Работа электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электропривод - это техническая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машины и целенаправленного управления рабочими процессами, состоящая из электродвигательного, передаточного, преобразовательного и информационно-управляющего устройств.

Дайте определение электропривода в виде структурной схемы.

Взаимная связь элементов, входящих в состав электропривода в общем виде представлена на рис. 1.1 в виде структурной схемы.

ИЭ - источник энергии, ЭП - эл.преобразователь, ЭМП - электромех-ий преобраз-ль, МП -мех-ий преобраз-ль, РО - рабочий орган, РМ - рабочий механизм, СУТП - система управления технолог-им процессом, УУ - управляющее устройство, Д- датчики, ТП - технолог-ий процесс.

1-электрическая сеть, 2-преобразовательное устройство(тр-р, преобраз.), 3-ЭД. 4-передаточное устройство(редуктор), 5-рабочий орган, 6-устройство управления.

Основным элементом любого электропривода 6 служит электрический двигатель 1, который вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет потребляемой электрической энергии, т.е. является электромеханическим преобразователем энергии. От электродвигателя механическая энергия через передаточное устройство 9 (механическое, гидравлическое, электромагнитное) подается на исполнительный орган 7 рабочей машины 8, за счет чего тот совершает требуемое механическое движение. Функция передаточного устройства заключается в согласовании параметров движения электродвигателя и исполнительного органа.



1. Механика ЭП. Осн. ур-е дв-я ЭП. Его анализ

При выборе параметров электродвигателя, приводящего в движение рабочий механизм, очень важно разрешение вопроса о совместном действии вращающего момента, развиваемого электродвигателем и момента сопротивления механизма. Исследование характера движения рабочего агрегата или его отдельных органов может быть произведено на основе решения уравнений движения.

Уравнение движения электропривода может быть непосредственно получено на основании второго закона Ньютона или с помощью рассмотрения энергетического баланса системы «двигатель - рабочая машина».

Изберем первый путь. Движение отдельных элементов электропривода может быть как поступательным, так и вращательным.

Рассмотрим поступательное движение.

, (4.1)

где - движущая сила;

- сила статического сопротивления;

- сила инерции.

Все силы в H. Для установившегося движения справедливо следующее равенство:

, = const, =0.

Рассмотрим вращательное движение.



, Н·м, (4.2)

Где - вращающий момент;

- момент сопротивления;

- инерционный момент.

Рассмотрим случаи:

1) = const, = 0, - установившийся режим работы;

2) , - имеет место ускорение электропривода;

3) , - имеет место замедление электропривода.

Условия, при которых и , т.е. ускорения отличны от нуля, определяют динамические режимы; неуравновешенная составляющая сил или моментов, определяющая ускорение, называется динамической силой или моментом:

; (4.3)

. (4.4)

При использовании уравнения (4.2) важно условиться относительно знаков моментов, входящих в него.

Обычно одно из возможных направлений движения какого-нибудь рабочего органа принимается за положительное, противоположное - за отрицательное. Часто в качестве органа, по направлению движения которого определяют знак момента, выбирают электродвигатель. Одно из направлений его вращения принимают за положительное, противоположное - за отрицательное. Знак момента, развиваемого двигателем, зависит от характера включения последнего. В случае совпадения направлений действия момента с положительным направлением вращения момент считается положительным.

Т.е. вращающий момент, развиваемый электродвигателем привода механизма, может быть:

· положительным, если его направление совпадает с направлением скорости вращения;

· отрицательным - при противоположном направлении.

По характеру действия силы и моменты сопротивления можно разделить на две категории:

· активные или потенциальные;

· реактивные.

Активными называют силы или моменты, обусловленные внешними по отношению к элементу источниками механической энергии и действующие независимо от движения элемента. Так, активными будут силы или моменты, создаваемые в двигателе и прикладываемые к его подвижному элементу, входящему в механическую часть привода. В дальнейшем будем выделять эту группу активных сил или моментов, поскольку их формирование - важная функция электропривода. Активными являются статические моменты от веса, сжатия, растяжения и скручивания упругих тел. Действие их связано с изменением потенциальной энергии отдельных элементов системы.

Характерная особенность активных сил и моментов - независимость направления их действия от направления движения. Так, статический момент Мс (в дальнейшем статические нагрузки в отличие от динамических будем отмечать индексом «с»), обусловленный весом груза, всегда - и при подъеме, и при спуске - направлен в одну сторону.

Реактивными называют силы и моменты, возникающие как реакция на движение и всегда направленные против движения. Характерным примером могут служить силы и моменты трения: они всегда сопровождают движение и всегда противодействуют ему. Реактивными являются силы и моменты, обусловленные неупругой деформацией или каким-либо разрушением материалов - резанием металла, деформацией слитка валками прокатного стана, разрушением горной породы ковшом экскаватора и т.п.

4 Приведение движения элементов электропривода к одной оси вращения. Приведение моментов сопротивления. Кинематическая схема электропривода состоит из элементов, имеющих только вращательное движение.

Если рабочий орган машины непосредственно связан с валом электродвигателя, то для анализа движения электромеханической системы «двигатель - рабочий орган» можно пользоваться уравнением (5.1).

(5.1)

Такая кинематическая схема характерна, например, для вентиляторов, насосов и других машин.Обычно же двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдельные элементы которой движутся с различными скоростями.

Для того, чтобы избежать трудоемкого решения уравнений движения для различных скоростей отдельных валов движущихся элементов системы при разрешении вопросов, требующих применения уравнений движения, все моменты сопротивления и моменты вращающихся масс отдельных элементов электропривода, приводят к угловой скорости какого-либо одного вала и относительно этого вала составляют и решают уравнения движения.

