Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрический привод



1.Структурная схема электропривода

Электрический привод представляет собой электромеханическую систему , предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

В общем случае электропривод состоит из 4-х устройств ( рис.1.1 ):

1. преобразовательное;

2. электродвигательное;

3. передаточное;

4. управляющее.

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования рода тока, напряжения и частоты тока питающей сети и передачи преобразованных параметров сети в электрическую часть электропривода. Поэтому оно включается между питающей сетью и электрической частью электропривода.

Рис. 1.1. Структурная схема электропривода

электромеханический схема привод

В качестве преобразовательных устройств используются:

1. для преобразования рода тока - выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный;

2. для преобразования напряжения - трансформаторы, преобразующие переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения той же частоты;

3. для преобразования частоты тока - преобразователи частоты, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой, регулируемой частоты.

4. для преобразования напряжения - инверторы, преобразующие постоянное напряжение в пременное регулируемой амплитуды и частоты

Рассмотрим поочередно преобразовательные устройства.

Выпрямители

На судах выпрямители применяют в электроприводах, использующих в качестве источника механической энергии двигатель постоянного тока. К таким электроприводам относятся (в оснвном на судах старой постройки):

1. якорно - швартовные механизмы - брашпили;

2. грузоподъёмные - грузовые лебёдки и краны;

3. гребные электрические установки, предназначенные для движения судна.

Мощность этих электродвигателей составляет десятки и сотни кВт.

Трансформаторы

Трансформаторы в судовых электроприводах, как правило, не применяются. Однако они нашли применение на берегу. Здесь от высоковольтных линий электропередач с напряжениями в сотни киловольт питаются предприятия с электроприводами напряжением 380В и 660В.

Преобразователи частоты

На судах статические тиристорные преобразователи частоты применяются в электроприводах переменного тока. К таким электроприводам относятся, в основном, грузоподъёмные тяжеловесные устройства и гребные электрические установки.

Электродвигательное устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую или, в некоторых системах судовых электроприводов (система генератор - двигатель), механической энергии в электрическую.

К электродвигательным устройствам относят электродвигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные ( переменно-постоянного тока ). Последние нашли на судах ограниченное применение, в основном, в электроприводах вентиляторов мощностью до 250…300 Вт.

Передаточное устройство предназначено для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу механизма.

К передаточным устройствам относят механические, гидравлические и другие передачи. Передаточные устройства применяют в грузоподъёмных, якорно-швартовных и рулевых механизмах. Например, в электроприводе грузовой лебёдки передаточным устройством является редуктор, расположенный между электродвигателем и грузовым барабаном лебёдки.

Простейшие по устройству электроприводы, например, вентиляторы и центробежные насосы, не имеют передаточного устройства, т.к. у них крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Управляющее устройство предназначено для управления преобразовательным электродвигательным и передаточным устройствами. При помощи управляющего устройства задают необходимый режим работы всего электропривода, например, пуск, остановку, реверс, изменение скорости и др. Например, в электроприводе грузовой лебёдки управляющее устройство состоит из командоконтроллера (с рукояткой управления) и станции управления, внутри корпуса, которой находятся коммутационные и защитные электрические аппараты - контакторы, реле, предохранители и др.

В сложных современных судовых электроприводах составной частью управляющего устройства являются бортовые компьютеры, которые получают информацию от задатчиков и датчиков обратной связи и вырабатывают сигналы управления в соответствии с заданными алгоритмами (программами).

При этом, в качестве задатчиков используются рукоятки управления тремя механизмами крана (подъём, поворот, стрела), связанные с потенциометрами, в качестве датчиков - большое количество чувствительных элементов, измеряющих вес груза, давление в системе гидравлики величину тока, определяющих положение рабочих органов перечисленных механизмов и многое другое.

2. Классификация электроприводов

Электроприводы классифицируются (различаются) по нескольким признакам.

Рассмотрим основные признаки.

По области применения различают 2 вида электроприводов:

1. береговые;

2. судовые.

По роду тока различают так же 2 вида электроприводов:

1. постоянного тока;

2. переменного тока.

Переход судовых электроприводов на переменный ток завершился в начале 60 - х годов 20 столетия. Это стало возможным после начала производства (в б. СССР) электрических машин, предназначенных специально для работы на судах их называют машинами морского исполнения.

По количеству исполнительных механизмов и электродвигателей различают 3 вида электроприводов:

1. групповой;

2. одиночный;

3. многодвигательный.

Групповым называют электропривод, в котором один электродвигатель приводит в движение несколько исполнительных механизмов. Пример: токарный станок, в котором электродвигатель вращает патрон с заготовкой и одновременно перемещает суппорт станка с бабкой, в которой зажат резец. Суппорт при этом движется поступательно (влево - вправо) вдоль станины станка. На судах групповые приводы применяются крайне редко.

Одиночным называют электропривод, в котором электродвигатель приводит в движение только один исполнительный механизм. Пример: электропривод насоса или вентилятора, в котором крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Многодвигательным называют электропривод, в котором несколько электродвигателей совместно работают на общий вал. Пример: привод платформы механизма поворота мощного экскаватора, в котором электродвигатели включаются в разных сочетаниях, благодаря чему обеспечивается равномерное распределение статических и динамических нагрузок при повороте платформы.

Многодвигательные электроприводы используются на специализированных судах, например, плавучих буровых вышках и др.

По степени автоматизации различают 3 вида электроприводов:

1. неавтоматизированные;

2. автоматизированные;

3. автоматические.

В неавтоматизированном электроприводе человек участвует на всех стадиях управления электроприводом. Пример: электропривод вентилятора, управляемый при помощи поста управления с двумя кнопками «Пуск» и «Стоп». Оба действия - пуск и остановка, выполняет человек путём нажатия соответствующей кнопки.

