Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Требования по надежности

1.1 Энергетическая эффективность

2. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока

2.1 Электромеханические характеристики

2.2 Режимы работы

2.3 Способы регулирования момента и скорости

3. Регулирование изменением сопротивления в цепи якоря

3.1 Регулирование потоком возбуждения

3.2 Сравнительная оценка способов регулирования

3.3 Динамические характеристики

4. Электромеханические свойства коллекторных двигателей последовательного и смешанного возбуждения

4.1 Режимы работы

4.2 Способы регулирования момента и скорости

5. Охрана труда и техника безопасности

Используемая литература



Введение

В простейшем понимании электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для преобразования электрической энергии в механическую, приводящую в движение рабочие органы различных машин.

Однако на современном этапе на электропривод часто возлагается задача управления движением рабочих органов по заданному закону, с заданной скоростью или по заданной траектории, поэтому более точно можно сказать, что электропривод - это электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов различных машин и управления этим движением.

Как правило, электропривод состоит из электродвигателя, осуществляющего непосредственное преобразование электрической энергии в механическую, механической части, передающей энергию от двигателя к рабочему органу, включающий рабочий орган и устройства управления двигателем, осуществляющего регулирование потока энергии от первичного источника к двигателю.

В качестве устройства управления может быть использован как простейший выключатель или контактор, так и регулируемый преобразователь напряжения. В совокупности перечисленные устройства образуют энергетический каналпривода.

Для обеспечения заданных параметров движения привода предназначен информационно-управляющий канал, в состав которого входят информационные и управляющие устройства, обеспечивающие получение информации о заданных параметрах движения и выходных координатах и реализующие определенные алгоритмы управления. К ним относятся, в частности, различные датчики (угла, скорости, тока, напряжения и др.), цифровые, импульсные и аналоговые регуляторы.



1. Требования по надежности

Требования по надежности, в соответствии с которыми электропривод должен выполнять заданные функции в определенных условиях, в течение определенного промежутка времени и с заданной вероятностью безотказной работы. Если эти требования не выполняются или не подтверждаются, то все остальные его качества могут оказаться бесполезными. Требования по надежности могут существенно отличаться в зависимости от назначения привода. Например, от электропривода рулевой машины боевой ракеты не требуется большого ресурса работы, однако вероятность отказа в течение этого небольшого промежутка времени должна быть очень низкой. Наоборот, время работы электропривода компрессора бытового холодильника должно быть достаточно продолжительным, а его отказ не связан с катастрофическими последствиями, и требования по вероятности безотказной работы не такие жесткие.

Точность или отличие каких-либо показателей движения от заданных, которое не должно превышать некоторых допустимых значений. Электропривод должен поддерживать на заданном уровне ускорение, скорость, угол или момент рабочего органа, обеспечивать перемещение рабочего органа на заданный угол и за заданное время и т.д. Например, электропривод звукозаписывающего или воспроизводящего устройства высокого класса должен обеспечить стабильность скорости вращения не хуже десятых или даже сотых долей процента.

Быстродействие, т.е. способность электропривода достаточно быстро реагировать на различные управляющие и возмущающие воздействия. Этот показатель тесно связан с показателем точности. Например, в следящем электроприводе при быстром и частом изменении управляющих сигналов, чем выше быстродействие привода, тем меньше будет ошибка воспроизведения заданного движения. Качество переходных процессов, под которым, как и в теории автоматического управления, понимается обеспечение определенных закономерностей их протекания. Требования к качеству чаще всего формулируются, исходя из особенностей функционирования машин или рабочих органов, в которых устанавливается электропривод. Например, в приводах манипуляторов иногда недопустимо перерегулирование, так как оно может привести к выходу из строя технологического оборудования, иногда регламентируется время переходного процесса и т.д.

1.1 Энергетическая эффективность

Энергетическая эффективность. Поскольку любой процесс передачи и преобразования электрической энергии связан с ее потерями, важно знать, какова доля этих потерь. Особенно это важно при использовании электропривода в подвижных объектах, переносной аппаратуре или электроприводах большой мощности и длительным режимом работы. Энергетическая эффективность оценивается к.п.д. - отношением полезно истраченной энергии к ее полному расходу в данном процессе. В любом случае необходимо стремиться к максимальному к.п.д. привода.

Совместимость электропривода с аппаратурой технического комплекса, в котором он используется, с системой электроснабжения, информационной системой и, наконец, с самим рабочим органом и прибором, в котором он установлен. Особенно остро вопросы совместимости стоят для электроприводов бытовой и медицинской техники, ортопедических устройств, радиотехнических приборов и систем. В настоящем курсе мы попытаемся рассмотреть принципы построения, основные характеристики, динамические модели и структуру электроприводов, построенных на основе наиболее распространенных в настоящее время двигателей постоянного и переменного тока и выделенных в отдельный класс вентильных двигателей. Ознакомимся с методами выбора отдельных элементов привода и синтезом некоторых регуляторов с учетом перечисленных выше требований.

2. Электромеханические свойства двигателей постоянного тока

Двигатель является основным элементом привода и в наибольшей степени определяет его регулировочные характеристики, динамические свойства и энергетические показатели. Правильный выбор двигателя позволяет спроектировать электропривод, способный успешно решать поставленные задачи, удовлетворяющий перечисленным выше требованиям технического задания. Но такой выбор можно осуществить только на основе знаний особенностей, статических и динамических характеристик двигателей. Эти же знания необходимы для синтеза устройств управления приводом.

В настоящем курсе основное внимание уделено электродвигателям, нашедшим наибольшее применение в электроприводах промышленной автоматики, в бытовой и медицинской технике, в летательных аппаратах и др. К таким двигателям относятся коллекторные двигатели постоянного и переменного тока, асинхронные с короткозамкнутым и фазовым ротором и синхронные двигатели. В отдельный класс выделены вентильные двигатели, нашедшие широкое применение во всех перечисленных выше отраслях и системах.