Обычно движущиеся массы звеньев Электропривода приводят к угловой скорости вращения вала электродвигателя.



Примем следующие допущения: система жесткая, без зазоров; моменты инерции, относящиеся к основным валам, неизменны, относящиеся к промежуточным валам, если такие есть, равны нулю; отношение и КПД передачи - постоянны.

Приведение моментов сопротивления.

В установившемся режиме:

,

где - развиваемый двигателем момент;

- момент статического сопротивления на валу двигателя.

Приведение моментов сопротивления может быть произведено на основании энергетического баланса системы

, (5.2)

где - мощность на валу механизма;

- мощность на валу двигателя;

- КПД передачи.

Статическая мощность ЭД:

, кВт

, откуда . (5.3)

Введем понятие передаточного числа . (5.4)

Если в ЭП несколько передач, то

,

Где - передаточные числа ступеней.

С учетом этого . (5.5)

2. Приведение моментов инерции (маховых моментов) Кинематическая схема электропривода состоит из элементов, имеющих только вращательное движение

Основано на том, что величина суммарного запаса кинетической энергии движущихся частей привода, отнесенная к одной оси, остается неизменной.

Кинетическая энергия твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси:

. (5.6)

Заменим все вращающиеся массы вращением одной массы со скоростью ().

Запас кинетической энергии во всех вращающихся массах системы на рисунке:

(5.7)

Тогда . Разделим обе части этого равенства на , тогда получим:

.

Но так как , , , то получим:

(5.8)

Так как , то выражение выше может быть записано следующим образом:

. (5.9)



Выводы:

1. Момент сопротивления, приведенный к валу ЭД, зависит от передаточного числа между валом ЭД и валом механизма.

2. Момент инерции (маховый момент) отдельного элемента системы ЭП влияет на величину приведенного момента инерции (махового момента) тем меньше, чем меньше его угловая скорость.

3. Для получения приведенного момента инерции (махового момента) следует определить моменты инерции (маховые моменты) отдельных элементов системы ЭП с учетом их передаточных чисел.

4. Обычно в практических расчетах вращающиеся элементы ЭП, кроме вращающихся на валу ЭД, учитывают приближенно с помощью коэффициента =1,05…1,25 в зависимости от числа промежуточных передач.

Т.е.,

,

6 Приведение моментов сопротивления Кинематическая схема электропривода имеет элементы, движущиеся поступательно.

Часто в рабочей машине один из элементов совершает вращательное, а другие - поступательное движения (подъемный кран, строгальный станок).

На основе энергетического баланса () мощность на валу двигателя в установившемся режиме , или .

Полезная мощность рабочего механизма при установившемся режиме работы ЭП () .

Отсюда или , Н·м.

Здесь - сила сопротивления механизма, Н;

- скорость поступательного движения, м/с.

Поскольку , то , Н·м. (5.10)

3. Приведение моментов инерции (маховых моментов) масс, движущихся поступательно, к одной оси вращения

Основание: равенство кинетической энергии на валу ЭД и на валу рабочего механизма.

, (5.11)

Где - масса поступательно движущихся элементов ЭП;

, а радиус приведения .

Приведенный маховой момент:



, (5.12)

где - вес элементов ЭП, движущихся поступательно, Н.

4. Общая формула приведения

Если в системе ЭП имеются вращающиеся массы, расположенные на различных валах, и поступательно движущиеся массы, то общие формулы для моментов инерции (махового момента), приведенные к угловой скорости вала ЭП, примут вид:

; (5.13)

. (5.14)

Пример 1.Определить приведенный к угловой скорости момент статического сопротивления при подъеме груза и приведенный момент инерции механизма подъемной лебедки с грузом.

Дано:

(вес груза) = 1000 Н

(скорость подъема) = 36 м/мин

(диаметр барабана) = 0,5 м

= 78 рад/сек

= 0,08 кг·м2

(момент инерции муфты и деталей на валу ЭД) = 0,05 кг·м2

(К.П.Д. передачи барабана и каната) = 0,8

Решение:

кг·м2

или Н·м2.

Угловая скорость барабана:

рад/с .

Момент статического сопротивления при подъеме груза, приведенный к угловой скорости вала ЭД:

Н·м.

Примечания:

1 Уравнения движения с использованием маховых моментов и числа оборотов в минуту кажутся более удобными для практического применения, поскольку скорость вращения обычно измеряется в об/мин, и маховые моменты якорей или роторов электродвигателей приводятся в каталогах.

2 При отсутствии каталожных данных маховой момент двигателя может быть определен экспериментально по методу крутильных колебаний, маятниковых колебаний, методом падающего груза, методом свободного выбега и др.[1,с.184-188].



5. Механические характеристики производственных механизмов

Зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью и моментом сопротивления механизма называют механической характеристикой производственного механизма.

Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками.

Эмпирическая формула механической характеристики производственного механизма:

, (4.5)

где - момент сопротивления производственного механизма при скорости ;

- момент сопротивления производственного механизма при скорости ;

- момент сопротивления трению в движущихся частях механизма;

- показатель степени, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении скорости.

В соответствии с формулой (4.5) механические характеристики производственных механизмов можно ориентировочно классифицировать на следующие основные категории:

· не зависящая от скорости механическая характеристика. На рисунке 2

- прямая 1. При этом х = 0 и не зависит от скорости.

Примеры: подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой передвигаемого материала. Сюда же можно отнести с известной степенью приближения все механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения, т.к. обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало;

· линейно-возрастающая механическая характеристика. На рисунке 2

- прямая 2. При этом х = 1.