В автоматизированном электроприводе функции управления разделены между человеком и управляющим устройством. Обычно человек задаёт программу работы электропривода, остальное же выполняет управляющее устройство.

Пример: электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями. Пусть оператор (лебёдчик) резко перевёл рукоятку командоконтроллера из нулевого положения сразу в 3-е в направлении «Подъём». Двигатель при этом включится не на 3-й скорости, а на 1-й, что позволит избежать поломки редуктора, а далее разгон электродвигателя произойдёт постепенно, с задержкой при переходе с 1-й скорости на 2-й, а затем со 2-й к 3-ю. Эту задержку обеспечивают два реле времени, входящие в состав управляющего устройства.

В автоматическом электроприводе роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электропривода.

Пример: автоматический рулевой. На начальном этапе участие человека заключается в подаче питания на рулевой электропривод (электромеханик) и в выведении судна на требуемый курс, например, при помощи штурвала (рулевой матрос или вахтенный помощник). После этого на тумбе управления рулевым электроприводом (мостик) переключатель видов управления устанавливают в положение «Автомат». В зависимости от условий плавания, такой режим может длиться от нескольких часов до нескольких десятков суток.

По возможности изменения скорости различают два вида электроприводов:

1. нерегулируемый, не предусматривающий изменение скорости;

2. регулируемый, имеющий 2 и более скоростей.

Пример нерегулируемого электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а скорость не регулируется.

Примеры регулируемого электропривода:

1. электропривод грузовой лебёдки с 3-мя скоростями ;

2. электропривод якорно-швартовного устройства с 6-ю скоростями.

По возможности изменения направления вращения различают два вида электроприводов:

1. нереверсивный;

2. реверсивный.

Пример нереверсивного электропривода: электропривод вентилятора, управление которым состоит только в пуске и остановке, а направление вращения не изменяется.

Примеры реверсивного электропривода: 1. электропривод грузовой лебёдки с 2-мя режимами: «подъём» и «спуск»; 2. электропривод якорно-швартовного устройства с 2-мя режимами: «травить» и «выбирать».

По назначению различают 5 видов судовых электроприводов:

1. рулевые;

2. якорно-швартовные (брашпили и шпили);

3. грузоподъёмные (грузовые лебёдки и краны, лифты);

4. электроприводы судовых нагнетателей (насосы, вентиляторы, компрессоры);

5. механизмы специального назначения.

К последней группе относят электроприводы:

1. подруливающих устройств;

2. систем кренования и дифферента;

3. успокоителей качки;систем откренивания судов;

4. автоматические швартовные лебедки.

Подруливающие устройства предназначены для повышения манёвренности судов. С их помощью судно может перемещаться лагом (бортом) и даже совершать полный оборот на месте. Такие устройства применяют на обычных транспортных судах, а также на судах - паромах, предназначенных для перевозки колёсной техники.

Системы кренования и дифферента применяют на ледокольных судах, для освобождения судна, зажатого во льдах и придания корпусу судна необходимой осадки.

Системы успокоителей качки применяют, в основном, на пассажирских судах и морских паромах.

Системы откренивания судна применяют на судах с горизонтальным способом погрузки (суда типа ро-ро) для выравнивания крена. Применение этих систем повышает безопасность грузовых операций и обеспечивает надёжность работы въездной аппарели.

Автоматические швартовные лебедки применяют на судах с целью поддержания постоянного усилия в швартовном канате при стоянке судна в порту или на рейде. При увеличении натяжения каната лебедка включается и потравливает канат до тех пор, пока усилие в канате не уменьшится до заданного. При уменьшении натяжения каната лебедка включается и набивает канат.

3.Силы и моменты, действующие в системе электропривода

Статические моменты

В состав каждого электропривода входит рабочая машина, например, насос, грузовая лебедка, рулевая машина и т.п.

Каждая такая машина имеет рабочий орган, предназначенный для выполнения полезной работы. К рабочим органам относятся: у насоса - крыльчатка, у грузовой лебедки - крюк для подвески груза (гак), у рулевого устройства - перо руля и т.п.

Рабочая машина соединяется с двигателем через передаточное устройство (редуктор, понижающий или повышающий скорость врашения вала двигателя, ремень, муфту, и т.д.). В узлах рабочей машины, в передаточном устройств, а также и в двигателе при движении, возникают силы трения и инерции.

Силы трения и инерции препятствуют передаче механической энергии от двигателя к рабочему органу, снижают коэффициент полезного действия электропривода и создают момент, направленный противоположно электромагнитному моменту двигателя.

Момент, включающий затраты механической энергии на выполнение полезной работы и преодоление всех механических потерь в системе электропривода ,(в том числе и механических потерь в двигателе) называют моментом сопротивления или статическим моментом механизма.

Таким образом, к валу электродвигателя в системе электропривода приложены два момента:

1) электромагнитный момент, создаваемый двигателем;

2) статический момент (момент сопротивления механизма) , создаваемый рабочей машиной (исполнительным механизмом).

Важно подчеркнуть, что статический момент (момент сопротивления механизма) имеет механическую природу.

Статический момент (момент сопротивления) механизма включает две составляющих, соответствующих:

1. полезной работе, выполняемой рабочей машиной;

2. работе, затраченной на преодоление сил трения и инерции всех устройств электропривода (в том числе и механических потерь в электродвигателе, возникающих за счёт трения в подшипниках и инерции ротора или якоря).

Полезная работа совершается призводственным механизмом во время

выполнения соответствующей технологической операции. При совершении полезной работы происходит деформация материала(резка, ковка и т.д.) или изменяется потенциальная энергия тел (например в подьемных механизмах при подъёме или опускании грузов).

