8.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Oпределение: Электропривод предназначен для приведения в движение различных машин и механизмов. Он состоят из электрического двигателя, аппаратуры управления и передаточных звеньев от двигателя к рабочей машине. Привод бывает групповым, индивидуальным и многодвигательным.

В первом случае один двигатель приводит в движение несколько машин, а во втором каждая машина снабжена своим двигателем.
Многодвигательный привод - это группа двигателей одной машины, где каждый двигатель приводит в движение отдельный механизм.
Из основных требований, предъявляемых к электроприводу, следует отметить следующие:
1. Электродвигатель должен обладать такой мощностью, чтобы он передавал не только статическую нагрузку, но и кратковременные перегрузки.
2. Аппаратура управления должна обеспечить все требования производственного процесса машины, включая регулирование частоты вращения, реверсирование и др.

8.2.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

При работе электропривода вращающий момент электродвигателя должен уравновешивать статический момент сопротивления рабочей машины, а также динамиче-ский момент, обусловленный инерцией движущихся масс. Уравнение моментов электропривода можно записать в виде:

где М - вращающий момент электродвигателя;
М с - статический момент сопротивления;
М дин - динамический момент.

Динамический или инерционный момент, как известно из механики, равен:

где j - момент инерции движущихся масс, приведенный к валу двигателя, кг/м 2 ;
w - угловая частота вращения вала двигателя, с -1 .

Выражая угловую частоту вращения w через число оборотов n, получим:

Уравнение моментов электропривода можно записать в другом виде:

Если n = const, то М дин = 0, тогда М = М с.

8.3.ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

От правильного выбора мощности электродвигателя зависят технико-экономические показатели электропривода (себестоимость, габариты, экономичность, надежность в эксплуатации и др.).
Если нагрузка на электродвигатель стабильная, то определение его мощности ограничивается лишь выбором по каталогу:

где Р н - мощность выбираемого двигателя,
Р нагр - мощность нагрузки.
Если же нагрузка на электродвигатель переменная, то необходимо иметь график нагрузки I = f(t).
Плавную кривую заменяют ступенчатой линией, полагая, что за время t1 в двигателе течет ток I1, за время t2 - ток I2 и. т.д. (рис. 8.3.1).

Изменяющийся ток заменяют эквивалентным ему током I э, который за время одного цикла работы t ц производит одинаковое, тепловое действие с током, изменяющимся ступенями. Тогда:

а эквивалентный ток
Номинальный ток электродвигателя должен быть равным или больше эквивалентного, т.е.
Поскольку почти у всех двигателей вращающий момент прямо пропорционален току нагрузки М ~ I н, то можно записать и выражение для эквивалентного вращающего момента:

Учитывая, что мощность Р = Мw , электродвигатель можно выбирать также по эквивалентной мощности:

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время перерыва в работе не охлаждается до температуры окружающей среды (рис. 8.3.2).

Для этого режима вводится понятие относительной продолжительности включения (ПВ). Она равна отношению суммы рабочего времени ко времени цикла tц, со-стоящего из времени работы и времени паузы t о:

Чем больше ПВ, тем меньше номинальная мощность при, равных габаритах. Следовательно, двигатель, рассчитанный на работу в течение 25% времени цикла при номинальной мощности, нельзя оставлять под нагрузкой 60% времени цикла при той же мощности. Электродвигатели строятся для стандартных ПВ - 15, 25, 40, 60%, причем ПВ - 25%; принимается за номинальную. Двигатель рассчитывается на повторно кратковременный режим, если продолжительность цикла не превышает 10 мин. Если расчетные значения ПВ отличаются от стандартных, то при выборе мощности двигателя Рэ следует вносить поправку:

8.4.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

Самым простым и распространенным аппаратом для включения и отключения электрических цепей является рубильник.
Разновидностью рубильника является переключатель, способный перекоммутировать схему, например, при реверсировании или переключении обмоток двигателя со "звезды" на "треугольник".
Рубильник состоит из контактного ножа и двух губок, смонтированных на изолированном основании. Одна из губок является шарнирной. По количеству контактных ножей рубильники бывают одно-, двух- и трёхполюсными. Управление рубильником осуществляется изолированной ручкой, объединяющей контактные ножи.
Иногда при управлении, электродвигателями или другими исполнительными механизмами используются пакетные выключатели . Это малогабаритный отключающий аппарат, как правило, круглой формы (рис. 8.4.1.). В неподвижные кольца 5 из изоляционного материала вмонтированы контакты 3. Внутри колец размещаются подвижные диски 8 с контактными пластинами, закрепленными на оси 7. В крышке 6 помещено пружинное приспособление, с помощью которого достигается быстрое замыкание и размыкание контактов, независимо от скорости поворота ручки 1.
Выключатель собирается и крепится к крышке с помощью скобы 4 и шпилек 2.
Для управления двигателями с фазным ротором требуется большое число переключений, необходимых для ввода или вывода дополнительных сопротивлений.

