Электропривод в современной технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Первый уровень

1. Функциональная схема современного электропривода

Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Функциональная схема современного электропривода показана на рис. 1.6.

Силовой канал обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей из системы электроснабжения, в механическую энергию с параметрами, необходимыми для рабочего органа технологической установки. Электрический преобразователь энергии ЭП преобразует энергию сети в энергию, подаваемую на двигатель. Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель) преобразует электрическую энергию в механическую. Механический преобразователь МП - преобразует энергию с вала двигателя в энергию для рабочего органа.

Информационный канал включает в себя автоматизированную систему управления АСУ, датчики и преобразователи информации ДПИ, задающие устройства ЗУ, управляющие устройства УУ и управляет потоком энергии, осуществляет сбор и обработку информации о состоянии и функционировании системы, диагностику ее неисправностей.

Электроприводом называется современная электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин и управления их технологическими процессами и состоящая из электрического преобразователя ЭП, электромеханического преобразователя ЭМП, механического преобразователя МП и устройств управления.



Рис. 1.6. Функциональная схема автоматизированного электропривода: ЭП - электрический преобразователь; ЭМП - электромеханический преобразователь; РД - ротор двигателя; МП - механический преобразователь; АСУ - автоматизированная система управления; ДПИ - датчики и преобразователи информации.

2. Место электропривода в современной технологии

Все процессы, связанные с преобразованием электрической энергии в механическую и обратно, выполняются электроприводом (~ 90% двигателей в промышленности - электрические). Гидропривод и пневмопривод находят применение в относительно небольшом числе установок.

Преимущества электрической энергии:

- возможность передачи энергии на большие расстояния;

- постоянная готовность к работе;

- легкость превращения в другие виды энергии.

Если вычислительную технику называют мозгом современных технологий, то электропривод, обеспечивая заданное и точное выполнение программируемой механической работы, является мускулами современной технологии.

Диапазон мощностей двигателей электроприводов составляет 1012 (от мкВт - в приборных системах до десятков МВт - для привода компрессора на газовой перекачивающей станции).

Диапазон применяемых скоростей близок к 1012 - от одного оборота за несколько часов (установки для вытягивания кристаллов полупроводников) до 150 тысяч оборотов в минуту (в высокоточных шлифовальных станках).

Таким образом, область применения электропривода безгранично широка - от искусственного сердца до шагающего экскаватора.

3. Электропривод и современная энергетика

В течение одного рабочего дня один человек с помощью мускульной энергии может выработать около одного кВтч энергии. В высокоэлектрофицированных отраслях промышленности установленная мощность электродвигателей в среднем на одного работающего составляет четыре - пять кВт, что при семичасовом рабочем дне дает потребление 28 - 35 кВтч. Это означает, что рабочий управляет механизмами, работа которых за смену эквивалентна работе 28-35 человек. Таким образом, чем выше электровооруженность труда, тем выше его производительность.

Современный электропривод определяет собой уровень силовой электровооружённости труда и является, благодаря своим преимуществам по сравнению с другими видами приводов, основным и главным средством автоматизации рабочих машин и технологических процессов.

Электропривод - главный потребитель электроэнергии (более 60% всей производимой электроэнергии), остальное потребляют электротехнологии, транспорт, освещение и т.п.

В условиях дефицита энергоресурсов это делает особо острой проблему энергосбережения в электроприводе. Считается, что сегодня сэкономить одну единицу энергетических ресурсов (одна тонна условного топлива) вдвое дешевле, чем её добыть. Нетрудно предвидеть, что в перспективе это соотношение будет меняться: добывать топливо все труднее, т.к. запасы его все убывают.

Итак, налицо две проблемы развития электропривода:

1) расширение функциональных возможностей электропривода в разнообразных технологических производствах;

2) острое требование экономно расходовать энергию и другие ресурсы.

4. Общие требования к электроприводу

Главные показатели, характеризующие электропривод как систему, ответственную за управляемое электромеханическое преобразование энергии:

1. Надёжность - электропривод обязан выполнить заданные функции в оговоренных условиях в течение определённого промежутка времени. Если это не обеспечено, все остальные качества окажутся бесполезными. Неучёт надёжности приводит к тяжёлым последствиям;

2. Точность - главная функция привода - осуществлять управляемое движение с заданной точностью;

3. Быстродействие - способность системы достаточно быстро реагировать на различные воздействия;

4. Качество динамических процессов - обеспечение определённых закономерностей их протекания во времени;

5. Энергетическая эффективность - любой процесс преобразования и передачи энергии сопровождается потерями. Неоправданно большие потери - это зря затраченные энергетические ресурсы и труд людей по превращению их в энергию;

6. Совместимость электропривода с системой электроснабжения, особенно при внедрении тиристорных электроприводов большой мощности;

7. Ресурсоёмкость - материалоёмкость и энергоёмкость, заложенная в конструкцию и технологию производства, трудоёмкость изготовления, наладки, ремонта, эксплуатации. Этот показатель - самый сложный, комплексно связан как с предыдущими показателями, так и с уровнем технологии, экономической ситуацией и другими факторами.