В некоторых механизмах совершение полезной работы происходит при незначительном превышении момента двигателя по сравнению с моментом трения и инерции (например передвижение крана по горизонтальным напраляющим и т.п.).

Работа трения и все механические потери, в призводственном механизме, при расчётах учитывается коэффициентом полезного действия (КПД) механических передач привода.

Например, при подьёме груза на высоту ? считают, что силы трения как бы увеличивают вес груза на некоторое дополнительное значение . Тогда работа приподьёме груза записывается следующим образом:



А = ?(+). (2.1)

В насосах потери учитываются некоторой фиктивной доплнительной высотой подачи. Момент, создаваемый силами трения, всегда направлен против движущего момента привода.

В зависимости от выполняемой электроприводом операции каждый из моментов может быть как движущим, так и тормозным.

Движущими или положительными называют моменты, направленные в сторону движения и вызывающие или способствующие движению.

Тормозные или отрицательные моменты направлены навстречу движению и препятствуют ему.

Виды статических моментов

Различают два вида статических моментов: активные (потенциальные) и реактивные.

Активным (или потенциальным) статическим моментом называют момент, который вне зависимости от направления движения всегда действует в одну сторону. Активные моменты называют потенциальными, так как они связаны с изменением потенциальной энергии. Такие моменты создают, например: масса поднятого груза, силы упругости предварительного сжатых, растянутых или скрученных упругих пружин .

Рис. 1.2. Активный (а) и реактивный (б) статический моменты

В системе координат щ (М) связь угловой скорости щ и статического активного момента М показана при помощи вертикальной линии, проходящей через 1-й и 4-й квадранты (рис. 1.2, а).

Активный статический момент -М ,созданный подвешенным грузом определяется следующей формулой

М=GR = const,

Где: G - вес груза; R - радиус барабана лебедки.

Активный статический момент имеет одно и то же значение при любой скорости, в том числе при скорости, равной нулю. Кроме того, направление этого момента не зависит от направления перемещения груза (вверх или вниз), это объясняется тем, что направление действия силы тяжести груза не зависит от того, поднимают, или опускают груз.

Реактивным статическим моментом называют момент, возникающий как реакция среды на движение электромеханической системы. Реактивный момент действует только во время движения и всегда навстречу ему. Поэтому при изменении направления движения реактивный момент изменяет направление действия и во всех случаях будет тормозным (отрицательным).

Реактивный момент создают силы трения, например, трение крыльчатки вентилятора о воздух, трение шестерней в редукторе и т.п.

В системе координат щ(М) связь угловой скорости щ и статического момента М показана при помощи вертикальных линий, проходящих через 1 -й и 3-й квадранты (рис. 1.2, б).

В общем случае статический момент представляет собой алгебраическую сумму моментов во всех частях рабочей машины. Если в электроприводе вентилятора создается только статический момент, то в электроприводе лебедки действую одновременно два момента - активный, созданный подвешенным грузом, и реактивный, созданный силами трения в редукторе и в двигателе.



Поэтому в общем случае статический момент находится как алгебраическая сумма реактивного и активного моментов, т.е.

М = ± М р ± М а. 331 27.02.13 (2.2)

Приведение статических моментов к валу электродвигателя

В простых по устройству механизмах рабочий орган соединен с электродвигателем непосредственно (напрямую). Например, в электроприводе насоса его крыльчатка закреплена непосредственно на валу электродвигателя. В этом случае статический момент, созданный крыльчаткой насоса, равен полезному моменту на валу электродвигателя. То есть, передача энергии от электродвигателя к насосу происходит без потерь. В более сложных по устройству механизмах, например, лебедках, брашпилях и т.п. используют передачи (редукторы). В этом случае в передаче возникают потери энергии, в результате чего статический момент механизма и полезный момент двигателя неодинаковы (больше полезный момент двигателя).

Механическая часть электропривода может быть сложной кинематической системой с большим количеством элементов. Каждый из элементов обладает упругостью, т.е. деформируется под нагрузкой, а в соединениях имеются воздушные зазоры. В инженерных расчётах можно пренебречь зазорами и упругостью элементов и принять механические связи между элементами абсолютно жёсткими.

При таком допущении движение одного элемента полностью характеризует движение всех элементов устройств электропривода, поэтому движение в электроприводе можно рассматривать на движении одного любого элемента. чил.27

Замена механической системы, в которой элементы с разными массами совершают вращательное и поступательное движения с разными скоростями, на один эквивалентный элемент (звено), движущийся с одной скоростью, называется п р и в е д е н и е м. чек.15

В качестве такого элемента, чаще всего, принимают вал двигателя, а все вращающиеся и поступательно движущиеся элементы приводят к скорости вращения вала двигателя, хотя в общем случае, скоростью приведения может быть скорость любого элемента. Для сохранения неизменными свойств реальной системы, приведение проводится с учётом постоянства запаса кинетической энергии системы до и после приведения.

Расчёт механической части электропривода сводится к расчёту движения обобщённого механического элемента, имеющего эквивалентную массу с приведенным моментом инерции, на эту массу воздействует электромагнитный момент двигателя - М и (суммарный) приведенный к скорости вала двигателя, статический момент (момент сопротивления) механизма - М.

Статический момент (момент сопротивления) механизма - Мвключает все механические потери в электроприводе, в том числе и механические потери в двигателе.чил.28.

Так как конечной целью расчёта сложных систем является выбор электродвигателя способного совершать полезную работу, то следует определить момент, который должен развивать двигатель для обеспечения установившегося (статического) режима работы.

Электропривод будет работать в установившемся (статическом) режиме (т.е. с постоянной скоростью), если момент двигателя будет равен по абсолютной величине и противоположно направлен статическому моменту сопротивления механизма.