Примеры: привод генератора постоянного тока с независимым возбуждением, где последний работает на постоянный внешний резистор;

· нелинейно-возрастающая (параболическая) характеристика. На рисунке 2 - кривая 3. Ей соответствует х = 2. зависит от квадрата скорости;

Примеры: вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и т.п.;

· нелинейно-спадающая механическая характеристика. На рисунке 2 - кривая 4. При этом х = - 1. Момент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной.

Примеры: некоторые токарные станки, фрезерные и другие металлорежущие станки, моталки в металлургической промышленности и т.п.



Конечно, эти характеристики не исчерпывают всех практически возможных характеристик, но дают представление о характеристиках некоторых типовых производственных механизмов.

6. Механические характеристики электродвигателей. Установившиеся режимы

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента.

Почти все электродвигатели обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя. Однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью их механических характеристик.

Жесткость механической характеристики электропривода - это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых электродвигателем, к разности угловых скоростей электропривода, т.е.

. (4.6)

Обычно на рабочих участках механические характеристики двигателей имеют отрицательную жесткость в < 0.

Линейные механические характеристики обладают постоянной жесткостью.

В случае нелинейных характеристик их жесткость не постоянна и определяется в каждой точке как производная момента по угловой скорости:

.

Понятие жесткости может быть применено и к механическим характеристикам производственных механизмов. Эти характеристики можно оценить жесткостью:

.

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на 4 категории:

· абсолютно жесткая характеристика (в = 0 )- это характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной (Рисунок 4, прямая 1). Примеры: синхронные двигатели;

· жесткая механическая характеристика, при которой скорость с изменением момента хоть и изменяется, но незначительно (Рисунок 4, прямая 2 ). Примеры: двигатель постоянного тока независимого, параллельного возбуждения, асинхронные двигатели в пределах рабочего участка, двигатели смешанного возбуждения;

· мягкая механическая характеристика - это характеристика, при которой с изменением момента скорость изменяется значительно (Рисунок 4, кривая 3). Примеры: двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, особенно в зоне малых моментов, двигатели со смешанным возбуждением;

· абсолютно мягкая характеристика (в=) - это характеристика, при которой момент двигателя при изменении скорости остается неизменным (Рисунок 4, прямая 4). Примеры: двигатель постоянного тока независимого возбуждения при питании их от источника тока или при работе в замкнутых системах электропривода в режиме стабилизации тока якоря.

7. Установившиеся режимы

Работе электродвигателя и производственного механизма в установившемся режиме соответствует равновесие момента сопротивления механизма и вращающего момента двигателя при определенной скорости вращения:

Изменение момента сопротивления на валу двигателя приводит к тому, что скорость двигателя и момент, который он развивает, могут изменяться автоматически, и привод будет устойчиво работать при другой скорости вращения.

Пример: механизм конвейера.

1- соответствует моменту сопротивления при холостом ходе конвейера;

2- соответствует моменту сопротивления при нагруженном конвейере;

3- механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

Для восстановления равновесия между изменившимся моментом сопротивления и моментом двигателя во всех неэлектрических двигателях требуется участие специальных регуляторов, которые воздействуют на источник энергии, увеличивая или уменьшая соответственно подачу воды, топлива или пара.

В электрических двигателях роль автоматического регулятора может выполнять ЭДС двигателя (4.7)

. (4.7)

Эта особенность - автоматически поддерживать равновесие системы при изменяющемся моменте сопротивления - является ценным свойством электродвигателя. Условия работы электропривода в установившихся режимах характеризуют статическую устойчивость привода. Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от установившегося значения привод возвратится в точку установившегося режима. При неустойчивом движении любое, даже самое малое, отклонение скорости от установившегося значения приводит к изменению состояния привода - он не возвращается в точку установившегося режима. Привод статически устойчив, если в точке установившегося режима выполняется условие

(4.8)

или Пример: имеется асинхронный двигатель. Используем его для привода конвейера (Рисунок 6, характеристика а) и вентилятора (Рисунок 6, характеристика б). Определим, устойчивы ли эти системы.



В точке 1 система статически устойчива, так как любое выведение систем (АД - конвейер) и (АД - вентилятор) из равновесия приводит к тому, что системы в том и другом случае возвращаются в точку установившегося режима.

В точке 1' система (АД - конвейер) неустойчива, так как любое выведение системы из равновесия вызывает дальнейший уход системы от точки установившегося режима.

Обычно при проектировании электропривода механическая характеристика производственного механизма является уже заданной. Поэтому для получения устойчивой работы в установившихся режимах для определения скоростей вращения и моментов сопротивления производственного механизма необходимо подбирать механическую характеристику электродвигателя соответствующей формы.

Иногда для получения требуемых механических характеристик приходится применять специальные схемы включения электрических машин и аппаратов.

8. Графический метод интегрирования уравнения движения (метод пропорций)

Сущность этого метода заключается в замене бесконечно малых приращений скорости и времени малыми, но конечными приращениями Dw и Dt.

Действительные кривые w=f(M) и w=f(Mс) заменяются ступенчатыми. На каждом участке значения М и Мс или их алгебраическая сумма принимаются постоянными и равными их среднему значению на этом участке, т. е. предполагается, что в уравнение движения электропривода подставляются средние значения М и Мс.

В соответствие с этим уравнение движения можно представить, в виде

Считая, что в интервале времени Dt разность Мср-Мс. ср остается величиной постоянной; получим пропорцию

Для графического построения все входящие в нее величины должны изображаться в соответствующих масштабах. Они связаны между собой соотношением

Пропорция, выраженная в отрезках на осях, будет иметь вид

Произвольно выбираются 3 масштабных коэффициента (обычно mM, mw, mt).