Коллекторные двигатели постоянного тока являются наиболее распространенными исполнительными двигателями систем автоматики различного назначения, поэтому их свойства рассматриваются в настоящем курсе наиболее подробно. По типу возбуждения они делятся на две группы: с электромагнитным и с магнитоэлектрическим возбуждением. Двигатели с электромагнитным возбуждением применяются главным образом в системах промышленной автоматики и имеют мощность от киловатта и выше. Двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением от постоянных магнитов, чаще выполняются на мощность не более нескольких киловатт и применяются в системах управления летательных аппаратов, приборных системах управления и др.

По конструкции якоря двигатели делятся на три группы: с зубцовым якорем, с гладким якорем, с диэлектрическим якорем (дисковым или полым). Конструкции с зубцовым якорем являются традиционными в коллекторных двигателях. Достоинством таких конструкций является хорошие удельные энергетические показатели и относительная дешевизна. Двигатели с гладким якорем имеют меньшие пульсации момента и допускают большие перегрузки по сравнению с зубцовыми. Двигатели с диэлектрическим якорем имеют по сравнению с другими конструкциями высокое быстродействие и используются в электроприводах с жесткими требованиями к динамическим свойствам.

2.1 Электромеханические характеристики

Схема замещения двигателя постоянного тока независимого возбуждения, при определенных допущениях, может быть представлена в виде (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема замещения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

В соответствии с этой схемой, уравнения напряжений для обмотки возбуждения и якорной обмотки имеют вид

uв=iвRв+Lвdiв/dt,



uя=iяRя+Lяdiя/dt+e,

где u и i - мгновенные значения напряжения и тока, а R и L - активное сопротивление и индуктивность обмоток, с индексом (в) - обмотки возбуждения, с индексом (я) - якорной обмотки.

Э.д.с. якорной обмотки определяется соотношением

e=KЦщ,

где щ - мгновенное значение скорости вращения якоря, Ц - мгновенное значение потока, K - конструктивный коэффициент, который определяется соотношением

K=pN/(2a),

где p - число пар полюсов, N и a - соответственно число активных проводников и число параллельных ветвей якорной обмотки.

При рассмотрении статических характеристик предположим, что напряжения на обмотке возбуждения и на якорной обмотке постоянны (d/dt>0). Тогда в установившемся режиме для якорной цепи справедливо уравнение

U=RяIя+E,

где U,Iя,E - установившиеся значения напряжения, тока и э.д.с. якоря. Раскрывая в (2.4) э.д.с. согласно (2.3) и решая полученное уравнение относительно щ, получаем

щ=U/(KЦ)?RяIя/(KЦ).



Уравнение (2.5) связывает механическую (щ) и электрическую (Iя) координаты и поэтому называетсяэлектромеханической характеристикой.

Электромагнитный момент двигателя связан с током якоря соотношением

M=KЦIя.

С учетом (2.6) выражение (2.5) может быть представлено в виде

щ=U/(KЦ)?Rя·M/(KЦ)2.

Выражение (2.7) связывает две механические координаты щ и M, как мы отмечали в гл. 1, оно называетсямеханической характеристикой двигателя.

Полученные уравнения показывают, что обе характеристики линейны. Точку их пересечения с осью ординат называют скоростью холостого хода, которая определяется выражением

щ0=U/(KЦ).

Точку пересечения электромеханической характеристики с осью абсцисс называют пусковым током, который определяется выражением

Iп=U/Rя.

Точку пересечения механической характеристики с осью абсцисс называют пусковым моментом, который определяется выражением

Mп=KЦIп=KЦ·U/Rя.



Так как механическая характеристика линейна, то ее жесткость постоянна во всем рабочем диапазоне и определяется по соотношению

в=?M/?щ=?Mп/щ0=?(KЦ)2/Rя.

Если обе части уравнений (2.5) и (2.7) разделить на скорость холостого хода, то получим уравнения электромеханической и механической характеристик, представленные в относительных единицах:

н=1?i,

н=1?м,

i=I/Iп,н=щ/щ0,м=M/Mп

- относительные значения соответственно тока, скорости и момента.

Электромеханическая и механическая характеристики существуют во всех четырех квадрантах плоскостей параметров щ, M и щ, Iя. На рис. 2.2 они изображены в первом квадранте.

Рис. 2.2. Механическая и электромеханическая характеристики:
а) в абсолютных; б) в относительных единицах

Характеристики, полученные при номинальных значениях напряжения и потока и при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, называют естественными. При изменении напряжения или потока, а также при введении добавочного сопротивления в цепь якоря мы получаем искусственные характеристики. Зная, как изменяются характеристики при изменении перечисленных параметров, т.е. зная вид искусственных характеристик, мы можем оценить регулировочные свойства двигателя, поэтому рассмотрим подробнее искусственные характеристики. Для этого достаточно определить, как изменяются скорость холостого хода, пусковой ток и пусковой момент (щ0,Iп,Mп) при изменении напряжения, активного сопротивления в цепи якоря и потока (U,Rд,Ц).

При понижении напряжения от номинального (Uv), согласно (2.8) - (2.10) пропорционально изменяются скорость холостого хода, пусковой ток и пусковой момент, поэтому искусственные характеристики для этого случая будут выглядеть, как показано на рис. 2.3.а. Отметим, что характер изменения электромеханической и механической характеристик при этом одинаковый. При введении добавочного сопротивления в цепь якоря (Rд^), согласно тем же выражениям, скорость холостого хода остается неизменной, а пусковой ток и момент уменьшаются. Характер изменения электромеханической и механической характеристик одинаков, а их вид представлен на рис. 2.3.б.