Приведение масс, движущихся поступательно, к валу двигателя

Приведение масс, движущихся поступательно, к валу двигателя производится также на основе сохранения запаса кинетической энергии (2-13) при переходе от поступательного движения к вращательному движению



(2-13)

где:- кинетическая энергия поступательного движения;

-кинетическая энергия вращательного движения;

-скорость поступательного движения;

-масса, движущаяся поступательно;

-угловая скорость вала двигателя.

Из (2-13) получим момент инерции поступательного движения массы, приведенный к скорости вращения вала двигателя

= . (2-14)

Если в механизме имеются элементы с вращательным и поступательным движением, то суммарный момент инерции(2-12) - , приведенный к скорости вращения вала двигателя определяется как сумма (2-12) и (2-14).

(2-15)

моментов инерции вращающиеся частей приведенных к одной оси вращения и момента инерции поступательного движения массы, приведенного к скорости вращения вала двигателя.

Для приведения момента инерции вращательного движения к поступательному движению, момент инерции заменяют на приведенную массупоступательного движения



= . (2-16)

Заменив в (2-16) отношение скоростей на Я = - передаточное число получим (2-17)

(2-17)

Таким образом, многоэлементная электромеханическая система, без зазоров и упругих звеньев в передаче, посредством приведения заменена одномассовым элементом, имеющим момент инерции - приведенный к скорости вращения вала двигателя.

На одномассовый элемент, полученный посредством приведения, одновременно действует электромагнитнитный момент двигателя и статический момент (момент сопротивления механизма).

4.Основы механики электропривода

Режимы работы электропривода, динамический момент

Работа электромеханической системы электропривод - исполнительный механизм происходит при взаимодействии различных сил и моментов. Один из моментов создаётся электродвигателем, он приводит систему в движение и называется электромагнитным моментом , другие силы тормозят её (систему) и создают статический момент сопротивления - М. За положительное направление статического момента принимают направление, противоположное моменту двигателя.

Электропривод работает в двух режимах:

1. установившийся или статический режим, это режим при котором скорость привода не изменяется;

2. переходный или динамический режим, это режим при котором скорость изменяется.

Переходный режим может возникнуть в следующих случаях:

1. при изменении параметров двигателя, например, изменение сопротивления в цепи ротора; изменение числа пар полюсов статора и т.д.;

2. при изменении нагрузки механизма, например изменение подачи насоса, изменение величины сил трения якоря по грунтуи т.д.;

3. при изменении параметров судовой сети, например, при уменьшении величины напряжения или частоты тока во время включения электродвигателей большой мощности.

В переходном режиме электропривод переходит от одного установившегося режима к другому, при этом изменяются скорость, момент, и ток электродвигателя.

В установившемся режиме электромагнитный момент равен статическому моменту и противоположен ему по направлению, а привод работает с постоянной скоростью.

В установившемся режиме электромагнитный момент равен статическому моменту и противоположен ему по направлению,

а привод работает с постоянной скоростью

. (3-1)

Но в случаях ускорения или замедления привода возникает инерционный или динамический момент, который двигатель должен преодолеть. Во время преодоления динамического момента двигатель находится в переходном режиме.

В переходном режиме, к электромагнитному моменту двигателя и статическому моментудобавляетсядинамический момент , равный

, (3-2)

где:суммарный момент инерции всех элементов привода, приведенный к скорости вращения вала двигателя

-угловая скорость; - угловое ускорение.

Появление динамического момента объясняется действием сил инерции всех частей электропривода и исполнительного механизма.

Например, в электроприводе лебедки динамический момент появляется вследствие инерции якоря или ротора электродвигателя, шестерней редуктора, барабана лебёдки и т.д. Динамический момент увеличивает время пуска и остановки электропривода, а так же время достижения установившейся скорости. Для уменьшения динамического момента в двигателях специального исполнения уменьшают диаметр ротора и одновременно увеличивают длину ротора, с целью сохранения мощности двигателя. Такие двигатели применяют в электроприводах грузоподъемных механизмов. Их применение позволяет сократить время пуска и остановки электропривода, а значит, повысить производительность грузовых лебедок и кранов. Серии таких электродвигателей называются крановыми (название произошло от грузового крана).

Уравнение движения электропривода

Уравнение движения электропривода учитывает все силы и моменты, действующие в переходных режимах и имеет следующий вид:



. (3-3)

Уравнение движения (3-3) показывает, что электромагнитный момент двигателя уравновешивается: статическим моментом на его валуи

инерционным динамическим моментом .

В расчётах принимается, что при работе электропривода массы тел и их моменты инерции не изменяются.

Из анализа уравнения движения (3-3) следует, что:

1) при , происходит ускорение электропривода;

2. при ,происходит замедление электропривода;

3. при , ускорение равно нулю, привод работает в установившемся режиме (то есть с постоянной скоростью

).

Момент, двигателя, положительный, если он направлен в сторону движения привода. Если момент двигателя направлен в противоположную сторону, то он отрицательный.

Знак минус перед статическим моментом указывает на тормозящее действие механизма.

При спуске груза, раскручивании сжатой пружины, движении электротранспорта под уклон и т.п. перед статическим моментом ставитсязнак плюс, так как статический момент направлен в сторону движения привода и способствует движению исполнительного механизма.

Правая часть уравнения (3-3) динамический (или инерционный) момент - проявляется только при переходных режимах, то есть когда изменяется скорость привода.

При ускорении привода динамический момент направлен против движения, а при торможении в сторону движения, так как он поддерживает движение за счёт инерции.

Из уравнения движения электропривода (3-3) рассчитываются времена: пуска, разгона и торможения электропривода.

Время пуска двигателя в холостом режиме и под нагрузкой

Цикл пуска электропривода включает пуск и торможение ЭД. Для некоторых судовых механизмов пуски и торможения повторяются очень часто и оказывают существенное влияние на их работу. При расчете электроприводов механизмов необходимо знать длительность переходных процессов.

