Влияние индуктивности силовых цепей двигателей на характер переходных процессов

Переходные процессы электромеханических систем являются процессами, в ходе которых изменяется энергетическое состояние всей электромеханической системы и ее элементов. Так, изменение скорости ротора электрической машины от <oi до .со2 сопряжено с изменением кинетической энергии подвижной части двигателя с моментом инерции / на значение AW7K=/(co22—co2i)/2. Механическая инерционность двигателей является одним из накопителей энергии — кинетической. Другим накопителем энергии — электромагнитной является индуктивность силовых цепей двигателей. В общем случае энергетическое состояние электродвигателей соответствует равенству (2.6).
Рассмотрим влияние на характер переходных процессов электромагнитной составляющей энергии, где Ln и in — индуктивность n-fi обмотки машины и ток в ней; М — взаимная индуктивность й и /-й обмоток машины и токи в них.
Для двигателей постоянного тока независимого возбуждения в пренебрежении потерями на вихревые токи в железе и допущении, что щетки машины установлены по линии физической нейтрали, т. е. отсутствует взаимная индуктивная связь обмоток якоря и возбуждения,
(5.33) можно записать в виде И7ЭМ = £я —+ LB —g—. При постоянстве потока неизменным является ток возбуждения /в=const и, следовательно, вторая составляющая выражения электромагнитной энергии не оказывает влияния на переходный процесс. Ток якоря двигателя в переходных процессах двигателя изменяется, изменяется запас электромагнитной энергии в якорной цепи двигателя, оказывая влияние на характер изменения общего энергетического состояния электромеханической системы, т. е. на переходный процесс в ней.
Якорная цепь двигателя включает в себя активное сопротивление и индуктивность Ln. Для нее справедливо уравнение электрического равновесия
Переходя в (5.34) к изображению по Лапласу при нулевых начальных условиях, после несложных преобразований получаем передаточную функцию якорной цепи двигателя при постоянстве потока в виде инерционного звена, структурная схема которого приведена на рис. 5.16,а. Это передаточная функция имеет вид.
Характер переходного процесса зависит от корней характеристического уравнения двигателя, получаемого приравниванием нулю знаменателя.
Корни уравнения (5.39) определяются выражениями из которых следует, что при 7,М>4ГЯ корни уравнений будут разными, вещественными, отрицательными. Такое соотношение постоянных времени имеет место при включении в якорную цепь двигателя дополнительных сопротивлений, например в случае реостатного пуска двигателей на искусственных характеристиках. Тогда процесс носит апериодический характер в виде суммы двух экспонент. Чем больше активные сопротивления якорной цепи, тем больше Тч и тем ближе действительный характер переходного процесса к рассчитанному методами, указанными в § 5.2, т. е. в этих случаях индуктивностью якорной цепи двигателя можно пренебречь.
В случае Гм <47'я будем иметь пару комплексных сопряженных корней, где а = 1 /2ТЯ— показатель затухания свободных составляющих рассчитываемых переменных (скорости, тока якоря, момента); 2 = = К47*я/Гм — 1 /2ТЯ — частота колебаний свободных составляющих рас-
считываемых переменных.
Такие значения корней могут иметь место в режимах наброса и сброса нагрузки при работе двигателей на естественных характеристиках, при пуске в системе преобразователь — двигатель, что характерно для приводов перемещения электродов печей переплава и других сталеплавильных печей.
На рис. 5.17,а приведены характерные графики переходных процессов пуска вхолостую в системе преобразователь — двигатель, а на рис. 5.17,6 — статическая 1 и динамическая 2 электромеханические характеристики двигателя. Динамическая характеристика пол учён а путём совместного решения графиков со(/) и {*(*), приведенных па рис. 5.17,а. Каждая точка динамической характеристики соответствует значениям тока якоря и скорости двигателя при строго определенном значении времени. При первом достижении скорости wo ток якоря при существенной электромагнитной инерции якоря не успевает упасть до нуля, и двигатель продолжает разбегаться выше скорости идеального холостого хода, пополняя запас кинетической энергии якоря до тех пор, пока не израсходуется запас электромагнитной энергии в якорной цепи. Достижение током нулевого значения в точке а соответствует отсутствию ускорения двигателя d<a/dt—Ot но поскольку здесь со><оо, то для ЭДС двигателя и преобразователя справедливо соотношение ел> >еп. При этом изменит знак ток якоря, вызывая замедление двигателя, т. е. избыток кинетической энергии, уменьшаясь, передается в якорную цепь двигателя в виде электромагнитной энергии. Обмен энергиями между электромагнитной и механической инерционностями двигателя, т. е. колебательность тока якоря и скорости двигателя, продолжается до полного рассеяния энергии свободных токов в активных сопротивлениях якорной цепи в виде тепловой энергии.
Колебательный характер переходных процессов в приводах ЭТУ является нежелательным явлением, так как колебания, например, электродов в печах переплава и дуговых при работе регуляторов мощности вызывают колебания потребляемых печами активной и реактивной мощностей, отрицательно сказываясь на питающих печи сетях. Поэтому при построении регуляторов мощности электродных печей предусматриваются специальные мероприятия, обеспечивающие коррекцию переходных процессов в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями.
При исследовании влияния индуктивностей многофазных обмоток машин переменного тока на характер переходных процессов исходят из того положения, что в двигателе вращающиеся магнитные поля (см. рис. 2.3) создаются принужденными составляющими фазных токов. Результирующим действием свободных токов фазных обмоток является неподвижное в зазоре двигателя магнитное поле. Налагаясь на вращающуюся с синхронной скоростью принужденную составляющую, неподвижная свободная составляющая поля периодически ослабляет или усиливает поле в зазоре машины, вызывая колебания момента и скорости двигателя в процессе разбега двигателя. Приведенные на рис. 5.10,в графики пуска асинхронного двигателя построены с использованием статической механической характеристики двигателя. Колебания момента и скорости, вызванные свободными составляющими токов в фазах двигателя, будут происходить в соответствии с рис. 5.18, на котором приведены графики со(/) и M(t) пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя, полученные экспериментально. Применение асинхронных короткозамкнутых двигателей в ответственных приводах требует учета колебательности момента при пуске. Мерой борьбы с колебаниями момента в таких приводах может быть применение асинхронных двигателей с фазным ротором при включении в их роторную цепь добавочных резисторов, что приводит к быстрому затуханию свободных составляющих фазных токов, или специальных устройств питания асинхронных короткозамкнутых двигателей, позволяющих плавно изменять напряжение питания двигателя в процессе пуска. Этим обусловлены малые значения свободных токов в фазах двигателя, и их влияние на процесс пуска двигателей незначительно. Методы расчета переходных электромеханических процессов в электродвигателях с учетом электромагнитной инерции силовых цепей двигателей.