При уменьшении потока от номинального (Цv) - остается неизменным только пусковой ток. Скорость холостого хода увеличивается, а пусковой момент уменьшается, поэтому вид электромеханической и механической характеристик разный, как это показано на рис. 2.3.в.

Рис. 2.3. Искусственные характеристики:

а) при изменении напряжения на якоре;
б) при изменении сопротивления в цепи якоря

2.2 Режимы работы

Если в уравнении механической характеристики (2.7) изменять напряжение в интервале (+Uн,?Uн), то при различных значениях скорости и момента мы получим семейство механических характеристик, расположенных во всех четырех квадрантах плоскости параметров щ,M (рис. 2.4). В квадрантах 1 и 3 имеемдвигательный режим, так как здесь электромагнитная мощность двигателя положительна - P=Mщ>0, а в квадрантах 2 и 4 реализуются тормозные (генераторные) режимы, так как здесь P<0. Причем, если двигательный режим один (область его существования отмечена горизонтальной штриховкой), то тормозных режимов несколько. Рассмотрим их.

Из теории электрических машин известно, что генераторный режим имеет место в том случае, если э.д.с. и ток двигателя одного знака. Согласно (2.4) имеем

Iя=(U?E)/Rя.

Рис. 2.4. Области существования режимов работы привода

Отсюда можно заключить, что ток и э.д.с. будут одного знака в трех случаях:

· если при одинаковых знаках, модуль э.д.с. больше модуля напряжения на якорной обмотке |E|>|U|;

· если напряжение якорной обмотки равно нулю U=0 (при щ?0);

· если напряжение и э.д.с. имеют разные знаки signU=?signE.

Режим, соответствующий первому условию, называют рекуперативным торможением. Он возникает в том случае, если скорость двигателя под действием внешнего момента, возникающего при торможении рабочего органа, превысит скорость холостого хода, т.е. рабочая точка привода по механической характеристике перейдет из квадранта 1 в квадрант 2, либо из квадранта 3 в квадрант 4. Область существования режима рекуперативного торможения отмечена вертикальной штриховкой. При этом двигатель работает как обычный генератор постоянного тока, его механическая и электромеханическая характеристики описываются теми же уравнениями (2.5) и (2.7). Уравнение баланса мощностей имеет вид

Pэ=Pм?ДP,

где: Pм - механическая мощность, поступающая от рабочего органа, Pэ - мощность, генерируемая двигателем, ДP - потери мощности в обмотке якоря.

В соответствии с выражением (2.16) механическая энергия торможения рабочего органа частично возвращается в сеть, а частично рассеивается в виде потерь в двигателе.

Режим, соответствующий второму условию называют динамическим торможением. Физически он реализуется путем отключения двигателя от сети и закорачивания обмотки якоря, либо включения ее на добавочное активное сопротивление. В первом случае рабочая точка привода оказывается на линии механической характеристики при U=0, которая является механической характеристикой режима динамического торможения при Rд=0. Во втором случае уравнение механической характеристики двигателя при динамическом торможении имеет вид

щ=?(Rя+Rд)·M/(KЦ)2.

Следовательно, в обоих случаях механические характеристики проходят через начало координат и отличаются только жесткостью.

Уравнение баланса мощностей для динамического торможения имеет вид

Pм=ДP.

Согласно этому уравнению механическая энергия торможения рассеивается в виде электрических потерь на добавочном сопротивлении и в обмотке якоря.

Режим, соответствующий третьему условию, называют противовключением. Физически он реализуется, если под действием момента со стороны рабочего органа двигатель начнет вращаться в обратную сторону, т.е. рабочая точка перейдет по механической характеристике из квадранта 1 в квадрант 4 или из квадранта 3 в квадрант 2. Режим противовключения возникает также, если в работающем двигателе изменить полярность напряжения на якорной обмотке. Тогда за счет инерции вращающихся частей какое-то время якорь будет вращаться в сторону, противоположную направлению момента. Отсюда и название режима. Область существования режима противовключения отмечена наклонной штриховкой.

Уравнение механической характеристики имеет вид

щ=?(U/(KЦ)+Rя·M/(KЦ)2).



При переключении полярности напряжения в обмотке якоря может возникнуть большой ток, определяемый выражением

Iя=?(U+E)/Rя,

поэтому необходимо предусматривать меры по его ограничению, например, путем введения добавочного сопротивления в цепь якоря или используя устройства ограничения тока в преобразователях напряжения, от которых питается двигатель.

Уравнение баланса мощностей имеет вид

Pм+Pэ=ДP.

В соответствии с этим уравнением при торможении противовключением механическая энергия торможения и электрическая энергия, потребляемая двигателем, преобразуются в электрические потери.

2.3 Способы регулирования момента и скорости

В данном случае имеется в виду регулирование одной из механических координат (скорости или момента) путем изменения определенных параметров двигателя. В п. 2.1.1 мы выяснили, что такими параметрами для двигателя постоянного тока независимого возбуждения являются напряжение на обмотке якоря U,сопротивление якорной цепи Rя и поток возбуждения Ц. Напряжение на якоре мы можем менять с помощью преобразователя напряжения, сопротивление якорной цепи путем введения регулируемого сопротивления в цепь якоря, а поток - путем изменения напряжения питания обмотки возбуждения. Обычно рассматривают регулирование одной координаты (M или щ), считая другую постоянной.

В данном пункте рассмотрим статические регулировочные свойства, для оценки качества которых существуют объективные показатели, такие как: диапазон регулирования

D=ymax/ymin,

где ymax,ymin - соответственно максимальное и минимальное значение регулируемой координаты, которые можно обеспечить в процессе регулирования; линейность регулирования

L=dy/dx,

где x - изменяемый параметр; энергетическая эффективность регулирования, под которой в данном случае будем понимать электромагнитный к.п.д.

