CC BY
12
И 3 В Е С Т И Я
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 265 1973
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ САМОТОРМОЗЯЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВСТАВКОЙ
Л. К. БУРУЛЬКО, Э. М. ГУСЕЛЬНИКОВ, Е. В. КОНОНЕНКО, Т. В. ЧЕШЕВА
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин • и общей электротехники) - . ..
■Пййьйненйе' производительности труда в промышленности,, строительстве, сельском хозяйстве и в других отраслях народного хозяйства стпвйт-перёд электромашиностроением задачи, по созданию- совершем-1Шх:кт:сТ'р'укций электрических двигателей, которые: за-счет увеличения скЬрбсте и: уменьшения непроизводительности времени, затрачиваемого на их остановку, должны повысить производительность исполнительных механизмов.
Одним из решений этой задачи является создание электродвигателей со встроенными и пристроенными тормозными устройствами, обеспечивающими в нужный момент остановку машины,
В Настоящее время как за рубежом, так и в отечественной промышленности выпускаются в основном электродвигатели со встроенными эихеКтрбмагнитными тормозами постоянного и переменного тока. Однако этй.Электродвигатели не удовлетворяют всем требованиям; которые предъявляются к идеальным электродвигателям с тормозными1 устройствами, Поэтому считают [2], что наиболее полно такие требования могут быть удовлетворены с помощью так называемых самотормозящихся эМе!|;трр'двйгателей СЭД. • •;
В. отлщше от электродвигателей со встроенными и пристроенными электромагнитными тормозами, у которых для управления тормозным устройством выполняется специальная обмотка, в самотормозящихся электродвигателях управление тормозом осуществляется с помощью магнитного потока самого электродвигателя.
В работе рассматривается и исследуется одна из конструкций самотормозящегося электродвигателя, разработанная в СКВ электромашиностроения (г. Томск) [2].
Конструктивная форма исполнения такого двигателя представлена на рис. 1. Статор 1 самотормозящегося электродвигателя выполнен как в обычной машине. Сердечник ротора имеет две части: тормозную 4 и основную 2, разделенные немагнитной прокладкой 3. Электромагнитная вставка (якорь) 5 соединена с вентилятором, который служит одновременно тормозным диском и может перемещаться в аксиальном направлении по шлицам на валу. Основная часть пакета ротора набирается из обычных листов, а листы тормозной части штампуются из стали толщиной 2—3 мм и имеют конфигурацию паза, показанную на рис. 2. После спрессовки и заливки ротора алюминием тормозная часть ротора протачивается таким образом, чтобы зубцы оказались разделенными друг от друга (рис. 2).
/
i. д ■ * 5
/
Рис. 1. Конструкция самотормозящегося электродвигателя с электромагнитной „вставкой
Рис. 2. Конфигурация паза тормозной части
При подаче напряжения на обмотку статора часть основного потока Фт проходит через специальную часть ротора, воздушный зазор между электромагнитной вставкой и торцом специальной части и замыкается по электромагнитной вставке, как по ярму. Поток рассеяния Фэ короткозамкнутого кольца специальной части ротора также проходит в электромагнитную вставку через воздушный зазор. Под действием возникающих при этом электромагнитных сил вставка, преодолевая усилие пружины, притягивается к торцу специальной части ротора и тянет за собой вентилятор. Вентилятор отходит От тормозных накладок и двигатель растормаживается.
Для исследования электромеханических переходных процессов таких двигателей необходимо составить уравнения, описывающие работу двигателя при пуске и торможении. Эти уравнения должны описывать как процесс включения двигателя в сеть, так и процесс отключения от сети. Кроме этого, они должны учитывать, что во время переходных процессов сила притяжения, создаваемая специальной (тормозной) частью ротора, меняется по величине.
При составлении уравнений равновесия напряжений предполагаем, что параметры обмотки статора гь XI и активное сопротивление ротора г2/,не зависят от величины воздушного зазора б между специальной частью ротора и электромагнитной вставкой, воздушный же зазор влияет только на индуктивные сопротивления взаимоиндукции хт и рассеяния роторной обмотки х2'. Для этого, чтобы найти величину силы притяжения РПр, индуктивные сопротивления хт и х'2 разбиваем на составляющие: хт0 и Хго' —индуктивные сопротивления взаимоиндукции и рассеяния основной части ротора, хтё и X2g/ — индуктивные сопротивления взаимоиндукции и рассеяния специальной части ротора.
Учитывая изложенное, можно параметры самотормозящегося электродвигателя записать в относительных единицах в следующем виде: х8 = х1-|-Хд1о+Хт^г — полное индуктивное сопротивление обмотки статора;
Хг^Хзи'+^'+Хшо+Хт.д — полное индуктивное сопротивление обмотки
ротора;
хщ = хт0+хтд — индуктивное сопротивление взаимоиндукции;
Т\ и г/ — активные сопротивления обмоток статора к ротора.
