой на рис. 1, в этой системе отсутствуют две из трех электрических машин, а именно: асинхронный двигатель М и генератора G, что резко уменьшает вес и габариты системы в целом и одновременно повышает общий коэф- фициент полезного действия, т.к. к.п.д. УВ составляет 92-95%. В случае использования УВ в данной схеме общий к.п.д. системы двойного рода тока составит η' = η ув * ηм2 = 0,92*0,83 = 0,76, т.е. на 16% больше ( 76% > 60% ). Такая система в сокращении называется: система УВ – ДПТ ( УВ - управляемый выпрямитель, ДПТ – двигатель постоянного тока ). Эта система представляет собой электрическую установку двойного рода тока, т.к. в ней используется как переменный ток ( судовая сеть ), так и постоянный ( на выходе УВ ).
2.3. Схема управления электроприводом Схема управления электроприводом включает в себя: 1. контроллер; 2. другие аппараты управления – контакторы, реле, кнопки управления. Контроллер – это электромеханический аппарат ручного действия, предназначен- ный для непосредственного управления работой электропривода. Он имеет 12 рабочих положений ( по 6 положений в каждую сторону вращения ) и 1 нерабочее ( нулевое ). Таблица замыканий контактов контроллера приведена рис. 1 в правой верхней его части. Крестик в клетке означает, что в данном положении контакт замкнут, отсутствие крестика – контакт разомкнут.
2.4. Подготовка схемы к работе Для подготовки схемы к работе: 1. подают питание на выводы L1, L2, L3; 2. включают автоматические выключатели QF1, QF2; 3. устанавливают штурвал контроллера в нулевое положение, в котором замкнут его контакт К11; 3. нажимают кнопку SB1 «Пуск». При нажатии кнопки SB1 включается линейный контактор КМ1. Он замыкает главные контакты КМ1:1-КМ1:3, подавая питание на схему, а также вспомогательные КМ1:4, шунтирующие кнопку SB1 «Пуск» и КМ1:5, подготавливающие цепь катушки контактора КМ2. Загорается сигнальная лампочка НL1 «Питание на схему подано». 5. Нажимают кнопку SB3 «Пуск двигателя». Через контакты этой кнопки и контакт К11 контроллера образуется цепь тока ка- тушки контактора КМ2. Последний включается, замыкает главные контакты КМ2:1-КМ2:3, происходит пуск двигателя М2 через пусковые резисторы, и вспомогательные КМ2:4 и КМ2:5. Контакты КМ2:4 шунтируют кнопку SB3, её можно отпустить, контакты КМ2:5 включают реле времени КТ. Это реле через 2-3 с замыкает свой контакт КТ:1 в цепи катушки контактора КМ3. Контактор включается, замыкает контакты КМ3:1-КМ3:3, шунтируя пусковые резисторы R , а также размыкает вспомогательный контакт КМ3:4, отключая контактор КМ3:4, и замыкает КМ3:5, оставляя включённым реле времени КТ. Таким образом, после нажатия кнопки SB3 пуск приводного двигателя происходит автоматически, при помощи реле времени КТ. Ток независимой обмотки возбуждения F3-F4 ограничен до 80% экономическим резистором R8, что уменьшает нагрев этой обмотки в нерабочем состоянии привода. Схема готова к работе. Вращаются двигатель М1 и генератор G, но двигатель М2 не вращается, т.к. напряжение на зажимах А1-А2 генератора отсутствует – генератор не возбуждён.
2.5. Работа схемы Схема управления симметрична, поэтому рассмотрим её работу в каком-то одном направлении, например, в направлении «Назад». При переводе штурвала контроллера из положения «0» в положение «1» размыкает ся контакт К11 и замыкаются контакты К3, К4 и К5. Размыкание контакта К11 не влияет на состояние контактора КМ2 – он был отклю чён контактом КМ3:4 при подготовке схемы к работе ( п. 2.4 ). Назначение К11 состоит в том, чтобы не допустить пуск двигателя М1 в случае, если штурвал контроллера выведен из нулевого положения, и тем самым избежать аварии. Через контакты К3 , К4 и полностью введенный регулировочный резистор R2-R7 образуется цепь тока обмотки возбуждения генератора G. Этот ток мал, генератор незна чительно возбуждается, на его выводах А1-А2 появляется небольшое напряжение. Контакт К5 шунтирует экономический резистор R8, вследствие чего магнитный по ток двигателя М2 увеличивается от 80% до 100%. Двигатель переходит из точки «0» в точку «А» на искусственной механической ха рактеристике «1» и начинает разгоняться по участку АВ до точки «В». При переводе штурвала из 1-го положение во 2-е замыкается контакт К6, ток воз- буждения генератора и его напряжение увеличиваются. Двигатель переходит из точки «В» на характеристике «1» в точку «С» на характе- ристике «2» и продолжает разгоняться по участку СD до точки «D». Далее переходный процесс повторяется: при переводе штурвала из 2-го положения в 3-е и последующие, и вплоть до 6-го, последовательно замыкаются контакты К7, К8, К9 и К10, шунтируя ступени R3-R6 регулировочного резистора. Напряжение генератора и скорость двигателя М2 увеличиваются до номинальных значений в последнем, 6-м положении. Двигатель последовательно переходит из точки «D» в точку «N», в которой пере- ходный процесс заканчивается. Характеристика «6» – естественная механическая характеристика, т.к. все ступени R2-R6 регулировочного резистора выведены. При возврате штурвала в положение «0» напряжение генератора уменьшается до нуля, однако в якоре двигателя, который продолжает вращаться по инерции, продолжает индуктироваться противоЭДС. Под её действием направление тока в обмотках якорей генератора G и двигателя М2 изменяется на обратное, поэтому двигатель переходит в режим динамического тормо- жения. При резком возврате штурвала в положение «0» двигатель перейдёт из точки «N» на естественной механической характеристике «6» в точку «Р» на искусственной тормозной характеристике «7». Под действием тормозного момента двигатель уменьшит скорость до нуля в точке «0» ( начало координат ), в которой остановится. Для реверса двигателя переводят штурвал контроллера из положения «Назад» в положение «Вперёд». При этом размыкаются контакты К3,К4 и замыкаются К1,К2. Направление тока в обмотке возбуждения F1-F2 генератора меняется на обратное, генератор перемагничивается, полярность напряжения генератора, а значит, направление тока в цепи главного тока также изменяется на обратное, двигатель реверсирует.
3. Порядок выполнения работы
Для подготовки схемы к работе: 1. подать питание на выводы L1, L2, L3; 2. включить автоматические выключатели QF1, QF2; 3. установить штурвал контроллера в нулевое положение; 4. нажать кнопку SB1 «Пуск»; 5. нажать кнопку SB3 «Пуск двигателя», далее пуск происходит автоматически; 6. плавно вывести штурвал контроллера из нулевого положения в положение «Впе рёд», разогнать двигатель до 6-й скорости; 7. вернуть штурвал в нулевое положение, после чего перевести его в положение «Назад», разогнать двигатель до 6-й скорости, остановить двигатель. Для каждого из 6-ти положений «Вперёд» внести в таблицу 1 такие параметры: 1. ток возбуждения генератора I ; 2. ток возбуждения двигателя I ; 3. напряжение генератора U; 4. частоту вращения двигателя n.
|