Этот метод сводится к графическому построению кривых w=f(t) и M=f(t) и определению времени переходного процесса. Рассмотрим этот метод на примере пуска электропривода вентилятора. Во втором квадранте изображается механическая характеристика двигателя (в данном случае линейная) и механическая характеристика вентилятора - кривая Мс. Вычтя графически из кривой М=f(w) кривую Мс=f(w), получим кривую динамического момента Мдин=М-Мс. Ее делим на участки, на каждом из которых принимаем Мдин=const т. е. кривую Мдин заменяем ступенчатой (см. график) линией с участками М-Мс=const. Точность конечных результатов тем выше, чем на большее число участков разбита кривая Мдин.

Деление нужно выполнить так, чтобы площадки, создаваемые ступенчатой линией по обе стороны от исходной кривой, были равновеликими. Полученные на отдельных участках значения средних динамических моментов оа1, оа2 и т. д. откладываются на оси ординат в виде отрезков ов1, ов2 и т. д. Полученные т. о. точки в1, в2,в3 и т. д. соединяются наклонными прямыми с т. А, находящейся на оси абсцисс на расстоянии ОА, пропорциональном величине .

Затем из начала координат проводится ОС1, параллельно АВ1 до пересечения в т. С1 с прямой, являющейся продолжением верхнего основания прямоугольника первой ступеньки. Точка С1 является точкой искомой кривой w=f(t) и определяет величину Dw1. Действительно, отрезок ОС1 характеризует закон изменения w на первом участке от w=0 до w=Dw1, что следует из подобия треугольников АОВ1 и Оt1C1.

Т. к. ; ; ; то

Проведя аналогичное построение для всех, последующих участков, найдем кривую w=f(t) и искомое время пуска электропривода. Взамен ломанной кривой скорости можно провести плавную кривую.

Для построения кривой М=f(t) необходимо для каждого момента времени t1,t2, и т. д. найти значения момента двигателя (отрезки измеряются от оси ординат до кривой М=f(w) при соответствующем приращении Dw). Например в момент времени t=0 , w=0- это отрезок ОВ. В момент времени t1, w=Dw1- это отрезок ДE и т. д. Откладывая по вертикали от оси абсцисс при каждом моменте времени t1, t2 и т. д. значения найденных графически моментов двигателя, получим точки d, d1, d2, и т. д. , соединяя которые плавной кривой, найдем зависимость M=f(t) в переходном процессе пуска. Изложенный метод применим и для расчета переходного процесса при торможении электропривода. Нужно только иметь в виду, что при торможении динамический момент обычно равен сумме М и Мс и имеет отрицательный знак. Поэтому при построении средние значения Мдин откладываются по оси ординат вниз от т.0.

9. Графоаналитический метод интегрирования уравнения движения (метод последовательных интервалов)

Метод применяется при нелинейных механических характеристиках двигателя и механизма. Для расчета нужно иметь эти механические характеристики. Имея их, строится кривая динамического момента, как и в методе пропорций.

Пусть кривая момента двигателя задана в виде ломанной линии (пуск в несколько ступеней), а кривая статического момента - в виде пунктирной кривой (см. график). Задаваясь последовательно приращениями скорости Dw1, Dw2 и т. д. находят среднее значение Мдин. ср. для каждого участка. Иначе говоря, кривая динамического момента (она здесь неизображена) делится на ряд участков, на каждом из которых Мдин. считается постоянным и равным среднему значению.

Полученные значения Мдин. ср. подставляются в формулу



И вычисляется время для каждого участка приращения w.

Обычно все расчеты сводятся в таблицу, на основании которой строится кривая w=f(t) и аналогично изложенному ранее, кривая М=f(t).

10. Статическая устойчивость электропривода

Любая производственная машина может нормально функционировать только в том случае, если ее работа устойчива.. Под устойчивостью работы машины понимают ее способность приходить в состояние устойчивого равновесия после того как под влиянием какого-либо возмущающего воздействия она была выведена из этого состояния. Возмущающее воздействие может поступать либо со стороны рабочего органа (изменение нагрузки), либо со стороны электропривода (изменение напряжения, частоты, сопротивления цепей и т.д.). При разработке и расчете электропривода всегда производится проверка его на устойчивость. В сложных автоматизированных электроприводах, поведение которых описывается системой дифференциальных уравнений, анализ устойчивости производится с помощью специальных критериев устойчивости, рассматриваемых в теории автоматического регулирования (критерий Михайлова, критерий Гурвица и т.д.). В настоящем разделе рассматривается простейший случай анализа устойчивости, а именно: анализ так называемой статической устойчивости.

Говорят, что электропривод обладает статической устойчивостью в том случае, если при нарушении равновесного состояния в нем возникают моменты, стремящиеся вернуть производственную машину в положение равновесия. Анализ статической устойчивости производится на основе механических характеристик ЭД и рабочих машин. Предположим, что мы имеем дело с электроприводом, у которого механические характеристики ЭД и производственной машины имеют вид, показанный на рис. 3.4. При этом электропривод работает в режиме, в котором ЭД развивает электромагнитный момент и вращается с установившейся частотой , статический момент нагрузки на рабочем органе производственной машины тоже равен постоянному значению . Поскольку электропривод работает в установившемся режиме, то . Предположим, что в какой-то момент времени возникло возмущающее воздействие, которое нарушило равновесное состояние системы, например увеличился статический момент нагрузки. При этом поведение электропривода будет описываться уравнением движения

Пускай в результате действия возмущающего воздействия электромагнитный момент ЭД, статический момент нагрузки и частота вращения получили приращения , , . Тогда уравнение движения применительно к расматриваемому случаю примет вид

Поскольку , а , то уравнение движение можно записать как

Предположим, что указанные приращения были малы, тогда можно утверждать, что на этих участках приращения электромагнитного момента и статического момента нагрузки связаны с приращением частоты вращения линейной зависимостью. То есть

Поскольку, как следует из рис.3.4.,

, а

,

то уравнение движения электропривода можно представить в следующем виде

Решая это дифференциальное уравнение относительно приращения частоты вращения, имеем

,

где -первоначальное отклонение частоты вращения от установившегося значения.