Все показатели - технические, т.к. обеспечиваются техническими средствами. Но вместе с тем все они имеют вполне определённый экономический смысл: чем выше какой-либо показатель - тем больше затраты.

Кроме приведенных выше показателей имеют большое значение и такие показатели, как комплектность, заводская готовность, дизайнерские характеристики, удобство эксплуатации и другие.

5. Электромеханическое преобразование энергии как основа машинного производства

Поскольку в процессе преобразования энергии должен соблюдаться закон сохранения энергии, то можно записать уравнение баланса энергии: энергия на входе = энергия на выходе + запасенная энергия + потери энергии. Если электромеханический преобразователь энергии работает в режиме двигателя, то энергия на входе - электрическая, энергия на выходе - механическая, запасенная энергия связана с накопителями энергии магнитного поля, потери энергии - тепловая энергия, возникающая вследствие потерь в проводниках (электрические потери), магнитопроводах (магнитные потери), на трение в подшипниках и вращающихся частей в воздухе (механические потери).

Общая структура электромеханического преобразователя может быть представлена следующей схемой (рис.1.11):



рис.1.11

На схеме показаны составляющие системы и их связи: ЭС - электрическая часть системы, МС - механическая часть системы, МП - магнитное поле связи в пространстве, разделяющем неподвижную и подвижную части преобразователя, 11' - электрический вход (электрические зажимы), 22' - электрический вход магнитного поля связи, 33' - механический вход (вал для вращающегося преобразователя), 44' - механический вход магнитного поля связи, рэ - электрические потери, рм - магнитные потери, рт - механические потери; со стороны электрических зажимов обозначения переменных обычны - u , i , e (соответственно напряжение, ток, электродвижущая сила), со стороны механических - это , f , (или , М) - скорость и сила соответственно (или угловая скорость и момент). Пространство, разделяющее неподвижную и подвижную части преобразователя, называют рабочим зазором.

Преобразование энергии в рассматриваемой системе полагает присутствие в зазоре, в соответствии с определением вектора Пойнтинга, и электрического, и магнитного поля. Но, когда внутренняя среда преобразователя является ферромагнитной, он определяется как магнитный.

6. Классификация электроприводов

По количеству и связи исполнительных; рабочих органов.

1. Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится одним самостоятельным двигателем, приводом.

2. Групповой, в котором один двигатель приводит в действие исполнительные органы РМ или несколько органов одной РМ.

3. Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.

4. Многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.

5. Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

По типу управления и задаче управления.

1. Автоматизированный ЭП, управляемый путем автоматического регулирования параметров и величин.

2. Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.

3. Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.

4. Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.

5. Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

По характеру движения.

1. ЭП с вращательным движением.

2. Линейный ЭП с линейными двигателями.

3. Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

По наличию и характеру передаточного устройства.

1. Редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором.

2. Электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством.

3. Магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энергию движения токопроводящей жидкости.

По роду тока.

1. Переменного тока.

2. Постоянного тока.

По степени важности выполняемых операций.

1. Главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в многодвигательных ЭП).

2. Вспомогательный ЭП.

7. Механические характеристики АД

Под механической характеристикой принято понимать зависимость частоты вращения ротора в функции от электромагнитного момента n = f(M). Эту характеристику (рис. 2.15) можно получить, используя зависимость M = f(S) и пересчитав частоту вращения ротора при разных значениях скольжения.

Рис. 2.15

Так как S = (n0 - n) / n0, отсюда n = n0(1 - S). Напомним, что n0 = (60 f) / p - частота вращения магнитного поля.

Участок 1-3 соответствует устойчивой работе, участок 3-4 - неустойчивой работе. Точка 1 соответствует идеальному холостому ходу двигателя, когда n = n0. Точка 2 соответствует номинальному режиму работы двигателя, ее координаты Мн и nн. Точка 3 соответствует критическому моменту Мкр и критической частоте вращения nкр. Точка 4 соответствует пусковому моменту двигателя Мпуск. Механическую характеристику можно рассчитать и построить по паспортным данным. Точка 1:

n0 = (60 f) / p,

где: р - число пар полюсов машины;

f - частота сети.

Точка 2 с координатами nн и Мн. Номинальная частота вращения nн задается в паспорте. Номинальный момент рассчитывается по формуле:

здесь: Рн - номинальная мощность (мощность на валу).

Точка 3 с координатами Мкр nкр. Критический момент рассчитывается по формуле Мкр = Мн л. Перегрузочная способность л задается в паспорте двигателя nкр = n0 (1 - Sкр), , Sн = (n0 - nн) / n0 - номинальное скольжение.

Точка 4 имеет координаты n=0 и М=Мпуск. Пусковой момент вычисляют по формуле

Мпуск = Мн лпуск,

где: лпуск - кратность пускового момента задается в паспорте.

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую характеристику, т.к. частота вращения ротора (участок 1-3) мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из достоинств этих двигателей.

