Электрический привод, основные характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Электрический привод

Электрический привод (сокращённо -- электропривод, ЭП) -- это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Современный электропривод -- это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %)^[1] и главным источником механической энергии в промышленности.

В ГОСТ Р 50369-92 электропривод определён как электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса^[2].

Как видно из определения, исполнительный орган в состав привода не входит. Однако, авторы авторитетных учебников^{[1] [3]} включают исполнительный орган в состав электропривода. Это противоречие объясняется тем, что при проектировании электропривода необходимо учитывать величину и характер изменения механической нагрузки на валу электродвигателя, которые определяются параметрами исполнительного органа. При невозможности реализации прямого привода электродвигатель приводит исполнительный орган в движение через кинематическую передачу. КПД, передаточное число и пульсации, вносимые кинематической передачей также учитываются при проектировании электропривода.

Функциональные элементы:

· Регулятор (Р) предназначен для управления процессами, протекающими в электроприводе.

· Электрический преобразователь (ЭП) предназначен для преобразования электрической энергии сети в регулируемое напряжение постоянного или переменного тока.

· Электромеханический преобразователь (ЭМП) -- двигатель, предназначен для преобразования электрической энергии в механическую.

· Механический преобразователь (МП) может изменять скорость вращения двигателя.

· Упр -- управляющее воздействие.

· ИО -- исполнительный орган.

Функциональные части:

· Силовая часть или электропривод с разомкнутой системой регулирования.

· Механическая часть.

· Система управления электропривода.

2. Классификация электроприводов

привод электродвигатель скорость кинематический

В настоящее время существует огромное количество разновидностей электроприводов. Их можно в первом преближении разделить на группы по следующим основным признакам.

Классификация электроприводов по характеру движения:

· поступательного и вращательного движения;

· регулируемые и нерегулируемые;

· непрерывного и дискретного действия;

· однонаправленные и двунаправленные (реверсивные);

· вибрационные (реализующие возвратно-поступательное движение).

Классификация электроприводов по числу используемых электродвигателей:

· групповые электроприводы;

· индивидуальные;

· взаимосвязанные электроприводы.

Групповой электропривод содержит один электродвигатель, приводящий в движение несколько исполнительных механизмов одной рабочей машины или один исполнительный механизм нескольких рабочих машин. Индивидуальный электропривод содержит один электродвигатель, приводящий в движение один исполнительный механизм рабочей машины.

Взаимосвязанный электропривод содержит два и более электродвигателей, приводящих в движение один и более исполнительных механизмов. При этом, если электродвигатели связаны между собой механически (работают на 1 вал), то электропривод называют многодвигательным. Если же электродвигатели связаны только электрическими цепями, то электропривод называют электрическим валом.

Классификация электроприводов по виду электрического силового преобразователя:

· управляемые и неуправляемые;

· с выпрямителем или инвертором;

· с преобразованием напряжения или частоты;

· со звеном постоянного или переменного тока , или их совокупностью.

Также весьма разнообразна элементная база силовых преобразователей: электромашинные системы, магнитные усилители, ионные и полупроводниковые элементы. Благодаря вышеотмеченномы рознообразию видов электропривода, он получил широкое применение во всех сферах человеческого общества, начиная от промышленного производства и до бытовых сфер. Этим и определяется исключительно большой диапазон мощностей электроприводов -- от долей Вт до десятков МВт. Такие электроприводы применяются в газо- и нефтеперекачивающих станциях, прокатных станах, конвейерах, металлорежущих станках и т.д. В основном, предпочтение в таких случаях отдается индивидуальному автоматизированному электроприводу.

Преобразовательные устройства таких электроприводов выполняются на базе генераторов постоянного тока, полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты, позволяя обеспечить широкие возможности регулирования потока электрической энергии, поступающей в электродвигатели. Управляющие устройства электропривода построены в основном на микроэлектронной базе, а иногда включают в себя и управляющую вычислительную машину. Такая же база применяется в робототехнике, манипуляторах, станках с ЧПУ и т.д..

3. Кинематическая схема электропривода

Непосредственное представление о механических связях даёт кинематическая схема электропривода (рис. 2.2):



Рис. 2.2. Кинематическая схема электропривода

Здесь двигатель Д через соединительную муфту СМ₁, клиноременную передачу (КРП), ряд зубчатых передач ЗП_i и соединительную муфту СМ₂ приводит во вращение барабан (Б), преобразующий вращательное движение в поступательное движение ряда связанных масс. При нагружении элементы системы (валы, опоры, клиноременные передачи, зубчатые зацепления и т.п.) деформируются, т. к. механические связи не являются абсолютно жёсткими. При изменении нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое определяется жёсткостью связи.

Каждый вращательно движущийся элемент обладает моментом инерции J_i и связан с (i+1) - элементом механической связью, обладающей жёсткостью C_i. Соответственно каждый поступательно движущийся элемент имеет массу m_j и связан со следующим связью с жёсткостью С_j. В пределах механических связей, для которых выполняется закон Гука, жёсткости можно определить с помощью соотношений

(2.1)

где

- нагрузка упругой механической связи;

- деформация упругого элемента при вращательном и поступательном движении.