Предполагая только один параметр при постоянных других, рассмотрим регулировочные характеристики при различных способах регулирования.

Примем Rд=0,Ц=Цн=const,U=var. Так как в этом случае напряжение на якоре может отличаться от номинального, то механическая характеристика в относительных единицах запишется выражением несколько отличным от:

н=u?м,

где u=U/Uн - относительное значение напряжения на якорной обмотке.

В соответствии с выражением (2.21) при регулировании скорости и м=const характеристики имеют вид - рис. 2.5. В данном случае и далее, при построении характеристик предполагается реактивный характер момента на валу двигателя.



Рис. 2.5. Регулировочные характеристики при изменении напряжения на якоре

Из уравнения (2.21) нетрудно найти диапазон регулирования скорости н?[0,(1?м)] при изменении регулирующей координаты в диапазоне u?[м,1]. Передаточный коэффициент регулированияkн=Дн/Дu=1 или, переходя к абсолютным величинам, получим:

1=щ/щ0ЧUн/U.

Отсюда

kщ=щ/U=щ0/Uн=1/(KЦ).

Теперь примем скорость постоянной (н=const) и рассмотрим регулирование момента. Согласно (2.21) при этом регулировочные характеристики имеют тот же вид, что и при регулировании скорости (рис. 2.5), диапазон регулирования момента равен м?[0,(1?н)] при изменении регулирующей координаты в диапазоне u?[н,1]. Передаточный коэффициент регулирования kм=Дм/Дu=1. Перейдя к абсолютным величинам, получим

1=MUн/MпU.

Отсюда



kм=M/U=KЦ/Rя.

Для оценки энергетической эффективности в процессе регулирования рассмотрим как меняется электромагнитный к.п.д. двигателя, который в общем случае определяется отношениями

зэ=Pэ/Pп=Mщ/(UI)=KЦIщ/(KЦщ0I)=щ/щ0=?,

где Pэ,Pп - соответственно электромагнитная и потребляемая мощность двигателя, ? - относительная скорость. Выше мы уже обозначали относительную скорость через н:

н=щ/щ0н,

где щ0н - скорость холостого хода при питании двигателя номинальным напряжением.

Из (2.24) и (2.25) с учетом (2.8) получим

?=н/u, н=?u.

Подставим н из в и с учетом получим

зэ=?=1?м/u.

Нетрудно на основе тех же исходных соотношений представить выражение для электромагнитного к.п.д. в другом виде:

зэ=?=н/(н+м).

Выражения и позволяют определить, как изменяется к.п.д. двигателя в процессе регулирования.

3. Регулирование изменением сопротивления в цепи якоря

Примем U=Uн=const,Ц=Цн=const, а сопротивление якорной цепи представим соотношением

Rяц=Rя+Rд.

Подставим Rяц в уравнение механической характеристики (2.7) вместо Rя и получим

щ=Uн/(KЦн)?(Rя+Rд)·M/(KЦн)2.

Запишем полученное уравнение механической характеристики в относительных единицах

н=1?(1+r)м,

где r=Rд/Rя - относительное значение добавочного сопротивления в цепи якоря.

Если принять м=const, то уравнение (2.29) является характеристикой регулирования скорости. Можно отметить, что это характеристика линейна и имеет вид (рис. 2.6.а).

Рис. 2.6. Регулировочные характеристики при изменении сопротивления в цепи якоря



Диапазон изменения скорости н?[0,(1?м)]. При этом регулирующий параметр должен изменяться в диапазоне r?[(1?м)/м,0]. Передаточный коэффициент регулирования

kн=Дн/Дr=?м.

Теперь примем н=const и перепишем уравнение (2.29) в виде

м=(1?н)/(1+r).

Уравнение является характеристикой регулирования момента. Можно отметить, что она нелинейна и имеет вид рис. 2.6.б. При увеличении сопротивления в цепи якоря момент уменьшается, асимптотически приближаясь к нулю. Диапазон изменения момента м?[0,(1?н)] при изменении регулирующей координаты в диапазоне r?[?,0]. Передаточный коэффициент регулирования можно получить только для линеаризованной характеристики. Для малых отклонений координат имеем

kм=Дм/Дr=dм/drr=r0=?(1?н)/(1+r0)2,

где r0 - исходное значение регулирующего параметра, относительно которого рассматриваются малые отклонения.

Учитывая, что в данном случае зэ=н, уравнение (2.29) может быть использовано для определения электромагнитного к.п.д. двигателя в процессе регулирования.

3.1 Регулирование потоком возбуждения

Примем в уравнении (2.7) U=Uн=const,Rд=0,Ц=var, т.е. поток может уменьшаться от номинального. Тогда, переходя к относительным единицам, получим:

н=1/f?м/f2,

где f=Ц/Цн - относительное значение потока.

При регулировании скорости примем м=const. Тогда выражение (2.33) можно считать регулировочной характеристикой, которая является существенно нелинейной. Общий вид регулировочных характеристик представлен на рис. 2.7.а. Из рисунка видно, что характеристика имеет перегиб. Максимальное значение скорости соответствует точке перегиба, определим, как и ранее, известным поиском экстремума функции, т.е. из уравнения dн/df=0. В результате получим нm=1/(4м) при значении регулирующего параметраfm=2м.

Рис. 2.7. Регулировочные характеристики при изменении потока

Передаточный коэффициент для режима малых отклонений определяется по выражению

kн=dн/dff=f0=(f0?2(f0?м))/f03,

где f0 - значение управляющей координаты, относительно которой рассматриваются отклонения.