8. Электромеханические характеристики асинхронных двигателей



9. Механические характеристики синхронных двигателей

После вхождения СД в синхронизм его скорость при изменениях момента нагрузки на валу до некоторого максимального значения MMAX остаётся постоянной и равной угловой скорости магнитного поля ш0 (синхронной скорости двигателя).

Поэтому его механическая характеристика имеет вид прямой горизонтальной линии, показанной на рис. 3.82. Если момент нагрузки превысит значение MMAX, то СД выпадает из синхронизма.

Для определения максимального момента СД MMAX, до которого сохраняется синхронная работа СД с сетью, служит угловая характеристика СД. Она отражает зависимость момента М от угла - -угла сдвига между ЭДС статора Е1 и напряжением сети U1.

Получим угловую характеристику для неявнополюсного СД при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора.

Векторная диаграмма для этого случая показана на рис. 3.83, где обозначено: xC - индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; I1 - ток статора СД.

Подводимая к СД мощность может быть принята равной электромагнитной мощности

гдеUф - фазное напряжение сети; Ф - угол сдвига между напряжением и током СД. Отсюда электромагнитный момент двигателя

(3.97)

Из векторной диаграммы следует(3.98)

Рассмотрение треугольника ABC позволяет определить, что

тогда (3.98) запишется как

(3.100)

Подстановка (3.100) в (3.97) даёт выражение момента:

- максимальный момент СД.



11. Уравнения и структурная схема ДНВ

Рис. 3.2. Схема замещения ДНВ

На основании схемы замещения (см. рис. 3.2) уравнение равновесия напряжений по закону Кирхгофа имеет вид: (3.1)

Уравнения ЭДС, электромагнитного момента двигателя и основное уравнение вращательного движения электропривода (3.2), (3.3), (3.4)

Уравнение равновесия напряжений для контура возбуждения принимает вид

(3.5)

где ш, wB - потокосцепление и число витков обмотки возбуждения.

Структурная схема - это особая форма записи уравнений. Она позволяет наглядно анализировать работу системы методами ТАУ. Представим уравнения 3.1- 3.6 в операторной форме:

(3.6)

Получим передаточные функции, опустив в выражениях (р): - якорной цепи

(3 7)

где Тя - электромагнитная постоянная времени цепи якоря, Тя = (0,02...0,1)с; - механической части электропривода

- цепи возбуждения

Кривую намагничивания Ф = f(iB) представим в виде блока нелинейности, значения М и Е получим с помощью блоков произведений.

Структурная схема (рис. 3.3) имеет два контура - якорного и полюсного управления.

Контур якорного управления в прямом канале включает в себя периодическое звено якорной цепи и интегрирующее звено механической части. ЭДС выполняет функцию обратной связи по скорости, поддерживает скорость при управляющих (изменение R, U, Ф) и возмущающих (изменение Мс) воздействиях на двигатель.

Контур полюсного управления включает в себя интегрирующее звено с коэффициентом усиления 1/wB, охваченное нелинейной отрицательной обратной связью (ООС). При замыкании интегрирующего звена ООС получим апериодическое звено цепи возбуждения с переменными коэффициентом усиления и постоянной времени.



12. Механические и электромеханические характеристики ДПТ

Важнейшей характеристикой двигателя является механическая n(M). Она показывает, как зависит частота вращения двигателя от развиваемого момента. Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях, то двигатель имеет механическую характеристику, называемую естественной. На естественной характеристике находится точка, соответствующая номинальным данным двигателя (Мн, Ря и т.д.). Если же напряжение на обмотке якоря меньше номинального, либо Iв < Iвн, то двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики. На этих характеристиках двигатель работает при пуске, торможении, реверсе и регулировании частоты вращения.

Преобразовав выражение относительно частоты вращения где rЯ - сопротивление якоря, получим уравнение электромеханической характеристики n(Iя):

(7)

После замены в уравнении (7) тока Iя согласно формуле , где КМ - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф - магнитный поток одного полюса; IЯ - ток якоря, получим уравнение механической характеристики n(М):

(8)

При Ф = соnst, электромеханическая n(Iя) и механическая n(М) характеристики двигателя параллельного возбуждения представляют собой прямые линии. Так как за счет реакции якоря магнитный поток немного изменяется, то характеристики в действительности несколько отличаются от прямых.

При работе вхолостую (М = 0) двигатель имеет частоту вращения холостого хода, определяемую первым членом уравнения (8). С увеличением нагрузки n уменьшается. Как следует из уравнения (8), это объясняется наличием сопротивления якоря rя.

Поскольку rя не велико, частота вращения двигателя при увеличении момента изменяется мало, и двигатель имеет жесткую естественную механическую характеристику (рис.4, характеристика 1).

Из уравнения (8) следует, что регулировать частоту вращения при заданной постоянной нагрузке (М = const) можно тремя способами:

а) изменением сопротивления цепи якоря;

б) изменением магнитного потока двигателя;

в) изменением напряжения на зажимах якоря.