Время переходных процессов определим из уравнения движения.

t = (3-4)

Если динамический момент =const решение значительно упрощается. Найдем частное решение для наиболее типичных режимов работы электропривода.

Пуск двигателя в холостом режиме

Многие асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором при разгоне до рабочих скоростей развивают электромагнитный момент, который незначительно изменяется за время разгона. Поэтому этот разгонный момент можно принять равным среднему значению.

,



где;= 1.22.

Для рассматриваемого режима (пуск в холостую)

,

момент инерции, равен только моменту инерции двигателя, так как двигатель не нагружен механизмом. Из уравнения (3-4) получим tхх время разгона двигателя без нагрузки до скорости при холостом ходе

tхх = , (3-5)

где: скорость в режиме холостого хода;331 130313

= 2.

Пуск двигателя под нагрузкой

В отличие от пуска без нагрузки, при пуске нагруженного двигателя действует постоянный статический момент сопротивления, создаваемый механизмом =, и поэтому ЭД разгоняется пусковым моментомза времядо установившейся скорости, соответствующей моменту нагрузки. Из уравнения (3-4) получим время разгонадо установившейся скорости

Момент инерции, при пуске нагруженного двигателя, равен приведенному моменту инерции, так как двигатель нагружен механизмом.



.

Разгон двигателя от скорости до

Разгон двигателя от скорости допо действием динамического момента,=развиваемого двигателем, происходит за время, которое получим из уравнения (3-4),

= . (3-7)

Свободный выбег

Свободный выбег это время, через которое останавливается электропривод после отключения от сети. Движение электропривода происходит только под действием статического момента, так электромагнитный момент двигателя= 0. Воспользуемся уравнением (3-4) для определения времени свободного выбега:



Время торможения электропривода

Время свободного выбега за счет торможения статическим моментом бывает очень большим и часто не удовлетворяет требованиям электропривода и исполнительного механизма. Поэтому применяют различные способы электрического и механического торможения. Созданный тормозной моментускоряет остановку привода.

Статический момент может быть как тормозным и движущим. Это нужно учитывать при определении динамического момента.

Для данного случая статистический момент является тормозным. Время полной остановки определяется из уравнения (3-4).

.

Время изменения скорости электропривода

Рассмотрим изменение скорости двигателя от скорости допри линейном законе изменения динамического момента во времени.

Если двигатель работает на линейном участке механическая характеристика и нагрузка на валу двигателя изменяется по линейному закону, то динамический момент также будет линейной функцией скорости.



В этом случае конечная скорость достигается через время

=

=

Получим время, через которое изменяется скорость двигателя от значениядо:

Путь рабочего органа за время пуска и торможения

Для некоторых электрических приводов бывает необходимо определить угловой путь, который проходит точка рабочего органа за время пуска или торможения. При жесткой связи электродвигателя (ЭД) с рабочим органом этот путь будет пропорционален углу поворота вала ЭД. Путь за бесконечно малый промежуток времени определяется выражением:

Проинтегрировав получим:

По этой формуле можно найтиугол поворота вала ЭД при разгоне или торможении.

И затем, зная передаточное отношение рассчитать угол поворота.

5.Механические характеристики исполнительных механизмов и электрических двигателей

Момент и мощность вращательного движения

Ранее отмечали, что в электроприводе двигатель может работать в двигательном или тормозном режимах, развивая соответствено вращающий или тормозящий момент.

Момент и мощность, вращательного движения для любой машины или дигателя связаны известным из механики соотношением:

(4-1)

где: - мощность [Вт];

-момент [Нм];

-угловая скорость [Рад/сек].

В расчетах мощность двигателя выражают в кВт, а вместо угловой скорости - , в практических расётах пользуются частотой вращения - n [об/мин] количество оборотов в минуту.

Тогда уравнение 4-1 принимает вид

кВт (4-2)

Нормальная безаварийная работа двигателя возможна только тогда, когда его действительный режим работы не превышает условий номинального режима. Для работы в номинальном режиме электродвигатель построен заводом изготовителем.

Номинальный режим характерезуется номинальными: мощностью, напряжением, частотой тока, оборотами и некоторыми другими параметрами. Номинальные велечины указывают на щитке и в паспорте электродвигателя и приводят в каталогах на электродвигатели.

Номинальный момент, в паспорте не указывается, его вычисляют по номинальной мощности двигателя:

(4-3)

В курсе электрические машины было показано, что скорость элктродвигателя зависит от нагрузки на валу, т.е. от статического момента (момента сопротивления) механизма.

Изображение характеристики механизмов в теории электропривода

Зависимости или() называются механическими характеристиками.

Механические характеристики исполнительных механизмов - это зависимости между приведенными к валу двигателя скоростью и статическим моментом (моментом сопротивления) механизма.

Для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропиривода необходимо соответствие механических характеристик двигателя и характеристик исполнительных механизмов.

В отличие от двигателей значение статического момента (момента сопротивления) механизма часто зависит от скорости рабочего органа. И механические характеристики исполнительных механизмов в технической документации представляют (4-4) функцией статического момента - от угловой скорости- щ, т.е



= f(щ). (4-4)

Но для удобства совместного рассмотрения механических характеристик электродвигателя и механизма, характеристику исполнительного механизма изображают как функцию скорости , приведенной к валу двигателя от статического момента механизма, т.е

. (4-5)

Рабочие механизмы создают статические моменты .

Для любого электродвигателя входной величиной является статический момент механизма, а выходной - его скорость, то есть скорость двигателя является функцией момента щ().

Для механизмов, наоборот, входной величиной является скорость щ, а выходной статический момент механизма , статический момент механизма является функцией скорости(щ).