Рассматриваемая система или электропривод будет работать устойчиво, если отклонение частоты вращения , следуя экспоненциальному закону будет стремиться к нулю с увеличением времени .Это условие выполняется в том случае, если .

Таким образом статическая устойчивость электропривода определяется углами наклона механической характеристики ЭД и механической характеристики производственной машины. Для того, чтобы электропривод работал устойчиво, необходимо чтобы тангенс угла наклона механической характеристики ЭД относительно оси частот вращения был меньше соответствующего тангенса наклона механической характеристики производственной машины относительно этой же оси, т.е. .

11. Механические характеристики ЭД постоянного тока независимого возбуждения

Электрический двигатель, в отличие от двигателей других типов, способен сам автоматически разгоняться до скорости установившегося режима работы, снижать скорость при увеличении момента сопротивления и из установившегося режима с большей скоростью переходить в установившийся режим с меньшей скоростью, увеличивать скорость при уменьшении момента сопротивления и переходить из установившегося режима с меньшей скоростью к установившемуся режиму с большей скоростью. Эта особенность электрического двигателя объясняется тем, что между скоростью вращения и вращающим моментом двигателя существует зависимость щ=f(М), в соответствии с которой с увеличением момента скорость уменьшается и наоборот. Называют эту зависимость механической характеристикой двигателя.

С помощью механической характеристики можно определить основные свойства электрического двигателя и проверить их соответствие требованиям технологической машины.

Оси абсцисс и ординат, по которым откладываются соответственно величины М и щ, разделяют плоскость на четыре квадрата. Первый номер принято присваивать верхнему правому квадрату, а остальные нумеровать против часовой стрелки.

В первом квадранте знаки М и щ, а значит и направление величин, совпадает. Поэтому в нём располагаются механические характеристики для двигательного режима работы электрической машины. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в третьем квадранте, так как знаки М и щ отрицательны.

Во втором квадранте скорость щ положительна, а момент М имеет отрицательный знак. Поэтому в нём располагаются механические характеристики, соответствующие режиму электрического торможения, когда под действием инерционных сил направление вращения сохраняется, а направление момента за счёт изменения схемы включения двигателя изменяется на противоположное. Аналогичные характеристики для противоположного направления вращения располагаются и в четвёртом квадранте, так как в нём щ имеет отрицательный знак, а М - положительный.

Схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением приведена на рис. 2.1.

Якорь двигателя и обмотка возбуждения LM получает питание от независимых источников напряжения U и Uв. Поэтому ток в обмотке возбуждения Ів не зависит от тока якоря Ія. Мощность источника Uв не превышает 15% от мощности источника U.

При вращающемся якоре в его обмотке наводится э.д.с. вращения Е. На схеме включения двигателя направление Е встречно по отношению к направлению U, что соответствует двигательному режиму работы. Величина Е равна:

,

где щ - угловая скорость двигателя;



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1 - Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Ф -поток двигателя;

- конструктивный коэффициент двигателя, данные, для расчёта которого приводятся в справочниках.

Здесь р - число пар полюсов двигателя; N - число активных проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Направление якорного тока Iя, как и направление Е, на схеме включения показано для двигательного режима работы.

Допустимое значение якорного тока двигателя Iя.доп. ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и не должно превышать номинальный ток Iя.н. более чем в 2,5 раза - Iя.доп. ? 2,5• Iя.н..

В соответствии с уравнением равновесия напряжений при установившемся режиме работы двигателя напряжение U, приложенное к якорной цепи двигателя, уравновешивается падением напряжения в якорной цепи IЯRЯЦ и наведённой в обмотке якоря э.д.с. вращения Е:

,



где - суммарное сопротивление якорной цепи.

Здесь RЯ - сопротивление обмотки якоря; RДП - сопротивление обмотки дополнительных полюсов; RКО - сопротивление компенсационной обмотки; RП - сопротивление пускового реостата.

Величина IЯ в установившемся режиме будет равна:

.

В режиме пуска Е=0, поэтому из-за небольшого сопротивления обмоток пусковой ток Iяп может превышать допустимое значение. Для ограничения пускового тока служит пусковой реостат, сопротивление которого Rп выбирается таким образом, чтобы IЯП ? Iя.доп..

.

В цепи питания LM включён реостат с сопротивлением RВ. С его помощью уменьшается ток в обмотке возбуждения. В результате поток двигателя Ф ослабляется, становясь меньше номинального значения Ф?Фн.

Из уравнения равновесия напряжений для якорной цепи можно получить аналитическое выражение для механической характеристики двигателя.

Подставив в него вместо э.д.с. вращения Е, её значение и решив полученное уравнение относительно скорости, получим зависимость скорости двигателя щ от тока якоря IЯ щ=f(IЯ), которая называется электромеханической характеристикой:

.

