ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

В предыдущих разделах изучались свойства и характеристики электроприводов в установившихся режимах, то есть при выполнении условия

М - М_с = 0.

В настоящей главе рассматриваются неустановившиеся или переходные процессы, имеющие место при переходе привода из одного установившегося состояния в другое, совершающемся во времени. При этом

Можно назвать следующие причины возникновения переходных процессов:

изменение М_с;

изменение М, то есть переход привода с одной характеристики на другую, имеющий место при пуске, торможении, реверсе, регулировании скорости, изменении какого-либо параметра привода.

Необходимость в анализе переходных процессов возникает в связи с тем, что производительность ряда ответственных механизмов (например, реверсивного прокатного стана) определяется быстротой протекания переходных процессов; качество выполнения многих технологических операций определяется переходными процессами (движение лифта, врезание резца в деталь и т.п.); механические и электрические перегрузки оборудования в большинстве случаев определяются переходными процессами.

Объектом исследования, как и прежде, будет упрощенная, идеализированная модель привода - рис. 5.1.

Рис. 5.1. Модель электропривода для исследования динамики

Основная задача при изучении переходных процессов сводится к определению зависимостей w(t), M(t) и i(t) для любых конкретных приводов в любых условиях.

При изучении переходных процессов мы будем полагать известными следующие исходные данные:

- начальное состояние: w_нач, М_нач, i_нач;

- конечное состояние: w_кон, М_кон, i_кон и соответствующая ему характеристика w(М);

- характер изменения во времени фактора, вызвавшего переходный процесс;

- параметры привода.

Все возникающие на практике задачи в целях их упорядоченного изучения разделим на четыре большие группы.

1. Преобладающей инерционностью в приводе является механическая инерционность (J); электрические инерционности (L) малы или не проявляются. Фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется скачкообразно (мгновенно) то есть много быстрее, чем скорость.

Примеры задач, относящихся к этой группе: мгновенный наброс и сброс нагрузки, пуск, реверс, торможение, регулирование скорости асинхронных двигателей при питании от сети, если не учитывать индуктивности обмоток; то же для двигателей постоянного тока независимого возбуждения если Ф = const, а L_я = 0, то же для двигателей последовательного или смешанного возбуждения, если L_я= L_в =0.

2. Преобладающая инерционность - механическая (J); индуктивности электрических цепей малы или не проявляются. Фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется не мгновенно, то есть темп его изменения соизмерим с темпом изменения скорости w (“медленное” изменение воздействующего фактора).

Примеры: переходные процессы в системах управляемый преобразователь - двигатель постоянного тока, преобразователь частоты - асинхронный двигатель, если L = 0.

3. Механическая и электрическая инерционность соизмеримы; фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется мгновенно.

Примеры: переходные процессы в приводе постоянного тока при Ф = var; то же при Ф = const, но L_я ¹ 0, то же в системе источник тока - двигатель.

4. Учитываются несколько инерционностей, фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется не мгновенно. Эти наиболее сложные задачи, относящиеся к замкнутым системам регулирования, мы рассмотрим очень кратко - они будут детально изучаться в других курсах.

5.2. Переходные процессы при L = 0 и “быстрых” изменениях воздействующего фактора

Все переходные процессы, относящиеся к первой группе, подчиняются, очевидно, механическому уравнению движения

(5.1)

Искомые зависимости w(t) и M(t) должны быть получены путем решения этого уравнения при заданных начальных условиях. Конкретные особенности привода отразятся в виде зависимостей M(w) и M_с(w), входящих в уравнение (5.1).

а) M = const, M_с = const

Пример. Оценить время пуска t_п и построить приближенный график переходного процесса пуска короткозамкнутого асинхронного двигателя с известными механической характеристикой, М_с и J (рис. 5.3,а). Заменим реальную характеристику (сплошная линия) приближенной (пунктирная линия) и применив (5.3), получим:

а) б)

Рис. 5.3. Механические характеристики (а) и графики переходных процессов

w(t) и M(t) при пуске асинхронного двигателя

.

Зная t_п, можно построить приближенные графики переходного процесса (пунктир на рис. 5.3,б). Эти графики будут отличаться от действительных (сплошные линии на рис. 5.3,б), однако во многих случаях полученная оценка может быть весьма полезной.

б) М_с = const, M линейно зависит от w, b < 0.

Пример 1. Рассчитать переходный процесс мгновенного наброса нагрузки от М_с1 до М_с2 на асинхронный короткозамкнутый двигатель с механической характеристикой, линейной на рабочем участке (рис. 5.6).

Рис.5.6. Переходный процесс наброса нагрузки

Вычислим Т_м:

Определим начальные и конечные значения w и М:

w_нач = w₁, w_кон = w₂;

М_нач = М_с1, М_кон = М_с2

Запишем по (5.10) уравнения переходного процесса

и построим графики (рис. 5.6).

Пример 2. Рассчитать переходный процесс пуска с одной ступенью пускового реостата и динамического торможения с самовозбуждением двигателя постоянного тока последовательного возбуждения; М_с - реактивный.