13. Энергетические характеристики электропривода

Энергия WC, потребляемая из сети, механическая энергия ?W, расходуемая на валу, потери в электроприводе ?W определяют важные энергетические показатели электропривода: КПД ? и коэффициент мощности cosц, которые определяются следующими выражениями:

?=Pв/Pс; cosц=Pc/S

где Рв - мощность на валу электродвигателя;

Рс - активная мощность, потребляемая электродвигателем из сети;S - полная мощность, потребляемая из сети.

Повышение ? и cosц позволяет полнее использовать электрооборудования и снизить его эксплуатационные расходы. КПД и коэффициент мощности существенно зависят от режимов работы электропривода: статического момента Мс, скорости вращения щ, напряжения U и частоты сети f.

Экономичность работы электропривода в известном цикле есть отношение произведенной механической работы к потребленной за это время электроэнергии, которое называют цикловым КПД электропривода, при этом отрезки времени работы электропривода принимаются такими, когда запас энергии в элементах системы одинаков.

Например, для механизма подъема за время расчета следует принять время подъема и опускания груза, в этом случае в начале и конце работы потенциальная энергия будет одинакова.

Энергетические характеристики электропривода

В свою очередь, немаловажное значение имеет экономичность потребления энергии от сети или автономного источника, т.е. характеристика электропривода как приемника электрической энергии. Экономичность потребления зависит от технических характеристик и режимов работы элементов электропривода. Так, двигатель постоянного тока потребляет дополнительную энергию на возбуждение, которая идет на потери. У асинхронного двигателя токи намагничивания существенно выше, и экономичность потребления электроэнергии этим двигателем значительно ниже.

14. Энергетика переходных режимов электропривода

Энергетика установившихся режимов работы была рассмотрена выше при изучении электромеханических свойств конкретных двигателей.

Баланс энергий, участвующих в электромеханическом преобразовании, объединяет кинетическую энергию вращающихся частей электропривода WK, электрическую энергию силовых обмоток Wc и потери энергии в этих обмотках ?W. Хотя потери мощности

?Р = ?РП0СТ + ?РПЕР.

определяются суммой постоянных ?Рпост и переменных ?Рпер потерь, но ?Рпост не зависят от нагрузки и на качественные показатели энергетики переходных процессов существенно не сказываются. Тем более, что их можно отнести к статическому моменту Мс.

15. Энергетика переходных режимов ДНВ

1. Пуск ДНВ на холостом ходу.

Начальные условия MC = 0; щНач = 0; щКон = щ0 .Энергия, потребляемая из сети

Механическая энергия Потери энергии в цепи якоря ?W = WKMH. Потери энергии не зависят от сопротивления и тока якорной цепи, а определяются кинетической энергией привода, т.е. моментом инерции и квадратом скорости щ02.

Рассмотрим потери при пуске с разными сопротивлениями в цепи якоря (рис. 4.3). Пусть МК1 =2*Мк2, тогда при любой скорости М1 = 2*М2, a I1 = 2I2, R1 = R2/ 2, время пуска tn1 = tn2 / 2.



Рис. 4.3. ПускДНВ с разными R

Потери энергии на характеристике 1 равны потерям энергии на характеристике 2. Конечно, потери мощности различны, и времена пуска различаются, но есть увеличение производительности, и как видно из этого примера, для роста производительности приходится увеличивать мощность двигателя. 2. Пуск под нагрузкой

Начальные условия (рис. 4.4): MC?0; щнач = 0; щКон = щс

При статической скорости, близкой к скорости идеального холостого хода щс? щ0, составляющая потерь, зависящая от J, близка к WK, а потери возрастают за счет Мс. Действительно, по сравнению с пуском на холостом ходу уменьшился Мдин, возросло время пуска, выросли и потери ?W. Но обратите внимание, что в процессе разгона выполнялась и полезная работа.

3. Торможение противовключением

Начальные условия MC = 0; щнач = щ0; щКон = 0;щ0 = - щ0

Потери энергии крайне велики, не зависят от вида характеристики, сопротивления R, времени торможения, а зависят от запаса кинетической энергии механической системы электропривода.

При Мс > 0 (рис. 4.5) потери энергии несколько снижаются, так как статический момент Мс помогает тормозить привод, знак подинтегрального выражения отрицательный. Потери энергии при реверсе на холостом ходу при торможении противовключением и пуске в обратную сторону составляют ?W = 4 WK, при динамическом торможении - ?W = WK.

16. Энергетика переходных режимов ДПВ

Потери энергии в цепи якоря определяются по формуле и зависят от квадрата тока I2 и времени переходного процесса tпп, а время переходного процесса можно оценить по основному уравнению движения



Момент ДНВ току якоря при постоянном потоке. Момент ДПВ пропорционален току якоря и потоку.

Поэтому при токах якоря I > IH (см. рис. 4.6):

При I < IH знаки неравенства в приведенных соотношениях изменятся на противоположные. Отсюда можно сделать вывод, что в форсированных режимах экономичнее ДПВ, а при нагрузках, меньших номинальной, следует отдать предпочтение ДНВ.