Обычно работают справа от точки перегиба, при уменьшении потока увеличивается скорость двигателя. Тогда диапазон регулирования скорости равен н?[(1?м),1/(4м)] при изменении регулирующего параметра в диапазоне f?[1,2м].

Для описания характеристики регулирования момента в (2.33) примем н=const и перепишем уравнение в виде

м=f·(1?нf).

Регулировочная характеристика имеет вид (рис. 2.7.б). Координаты точки перегиба определим тем же способом. Они равны мm=1/(4н), fm=1/(2н). Регулирование момента можно осуществлять в диапазонем?[0,1/(4н)] при изменении регулирующего параметра в диапазоне f?[0,1/(2н)]. Передаточный коэффициент регулирования в режиме малых отклонений

kм=1?2нf0.

Для оценки энергетических показателей регулирования найдем, как связаны относительные скорости н и? в данном случае. Эту связь просто найти из соотношения

н=щщ0/(щ0щ0н)=?ЧUн/(KЦ)ЧKЦн/Uн=?/f.

Подставляя н из в с учетом, получаем:

зэ=?=нf=1?м/f.

Подставляя в полученные ранее предельные значения регулирующей координаты при известных значениях относительного момента, мы можем определить диапазон изменения к.п.д. двигателя.



3.2 Сравнительная оценка способов регулирования

Сравнения проведем по линейности регулировочных характеристик и по электромагнитному к.п.д. двигателя. По виду регулировочных характеристик (рис. 2.5 - 2.7) можно заключить, что при регулировании момента и скорости путем изменения напряжения на обмотке якоря они линейные. При регулировании изменением сопротивления якорной цепи линейна скоростная характеристика и нелинейная характеристика регулирования момента. Наконец, при регулировании потоком нелинейные обе характеристики. При этом возможно даже изменение знака передаточного коэффициента регулирования. Кроме того, необходимо учесть, что регулирование потока возможно только изменением тока возбуждения. Но, как известно, зависимость потока от тока возбуждения также нелинейная, что еще больше усугубляет общую нелинейность регулирования.

Для сравнительной оценки способов регулирования по энергетическим показателям запишем соответствующие им механические характеристики в виде:

при регулировании напряжением

щ=U/(KЦн)?Rя·M/(KЦн)2;

при регулировании сопротивлением

щ=Uн/(KЦн)?Rя·M/(KЦн)2?Rд·M/(KЦн)2;

при регулировании потоком

щ=Uн/(KЦ)?Rя·M/(KЦ)2,



где: U,Rд,Ц - регулирующие координаты; щ,M,Uн,K - постоянные параметры, одинаковые для всех трех выражений. На основании уравнения, принимая во внимание, что

U<Uн,Ц<Цн,

можно заключить:

(зэ1=?1=щ/щ01=щKЦн/U) > (зэ2=щ/щ02=щKЦн/Uн), зэ1>(зэ3=щKЦ/Uн), зэ2>зэ3.

Таким образом, по энергетическим показателям лучшим является регулирование изменением якорного напряжения, т.е. и по линейности характеристик, и по энергетическим показателям предпочтительным является якорное управление, которое и получило наибольшее распространение в автоматическом приводе. Регулирование изменением сопротивления может быть рекомендовано в маломощных приводах, где потери на добавочном сопротивлении не вызывают особых проблем с теплоотводом и не приводят к значительным потерям энергии. Регулирование изменением потока возбуждения рекомендовано при скорости двигателя выше номинальной и сочетается с якорным регулированием. Такое сочетание называют двухзонным регулированием: первая зона со скоростью до номинальной - якорное управление, вторая зона со скоростью выше номинальной - управление потоком возбуждения.

3.3 Динамические характеристики

Для описания динамических свойств двигателя используем систему уравнений, которые после преобразований представим в виде:



uв=(1+Tвp)iвRв,

uя=(1+Tяp)iяRя+KЦщ,

Jdщ/dt=KЦiя?Mс,

где: p=d/dt - оператор дифференцирования; Tв=Lв/Rв, Tя=Lя/Rя - электромагнитные постоянные времени обмотки возбуждения и якорной обмотки соответственно. Полученную систему уравнений необходимо дополнить уравнением связи потока двигателя с током возбуждения. Как известно из теории электрических машин, из-за влияния насыщения магнитной системы эта связь нелинейная и имеет вид рис. 2.8.а. С целью лучшего использования железа машина проектируется так, чтобы в номинальном режиме рабочая точка находилась на перегибе кривой намагничивания.

Рис. 2.8. Реальная и аппроксимированная зависимости потока от тока возбуждения

Для аналитического описания модели заменим реальную кривую намагничивания аппроксимированной (рис. 2.8.б). Тогда зависимость потока от тока возбуждения можно записать выражениями:

Ц=k1iв если |iв|?|iн|,

Ц=Цн если |iв|>|iн|.

На основании системы уравнений (2.42) и (2.43) структурную схему двигателя постоянного тока как динамической системы можно представить в виде рис. 2.9.

Рис. 2.9. Полная структурная схема двигателя постоянного тока
как динамической системы

Из структурной схемы можно заключить, что двигатель постоянного тока является существенно нелинейной системой, имеющей два типа нелинейности - ограничение и умножение. Входными координатами, которыми осуществляется управление, являются Uя и Uв.

На практике чаще всего используют упрощенную модель. Это объясняется тем, что в автоматическом приводе в основном используется якорное управление, более того, все большее применение находят двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. При этом поток двигателя можно считать постоянным и структурная схема двигателя получает.

Рис. 2.10. Структурная схема двигателя при постоянном потоке

Из этой структурной схемы можно найти передаточные функции двигателя по управлениюW1(p)=щ(p)/U(p), W2(p)=M(p)/U(p) и по возмущению W3(p)=щ(p)/Mс(p). Для этого воспользуемся известными правилами преобразования структурных схем. В результате получим



.