В связи с наличием передач различные элементы системы движутся с различными скоростями. Поэтому для составления расчетных схем необходимо приведение всех параметров элементов кинематической цепи к одной расчётной скорости, обычно к скорости вала двигателя.

Условием соответствия расчётной схемы реальной механической системе является выполнение закона сохранения энергии. При приведении необходимо обеспечить сохранение кинетической и потенциальной энергий системы, а также элементарной работы всех действующих в системе сил и моментов на возможных перемещениях. Следовательно,

(2.2)

Отсюда получаем формулы приведения:

(2.3)

где

- передаточное число от вала приведения до i-го вала;

- радиус приведения к валу со скоростью щ 1 .

При приведении вращательных ц_i и поступательных S_j перемещений необходимо учитывать, что передаточное число и радиус приведения определяются соотношением скоростей. Тогда перемещения связаны зависимостями:

При линейных кинематических связях . В этом случае формулы приведения перемещений имеют вид:

При приведении жёсткостей механических связей должно выполняться условие равенства запаса потенциальной энергии деформации.

Потенциальная энергия W_n равна работе, совершаемой моментом М на участке изменения угла Дц. Так как величина момента скручивания изменяется от 0 до M_max, то, с учетом (2.1), работа равна:

Тогда

Формулы приведения:

(2.4)

Приведение моментов и сил нагрузки элементов кинематической цепи должно осуществляться при условии равенства элементарной работы на возможных перемещениях:

Следовательно,

(2.5)

Для большей наглядности сопоставления по результатам приведения можно построить исходную приведённую расчётную схему, представив в ней массы в виде прямоугольников, площадь которых пропорциональна приведенным моментам инерции, а жёсткости связей между ними в виде соединений, длина которых обратно пропорциональна жёсткости.

Для рассматриваемой кинематической схемы приведённая расчётная схема имеет вид (рис. 2. 3):

Рис. 2.3. Приведённая расчётная схема кинематической цепи.

В ней выделены три наиболее значительные массы - ротор двигателя с моментом инерции , барабан с приведённым моментом инерции и груз . Вследствие относительно малых величин остальных моментов её можно существенно упростить. Для этого следует малые массы добавить к близлежащим большим, а затем определить эквивалентные жёсткости связей между полученными массами по общей формуле:

(2.6)

К ротору двигателя с моментом инерции приложен электромагнитный момент М и момент потерь ДМ, причём для правильного учёта знаков действующих моментов указано положительное для всей приведённой схемы направление скорости щ 1 .

Исследования динамики электропривода показывают, что неразветвлённые расчётные механические схемы в большинстве случаев сводятся к трёхмассовой (рис. 2.4а), двухмассовой (рис. 2.4б) расчётным схемам и к жёсткому приведённому механическому звену (рис. 2.4в):

а) б) в)

Рис. 2.4. Расчётные схемы электропривода: трёхмассовая (б) и жёсткое приведённое механическое звено (в).

Трёхмассовая упругая система используется в тех случаях, когда необходимо более детально анализировать движения масс механизма. При этом обычно используется моделирование на аналоговой (ABM) или цифровой (ЦВМ) вычислительных машинах. Для исследования отдельных физических особенностей используется двухмассовая система.

В тех случаях, когда параметры системы таковы, что влияние упругих связей незначительно, или когда этим влиянием можно пренебречь, используется жёсткое приведённое звено. Суммарный приведённый момент инерции может быть выражен:

(2.7)

где n и k - число масс установки, совершающих соответственно вращательное и поступательное движение.

Суммарный приведённый к валу двигателя момент статической нагрузки M_C

(2.8)

где q и p - число внешних моментов M_i и сил , приложенных к системе, кроме электромагнитного момента двигателя.

Характерным примером разветвлённых кинематических схем является кинематическая схема многодвигательного электропривода, в котором двигатели через индивидуальные редукторы действуют на общий рабочий механизм.

4. Механическая часть электропривода

К механической части электропривода относятся вращающаяся часть двигателя, механическое передаточное устройство и рабочий орган технологической машины.

Вращающая часть двигателя (якорь или ротор) служит источником механической энергии.

С помощью МПУ осуществляется преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение рабочего органа ТМ или за счёт изменения соотношения скоростей входного и выходного валов МПУ согласовываются скорости вращения двигателя и рабочего органа. В качестве МПУ могут использоваться цилиндрические и червячные редукторы, планетарная передача, пара винт - гайка, кривошипно-шатунная, реечная, ременная и цепная передачи.

Рабочий орган ТМ является потребителем механической энергии, которую он преобразует в полезную работу. К числу рабочих органов можно отнести шпиндель токарного или сверлильного станка, движущую часть конвейера, ковш экскаватора, кабину лифта, винт теплохода и др.