17.Энергетика переходных режимов асинхронного двигателя

18. Энергосбережения средствами электропривода

Электроприводами потребляется более 60% производимой в мире электроэнергии, поэтому вопросы энергосбережения имеют чрезвычайно важное значение. Для России это тем более важно, поскольку стоимость электроэнергии возрастает и при неэкономичных системах электроприводов производственные расходы возрастают, соответственно возрастает стоимость вырабатываемой технологическими комплексами продукции.

Установленные стандартами показатели качества электроэнергии делают необходимым при выборе систем электроприводов, особенно при большой их установленной мощности, рассмотрение всей электротехнической цепи от КТП, где осуществляется контроль потребляемой активной и реактивной мощности и качества электроэнергии, до исполнительных органов рабочих и транспортных машин. Следует оптимально осуществлять набор силовых модулей (трансформаторов, реакторов, фильтров, полупроводниковых преобразователей, тормозных средств), при которых обеспечиваются минимальные потери электроэнергии, не нарушаются показатели качества электроэнергии у источника питания и решаются все задачи технологии.

19. Принципы управления координатами и основные показатели регулирования

Фундаментальные принципы автоматического управления используемые в электроприводе:

- регулирование по отклонению - система электропривода с отрицательной обратной связью по регулируемой переменной;

- регулирование по возмущению - компенсация влияния возмущения на регулируемую переменную с помощью системы электропривода с положительной обратной связью по возмущению.

Регулированием координат называют целенаправленное (принудительное) их изменение в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа.

1. Точность регулирования переменной определяется возможными отклонениями её от заданного значения под действием возмущающих факторов.

Если важна точность воспроизведения значений регулируемой координаты, подаваемых на вход системы автоматического регулирования, точность определяют допустимой ошибкой регулирования

,

где хЗАД - заданное значение параметра,

х - текущее значение параметра.

2. Диапазоном регулирования выходной координаты принято называть отношение максимального значения координаты к ее минимальному значению:

3. Плавность регулирования характеризуется числом дискретных значений регулируемого параметра, реализуемом в данном способе регулирования. Её можно оценить коэффициентом плавности

где xi, xi-1 - переменные на соседних ступенях регулирования.

4. Экономичность регулирования

Применение электропривода связано с дополнительными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, которые должны окупаться повышением производительности труда и надёжности установки, улучшением качества продукции. Эффективность затрат обычно оценивают сроком их окупаемости Ток = Соб/Цгод, где СОБ - стоимость дополнительного оборудования, используемого для выполнения регулирования; ЦГОД - цена годового эффекта от использования регулирования.

5. Допускаемые нагрузки РДОП(щ) и МДОП(щ) определяют возможность работы электропривода не перегреваясь в заданном диапазоне регулирования.

6. Направление регулирования - вверх или вниз от естественной характеристики. Для регулирования изменяют параметры цепей двигателя, либо источника питания.

20. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения

1)регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,

3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.

Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1, а электромеханические и механические характеристики -- на рис. 2, а.



Рис. 1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках -- щ1, щ2, щ3.При данном способе регулирования изменяется жесткость характеристик в широких пределах, то при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен (D= 2 - З). Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки. Недостатком является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством и являются простота и надежность схемы управления. Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором 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.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления. При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя. Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным. Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

21. Регулирование скорости двигателей постоянного тока параллельного возбуждения

- изменением сопротивления в цепи якоря (изменение величины R);

- изменением магнитного потока полюсов (изменение величины Ф);

- изменением напряжения, подводимого к двигателю (изменение величины U).

При регулировании скорости электродвигателя путем изменения сопротивления в цепи якоря в якорную цепь включаются различные по величине добавочные сопротивления. Выше были приведены различные механические характеристики, соответствующие различным сопротивлениям якорной цепи. Очевидно, что подобный же вид будут иметь характеристики и при регулировании скорости путем изменения сопротивления в цепи якоря. Из рисунка видно, что при этом способе регулирования меняется жесткость характеристики.

Регулирование за счет изменения сопротивления в цепи якоря осуществляется только вниз от основной скорости, т. е. в сторону уменьшения скорости вращения, так как общее сопротивление якорной цепи при введении добавочного сопротивления увеличивается, числитель дроби уменьшается и вся дробь, т. е. скорость вращения п, уменьшается.

Схема этого способа регулирования ничем по форме не отличается от схемы пуска двигателя параллельного возбуждения. Однако регулировочный реостат в этом случае должен быть рассчитан на длительную работу при полном токе нагрузки, в то время как пусковой реостат предназначен для кратковременного включения в период пуска. Следовательно, при регулировании скорости пусковой реостат должен быть заменен регулировочным.

Пределы регулирования скорости изменением сопротивления в цепи якоря невелики, зависят от нагрузки и поэтому непостоянны. Метод этот неэкономичен, так как возникают дополнительные потери в регулировочном сопротивлении, пропорциональные степени регулирования; например, при снижении скорости на 50% в реостате будет теряться также около 50% подводимой к электродвигателю энергии.