Назовем Tм=JRя/(KЦ)2 механической постоянной времени двигателя и напомним, что kщ=1/(KЦ)- передаточный коэффициент двигателя по управлению при регулировании скорости. С учетом принятых обозначений имеем:

,

,

,

где kм=KЦ/Rя - передаточный коэффициент двигателя по управлению при регулировании момента,kв=?Rя/(KЦ)2 - передаточный коэффициент по возмущению.

Можно отметить, что полученные в предыдущем пункте коэффициенты kщ и kм, из выражений (2.22) и (2.23) совпадают с их значениями, полученными методом структурных преобразований в настоящем пункте.

По виду передаточных функций можно заключить, что двигатель является динамическим звеном второго порядка. Известно, что переходные процессы в таком звене будут апериодическими, если корни его характеристического уравнения вещественные, и колебательными, если корни комплексные. Напомним, что корни характеристического уравнения находятся путем приравнивания нулю знаменателя передаточной функции. Отсюда имеем

.

С учетом последнего выражения можно отметить, что переходный процесс будет апериодическим, еслиTм>4Tя. В противном случае переходный процесс колебательный, что в реальности практически не встречается. Можно отметить также, что при выполнении условия Tм?10Tя с достаточной степенью точности характеристическое уравнение можно представить в виде произведения двух полиномов, т.е. передаточные функции могут быть записаны в виде

.

Запись передаточных функций двигателя в виде (2.45.б) оказывается удобной при синтезе систем управления приводом и пригодится нам позже.

В некоторых случаях постоянной времени якорной цепи можно пренебречь. Тогда двигатель можно представить динамическим звеном первого порядка, а передаточные функции получат вид:

W1(p)=kщ/(Tмp+1),

W2(p)=kмTмp/(Tмp+1),

W3(p)=kв/(Tмp+1).

По структурной схеме двигателя (рис. 2.10) можно также составить дифференциальное уравнение движения привода, решение которого даст уравнения переходных процессов для скорости, момента и тока. В частности, если выполняется условие Tм?10Tя, но постоянной времени якорной цепи пренебречь нельзя, скорость двигателя изменяется в соответствии с выражением

щ=щуст+C1eh1t+C2eh2t,

где

щуст=U/(KЦ)?Rя·Mс/(KЦ)2,

C1=?(h2(щн?щуст)?ен)/(h1?h2),

C2=(h1(щн?щуст)?ен)/(h1?h2),

щн и ен - начальное значение скорости и ускорения.

Продифференцировав обе части уравнения (2.49), найдем закон изменения ускорения:

е=h1C1eh1t+h2C2eh2t.

В соответствии с уравнениями (1.18) и (2.6) момент и ток связаны с ускорением соотношениями

M=еJ+Mс,

iя=(еJ+Mс)/(KЦ)=еJ/(KЦ)+Iс,

где Iс - установившееся значение тока, соответствующее моменту сопротивления на валу двигателя. В уравнения (2.50) и (2.51) мы можем подставлять начальное значение ускорения, выраженное согласно (2.53) и (2.54) через начальный момент или через начальный ток. Кривые переходного процесса при пуске двигателя, т.е. при нулевых начальных условиях представлены на рис. 2.11.

Если постоянной якорной цепи можно пренебречь (Tя=0), то скорость двигателя изменяется по уравнению



щ=щуст(1?e?t/Tм)+щнe?t/Tм,

Рис. 2.11. Кривые переходных процессов: а) скорости; б) тока при пуске двигателя а ускорение по уравнению

е=e?t/Tм(щуст?щн)/Tм.

Кривые переходных процессов для этого случая представлены на том же рис. 2.11.



4. Электромеханические свойства коллекторных двигателей последовательного и смешанного возбуждения

Коллекторные двигатели последовательного возбуждения чаще применяются в неуправляемых электроприводах. Их достоинством является возможность одновременного обеспечения большого пускового момента и высокой скорости холостого хода, что способствует их применению в качестве тяговых двигателей на транспорте или исполнительных двигателей механизмов с широким диапазоном скоростей. В последнее время такие двигатели находят применение в бытовой технике. Например, в приводе барабана стиральной машины, где эти двигатели используются и как управляемые. двигатель ток цепь коллекторный

Схема замещения двигателя в первом приближении может быть представлена в виде рис. 2.12, где, кроме обозначений, принятых в предыдущем параграфе, обозначено Rвт, Lвт - активное сопротивление и индуктивность короткозамкнутого контура вихревых токов.

Рис. 2.12. Схема замещения двигателя постоянного
тока последовательного возбуждения

Из теории электрических машин известно, что вихревые токи образуются в полюсах и в магнитопроводе двигателя при быстром изменении потока. В двигателях большой мощности влияние короткозамкнутого контура на динамические свойства может оказаться существенным. Однако для рассматриваемого класса приводов с мощностью до нескольких киловатт этим влиянием можно пренебречь. Тогда, в соответствии со схемой замещения и с учетом выражения (2.3), уравнение напряжения якорной цепи получит вид

Uя=KЦщ+iяRяс+LясЧdiяс/dt+wвЧdЦ/dt,

где Rяс=Rя+Rв, Lяс=Lя+Lв,

wв - число витков обмотки возбуждения.

В отличие от двигателей независимого возбуждения здесь магнитный поток является функцией тока якоря. Как мы отмечали, эта зависимость нелинейная, поэтому нелинейная и механическая характеристика, которую для реальной зависимости потока от тока (см. рис. 2.8.а) вообще трудно выразить аналитически. Для того, чтобы представить электромеханические характеристики в аналитической форме, заменим, как мы делали в предыдущем параграфе, реальную зависимость потока от тока аппроксимированной, вида (см. рис. 2.8.б). Тогда в установившемся режиме при iя?Iнс, где Iнс - ток двигателя, при котором наступает насыщение магнитной системы, из уравнения (2.57) с учетом (2.6) и (2.43.а) получим уравнения электромеханической:

щ=Uя/(Kk1Iя)?Rяс/(Kk1)

и механической характеристик:

Здесь k1 - коэффициент, связывающий поток двигателя с током якоря (Ц=k1Iя).