Элементы механической части ЭП связаны друг с другом и образуют кинематическую цепь, каждый элемент которой имеет свою скорость движения, характеризуется моментом инерции или инерционной массой, а также совокупностью действующих на него моментов или сил. Механическое движение любого из элементов определяется вторым законом Ньютона. Для элемента, вращающегося вокруг неподвижной оси уравнение движения имеет вид:

С помощью этих уравнений может быть учтено взаимодействие любого элемента с остальной частью кинематической цепи. Это удобно осуществлять путём приведения моментов и усилий, а также моментов инерции и инерционных масс. В результате этой операции (приведения) реальная кинематическая схема заменяется расчётной, энергетически эквивалентной схемой, основу которой составляет тот элемент, движение которого рассматривается. Как правило, этим элементом является вал двигателя М. Это позволяет наиболее полно исследовать характер движения электропривода и режим его работы. Зная параметры кинематической схемы, можно определить и вид движения рабочего органа технологической машины.

В ходе технологической операции рабочий орган, вращающийся на своей оси со скоростью щ_м и создающий момент сопротивления М_см, потребляет мощность Р_м=М_смщ_м. Потери мощности в МПУ учитываются делением величины Р_м на к.п.д. передачи з_п. Эту мощность обеспечивает двигатель, вращающийся со скоростью щ и развивающий момент М_с, равный приведенному к оси вращения вала двигателя моменту сопротивления М_см.

Приведение сил сопротивления производится аналогично. Если скорость поступательного движения рабочего органа ТМ равна х_м и в ходе технологической операции создаётся сила сопротивленияF_см, то с учётом к.п.д. МПУ уравнение баланса мощностей будет иметь вид:

Каждый из вращающихся элементов кинематической схемы характеризуется моментом инерции J_і.Приведение моментов инерции к одной оси вращения основано на том, что суммарный запас кинетической энергии движущихся частей привода, отнесённый к одной оси, остаётся неизменным. При наличии вращающихся частей, обладающих моментами инерции J_д , J₁, J₂, … J_n и угловыми скоростями щ, щ₁, щ₂, … щ_n можно заменить их динамическое действие действием одного элемента, обладающего моментом инерции J и вращающегося со скоростью щ.

В результате выполнения операций приведения реальная кинематическая схема заменяется расчётной, энергетически эквивалентной схемой. Она представляет собой тело, вращающееся на неподвижной оси. Этой осью является ось вращения вала двигателя. На него действуют вращающий момент двигателя М и приведенный момент сопротивления М_с. Вращается тело со скоростью двигателя щ и обладает приведенным моментом инерции J.

В теории электропривода такая расчётная схема получила название одномассовой механической системы. Она соответствует механической части АЭП с абсолютно жёсткими элементами и без зазоров.

5. Приведение моментов и сил сопротивления, инерционных масс и моментов инерции

Обычно двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдельные элементы которой движутся с различными скоростями. Примерная кинематическая схема электропривода с вращательным движением исполнительного механизма представлена на рис. 2.1.

Часто в рабочих механизмах один из элементов совершает вращательное движение, другие поступательное, например в таких машинах, как подъемник (рис. 2.2), кран, строгальный станок и т. п.

Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов. Каждый из элементов реальной кинематической цепи обладает упругостью, т. е. деформируется под нагрузкой, а в соединениях элементов имеются воздушные зазоры. Если учитывать эти факторы, то расчетная схема механической части привода будет представлена многомассовой механической системой с упругими связями и зазорами, расчет динамики которой составляет большие трудности и возможен только посредством ЭВМ. Однако основные закономерности движения таких систем определяются наибольшими массами и зазорами и наименьшими жесткостями связей системы, что позволяет свести расчетную схему механической части привода либо к трехмассовой, либо к двухмассовой механической системе с эквивалентными упругими связями и с суммарным зазором (или без него), приведенным к угловой скорости вала двигателя. Но и эти расчетные схемы используются в тех ответственных случаях, где пренебрежение

Механизм упругостью и зазором приведет к большим ошибкам расчета (точные следящие системы радиотелескопов и металлорежущих станков; механизмы с гибкими связями, длинными валами, канатами; резкие изменения состояния системы и т. п.). Методика расчета электроприводов, механическая часть которых содержит упругие связи и зазоры, рассмотрена в [42].

В большинстве практических случаев в инженерных расчетах при решении задач, не требующих большой точности, и для механических звеньев, обладающих небольшими зазорами и незначительной упругостью (большой жесткостью), можно пренебречь зазорами и упругостью, приняв механические связи абсолютно жесткими. При этом допущении движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных элементов, поэтому движение электропривода можно рассматривать на каком-либо одном механическом элементе. Обычно в качестве такого элемента принимают вал двигателя.

Расчетную схему механической части привода, следовательно, можно свести к одному обобщенному жесткому механическому звену, имеющему эквивалентную массу с моментом инерции I, на которую воздействует электромагнитный момент двигателя М и суммарный приведенный к валу двигателя момент сопротивления (статический момент)Мс, включающий все механические потери в системе, в том числе механические потери в двигателе.

Рис. 2.3. Циклический график работы станка.

Момент сопротивления механизма Мсм ,(рис. 2.1), возникающий на валу рабочей машины, состоит из двух слагаемых, соответствующих полезной работе и работе трения.