Это означает, что при любом изменении скорости механизма или скорости двигателя будет изменяться статический момент (момент сопротивления) механизма .

Рассмотрим типичные зависимости статического момента сопротивления от угловой скорости.

Различают два основных вида механических характеристик судовых исполнительных механизмов:

1. Крановые, когда при изменении скорости в широких пределах статический момент не изменяется ( рис. 4.1а, характеристика 1 ).

Такая характеристика описывается уравнением



(щ)= сonst (4- 6 )

т.е. статический момент механизма не зависит от щскорости дигателя.

2. Вентиляторные, у которых статический момент механизма пропорционален квадрату скорости ( рис. 4.1а, характеристика 2 ).

Такая характеристика описывается уравнением

= + Д, (4- 7 )

где - момент холостого хода, без нагрузки на валу дигателя ;

Д= сщ- момент, создаваемый рабочим органом механизма при выполнении полезной работы (с - постоянный коэффициент, щ - угловая скорость вала механизма).

Рис. 4.1. Механические характеристики механизмов с крановыми характеристиками 1 и вентиляторными 2: а - в системе координат (щ) момент функция скорости ; б - преобразованные в системе координат скорость функция момента щ().

Крановые характеристики имеют механизмы грузовых кранов, лебедок, брашпилей, т.е. механизмов, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести. Статический момент крановых механизмов определяется следующим выражением



= GD/2 = const, ( 4-8 )

где G - вес груза (у брашпилей - вес якоря с цепью);

D - диаметр грузового барабана(для брашпилей - якорного барабана, барабана швартовной лебёдки).

Вентиляторные характеристики имеют: центробежные насосы вентиляторы, гребные винты, компрессоры и другие механизмы, для которых сопротивление технологической среды (вода, масло, газы) зависит от квадрата скорости рабочего органа (крыльчатка, лопости и тд.).

У механизмов с вентиляторными характеристиками условия пуска - легкие, т.к. при пуске на валу механизма действует небольшой момент холостого хода, создаваемый только силами трения в элементах привода, а момент, создаваемыйтрением о среду равен нулю сщ= 0 при пуске так как .

Однако при увеличении угловой скорости - трение лопастей о воздух, воду или другую среду увеличивается ипо мере разгона статический момент механизма резко увеличивается за счет того, что к моменту холостого хода , добавляется тормозящий момент момент Д= сщ, пропорциональный квадрату скорости.

Для изображения механических характеристик двигателей в теории электропривода принято использовать систему координат

щ(),

а для механических характеристик механизмов - «перевернутую» систему координат

(щ).

Применение разных систем координат для двигателей и механизмов создает трудности при рассмотрении электромеханических свойств электропривода, состоящего из электродвигателя и механизма.

Поэтому на практике для изображения механических характеристик двигателей и механизмов принята единая система координат щ(), т.е система, принятая для механических характеристик электродвигателей.

В этой системе координат щ(), механические характеристики механизмов показаны на рис. 4.1б.

Рис.4.2 Механические характеристики исполнительных механизмов в системе координат щ():1 - статический момент сопротивления механизма пропорционален квадрату угловой скорости; 2 - статический момент сопротивления механизма пропорционален угловой частоте вращения; 3 - статический момент сопротивления механизма не зависит от угловой частоты вращения вала механизма.

Статические моменты судовых механизмов

Статический момент (момент сопротивления) пропорционален частоте вращения (рис.4.2, кривая 2). В такой режим входит двигатель постоянного тока при динамическом торможении, когда якорь двигателя замкнут на резистор, а ток возбуждения не изменяется.

Статический момент (момент сопротивления) не зависит от частоты вращения (кривая 3). Характерно для подъемных кранов, лебедок, поршневых насосов при подъеме воды на постоянную высоту, транспортеров, конвееров с постоянной передвигаемой массой. Для пуска и ускорения таких механизмов двигатель должен развивать пусковой момент значительно больший их статического момента.

Данные о статическом моменте (моменте сопротивления) механизма приводятся в технической инструкции. Для некоторых механизмов статический момент (момент сопротивления) зависит от траектории движения исполнительного механизма (от угла поворота). Например, в поршневом компрессоре, ножницах для резки металла, приводе рулевого устройства (Рис.4.3).

Рис 4.3 Механическая характеристика поршневого компрессора. Статический момент сопротивления зависит от траектории движения исполнительного механизма

Иногда статический моментизменяется из-за изменения свойств обрабатываемого механизмами материала (вещества). И закономерности изменения момента сопротивление от скорости нельзя выразить ни графически, ни аналитически (например камнедробилки, бетономешалки).

Для электродвигателей угловая скорость и элетромагнитный момент связаны одинаковой зависимостью и обуславливают друг друга.

Статические моменты судовых механизмов могут быть функциями различных величин и поэтому признаку делятся на пять классов.

Моменты, не зависящие от параметров движения = const (для грузоподъемных механизмов).

1. Моменты, зависящие от скорости: = f(щ) для электромеханических преобразователей. Центробежных насосов, вентеляторов.

2. Моменты, зависящие от пути (угла поворота) =f(б). Для шпилей, брашпилей.

3. Моменты, зависящие от скорости и угла поворота. =f(). Для электромеханических рулевых устройств.

4. Моменты, зависящие от времени = f (t). Для буксирных лебедок.

В общем случае статический момент механизма выражается уравнением,

+ () (4-9)

где:

-начальный статический момент, создаваемый трением.

-номинальный момент нагрузки, соответствующий номинальной

скорости .

x - коэффициент нагрузки (выбирается в зависимости от характера нагрузки).

показатель степени, определяющий характер зависимости от

угловой скорости Размещено на http://www.allbest.ru/

,(1 << 2) выбирается от1 до +2( для вентиляторов 2).