Уравнения равновесия напряжений обмотки ротора., записанные в синхронно вращающейся системе координат, имеют вид [1, 3]:
<3 Ч!*Га
—~ = - г2 -г ¥гр — 03 ч'гд ;
dt
dira
- ~ Г9 U — 4T ra + (û ^ra ;
dt dir3
dt
= — yilra + Уз ^'ra — У2 <» ^г? + Ц — уДЛ« î (1)
= — УМ + УЗ ^ + У2 Ш ^ra — ira — уДЛр "j
где
ïsa — (®га Хо Ira) 5
ХШ
лш
__ Г]Хг + xsr2
У1
У2 Уз
у4
xsxr — x2m
Xs
xsxr — Y2 x m
ri
X ç^X — A m
X оХ г х
2 >
л Ш
Электромагнитный момент вращения определяется равенством
M - Wrr, ira - цгга lrp. (2)
При работе электродвигателя от сети с постоянным напряжением п частотой составляющие вектора напряжений в рассматриваемой системе координат являются постоянными величинами и равны
Usa = Um cosa0, ^
US[3 = Um sina0>
где ao — начальная фаза.
При отключении двигателя от сети и торможении уравнения равновесия напряжений примут вид:
dt
d wr; dt
dira
- — r2ira -4- — a> WT$ ;
= — r2irp - ^ra + « ;
dt
dir3
= ~ yi'ir« - y2'® ^r? + h; (4)
= ™ y/ir? + У2 ® Vra - il
dt
w
^ ra
ra
lrp -
где
У2
1
Хг
ч
Электромагнитный момент при отключении двигателя от сети равен нулю
М - 0. (5)
Величина силы притяжения, создаваемая тормозной частью ротора, может быть определена из следующего уравнения:
Ф2
2^ 5 (6)
где
Ф — магнитный поток в воздушном зазоре между специальной частью ротора и электромагнитной вставкой;
Б — площадь сечения торца магнитопровода специальной части ротора, к которой притягивается электромагнитная вставка.
Из принципа работы тормозного устройства видно, что в создании силы притяжения участвуют два потока: Ф5 — поток рассеяния корот-козамкнутого кольца специальной части ротора и Фт — часть основного потока, замыкающегося через специальную часть ротора и электромагнитную вставку. Поэтому магнитный поток можно представить в следующем виде:
ф = ф5 + фт . (7)
Для того, чтобы учесть влияние величины силы притяжения на электромеханические переходные процессы СЭД и установить характер изменения этой силы во время переходных процессов, уравнение (7) запишем через составляющие по двум осям аир. Так как в относительных единицах поток равен потокосцеплению, то уравнение (7) в осях а и ¡5 будет иметь следующий вид:
а = I Хго- Хтр- ---- I ¡га -—
г£ ~ АГП£ ~ - I *га I - ^ га >
/
** 8 = (хГ8 + хт§ - 1гр + ^5114^, (8)
где
т / лт
Хга+Хтд- Хт^Г ]1ГЯ И ( Хг„ + Хт„ - Хт^Г ]1гр-
лmg — - I 1Га п I лrg л^
\ хш \ лт
составляющие потокосцепления по осям аир, соответствующие потоку рассеяния короткозамкнутого кольца специальной части ротора
Хтр1 Xгп о"
-ц?та и _составляющие потокосцепления по
ХП1 хш
осям аир, соответствующие части основного потока Фт-Зная потокосцепления специальной части ротора, запишем уравнение (6) в следующем виде:
р _ * га£
1 Пра — - _
2[Х0
При исследовании электромеханических переходных процессов наряду с уравнениями равновесия напряжения электрических контуров необходимо иметь уравнение движения ротора. Рассмотрим процесс пуска и торможения СЭД, когда электромагнитная вставка находится в двух крайних положениях, в зависимости от которых уравнения движения ротора имеют тот или иной вид.
Пуск самотормозящегося двигателя. Пуск СЭД можно разделить ка следующие два этапа: момент трогания и момент разгона двигателя.
В момент трогания двигателя с места величина силы притяжения Рпр меньше силы начального сжатия N0, поэтому тормозной момент, создаваемый пружиной, не равен нулю
Мт = ХаИ, (Ю)
N - N0 - Рпр ,
где ^— коэффициент трения.
Уравнение движения в этом случае имеет вид
М - Мт + Мс + . (11)
Здесь Мс — момент сопротивления нагрузки.
В момент разгона двигателя силы притяжения Рир>Ыс+Со;с и электромагнитная вставка притянута к торцу специальной части ротора. Неравенство
Рпр > N0 + 0 8, (12)
представляет собой условие размыкания тормоза: С — коэффициент жесткости пружины,
б* — величина сжатия пружины под действием силы притяжения при притянутой вставке.