Вращающий момент двигателя М связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью М=кФIЯ. Подставив в уравнение электромеханической характеристики значения для тока IЯ=М/кФ, получим выражение для механической характеристики щ=f(М):

или ,

где с=кФ - коэффициент, принимаемый постоянным и не зависящим от тока якоря, если у двигателя имеется компенсационная обмотка или если реакцию якоря не учитывать.

При неизменных параметрах U, Ф, RЯЦ уравнение механической характеристики есть уравнение прямой линии.

В режиме идеального холостого хода Мс=0 и М=0, поскольку в установившемся режиме двигатель работает с М=Мс. Тогда

,

где щ0 -скорость идеального холостого хода.

При увеличении момента сопротивления скорость установившегося режима уменьшается на величину статического падения скорости Дщс, которое равно:

.

Таким образом, уравнение для механической характеристики двигателя можно записать в следующем виде:



.

Механическая характеристика двигателя, которая получается при отсутствии внешних сопротивлений в якорной цепи (RП=0) и номинальных значениях потока двигателя (Ф=Фн) и напряжения на якоре (U=Uн) называется естественной характеристикой. Следует отметить, что выполнение двух первых условий не вызывает трудностей. Третье условие (U=Uн) выполняется в том случае, если якорная цепь двигателя питается от источника бесконечной мощности или в замкнутой системе преобразователь-двигатель с обратной связью по напряжению преобразователя и астатическим регулятором напряжения.

Построить естественную характеристику, учитывая её линейность, можно по двум точкам - точке идеального холостого хода с координатами (М=0; щ=щ0) и точке, соответствующей номинальному режиму работы (М=Мн; щ=щн). На основании паспортных данных двигателя (Рн, Uн, Ін, nн) можно найти:

.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2 - Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

При скорости двигателя ток щ=щ0 ІЯ=0, так как э.д.с. вращения Е=U и направлена по отношению к нему встречно. Работать в двигательном режиме со скоростью щ=щ0 двигатель не может, так как даже при отсутствии нагрузки со стороны технологической машины трение в подшипниках и крыльчатка вентилятора создают момент сопротивления холостого хода Мсхх. Двигатель в установившемся режиме будет работать с М= Мсхх и щ=щхх<щ0. При этом Е<U, а Ія>0.

Найти величину щхх можно, изобразив в одном квадрате с механической характеристикой двигателя механическую характеристику технологической машины. Если предположить, что Мс не зависит от скорости, то через точку с координатами (щ=0; М=Мсхх) необходимо провести вертикальную прямую до её пересечения с механической характеристикой двигателя (точка А). В точке А М=Мс, а её проекция на ось ординат равна щхх.

При увеличении момента сопротивления от Мсхх до Мс=Мн появится отрицательный динамический момент МД<0 и скорость двигателя начнёт уменьшаться. Следствием этого будет уменьшение э.д.с. вращения Е=кщФ , увеличение якорного тока ІЯ=(U-Е)/RЯЦ и вращающего момента М=кIЯФ. Снижение скорости и увеличение момента двигателя будет продолжаться до тех пор, пока МД не станет равным нулю, т.е. момент двигателя МД не станет равным Мс=Мн..

Благодаря тому, что в обмотке якоря наводится э.д.с. вращения Е, двигатель при увеличении Мс автоматически, снизив скорость вращения и увеличив вращающий момент, перешёл из установившегося режима с большей скоростью (щх.х.в точке А) в установившийся режим с меньшей скоростью (щн в точке В).

Статически падение скорости на естественной характеристике равно:

.

Если сопротивление пускового реостата RП>0, то Дщс при одном и том же моменте двигателя будет больше, чем на естественной характеристике:

.

Поскольку величина щ0 не зависит от величины RП, то получаемая в этом случае характеристика, которая называется искусственной или реостатной, будет начинаться в той же точке, что и естественная, но проходить с большим наклоном к оси абсцисс.

Якорный ток Iя и момент двигателя М связаны прямой пропорциональной зависимостью. Поэтому ограничение с помощью Rп пускового тока значением Iя.доп.?2,5 Iян автоматически ограничивает и допустимое значение пускового момента Мдоп?2,5Мн. Механическая характеристика на рис. 2.2 в этом случае пересекает ось абсцисс в точке с координатами (щ=0; М=Мдоп=2,5Мн) и называется предельной пусковой. Реостатные характеристики, расположенные выше получаются при меньших величинах RП. Запускаясь при Мс=Мн по предельной пусковой характеристике, двигатель разгонится до скорости щ1 и перейдёт в установившийся режим работы. Для увеличения скорости двигателя необходимо уменьшить величину RП.

12. Механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Режим электрического торможения

Для повышения производительности технологической машины или улучшения качества продукции часто необходимо быстро и точно остановить электропривод. В начале процесса торможения, во-первых, заканчивается преобразование ЭЭ в МЭ и подача её к рабочему органу технологической машины и, во-вторых, начинается отбор МЭ, запасённой в механической части привода. В зависимости от того, куда расходуется эта энергия, можно выделить три способа торможения.

Торможение в режиме свободного выбега - запасённая МЭ расходуется на преодоление сил сопротивления. Движение рабочего органа может продолжаться ещё достаточно долго.

Механическое торможение - запасённая МЭ в механическом тормозном устройстве преобразуется в тепловую. Время торможения может быть очень небольшим, но при этом плавность торможения регулируется плохо, что приводит к появлению значительных динамических нагрузок.

Электрическое торможение - запасённая МЭ, благодаря свойству обратимости электрической машины, преобразовывается двигателем в ЭЭ и либо отдается в сеть, либо затрачивается на нагрев двигателя. Управляя процессом преобразования ЭЭ в МЭ можно обеспечивать плавное торможение и ограничивать величину динамических нагрузок.