Построим сначала пусковую диаграмму и тормозную характеристику (рис. 5.7,а) - см. п.п. 3.2, 3.4. Если на рабочих участках характеристики близки к прямым, можно воспользоваться аналитическим решением задачи. В данном случае механические характеристики имеют разрывы (при w₃, w₁) и изломы (при w₄), поэтому необходимо разделить весь процесс на участки таким образом, чтобы в пределах каждого участка функции w(М) и w(М_с) были линейными и не имели изломов и разрывов.

а) б)

Рис. 5.7. Механические характеристики (а) и кривые переходных процессов (б) при реостатном пуске и динамическом торможении двигателя последовательного возбуждения

В нашем случае таких участков будет четыре:

I - 0< w < w₃ (пуск на реостатной характеристике);

II - w₃ < w < w₁ (пуск на естественной характеристике);

III - w₁ > w > w₄ (торможение с самовозбуждением);

IV - w₄ < w < 0 (торможение под действием М_с).

К первым трем участкам может быть применена формула (5.10), так как в пределах этих участков М(w) - линейные функции; к IV участку, где М = 0 и М_с = const, следует применить решение, полученное в п. а), т.е. формулу (5.2).

Обратим внимание на то, что отсчет времени в уравнениях (5.10) и (5.2), которыми мы будем пользоваться, ведется от момента t = 0, в который произошло изменение, вызвавшее переходный процесс. Поэтому, решая задачу по этапам, следует на каждом этапе отсчет времени вести от своего начала; общее время переходного процесса определится конечно, как сумма времени на этапах.

Для того, чтобы воспользоваться уравнениями (5.10) и (5.2), следует определить входящие в них начальные и конечные значения величин и постоянные времени.

Начальные значения скорости очевидны из графика w(М) - это фактические значения скорости в начале соответствующего этапа. При определении начальных значений момента следует помнить, что в рассматриваемых задачах мы пренебрегаем инерционностью электрических цепей и считаем, что ток, а следовательно, и момент изменяются мгновенно при изменении параметров привода, то есть при переходе с характеристики на характеристику. На графике w(М) это соответствует горизонтальным линиям - момент изменяется скачком при w = const. Поэтому в качестве начальных значений момента следует брать величины из графика w(М), получившиеся после соответствующего мгновенного изменения характеристики.

В качестве конечных значений w и М при использовании уравнения (5.10) следует всегда брать координаты точки пересечения двух прямых w(М) и w(М_с), то есть точки установившегося режима, независимо от того будет достигнут этот режим фактически или нет. Это важное правило вытекает из того, что уравнение (5.10) есть решение уравнения (5.8) именно при указанных условиях. Постоянные времени определяются для каждого этапа по (5.9).

Для рассматриваемой задачи начальные и конечные значения приведены в табл. 5.1 (следует обратить внимание на подчеркнутые величины).

Таблица 5.1

№№ этапов	wнач	wкон	Мнач	Мкон	Тм	Примечания
I		w2	М1	Мс		Уравнение (5.10)
II	w3	w1	М1	Мс		Уравнение (5.10)
III	w1	-w5	-М3	Мс		Уравнение (5.10)
IV	w4				-	Уравнение (5.2) Процесс заканчивается при w =0, так как Мс - реактивный

Данные табл. 5.1 позволяют записать уравнения для каждого из четырех этапов и построить графики - рис. 5.7,б.

Пример 3. Рассчитать и построить кривые переходного процесса реверса двигателя постоянного тока независимого возбуждения, питающегося от сети U = const, при активном и реактивном характере М_с.

а) б)

Рис. 5.8. Механические характеристики (а) и кривые переходных процессов (б)

при реверсе электропривода

Решение, как всегда, начнем с построения графиков w(М) (рис. 5.8,а); график реактивного М_с построен жирными пунктирными линиями.

Рассмотрим сначала случай, когда М_с активный. При этом, очевидно, переходный процесс протекает в один этап, а его уравнения, полученные из (5.10), имеют вид:

где

Соответствующие графики построены на рис. 5.8,б сплошными линиями.

При реактивном М_с, изменяющем знак при w = 0, необходимо рассматривать два этапа: I от w₁ до w = 0 и II от w = 0 до w = - w₂. На I этапе уравнения не будут отличаться от полученных ранее. Действительно, на этом этапе реактивный характер М_с не проявляется и он, как и в первом случае, способствует торможению привода. Этот результат соответствует правилу, изложенному в предыдущем примере.

На II этапе изменяется знак М_с и, в противоположность предыдущему случаю, М_с оказывает тормозящее действие при разгоне привода в противоположную сторону. Уравнения для этого этапа имеют вид:

Графики переходных процессов при реактивном М_с построены на рис. 5.8,б пунктирными линиями. В момент времени t¢ кривые терпят излом, темп процесса замедляется, что связано со скачкообразным уменьшением динамического момента, обусловленным изменением знака М_с.

Если требуется найти зависимость i(t), следует воспользоваться известным соотношением

в) М_с = const, M - линейно зависит от w, b > 0