22. Регулирование скоростей вращения асинхронных электродвигателей

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется выражением

n = no (1 -- S) = (f1•60)(1 -- S)/p.

скорость асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой-либо из трех величин: числа пар полюсов р; частоты f1 тока питающей сети; скольжения S. Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов электродвигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными трехфазными обмотками, либо с одной трехфазной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов. Катушки создают четыре магнитных полюса. Те же катушки, соединенные параллельно между собой, создадут только два полюса. Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата - контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками. На практике встречаются двигатели, синхронные скорости вращения которых могут быть равны 3000, 1500, 1000 и 750 оборотов в минуту. Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкнутой обмоткой может работать при разных числах полюсов магнитного поля. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может работать нормально лишь при определенном числе полюсов поля статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального преобразователя частоты. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения (рольганги, текстильные станки и т. п.). Этот способ регулирования скорости мало распространен ввиду сложности его осуществления.

Введение сопротивления в цепь ротора. Во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата. С увеличением активного сопротивления цепи ротора возрастает величина скольжения S, соответствующая заданному значению вращающего момента М (величина вращающего момента, развиваемого двигателем, равна моменту сопротивления на валу двигателя). Таким образом, вводя дополнительно активное сопротивление в цепь фазного ротора, мы увеличиваем скольжение S и, следовательно, снижаем скорость вращения ротора n. Такой способ регулирования применим только для асинхронных двигателей с фазным ротором. Регулировочный реостат включают в цепь ротора так же, как и пусковой реостат. Недостатком этого способа регулирования является то, что в регулировочном реостате происходит значительная потеря мощности, тем большая, чем шире регулировка скорости вращения двигателя.

Реверсирование асинхронных электродвигателей. Для изменения направления вращения (реверсирование) асинхронного двигателя следует поменять местами два любых провода из трех, идущих к обмоткам статора двигателя. При этом меняется направление вращения магнитного поля статора и двигатель станет вращаться в другую сторону. Реверсирование двигателя может быть произведено при помощи переключателя (перекидного рубильника), магнитного пускателя и других устройств.

Торможение асинхронных двигателей. В условиях эксплуатации нередко возникает необходимость торможения двигателя с целью ускорить его остановку. Торможение электродвигателей может быть механическим, электрическим и электромеханическим. Если при работе двигателя переключить две любые фазы, то при этом двигатель начнет развивать вращающий момент, направленный в обратную сторону. Вращение ротора замедляется. Когда скорость вращения приближается к нулю, следует отключить двигатель от сети, в противном случае под действием развиваемого момента он начнет вращаться в противоположном направлении..

23. регулирование скорости двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

В этом случае регулирование скорости вращения возможно тремя способами:

- введением сопротивления в цепь якоря;

- изменением величины магнитного потока Ф;

- изменением подводимого напряжения U.

Регулирование скорости вращения за счет введения сопротивления в якорную цепь производится по схеме, путем включения регулировочного реостата Rp. В этой схеме отсутствует пусковой реостат, так как регулировочный реостат, рассчитанный на длительную работу, может служить одновременно и пусковым.

Включение сопротивления в цепь якоря позволяет только уменьшать скорость вращения двигателя. При этом способе регулирования сильно возрастает мягкость механических характеристик, так как. включая то или иное сопротивление регулировочного реостата, мы переводим двигатель на работу по соответствующим характеристикам, которые ничем не отличаются от пусковых.

Диапазон регулирования скорости этим способом зависит от величины нагрузки и понижается с ее уменьшением. Так как с включением регулировочного сопротивления сопротивление якорной цепи увеличивается, то возрастают и потери энергии, которые будут тем больше, чем меньше скорость двигателя.

Достоинство этого метода регулирования -- простота оборудования и управления. Он применяется в электроприводах подъемно-транспортных машин. При регулировании скорости изменением магнитногопотока последний либо усиливается, либо ослабляется.

Для усиления магнитного потока полюсов двигателя производится шунтирование (параллельное включение сопротивления) обмотки якоря; при этом ток в обмотке возбуждения увеличивается и, следовательно, возрастает магнитный поток. Этот способ позволяет регулировать скорость вниз от основной, т. е. в сторону уменьшения скорости вращения.

В этой схеме якорь двигателя шунтируется сопротивлением Rlu; последовательно в цепь вводится дополнительное сопротивление Кц. Падение напряжения в этом сопротивлении уменьшает жесткость механической характеристики.

Ток в обмотке возбуждения I в состоит из суммы двух токов: тока нагрузки 1я и тока 1ш, протекающего через регулируемое сопротивление Rlu т .е. 1в = 1я ± 1ш. Если изменять сопротивление Rlu, то будет изменяться ток 1ш и, следовательно, ток возбуждения при этом меняется магнитный поток, создаваемый током 1в. что приводит к изменению скорости вращения двигателя.