Полезная работа, совершаемая производственным механизмом, связана с выполнением соответствующей технологической операции. График полезной работы может быть построен на основании аналитических расчетов или по экспериментальным данным. Такой график, например, для станка, работающего по циклическому закону, представлен на рис. 2.3. Заштрихованная область графика соответствует полезной работе; не заштрихованная часть графика соответствует работе трения. При совершении полезной работы происходит деформация материала или изменяется запас потенциальной энергии тел, например в подъемных устройствах. В некоторых машинах совершение полезной работы связано с незначительным превышением момента по сравнению с моментом трения (например, печатная машина, размольная шаровая мельница, кран, передвигающийся по горизонтальным направляющим, и т. п.).

Работа трения, совершаемая в производственном механизме, учитывается обычно КПД механических связей привода. Работу трения можно иногда учесть, пользуясь данными, полученными на основании опыта. Например, при подъеме груза G1 на высоту hможно считать, что силы трения как бы увеличивают вес груза на некоторое дополнительное значение G0. Тогда работа подъема, Дж, записывается следующим образом:

(2.1)

В насосах потери могут учитываться некоторой фиктивной дополнительной высотой подачи h0. Момент трения всегда направлен против движущего момента привода.

Моменты сопротивления можно разделить на две категории, а именно: 1) реактивные моменты и 2) активные или потенциальные моменты.

В первую категорию включаются моменты сопротивления от сжатия, резания, моменты трения и т. п., препятствующие движению привода и изменяющие свой знак при изменении направления вращения.

Во вторую категорию входят моменты от силы тяжести, а также от растяжения, сжатия и скручивания упругих тел. Эти моменты могут быть названы потенциальными, поскольку они связаны с изменением потенциальной энергии отдельных элементов привода. Потенциальные моменты могут тормозить движение привода или, наоборот, способствовать его движению. Следует отметить, что в отличие от реактивного статического момента активный момент сохраняет свой знак при изменении направления вращения привода. Например, момент, создаваемый грузом подъемного механизма, сохраняет свой знак как при подъеме его, так и при опускании. Следовательно, в данном случае активный статический момент при подъеме препятствует движению, а при опускании способствует ему.

Приведение моментов сопротивления от одной оси вращения к другой может быть произведено на основании энергетического баланса системы. При этом потери мощности в промежуточных передачах учитываются введением в расчеты соответствующего КПД -.Обозначим через угловую скорость вала двигателя, а - угловую скорость вала производственного механизма. На основании равенства мощностей получим:

,

Откуда

, (2.2)

где Mс,м-- момент сопротивления производственного механизма, Нм;

Мс -- тот же момент сопротивления, приведенный к скорости вала двигателя, Нм; i= /-- передаточное число.

При наличии нескольких передач между двигателем и механизмом (см. рис. 2.1) с передаточными числами и соответствующими КПД момент сопротивления, приведенный к скорости вала двигателя, определяется формулой

(2.3)

Приведение сил сопротивленияпроизводится аналогично приведению моментов. Если скорость поступательного движенияV, м/с, а угловая скорость вала двигателя , рад/с, то

(2.4)

где -- сила сопротивления производственного механизма, Н.

Отсюда приведенный к скорости вала двигателя момент сопротивления равен:

(2.5)

В случае приведения вращательного движения к поступательному приведенное усилие

(2.6)

Приведение моментов инерции к одной оси вращения основано на том, что суммарный запас кинетической энергии движущихся частей привода, отнесенный к одной оси, остается неизменным. При наличии вращающихся частей, обладающих моментами инерции и угловыми скоростями (см. рис. 2.1), можно заменить их динамическое действие действием одного момента инерции, приведенного например, к скорости вала двигателя. В таком случае можно написать:

(2.8)

где -- момент инерции ротора двигателя и других элементов (муфты, шестерни и т. п.), установленных на валу двигателя.

Иногда в каталогах для двигателей указывается значение махового момента GD2, кгс*м2. В этом случае моменты инерции ротора двигателя, кг-м2, в системе СИ вычисляются по формуле

(2.9)

где D -- диаметр инерции, м; G -- сила тяжести (вес), кгс. Это соотношение следует из формулы, определяющей момент инерции тела массой ,m кг,

(2.10)

где -- радиус инерции, м.

Если сила тяжести выражена в ньютонах, то масса тела определяется из равенства

, (2.11)

где g = 9,81 м/с2 -- ускорение свободного падения.

Момент инерции сплошного цилиндра относительно продольной оси вычисляется по формуле

(2.12)

где R-- радиус цилиндра, м.

Приведение масс, движущихся поступательно, осуществляется также на основании равенства запаса кинетической энергии

Отсюда момент инерции, приведенный к валу двигателя,

. (2.13)

Если механизм имеет вращающиеся и поступательно движущиеся элементы, то суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции определяется на основании (2.8) и (2.13)

... (2.14)

Для приведения момента инерции к поступательному движению нужно момент инерции заменить приведенной массой, т. е.

.