Существует три способа электрического торможения: торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение), динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода щ>щ0 и э.д.с. вращения становится больше напряжения якорного источника Е>U.

В приводе подъёмной лебёдки рекуперативное торможение используется при опускании поднятого груза, который создаёт активный Мс. Двигатель включается в направлении опускания груза и в этом же направлении его раскручивает момент сопротивления. Поэтому уравнение движения электропривода будет иметь вид:

Поскольку МД>0, скорость вращения двигателя будет увеличиваться. С увеличением щ, будет увеличиваться э.д.с. Е=кщФ и, как следствие, будут уменьшаться якорный ток IЯ=(U-Е)/RЯЦ и момент М=кIЯФ.

При щ=щ0 Е будет равно U, а т.к. они направлены встречно, то IЯ=0 и М=0. Уравнение движения в этом случае примет вид:

Момент динамический остаётся положительным МД>0 и под действие активного Мс скорость вращения двигателя будет увеличиваться.

При щ>щ0 Е станет больше U и ток IЯ изменит своё направление.

Следовательно, изменяет направление и становится тормозным момент двигателя М= -кФIЯ. Уравнение движения приобретает вид:

Когда абсолютное значение |M| достигнет величины Мс, момент динамический станет равным нулю МД=0 и увеличение скорости вращения двигателя и опускания груза прекратится. Если характеристики двигателя при подъёме груза располагаются в первом квадрате, то при опускании для двигательного режима они будут располагаться в третьем квадрате, а для режима электрического торможения - в четвёртом. Уравнение механической характеристики в режиме рекуперативного торможения будет иметь вид:

Характеристика проходит через точку -щ0= -U/кФ. Наклон её определяется сомножителем второго слагаемого RЯЦ/к2Ф2, который по абсолютному значению при заданном сопротивлении RЯЦ остаётся неизменным. Следовательно, наклон механической характеристики будет таким же, как и в двигательном режиме, и она является продолжением характеристик для двигательного режима из ІІІ квадрата в IV. Характеристики приведены на рис. 2.3. При работе двигателя на естественной характеристике увеличение скорости опускания груза прекратится при скорости (-щ1), а на реостатной - (-щ2). В режиме рекуперативного торможения двигатель работает как генератор, включённый параллельно с сетью. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ и отдает её в сеть.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3 - Характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режиме рекуперативного торможения.

Динамическое торможение. Для перевода работающего двигателя в режим динамического торможения якорная цепь отключается от источника якорного напряжения и на зажимы якоря подключается реостат динамического торможения RДТ. Схема включения двигателя приведена на рис.2.4а.

Под действием инерционных сил якорь продолжает вращаться в прежнем направлении, а полярность напряжения Uв, прикладываемого к обмотке возбуждения, не изменяется. Следовательно, сохраняет своё направление э.д.с. вращения Е. В образовавшемся контуре ток Iя будет протекать под действием Е. Поскольку Е направлено встречно U, то и направление тока по отношению к двигательному режиму изменится на противоположное:

.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4 - а) схема включения двигателя в режиме динамического торможения; б) характеристики двигателя в режиме динамического торможения.

Момент двигателя становится тормозным М= -кФIЯ. Поскольку U=0, уравнение механической характеристики двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:

.

Механические характеристики двигателя в режиме динамического торможения приведены на рис. 2.4б. Они представляют расположенные во втором квадранте прямые линии, проходящие через начало координат.

Двигатель, работавший в точке А на естественной характеристике, в зависимости от величины RДТ перейдет в точку В или С на характеристике динамического торможения. С уменьшением скорости двигателя щ будут уменьшаться Е, IЯДТ и тормозной момент двигателя М. При щ=0 будут равны нулю Е, IЯДТ, М, поэтому характеристика динамического торможения и проходит через начало координат. Двигатель в режиме динамического торможения работает как автономный генератор. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ, которая выделяется в виде тепла на сопротивлениях, включенных в цепь протекания IЯДТ. Динамическое торможение используется для остановки электропривода при реактивном Мс, при опускании груза в подъемных механизмах.

Торможение противовключением. Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а вращающаяся часть двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления Мс вращается в противоположную сторону - против включения. Наиболее часто торможение противовключением используется в реверсивных электроприводах, так как реверсу двигатель обязательно предшествует процесс торможения. Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением приведена на рис. 2.5. Реверс осуществляется со стороны якоря двигателя, для чего якорь включен в реверсивный мост, образованный главными контактами контакторов направления вращения КВ («вперед» в электроприводах передвижения или «верх» в электроприводах подъёма) и КН («назад» и «низ» соответственно). При реверсе со стороны обмотки возбуждения она включается в реверсивный мост, образованный контактами электрических аппаратов меньшего габарита, так как потребляемая по цепи питания обмотки возбуждения мощность не превышает 15% мощности, потребляемой по цепи питания якоря. Однако реверс со стороны якоря осуществляется гораздо быстрее, поскольку постоянная времени якорной цепи Тя на порядок меньше постоянной времени цепи возбуждения Тв.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.5 - Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением

В цепь протекания тока Iя включены пусковой реостат с сопротивлением RП и реостат противовключения RПР. Такая схема включения двигателя может быть в электроприводе подъемной лебедки, на крюке которой подвешен груз массой m.