Шунтирование обмотки якоря позволяет получить малые скорости при подъеме небольших грузов. Действительно, если бы не было сопротивления Rm, то при подъеме небольших грузов ток нагрузки также был бы малым и, проходя по обмотке возбуждения, он создал бы небольшой магнитный поток, который обусловливает значительную скорость подъема. Наличие сопротивления Rm, включенного в цепь якоря, создает в обмотке возбуждения ток, который никогда не падает до нуля, и поэтому скорость вращения якоря всегда равна конечной величине.

Однако способ шунтирования обмотки якоря неэкономичен, так как велики потери энергии в реостате, несмотря на то что двигателе при таком режиме работает лишь очень короткое время. Пределы регулирования этим способом достигают величины 5:1.

25. Типовые схемы управления электроприводами

Управление пуском, реверсом и торможением асинхронных двигателей в большинстве случаев осуществляется в функции времени, скорости, тока или пути.

Схема управления нереверсивным короткозамкнутым асинхронным двигателем. Пуск двигателей малой и средней мощности обычно осуществляется прямым подключением обмоток статора к сети без ограничения токов. Для этой цели используются магнитные пускатели, которые составляют основу схемы управления.

Нереверсивный магнитный пускатель (рис. 6.12) включает в себя электромагнитный контактор КМ с двумя встроенными в него тепловыми реле защиты КК, кнопки управления SB1 (Пуск) и SB2 (останов, стоп АД).

Схема обеспечивает прямой (без ограничения тока и момента) пуск АД, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA).

Для пуска АД замыкают выключатель QF и нажимают кнопку пуска SB1.

Электрический ток потечет от фазы С через нормально замкнутую кнопку останова SB2, кнопку SB1, катушку контактора КМ, нормально замкнутые контакторы тепловых реле КК к фазе В.

Катушка контактора КМ, получив питание, притянет якорь магнитной системы и замкнет главные контакты в силовой цепи обмоток статора и вспомогательный контакт, который зашунтирует кнопку пуска SB1 и ее не нужно держать во включенном положении. Произойдет разгон АД по его естественной механической характеристике.

Для отключения АД нажимается кнопка остановки SB2, она разрывает цепь питания катушки контактора КМ. Под действием пружины якорь контактора отпадает и разрывает все замкнутые до этого контакты. Двигатель теряет питание сети и начинается процесс торможения АД выбегом под действием статического момента сопротивления на валу.

Также произойдет остановка двигателя в случае срабатывания одного из тепловых реле. В этом случае разорвется цепь питания катушки контактора КМ контактами тепловых реле КК.

Тепловое реле, установленное только в одну фазу, может не осуществить своих защитных функций. Например, если во время работы АД обесточится обмотка статора именно этой фазы, то двигатель будет работать с перегрузкой обмоток двух других фаз, в которых не предусмотрена установка тепловых реле. Поэтому тепловые реле необходимо устанавливать минимум в двух фазах.

Схема управления реверсивным короткозамкнутым асинхронным двигателем. Основным элементом этой схемы является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два электромагнитных контактора КМ 1 и КМ2, два тепловых реле защиты КК (рис. 6.13) и кнопки управления SB.

Схема обеспечивает прямой пуск и реверс АД, а также торможение противовключением при ручном управлении.

Пуск двигателя в условном направлении “Вперед” осуществляется нажатием кнопки SB1 при включенном автоматическом выключателе QF. Катушка контактора КМ 1 получит питание через размыкающую кнопку остановки SB3, замыкающую кнопку SB1, размыкающие контакты КМ2 (они будут замкнуты при обесточенном состоянии катушки КМ2), размыкающие контакты тепловых реле КК.

Контактор КМ1 своими силовыми контактами подключит обмотки статора к сети в следующем порядке: фазу А к выводу С1, фазу В к С2, фазу С к С3.

Торможение осуществляется кнопкой остановки SB3. Контактор КМ 1 теряет питание, обесточивает обмотки статора, для осуществления реверса нажимают кнопку SB2. Это приводит к включению контактора КМ2 и подаче на обмотки статора АД напряжения источника питания с другим порядком чередования фаз: фаза А к выводу С3, фаза В к выводу С2, фаза С к выводу С1. Магнитное поле АД изменит свое направление вращения и начнется процесс реверса, который может состоять из двух этапов: торможения противовключением (если ротор вращается по инерции в направлении “Вперед”) и разбега в противоположную сторону.

Если предположить, что при одновременном нажатии кнопок SB1 и SB2 замкнутся силовые контакты КМ 1 и КМ2, то произойдет короткое замыкание токоподводящими проводами. Во избежание этого в схеме используется типовая электрическая блокировка. Она предусматривает перекрестное включение размыкающих контактов аппарата КМ 1 в цепь катушки аппарата КМ2 и наоборот.

Кроме электрической блокировки может быть использована специальная механическая блокировка. Она представляет собой рычажную систему, которая предотвращает втягивание одного контактора, если включен другой.