Уравнение движения ротора при разгоне СЭД можно записать в виде
М = Мс + 1-^. (13)
Торможение самотормозящегося электродвигателя
Торможение СЭД осуществляется при отключении его от питающей сети. При этом можно выделить следующие этапы торможения: момент отключения двигателя от сети, момент механического торможения и момент останова.
В момент отключения двигателя от сети электромагнитная вставка притянута к торцу ротора, так как сила притяжения Рпр больше силы сжатия пружины 1Ч0+Сбх и момент торможения равен нулю. Это объясняется тем, что величина силы притяжения Рпр определяется потоками Ф8 и Фт, которые при отключении электродвигателя от сети мгновенно изменить своей величины до нуля не могут. Поэтому до тех пор, пока сила притяжения Рпр>Мо+Сбх силы сжатия пружины, электромагнитная вставка находится в притянутом положении, Уравнение движения ротора для этого момента имеет вид
0 м Мс + I . (14)
После того как сила притяжения Рпр станет меньше силы сжатия пружины 1Чо+Сб х, электромагнитная вставка из-за малой величины
хода практически .мгновенно переходит из положения, когда она притянута к торцу ротора, в положение, когда она отжата пружиной.
После этого наступает момент механического торможения. В момент механического торможения величина тормозного момента равна
Мт--=Ы,,К, (15)
где
N = М) — Епр, а Рпр < Ы0.
Уравнение движения для данного этапа имеет вид
О = Мт + Мс + I —(16)
При останове электродвигателя тормозной момент равен
Мт^^Н. (17)
Сила притяжения Гцр равна нулю.
Уравнение движения примет вид
0 = Мт + Мс. (18)
Совокупность уравнений равновесия напряжений и уравнений движения ротора, соответствующих различным положениям электромагнитной вставки, при пуске и торможении электродвигателя позволяет исследовать электромеханические переходные процессы. Полная система уравнений нелинейна, а поэтому наиболее целесообразно исследования проводить путем моделирования на аналоговой вычислительной машине. Структурная схема модели представлена на рис. 3.
т опрг от опр, т
Рис. 3. Структурная схема модели
Моделирование уравнений равновесия напряжений в электродвигателе осуществляется с помощью усилителей Л1-1-Л10 и нелинейных блоков Н1-Н4. Усилители Л11-Л15 и нелинейные блоки Н15-Н16 решают уравнения, связанные с величиной силы притяжения, и позволяют осу-
щеетвить переход от одного уравнения движения ротора к другому. Операционные реле ОПРгОПР5 позволяют осуществлять 'переход от системы уравнений равновесия напряжений при пуске к системе уравнений при торможении.
При пуске электродвигателя операционные реле ОПР1-ОПР5 обесточены. В этом случае решаются уравнения 1, 2, 7, 11 —13. Переход от уравнения (11) к уравнению (13) осуществляется >с помощью ¡сравнивающего устройства, содержащего усилитель Л15 и реле Рь
При торможении электродвигателя на операционные реле ОПР--ОПР5 подается напряжение. При этом контакты реле Р3, Р4 размыкаются, Р1Р2 переключаются, а Р5 замыкаются. В таком положении контактов решаются уравнения 4, 7, 14—16. Осциллограммы пуска и торможения электродвигателя при различных моментах торможения приведены на рис. 4.
при
---ори
при
ml _ Мн
т
Мн
kl-т ~
о,з
■ О.М us
Рис. 4. Осциллограммы пуска и торможения при различных значениях тормозного момента
Из осциллограммы пуска и торможения видно, что с увеличением момента торможения время останова t0CT уменьшается. На время разгона tp момент торможения не оказывает влияния, что можно объяснить очень быстрым (почти мгновенным) срабатыванием тормозного устройства при пуске электродвигателя. Время останова t0CT электродвигателя представляет собой сумму двух составляющих: tcp — время срабатывания тормозного устройства при отключении электродвигателя от сети и 1т — время механического торможения.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных по электродвигателям А02-21-2Э, 4А112-4Э, 4А132-2Э показало, что погрешность расчета тяговых усилий, времени пуска и останова не превышает 15—20%.
Предложенная математическая модель СЭД может быть использована при исследовании переходных процессов и проектировании самотормозящихся электродвигателей с электромагнитной вставкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Д. Г и л ь д е б р а н д, М. Г. Ж у к, В. М. Кирпичников. Решение инженерных задач на электронных вычислительных машинах. Изд. УПИ, Свердловск, 1970.
2. Э. М. Гусельников, Б. С. Цукерман. Самотормозящиеся электродвигатели. «Энергия», 1971.
3. М. М. С о к о л о в, Л. П. Петров, Л. Б. М а с а н д и л о в, Б. А. Ладе н з о н. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе. «Энергия», 1967.