6. Классификация по виду движения электродвигателя

Наибольшее применение получили электроприводы вращательного движения. Сейчас значительное внимание уделяется линейным двигателям. В тех механизмах, где рабочий орган совершает поступательное или возвратно-поступательное движение, применение линейных двигателей конструктивно гораздо удобнее, чем использование специальных кинематических пар: винт-гайка, кривошипно-шатунный механизм. Из-за низких энергетических и массогабаритных показателей линейные электродвигатели не находили применения. Создание новых конструкций линейных двигателей с питанием от полупроводниковых преобразователей частоты достигли новых возможностей применения для металлорежущих станков.

Многокоординатные электроприводы на основе специальных шаговых электродвигателей являются отечественной разработкой и находят применение в высокоточных робототехнических установках, сборочных автоматах. Многокоординатные электроприводы позволяют осуществлять пространственные движения рабочего органа по нескольким координатам.

Активные моменты сопротивления - моменты, вызванные весом поднимаемого и спускаемого груза. В уравнении механического движения электропривода перед этим моментом всегда ставится знак (-) независимо от подъема или спуска груза.

Реактивный момент сопротивления - момент, всегда препятствующий движению электропривода и изменяющий свой знак при изменении направления движения (например при резании металла). При положительной скорости электродвигателя перед этим моментом в уравнении механического движения электропривода необходимо ставить знак (-), а при обратном движении знак (+).

За положительное направление вала двигателя принимается вращение по часовой стрелке. Если временной момент на валу двигателя направлен в эту сторону, то ему приписывают знак (+). При обратном направлении движения - знак (-). В тормозных режимах двигателя знаки перед вращающимся моментом двигателя и угловой скоростью противоположны.

Активная составляющая потребляемой любой нагрузкой мощности электрического тока совершает полезную работу и трансформируется в нужные нам виды энергии (тепловую, световую, звуковую и т.п.). Отдельные электроприборы работают в основном на этой составляющей мощности. Это - лампы накаливания, электроплиты, обогреватели, электропечи, утюги и т.п.

При указанном в паспорте прибора значении активной потребляемой мощности в 1 кВт он будет потреблять от сети полную мощность в 1кВА.

Реактивная составляющая электрического тока возникает только в цепях, содержащих реактивные элементы (индуктивности и ёмкости) и расходуется обычно на бесполезный нагрев проводников, из которых составлена эта цепь. Примером таких реактивных нагрузок являются электродвигатели различного типа, переносные электроинструменты (электродрели, «болгарки», штроборезы и т.п.), а также различная бытовая электронная техника. Полная мощность этих приборов, измеряемая в вольт-амперах, и активная мощность (в ваттах) соотносятся между собой через коэффициент мощности cosц, который может принимать значение от 0,5 до 0,9. На этих приборах указывается обычно активная мощность в ваттах и значение коэффициента cosц. Для определения полной потребляемой мощности в ВА, необходимо величину активной мощности (Вт) разделить на коэффициент cosц.

Пример: если на электродрели указана величина мощности в 600 Вт и cosц = 0,6, то отсюда следует, что потребляемая инструментом полная мощность составляет 600/0,6=1000 ВА. При отсутствии данных по cosц можно брать его приблизительное значение, которое для домашнего электроинструмента составляет примерно 0,7.

При рассмотрении вопроса об активной и реактивной составляющих электроэнергии (точнее - её мощности), обычно имеются в виду те явления, которые происходят в цепях переменного тока. Оказалось, что различные нагрузки в цепях переменного тока ведут себя совершенно по-разному. Одни нагрузки используют передаваемую им энергию по прямому назначению (т.е. - для совершения полезной работы), а другой тип нагрузок сначала эту энергию запасает, а потом снова отдаёт её источнику электропитания.

По виду своего поведения в цепях переменного тока, различные потребительские нагрузки делятся на следующие два типа:

1. Активный тип нагрузки поглощает всю получаемую от источника энергию и превращает её в полезную работу (свет от лампы, например), причём форма тока в нагрузке в точности повторяет форму напряжения на ней (сдвиг фаз отсутствует).

2. Реактивный тип нагрузки характеризуется тем, что сначала (в течение некоторого промежутка времени), в нём происходит накопление энергии, поставляемой источником питания. Затем запасённая энергия (в течение определённого промежутка времени) отдаётся обратно в этот источник. К подобным нагрузкам относятся такие элементы электрических цепей, как конденсаторы и катушки индуктивности, а также устройства, содержащие их. При этом в такой нагрузке между напряжением и током присутствует сдвиг фаз, равный 90 градусам. Поскольку основной целью существующих систем электроснабжения является полезная доставка электроэнергии от производителя непосредственно к потребителю (а не перекачивание её туда и обратно) - реактивная составляющая мощности обычно считается вредной характеристикой цепи.

Потери на реактивную составляющую в сети напрямую связаны с величиной рассмотренного выше коэффициента мощности, т.е. чем выше cosц потребителя, тем меньше будут потери мощности в линии и дешевле обойдётся передача электроэнергии потребителю.