При iя>Iнс из-за насыщения системы согласно (2.43.б) поток условно можно принять постоянным, как и в двигателе независимого возбуждения, поэтому для описания характеристик с определенной степенью приближения справедливы выражения и. Электромеханические характеристики двигателя имеют вид (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения

Согласно рис. 2.13 жесткость механической характеристики двигателя последовательного возбуждения - переменная. Для ее оценки при M<Mнс, где Mнс - момент при котором наступает насыщение магнитной системы, воспользуемся выражением (2.59). Откуда, согласно определению жесткости, получим

.

При M?Mнс жесткость приближенно определяется выражением (2.11), где поток необходимо принять равным потоку насыщения магнитной системы.

Изложенная методика представления статических характеристик является довольно грубым приближением и удобна тем, что просто дает качественное представление о них. Для точного расчета необходимо использовать универсальные характеристики, приведенные в каталогах.



4.1 Режимы работы

Мы рассмотрели характеристики в двигательном режиме. Из рассмотренных для двигателя независимого возбуждения тормозных режимов в данном случае могут быть реализованы не все. Действительно, согласно (2.58) скорость холостого хода двигателя стремится к бесконечности, следовательно, режим рекуперативного торможения невозможен.

Динамическое торможение может быть осуществлено двумя способами - с самовозбуждением и с независимым возбуждением. В первом случае двигатель отключается от сети и включается на резистор. Для возникновения режима самовозбуждения необходимо выполнение двух условий. Во-первых, чтобы исключить размагничивание машины, при переходе от двигательного режима к генераторному необходимо оставить неизменным направление тока в обмотке возбуждения. Указанное условие вытекает из того, что самовозбуждение двигателя возникает за счет явления остаточной намагниченности полюсов при нулевом токе возбуждения. Эта намагниченность обусловлена явлением гистерезиса при перемагничивании стали. Из-за остаточной намагниченности полюсов при вращении якоря в его обмотке наводится э.д.с., под влиянием которой в якорной цепи, куда входит и обмотка возбуждения, протекает ток. Если поток от этого тока будет совпадать с потоком от остаточной намагниченности, то э.д.с. двигателя будет увеличиваться, т.е. двигатель перейдет в генераторный режим. В противном случае ток, обусловленный остаточной э.д.с., размагнитит двигатель до нулевого потока и генераторный режим не возникнет.

Во-вторых, для возникновения самовозбуждения необходимо, чтобы зависимость Eя(Iя), при скорости на которой реализуется тормозной режим, и вольтамперная характеристика сопротивления, включенного в якорную цепь Ur(Iя), пересекались не только в начале координат. Например, для характеристик, представленных на, при скорости щ1 самовозбуждение возникает, а при щ2 - не возникает.

Рис. 2.14. К пояснению условий возникновения режима самовозбуждения

Торможение с независимым возбуждением осуществляется путем отключения обмотки возбуждения от якорной цепи и подключения ее к источнику питания. Недостатком такого способа является необходимость обеспечения тока возбуждения, равного номинальному при небольшом напряжении, для чего требуется специальный источник, поэтому такой способ торможения практически не используется.

4.2 Способы регулирования момента и скорости

Так как поток в данном двигателе не может регулироваться независимо, здесь возможны только два способа регулирования: изменением сопротивления в цепи якоря и изменением напряжения. Выше мы уже отмечали низкую эффективность регулирования двигателей постоянного тока по энергетическим показателям при регулировании путем изменения сопротивления в якорной цепи, поэтому подробно рассмотрим регулирование изменением напряжения. Семейство искусственных характеристик для этого случая представлено.

При регулировании скорости примем U=var, M=const. Тогда регулировочная характеристика, приM<Mнс, получит вид

щ=au+b,

где a=1/sqrt(Kk1M), b=Rяс/(Kk1).

А при M?Mнс - описывается выражением.

Таким образом, имеем уравнения того же вида, что и для двигателей независимого возбуждения. Регулирующий параметр изменяется в интервале u=[b/a,Uн]. Передаточный коэффициент определяется выражением

.

Теперь примем U=var, щ=const и из уравнения (2.59) при M<Mн получим

M=u2d,

где

d=1/(Kk1(щ+Rяс/Kk1)2).

Если двигатель находится в насыщении, регулировочные характеристики приближенно могут быть представлены выражением.

Для определения электромагнитного к.п.д. двигателя из уравнения найдем ток якоря:

Iя=Uя/(щKk1+Rяс).

Мощность, потребляемая двигателем, и электромагнитная мощность определяется выражениями, соответственно



Pп=UяIя=U2/(щKk1+Rяс),

Pэ=EIя=Kk1IящIя=Kk1щUя2/(Kk1щ+Rяс)2.

Отсюда

зэ=Pэ/Pп=щKk1/(щKk1+Rяс).

Можно отметить, что по энергетическим показателям двигатели последовательного возбуждения чаще всего проигрывают двигателям независимого возбуждения. Это объясняется тем, что активное сопротивление якорной цепи, куда входит и обмотка возбуждения, в первом случае много больше, чем во втором. Кроме того, двигатели независимого возбуждения могут быть выполнены на основе постоянных магнитов, тогда энергия для возбуждения из сети не потребляется, что способствует увеличению общего к.п.д.