(4-10)

Изображение характеристик исполнительного механизма при работе в электроприводе с разными двигателями

Все электродвигатели обладают свойством саморегулирования (подробно свойство саморегулирования будет рассмотрено далее) и развивать момент равный моменту сопротивления механизма [гер 444].

Любой производственный механизм после включения электродвигателя, через некоторое время, входит в установившийся режим при этом скорость двигателя устанавливается постоянной.

Установившемуся режиму соответствует равновесие статического момента сопротивления механизм - и электромагнитного момента двигателя - при определённой скорости, т.е.

После достижения равновесия между моментами в электроприводе устанавливается постоянная или установившаяся скорость движения.

Значение установившейся скорости легко определить графически, если механическую характеристику механизма (например вентилятора - кривая 1 (рис 4.2) построить в осях, вместо(на графике() в одном масштабе (рис. 4.4).

На рисунке 4.4 приведены механические характеристики трёх видов двигателей (синхронного СД, асинхронного АД, двигателя постоянного тока ДПТ) и механизма с вентиляторной механической характеристикой . Точки пересечения характеристик (а, в, с) соответствуют установившемся скоростям валов двигателей и вентилятора при подключении вентилятора отдельно к каждому из двигателей.

Механическая характеристика двигателя и механизма позволяет определить скорость, момент, мощность и диапазон регулирования скорости D = , если её нужно регулировать двигателем.

Механическая характеристика необходима так же для определения времени перехода от одной скорости к другой, например, при пуске и остановке, так как от времени перехода зависит производительность и экономичность показателей всего устройства.

Рис. 4.4 Механические характеристики

Любые изменения нагрузки рабочего механизма, включение или выключение двигателя, подключение резисторов в силовую цепь двигателя, изменение напряжения и т.д. - все эти изменения приводят к ускорению или замедлениюскорости привода ипоявлению динамического момента , который нагружает либо разгружает вал электродвигателя

. (4-11)

Что бы определить возможные перегрузки двигателя (по моменту и мощности) во времени нужно знать, как изменяется момент, и мощность двигателя во времени (в течение рабочего цикла), то есть иметь нагрузочную диаграмму элетропривода.

Режимы работы электродвигателей в квадрантах системы координат угловая скорость - момент щ (m)

Как указывалось выше за положительное направление статического момента сопротивления механизма принято направлениепротивоположное направлению электромагнитного момента двигателя .

Механические характеристики изображают на плоскости в прямоугольной системе координат с осями и(рис. 4.5). Положение точки на плоскости, характеризуемое двумя координатамии,определяет режим работы электродвигателя.

При принятых положительных направлениях для иточка установившегося режима определяется точкой пересечения характеристик двигателя и механизма за исключением осей координат.

Любая точка квадрантов I и III, где знаки скорости и момента одинаковы, соответствует положительному значению мощности, то есть полезной работе, совершаемой двигателем (произведение момента на скорость получается положительным).

Двигатель прищ > 0, то есть полжительной мощности ( преобразует электрическую энергию в механическую.

Наоборот, точки квадрантов II и IV, где знаки скорости и момента не совпадают , относятся к потреблению двигателем механической энергии (щ < 0).

В случае щ < 0 двигатель преобразует механическую энергию в электрическую.

Электрическая машина в двигательном режиме развивает движущий момент, а в генераторном тормозной момент.



Рис. 4.5 Области двигательного и генераторного режимов электропривода на плоскости и.

В отличие от двигательного режима, генераторных режимов может быть несколько, в зависимости от того, как используется преобразованная электрическая энергия.

Преобразованная электрическая энергия -- это энергия, полученная при переходе механической энергии двигателя в электрическую (например при спуске груза или движении транспортного средства под уклон).

Генераторные режимы энергетически классифицируются следующим образом.

1. Генераторный режим с отдачей энергии в сеть -- это режим рекуперативного торможения.

В этом случае преобразованная электрическая энергия за вычетом потерь отдается машиной в сеть. Баланс мощностей выражается следующим образом:



где: РМ - механическая мощность на валу двигателя;

РЭ - электрическая мощность, поступающая в сеть;

-мощность потерь в силовых цепях двигателя.

Переход из двигательного режима в режим рекуперативного торможения возможен при повышении скорости двигателя сверх скорости, идеального холостого хода, когда = 0. Факт получения тормозного момента в двигателе с одновременной отдачей им энергии в сеть позволяет считать данный режим торможения экономичным.

2. Режим торможения противо-включением.

В этом случае электрическая машина потребляет как механическую энергию с вала, так и электрическую энергию из сети. Суммарная энергия расходуется в силовых цепях двигателя в виде потерь мощности , т. е.

Этот режим характеризуется большими электрическими потерями.

3. Режим динамического торможения. В этом случае на потери в силовой цепи двигателя расходуется только преобразованная электрическая энергия. Энергию из сети машина не получает она отключена от сети , т. е.

Вся механическая мощность РМ -на валу двигателя превращается в - мощность потерь в силовых цепях двигателя.

Для осуществления режимадинамического торможения двигатель обычно отключают от сети и в его силовую цепь вводят дополнительное сопротивление.

В отдельных случаях электрическая машина, подключенная к питающей сети, может тем не менее не обмениваться с ней активной мощностью, а потреблять механическую мощность с вала и преобразовывать ее в потери, т. е. также работать в режиме динамического торможения.

Выражения (1-40)--(1-42) учитывают мощности и потери только в процессе электромеханического преобразования энергии из электрической в механическую.

Потери, связанные с созданием магнитного потока машины, не включены в балансы мощностей. На рис. 4.6 показаны возможные энергетические режимы двигателя.