Таким образом, именно коэффициент мощности указывает нам на то, насколько эффективно используется рабочая мощность источника электроэнергии. В целях повышения величины коэффициента мощности (cosц) во всех видах электрических установок применяются специальные приёмы компенсации реактивной мощности.

Обычно для увеличения коэффициента мощности (за счёт уменьшения сдвига фаз между током и напряжением - угла ц) в действующую сеть включают специальные компенсирующие устройства, представляющие собой вспомогательные генераторы опережающего (емкостного) тока.

Кроме того, очень часто для компенсации потерь, возникающих из-за индуктивной составляющей цепи, в ней используются батареи конденсаторов, подключаемые параллельно рабочей нагрузке и используемые в качестве синхронных компенсаторов.

7. Механическая характеристика рабочей машины

Механической характеристикой рабочей машины называется зависимость приведенной к валу двигателя угловой скорости от момента сопротивления w=f(М_с).

При поступательном движении соответственно - линейная скорость в функции усилия V=f(F_c).

М_с - статический момент, складывается из момента на трение (пропорциональна весу вращающихся частей и диаметру опоры), момента от трения на рассекание воздуха (возрастающая функция от частоты вращения), собственно полезный М_с (от типа рода нагрузки).

По характеру действия моменты нагрузки М_с делятся на активные и реактивные:

Активные - имеют постоянное, не зависящие от скорости, направление своего действия и создаются так называемыми потенциальными силами - силами притяжения Земли, силами упругой деформации и др.

Реактивные - создаются в основном силами трения, они всегда противодействуют движению и поэтому изменяют свой знак с изменением направления скорости движения.

Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками которые можно описать выражением

М_с=М₀+(М_с.н -М₀)( )^x, (1)

где М_с - момент сопротивления производственного механизма (рабочей

машины ) при скорости w (текущей скорости);

М_с.н - номинальный момент сопротивления при w_н;

М₀ - начальный момент сопротивления при w=0;

w - текущая угловая скорость;

х - показатель степени, характеризующий изменение момента

сопротивления при изменении скорости.

Приведенная, формула позволяет классифицировать механические характеристики производственных механизмов, ориентировочно, на следующие основные категории (рис.1)

1- не зависящая от скорости характеристика, х=0

(подъемные краны, лебедки, механизмы подачи металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры, транспортеры с постоянной нагрузкой). Сюда же могут быть отнесены все механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения, т.к. обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало;

2- линейно возрастающая, х=1

(генераторы постоянного тока с независимым возбуждением работающий на постоянную внешнюю нагрузку, зерноочистительные машины);

3- нелинейно-возрастающая, х=2 - называют вентиляторной характеристикой (вентиляторы, центрифуги, сепараторы, центробежные насосы);

4- нелинейно-спадающая, х= -1 (токарные, расточные, фрезерные и другие металлорежущие станки, зерновые нории).

Эти характеристики не исчерпывают всех практических возможных случаев, но дают представление о типичных производственных механизмах.

Целесообразно установить зависимость мощности от скорости

для каждой группы механизмов.

Если пренебречь М₀ в выражении (1), уравнение примет вид

М_C= М_C.Н ^. ( )^Х ; (2)

умножим правую и левую части на w, получим

Р_С =М_С ^. w = М_С.Н ^. ( )^{X .} w = М_С.Н ^. , (3)

где Р_С - мощность потребляемая механизмом при скорости w.

При х=0 Р_С1 =М_С.Н ^. w= К₁ w; х=1 Р_С2 = w²= К₂ w²;

х=2 Р_С3 = w³= К₃ w³; х= -1 Р_С4 =М_С.Н ^. w_н= const.

Таким образом, для механизмов первой группы мощность пропорционально скорости, для механизмов второй - квадрату скорости, третьей - кубу скорости, четвертой - не зависит от скорости.

8. Уравнение движения электропривода должно учитывать все силы и моменты, действующие в переходных режимах

При поступательном движении движущая сила F всегда уравновешивается силой сопротивления машины Fc и инерционной силой , возникающей при изменениях скорости. Если масса тела m выражена в килограммах, а скорость V - в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах (кг*м*с-2).

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

. (2.22)

Аналогично уравнение равновесия моментов, Нм, для вращательного движения (уравнение движения привода) имеет следующий вид:

. (2.23)

Уравнение (2.23) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент М уравновешивается моментом сопротивления Мc на его валу и инерционным или динамическим моментом . В (2.22) и (2.23) принято, что

масса тела т и соответственно момент инерции привода являются постоянными, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Из анализа (2.23) видно:

1) при >, т. е. имеет место ускорение привода;

2) при <, т. е. имеет место замедление привода (очевидно, что замедление привода может быть и при отрицательном значении момента двигателя);

3) при =; в данном случае привод работает в установившемся режиме.

Вращающий момент, развиваемый двигателем при работе, принимается положительным, если он направлен в сторону движения привода. Если он направлен в сторону обратную движению, то он считается отрицательным.

Отметим, что знак минус перед , указывает на тормозящее действие момента сопротивления, что отвечает усилию резания, потерям трения, подъему груза, сжатию пружины и т. п. при положительном знаке скорости.