Напомним, что рассмотренные нами характеристики, полученные на основе аппроксимированной кривой намагничивания, являются приближенными и пригодны лишь для качественного анализа процессов.

Из уравнения с учетом тем же методом, что и для двигателя независимого возбуждения получим структурную схему динамической модели двигателя, представленную, где обозначеноTя=Lяс/Rяс. Мы видим, что полученная структурная схема отличается от схемы наличием дополнительной связи по производной от потока и зависимостью потока от тока якоря. В связи с эти поток всегда переменный и динамическая модель нелинейная во всех случаях.

Линеаризовать ее можно только в режиме малых отклонений переменных, принимая

Iя=Iя0+Дiя,Uя=Uя0+ДUя, щ=щ0+Дщ, M=M0+ДM, Ц=Ц0+ДЦ,



где значения координат с индексом ноль означают их исходное состояние, относительно которого рассматриваются отклонения. Для этого считаем, что|Ц|<|Цнс|, а нелинейные элементы типа произведение линеаризуем известными в математике методами, представив их в виде

Рис. 2.15. Полная структурная схема двигателя последовательного возбуждения как динамической системы

ДM(ДЦ,Дiя)?KЦ0Дiя+Kiя0ДЦ=2Kk1iя0Дiя,

Дe(ДЦ,Дiя)?KЦ0Дщ+Kщ0ДЦ=Kk1iя0Дщ+Kk1щ0Дiя.

Преобразованная с учетом, структурная схема имеет.

Рис. 2.16. Структурная схема линеаризованной динамической
модели двигателя последовательного возбуждения

Известными методами структурных преобразований эту схему нетрудно привести к виду (рис. 2.17), где обозначено



- электромагнитная постоянная времени якорной цепи.

Рис. 2.17. Преобразованная структурная схема линеаризованной динамической модели

Из полученной структурной схемы несложно получить передаточные функции двигателя по управлению и по возмущению:

где

kщ=1/(2KЦ0),

kм=2KЦ0/(Rяс+Kk1щ0),

kв=(Rяс+Kk1щ0)/(KЦ0),

Tм1=J(Rяс+Kk1щ0)/(2(KЦ0)2).

Таким образом, в режиме малых отклонений переходные процессы в двигателе последовательного возбуждения, если не учитывать контур вихревых токов, не отличаются от переходных процессов двигателя независимого возбуждения, хотя при больших отклонениях координат, например при пуске, различие может быть существенным. Расчет переходных процессов при больших отклонениях координат необходимо вести путем точного моделирования всех нелинейностей, включая и кривую намагничивания.



5. Охрана труда и техника безопасности

Охрана труда -- это комплекс правовых норм, непосредственно направленных на обеспечение безопасных и безвредных условий труда. Эти нормы прописаны в российском законодательстве, правилах техники безопасности, коллективных договорах, приказах и инструкциях ведомств. Они включают в себя:

нормы, регулирующие планирование и организацию труда на предприятиях;

нормы и правила по технике безопасности и производственной санитарии;

нормы, устанавливающие льготы и компенсации за работу во вредных условиях;

нормы, регулирующие деятельность органов надзора и контроля по охране труда;

нормы, устанавливающие ответственность должностных лиц за нарушение законов о труде и правил по охране труда.

К законодательным нормативным актам прежде всего относится Трудовой кодекс (ТК) Российской Федерации.

В ТК достаточно широко представлены вопросы охраны труда (ОТ) в разделах «Общие положения», «Социальное партнерство в сфере труда». «Трудовой договор», «Рабочее время», «Время отдыха», «Оплата и нормирование труда», «Трудовой распорядок. Дисциплина труда», «Охрана труда», «Особенности регулирования труда отдельных категорий работников», «Защита трудовых прав и свобод. Рассмотрение и разрешение трудовых споров. Ответственность за нарушение трудового законодательства и иных актов, содержащих нормы трудового права».

В разделе «Общие положения» констатируется, что каждый работник имеет право на условия труда, отвечающие требованиям безопасности и гигиены; на отдых: на обязательное социальное страхование; на возмещение ущерба, причиненного работнику в связи с исполнением им трудовых обязанностей; на судебную защиту своих трудовых прав и др.

В разделе «Трудовой договор» указано, что при заключении трудового договора при поступлении на работу в документе должны быть представлены характеристики условий труда, компенсации и льготы (в случае тяжелых, вредных и/или опасных работ), режим труда и отдыха (если они отличаются от общепринятых в организации), виды и условия социального страхования. Заключение трудового договора допускается с лицами, достигшими возраста 16 лет. Возможно заключение договора с лицами, достигшими 15 лет, в случаях получения общего образования, либо продолжения освоения основной общеобразовательной программы общего образования по иной, чем очная, форме обучения, либо оставления в соответствии с федеральным законом общеобразовательного учреждения. Трудовой договор в этом случае заключается для выполнения легкого труда, не причиняющего вреда здоровью. С согласия одного из родителей (опекуна, попечителя) и органа опеки и попечительства трудовой договор может быть заключен с учащимися, достигшими возраста 14 лет, для выполнения в свободное от учебы время легкого труда, не причиняющего вреда их здоровью и не нарушающего процесса обучения.

Согласно статьям раздела «Охрана труда» для всех поступающих на работу лиц, а также для работников, переводимых на другую работу, работодатель или уполномоченное им лицо обязаны проводить инструктаж по охране труда, организовывать обучение безопасным методам и приемам выполнения работ и оказания первой помощи пострадавшим. При работе в условиях наличия вредных и/или опасных факторов работодатель обязан обеспечить обучение поступающих на работу безопасным методам и приемам выполнения работ со стажировкой на рабочем месте и сдачей экзаменов, а также проведение периодического обучения по охране труда с проверкой знаний в течение всего периода работы.

...