Допустим, что замкнуты контакты КВ, а RП и RПР зашунтированы, то есть их сопротивления равны нулю. Зажим якоря Я1 подключен к +U, а Д2 к - U источника якорного напряжения. Ток в якоре IЯ протекает от Я1 к Д2, а э.д.с. вращения Е направлено в обратную сторону, то есть от Д2 к Я1.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Якорь двигателя подключается к источнику якорного напряжения с обратной полярностью. Это означает, что двигатель включается для работы в противоположном направлении. В момент переключения якорь двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения, то есть вращается против включения. Остается неизменным и направление тока в обмотке возбуждения LM. Поэтому сохраняется и направление э.д.с. вращения .

С изменением полярности напряжения на зажимах якоря изменяет направление ток якоря и поэтому момент двигателя становится тормозным. Так как величина Е в установившемся режиме работы двигателя составляет около 90% от величины U, то в момент переключения напряжения на зажимах якоря и ток в начале режима торможения противовключением IЯ ПР будет существенно превышать пусковой ток IЯП. Поэтому для его ограничения, а также ограничения момента двигателя, одновременно с замыкателем КН в цепь якоря кроме пускового реостата Rп необходимо включать и реостат противовключения Rпр. Сопротивление реостата RПР должно быть таким, чтобы IЯ ПР?2,5 IЯН. Тогда ток IЯ ПР будет определяться по формуле:

.

Характеристики ДПТ с независимым возбуждением, соответствующие схеме включения двигателя на рис. 2.5, приведены на рис. 2.6. Поскольку схема включения двигателя реверсивная, характеристики расположены в четырех квадрантах. При замкнутых контактах КВ и зашунтированных RП и RПР двигатель работает на естественной характеристике в первом квадранте в точке А.

В момент переключения изменяется полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и он оказывается включенным для работы в направлении «назад». Поэтому его характеристики будут начинаться в третьем квадранте в точке с координатами (0; -щ0).

Изменяется направление тока якоря Iя и вращающего момента двигателя М. Однако скорость двигателя щ остается неизменной, так как постоянная времени электромагнитного переходного процесса гораздо меньше постоянной времени электромеханического переходного процесса. Поэтому двигатель из точки А переходит в точку В на характеристике противовключения во втором квадранте по прямой, параллельной оси абсцисс. Если величина RПР выбрана правильно, то бросок тока якоря и тормозного момента при переключении не превысят допустимого значения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.6 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением

Под влиянием тормозного момента скорость двигателя уменьшается и если он тормозится для остановки, то в точке С необходимо разомкнуть КН и отключить двигатель от напряжения источника. Если же сразу после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать RПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. Это обеспечит разгон в направлении «назад» с максимальным ускорением и позволит уменьшить время разгона. В третьем квадранте двигатель будет работать в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной.

Если еще раз изменить полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и ввести в якорную цепь RП и RПР, двигатель перейдет из точки Е в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон в направлении «вперед» будут протекать аналогично.

В электроприводах с активным Мс, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный Мс создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противовключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.5, а соответствующие схеме включения механические характеристики двигателя приведены на рис. 2.7. Они располагаются в первом и четвертом квадранте, так как активный Мс не изменяет своего направления при изменении направления вращения двигателя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением при активном Мс

Допустим , что замкнуты контакты КВ и зашунтированы RП и RПР. Двигатель со скоростью щ1 работает в направлении подъема на естественной характеристике в точке А.

При введении в цепь тока якоря пускового реостата RП двигатель перейдет на предельную пусковую характеристику и будет работать в точке В со скоростью щ2. С введением RПР наклон характеристики будет увеличиваться, а скорость двигателя уменьшаться (щ= щ3 при RПР= RПР1).

Можно так подобрать величину RПР, что М будет равен Мс при скорости двигателя щ, равной нулю. На рис. 2.7. этому случаю соответствует точка Д при RПР= RПР2. Двигатель останавливается, и поднимаемый груз удерживается в подвешенном состоянии за счет вращающего момента двигателя М. При

RПР= RПР3 момент двигателя М станет меньше Мс. Поднятый груз начнет опускаться и двигатель, включенный для работы на подъем, под действием активного Мс будет вращаться в направлении опускания - против включения. Момент двигателя становится тормозным. Поскольку якорь двигателя теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, изменит свое направление э.д.с. вращения двигателя . Величина якорного тока IЯ ПР будет определяться выражением:

С увеличением скорости опускания груза, будут увеличиваться Е, IЯ ПР и тормозной момент двигателя М. При щ= -щ4 (точка Е на рис. 2.7.) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного Мс и увеличение скорости опускания груза прекратится.

Такой режим торможения широко используется в электроприводах подъемных лебедок, так как он позволяет получить очень низкие «посадочные» скорости двигателя и устанавливать груз в требуемом месте без удара.

При торможении противовключением э.д.с. вращения Е направлена последовательно - согласовано с напряжением якорного источника U, то есть двигатель работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует МЭ в ЭЭ, а также потребляет ЭЭ из сети. Вся ЭЭ выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока якоря. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.

13. Способы регулирования частоты вращения ЭД постоянного тока независимого возбуждения

Регулирование не следует смешивать с самопроизвольным изменением угловой скорости при изменении нагрузки (момента) на валу.

Особенности способов регулирования частоты вращения рассмотрим для ДПТ с НВ и ДПТ с ПВ. Скорость вращения двигателей смешанного возбуждения обычно регулируется так же, как и в двигателях параллельного возбуждения, хотя в принципе можно использовать также способы, применяемые в двигателях последовательного возбуждения [39].

При рассмотрении способов регулирования скорости вращения необходимо учитывать, что при изменении скорости вращения двигателя меняются условия охлаждения его частей, что особенно сильно проявляется в самовентилируемых двигателях, в которых при уменьшении скорости вращения необходимо снижать длительную мощность с целью избегания недопустимого перегрева.

...