При спуске груза, раскручивании или разжатии пружины и т. п. перед Мс ставится знак плюс, поскольку В этих случаях момент сопротивления помогает вращению привода.

Инерционный (динамический) момент (правая часть уравнения моментов) проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. При ускорении привода этот момент направлен против движения, а при торможении он поддерживает движение. Инерционный момент как по значению, так и по знаку определяется алгебраической суммой моментов двигателя и момента сопротивления.

При учете сказанного о знаках моментов формула (2.23) соответствует работе двигателя в двигательном режиме при реактивном моменте сопротивления (или при потенциальном тормозящем моменте сопротивления). В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

. (2.23а)

Выбор знаков перед значениями моментов в (2.23а) зависит от режима работы двигателя.

9. Регулирование скорости

Регулированием скорости является принудительное изменение скорости двигателя в целях регулирования скорости движения исполнительных органов машин и механизмов. В общем случае регулирование скорости двигателей - а под этим понимается также и поддержание скорости на заданном уровне - может осуществляться двумя способами - параметрическим и в замкнутых системах.

При параметрическом способе регулирование достигается изменением каких-либо параметров электрических цепей двигателей или питающего напряжения за счет включения, например, различных дополнительных элементов: резисторов, конденсаторов, индуктивностей. Качество такого регулирования скорости обычно оказывается не очень высоким.

При необходимости получения процесса регулирования скорости с высокими качественными показателями переходят к замкнутым системам электропривода, в которых воздействие на двигатель обычно осуществляется изменением подводимого к двигателю напряжения, или частоты этого напряжения, или того и другого. Для этой цели служат различные силовые преобразователи постоянного и переменного тока.

Регулирование скорости в количественном отношении характеризуется шестью основными показателями.

1. Диапазон регулирования определяется отношением максимальной щмах и минимальной скоростей щмин: Д = щмах / щмин при заданных пределах изменения нагрузки на валу двигателя.

Различные рабочие машины требуют разных диапазонов регулирования. Так, прокатные станы характеризуются диапазоном Д = 20 - 50, станки от Д = 3 - 4 до Д = 50 - 1000 и более, бумагоделательные машины Д = 20 и т.д.

2. Направление регулирования скорости определяется расположением получаемых искусственных характеристик относительно естественной. Если они располагаются выше естественной, то говорят о регулировании скорости вверх от основной, если ниже - вниз от основной. Расположение искусственных характеристик как выше, так и ниже естественной обеспечивает так называемое двухзонное регулирование.

3. Плавность регулирования скорости определяется числом получаемых в данном диапазоне искусственных характеристик: чем их больше, тем регулирование скорости будет осуществляться плавнее. Плавность оценивается коэффициентом, который находится как отношение скоростей на двух ближайших характеристиках

kпл = щ_i - щ_i-1,

где щ_i ищ_i-1 - скорости на i-й и (i-1) искусственных характеристиках.

Наибольшая плавность достигается в замкнутых системах с использованием преобразователей напряжения и частоты, небольшая плавность обычно соответствует параметрическим способам регулирования. При плавном регулировании скорости качественно протекает технологический процесс, улучшается качество выпускаемой продукции, повышается производительность работы электропривода и т.д.

4. Стабильность в поддержании заданной регулировочной скорости технологом зависит от жесткости механической характеристики электродвигателя. Более жесткую механическую характеристику возможно получить только в замкнутых электроприводах. В разомкнутом электроприводе и при слишком пониженной скорости и колебаниях момента сопротивления будут происходить большие колебания скорости, что недопустимо.

5. Допустимая нагрузка на двигатель при регулировании скорости зависит от протекающего тока в силовой части. Этот ток не должен превышать номинального значения. В противном случае двигатель будет перегреваться. Допустимый ток зависит от вида механической характеристики исполнительного органа и примененного способа регулирования скорости.

6. Экономичность регулирования определяется капитальными и эксплуатационными затратами на регулируемый электропривод. Капитальные затраты должны быть по возможности минимальными, или в противном случае такими, чтобы срок окупаемости электропривода не превысил нормативного.

При расчете показателя экономичности регулирования скорости учитываются количество регулируемых скоростей в диапазоне регулирования, активные мощности на валу двигателя при различных скоростях, потери мощности при различных скоростях, время работы электродвигателя на каждой регулируемой скорости, активные и реактивные мощности, потребляемые электродвигателем.

10. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) В этом двигателе (рисунок 1) обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику питания. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r_рег, а в цепь якоря -- добавочный (пусковой) реостат R_п. Характерная особенность ДПТ НВ -- его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_я так как питание обмотки возбуждения независимое.

Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Рисунок 1

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид



где: n₀ - частота вращения вала двигателя при холостом ходе. Дn - изменение частоты вращения двигателя под действием механической нагрузки.

Из этого уравнения следует, что механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) прямолинейны и пересекают ось ординат в точке холостого хода n₀ (рис 13.13 а), при этом изменение частоты вращения двигателя Дn, обусловленное изменением его механической нагрузки, пропорционально сопротивлению цепи якоря

R_а =?R + R_доб.