Защиту от коротких замыканий обеспечивает автоматический выключатель QF. Его наличие исключает также возможность работы привода при обрыве одной фазы

Второй уровень

1. Кинематические схемы механизмов и машин

При многообразии кинематических схем рабочего органа по отношению к электроприводу они обладают следующими особенностями:

- реверсивные или нереверсивные электроприводы;

- редукторные или безредукторные электроприводы;

- в электроприводе действуют движущие моменты и силы, моменты и силы сопротивления движению рабочего органа, а также моменты и силы трения;

- моменты сопротивления могут быть постоянны или могут зависеть от скорости, угла поворота, времени;

- моменты сопротивления могут иметь характер активный (энергия поступает от другого источника или имеется запас потенциальной энергии) или реактивный (обусловлен силами трения);

- при изменении направления движения реактивные моменты сопротивления движению скачком изменяют знак, а активные моменты - знак не изменяют.

Кинематическая схема механизма подъема приведена на рис. 2.4. Двигатель Д через редуктор Р вращает барабан Б, на котором намотан трос с грузом. На груз действует сила тяжести, не зависящая от скорости.

Кроме силы тяжести двигатель преодолевает силы трения в подшипниках и зубчатых зацеплениях редуктора (пунктирные линии на рис. 2.4 - с учетом Fpo).

Таким образом, электропривод механизма подъёма в целом является реверсивным, с постоянным, независящим от скорости, моментом, знак которого не изменяется при изменении направления движения, т.е. носящим активный характер.

Момент рабочего органа носит активный характер, электропривод лифта - реверсивный, в приведенной схеме - редукторный.

2. Типовые нагрузки механической части электропривода

Кроме электромагнитного момента на механическую часть электропривода действуют статические нагрузки, которые делятся на силы и моменты механических потерь и силы и моменты полезных нагрузок исполнительных механизмов:

(2.9)

где первая составляющая суммы является суммарными потерями в двигателе и в исполнительном механизме, а вторая - суммарным приведённым моментом полезной нагрузки. По характеру взаимодействия с электроприводом различаются активные и реактивные силы и моменты.

Активными силами и моментами называются силы и моменты, величина и направление которых не зависит от движения электропривода; например, силы и моменты, создаваемые перемещаемым по вертикали грузом. Механическая характеристика такого вида статической активной нагрузки изображена на рис. 2.5.



Рис. 2.5. Активные нагрузки электропривода неуравновешенного (а) и уравновешенного (б) подъемных механизмов.

В зависимости от соотношения масс и двигатель работает в тормозном ( ) или двигательном ( ) режимах.

Силы и моменты, возникающие как реакции на движение электропривода, называются реактивными. Направление их всегда противоположно направлению движению электропривода. По характеру зависимости от скорости реактивных сил и моментов различают нагрузки типов сухого трения (рис. 2.6):

Рис. 2.6. Реактивные нагрузки: сухое трение (а) и момент резания (б).

3. Уравнение движения механической части электропривода

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 2.1.). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. Далее в п. 2.2 показано, что к такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов, рассматриваемых в курсе.

Рис. 2.1. Модель механической части

Будем считать, что к системе на рис. 2.1 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент Мс, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

,(2.1)

где - угловая скорость, J- суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (2.1) - динамический момент . Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и Мс отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Режимы, при которых , т.е. моменты М и Мс равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует , в том числе .

Режимы, когда , называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).

В уравнении (2.1) момент Мс практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная; определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

.

5. Основное уравнение движения электропривода

При переменных статических моментах и моментах инерции, зависящих от скорости, времени, угла поворота вала двигателя (линейного перемещения РО), уравнение движения электропривода записывается в общем виде:

При постоянном моменте инерции уравнение упрощается

Его называют основным уравнением движения.

Правую часть уравнения называют динамическим моментом. Знак определяет знак производной и состояние электропривода:

- двигатель разгоняется;

двигатель снижает скорость;

- установившийся режим работы двигателя, его скорость неизменна.

Темп разгона зависит от момента инерции ? электропривода, определяющего способность механической части электропривода запасать кинетическую энергию

Для анализа режимов работы и решения задач удобнее записать основное уравнение движения в относительных единицах (о.е.). Приняв за базовые значения момента Мб=Мн - номинальный электромагнитный момент двигателя, скорости щб=щон - скорость идеального холостого хода при номинальном напряжении на якоре и номинальном токе возбуждения, основное уравнение движения в о.е. записывается в виде

где механическая постоянная времени электропривода, учитывающая и приведенный момент инерции РО. Наличие в уравнении свидетельствует о записи уравнения в о.е. Для расчета и построения нагрузочных диаграмм М(t)и щ(t) используется решение основного уравнения движения из которого для конечных приращений при для задан

ного получим приращение скорости и значение скорости в конце участка

6. Механическая часть электропривода как объект управления

Рассмотрим расчетную схему электропривода с бесконечной жесткостью механических связей между элементами. Расчетная схема электропривода представляется вращающимся элементом с моментом инерции, приведенным к валу двигателя, приведенным к валу двигателя статическим моментом Мс и моментом двигателя М.

...