Граничные режимы, отделяющие двигательные режимы от генераторных, соответствуют определенным точкам на координатных осях (рис.4.5).

Там, где = 0 при, имеет место так называемыйидеальный холостой ход двигателя. Чтобы машина могла работать в данном режиме, требуется к ее валу подвести небольшую мощность, компенсирующую механические потери и дополнительные потери вне силовых цепей.

При = 0 иимеет место так называемый режимкороткого замыкания. В этом случае механическая мощность равна нулю, а потребляемая из сети электрическая энергия полностью ра



Рис. 4.6 Энергетические диаграмм режимов работ двигателя

6.Выбор электродвигателя в системе электропривода

Задачи выбора электродвигателя (эд)

Производительность любого механизма, экономичность использования, длительность его работоспособности при выполнении каких либо операций, функций во многом зависит от электродвигателя.

Правильный выбор электродвигателя и его номинальной мощности имеет большое экономическое значение, так как определяют первоначальные капитальные затраты и стоимость эксплуатационных расходов электроприводов (ЭП)

В каталогах приводятся номинальные данные о механической мощности двигателя, частоте вращения вала, а так же и кратности пускового тока, пускового и максимального моментов асинхронных двигателей (по отношению к соответствующим номинальным величинам). В каталогах приводятся так же сведения о массе, габаритных и установочных размерах ЭД, его конструктивном исполнении.

В задачу выбора ЭД входит:

· выбор рода тока и номинального напряжения;

· выбор номинальной частоты вращения;

· выбор конструктивного исполнения;

определение номинальной мощности и выбор соответствующего двигателя по каталогу.

Не всегда требуется решать весь комплекс этих вопросов. Часть их бывает заданной: род тока, напряжение, частота вращения (на судне определены судовой электростанцией). Поэтому задача выбора ЭД сводится к правильному определению мощности и конструктивного типа двигателя.

Прежде чем решать задачу выбора ЭД, необходимо представить работу механизма, для которого его выбирают: будет ли двигатель с механизмом работать длительно или кратковременно, с постоянной или переменной скоростью, будет ли изменятся момент сопротивления механизма и мощность при работе. Ответы на эти вопросы могут дать нагрузочные диаграммы.

Выбор рода тока и напряжения эд

В основу этого выбора положены экономические соображения, ЭД - имеют высокую стоимость так как являются сложными изделиями с использованием ценных материалов, их срок службы до 20 лет.

Выбор начинают с определения пригодности для привода с самых простых и дешевых трех фазных АД с КЗ-ротором и заканчивают самыми сложными и дорогими - ДПТ - двигателями постоянного тока.



Таблица. Типы двигателей в зависимости от назначения

Тип	Назначение
АД с КЗ-ротором нормального исполнения	Для нерегулируемого привода, не требующего большого пускового момента, при Р?100 кВт.
АД с глубокопазным КЗ-ротором или с двойной беличьей клеткой	Для нерегулируемого привода, требующего большого пускового момента.
АД с контактными кольцами	Частые пуски при больших пусковых моментах и небольших токах, регулирование скорости (реостатное регулирование не экономичное).
Синхронный двигатель	Для нерегулируемого привода в длительном режиме работы, регулирование cos (при Р?100кВт, СД экономичнее АД).
Двигатель постоянного тока	Регулирование скорости в широком диапазоне, обеспечение хороших пусковых свойств, большая перегрузочная способность.

Выбор рода тока ЭД определение и выбор его номинального напряжения определяются судовой электростанцией (СЭС)

Повышение или понижение для ЭД с помощью трансформаторов, применение выпрямителей для ДПТ приводит к увеличению затрат на электро оборудование (ЭО).

Выбор номинальной скорости эд

Высокая скорость ЭД позволит уменьшить его габаритные размеры, массу и стоимость при той же мощности. Рабочие механизмы (лебедки, краны, турачки и т.д.), наоборот требуют пониженных скоростей. Для согласования скоростей ЭД и механизма используют редуктор (как правило у ЭД скорость больше чем у рабочего механизма). Применение редуктора удорожает электропривод. Рациональное соотношение ЭД-редуктор определяется конструктором ЭП при проектировании механизмов и мы не будем рассматривать расчеты этого соотношения.

Выбор конструктивного исполнения ЭД

Конструктивное исполнение серий ЭД учитывает три фактора:

· Защиту от воздействия окружающей среды

· Обеспечение охлаждения

· Способ монтажа

По способу защиты от воздействия окружающей среды ЭД изготавливают в трех исполнениях: в защищённом, закрытом и взрывонепроницаемом исполнениях.

Защищённые от попадания мелких предметов капель воды и капель влаги ЭД предназначены для работы в сухих непыльных помещениях.

Закрытые ЭД устанавливают в помещениях с повышенной влажностью, загрязненных пылью с металлическими включениями, парами масла или керосина.

Взрывозащищенные ЭД собраны в корпусе, способном выдержать взрыв газа внутри машины и исключить выброс пламени в окружающую среду. На корпусе отлит знак ВЗГ (Взрывобезопасный в газовой среде).

По способу охлаждения - различают ЭД с естественным охлаждением, самовентиляцией внутренней или наружной и принудительным обдувом.

По способу монтажа имеются ЭД с горизонтальным расположением вала и станины на лапах, расположением вала и фланцем на нижнем щитке и т.д. Выбираемый ЭД должен иметь тот же способ установки, крепление и соединение с механизмом, как и заменяемый (вышедший из строя).

Выбор двигателя по мощности

Производят по каталогу по необходимой номинальной мощности. Номинальную мощность легко определить при длительной работе с постоянной нагрузкой, на которую двигатель спроектирован заводом изготовителем , эту мощность и принимают за номинальную.

На практике в подавляющем большинстве случаев момент, мощность и ток ЭД изменяется во времени.

...