Поэтому при наименьшем сопротивлении цепи якоря R_а = ?R, когда R_доб = 0, соответствует наименьший перепад частоты вращения Дn. При этом механическая характеристика становится жесткой (график 1).

Механические характеристики двигателя, полученные при номинальных значениях напряжения на обмотках якоря и возбуждения и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря, называют естественными (график 7).

Если же хотя бы один из перечисленных параметров двигателя изменен (напряжение на обмотках якоря или возбуждения отличаются от номинальных значений, или же изменено сопротивление в цепи якоря введением R_доб), то механические характеристики называют искусственными.

Искусственные механические характеристики, полученные введением в цепь якоря добавочного сопротивления R_доб, называют также реостатными (графики 7, 2 и 3).

При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики n = f(M). При неизменном моменте нагрузки на валу двигателя с увеличением сопротивления резистора R_доб частота вращения уменьшается. Сопротивления резистора R_доб для получения искусственной механической характеристики, соответствующей требуемой частоте вращения n при заданной нагрузке (обычно номинальной) для двигателей независимого возбуждения:

где U -- напряжение питания цепи якоря двигателя, В; I_я -- ток якоря, соответствующий заданной нагрузке двигателя, А; n -- требуемая частота вращения, об/мин; n₀ -- частота вращения холостого хода, об/мин.

Частота вращения холостого хода n₀ представляет собой пограничную частоту вращения, при превышении которой двигатель переходит в генераторный режим. Эта частота вращения превышает номинальную n_ном на столько, на сколько номинальное напряжение U_ном подводимое к цепи якоря, превышает ЭДС якоря Е_{я ном} при номинальной нагрузки двигателя.

откуда:

На форму механических характеристик двигателя влияет величина основного магнитного потока возбуждения Ф. При уменьшении Ф (при возрастании сопротивления резистора r_peг) увеличивается частота вращения холостого хода двигателя n₀ и перепад частоты вращения Дn. Это приводит к значительному изменению жесткости механической характеристики двигателя (рис. 13.13, б). Если же изменять напряжение на обмотке якоря U (при неизменных R_доб и R_рег), то меняется n₀, a Дn остается неизменным [см. (13.10)]. В итоге механические характеристики смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рис. 13.13, в). Это создает наиболее благоприятные условия при регулировании частоты вращения двигателей путем изменения напряжения U, подводимого к цепи якоря. Такой метод регулирования частоты вращения получил наибольшее распространение еще и благодаря разработке и широкому применению регулируемых тиристорных преобразователей напряжения.



Механическая характеристика двигателя при неизменных параметрах U, R и Ф представляется прямой линией 1 (рис. 4.2).

На холостом ходу (М = 0) двигатель вращается с частотой вращения w₀. По мере увеличения момента нагрузки частота вращения снижается, номинальному моменту нагрузки М_Н соответствует номинальная частота вращения w_0. Изменение величины питающего напряжения вызывает пропорциональное уменьшение частот вращения во всех режимах работы. При этом жесткость механической характеристикиb сохраняется, так как его величина, согласно (4.5б), определяется сопротивлением якорной цепи, конструктивным коэффициентом и магнитным потоком машины.

Согласно (4.5), путем изменения величины питающего напряжения U от нуля до номинального значения (например, при помощи управляемого тиристорного выпрямителя), можно изменять частоту вращения вала в широких пределах, что подтверждается рис. 4.2 (характеристиками 2).

Практически значение глубины регулирования достигает 10…100 тыс. Столь большой диапазон регулирования позволяет исключить или значительно упростить механическую трансмиссию.

Вторым способом регулирования частоты вращения двигателя является изменение сопротивления якорных цепей - путём включения последовательно в цепь якоря регулировочного резистора R_Р1 (рис. 4.1). В этом случае, согласно (4.5), при увеличении сопротивления жесткость характеристики машины уменьшается (рис. 4.2, линии 3). Как видно из рис. 4.2, частота вращения машины при идеальном холостом ходе: М = 0 не изменяется, а с ростом момента нагрузки частота вращения снижается значительно (в уменьшается). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения в значительном диапазоне, однако вследствие значительных потерь мощности в регулировочном резисторе резко снижается кпд привода:

. (4.7)

Регулирование частоты вращения машины постоянного тока магнитным потоком машины Ф - за счёт изменения тока возбуждения резистором R_Р2 (см. рис. 4.1) - является экономичным способом, так как потери в резисторе R_Р2 не велики вследствие малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения по сравнению с номинальной (глубина регулирования не превышает D = 2…3). Такой способ регулирования предусмотрен для большинства машин^[3].

При способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока -- уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Диапазон регулирования скорости для данного способа D = 2 - 4.

Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2, а и 2, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

11. Получение простейшей модели электропривода

Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой на рис. 3.1.

Будем полагать, что якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U* , сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.

Рис. 3.1. Схема электропривода с двигателем постоянного тока

Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера и возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:

...