Эту операцию выполняют контроллеры , которые различают на барабанные и кулачковые (рис. 8.4.2).
Подвижные контакты барабанного контроллера, имеющие форму сегментов 4, крепятся на валу 5. Неподвижные контакты 3 размещаются на вертикальной рейке 2 и к ним присоединяются внешние цепи. Контактные сегменты соединяются друг с другом по определенной схеме, и, кроме того, они имеют разную длину дуги.
При повороте вала контроллера сегменты поочередно входят в соприкосновение с неподвижными контактами, и осуществляется включение или отключение цепи.

Вал контроллера снабжается фиксатором 1, обеспечивающим ему несколько фиксированных положений.
Кулачковые контроллеры совершеннее барабанных. На валу 5 крепятся диски фасонного профиля 6, которые воздействуют своей боковой поверхностью на ролик контактного рычага 7, определяя тем самым замкнутое или разомкнутое положение контактов 4 и 3.
Переключения в силовых цепях с помощью контроллеров требует от оператора значительных физических усилий. Поэтому в установках с частыми переключениями для этой цели используются контакторы .
Принцип действия их основан на использовании в управлении силовыми контактами электромагнитной системы. Конструкция контактора приведена на рис. 8.4.3.

На изолированной плите 1 жестко укреплен неподвижный силовой контакт 2. На рычаге 3 шарнирно прикрепленном к плите имеется подвижный силовой контакт 4.
Для управления силовыми контактами на плите смонтирована магнитная система, состоящая из сердечника 5 с катушкой 6 и якоря 7, прикрепленного к рычагу 3. Токоподвод к подвижному контакту осуществляется гибким проводником 8.
При подключении к сети катушки 6 произойдет магнитное притяжение сердечником 5 якоря 7 и замыкание силовых контактов 2 и 4. Для разрыва силовой цепи отключают катушку 6, и якорь под собственным весом отпадает от сердечника.
Помимо силовых контактов, в аппарате имеется ряд блокировочных 9, назначение которых будет показано ниже.
Электрическая цепь катушки электромагнита является вспомогательной или управляющей.
Для управления его применяются кнопки управления. Кнопки бывают одноцепные и двухцепные с замыкающими и размыкающими контактами. В большинстве случаев кнопки делаются с самовозвратом, т.е. при снятии механического давления их контакты возвращаются в исходное положение. На рис. 8.4.4 показана конструкция кнопки с двумя парами контактов: замыкающими и размыкающими.

Для защиты электродвигателя от перегрузки в контактор монтируются два тепловых реле (на две фазы). В этом случае контактор называется магнитным пускателем.
Основной деталью теплового реле (рис. 8.4.5) является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сплавов с различными коэффициентами расширения.

Пластинка одним концом жестко прикреплена к основанию прибора, а другим упирается в защелку 2, которая под действием пружины 3 стремится повернуться против часовой стрелки. Рядом с биметаллической пластинкой помещается нагреватель 4, включаемый последовательно с двигателем. Когда по силовой цепи потечет большой ток, то температура нагревателя повысится. Биметаллическая пластина прогнется кверху и освободит защелку 2. Под действием пружины 3 защелка поворачивается и через изоляционную пластину 5 размыкает контакты 6 в цепи управления пускателем. Возврат реле возможен только после остывании пластины 1. Он осуществляется нажатием кнопки 7.
Для защиты электроустановок от перегрузок используются также плавкие предохранители. Это неуправляемый аппарат, в котором перегрузка вызывает перегорание плавной вставки, изготовленной из легкоплавкого материала. Предохранители бывает пробчатыми и трубчатыми (рис. 8. 4.6).

Существуют также и управляемые аппараты, защищающие электрооборудование от перегрузок. К ним относится реле максимального тока (рис. 8.4.7).
Катушка реле 1 рассчитана на протекание тока в силовой цепи. Для этого она имеет обмотку, изготовленную из провода достаточного поперечного сечения.
При токе, на который настроено реле, произойдет притяжение якоря 2 к сердечнику 3 катушки и с помощью контактного мостика 4 размыкаются контакты 5 в цепи управления магнитного пускателя. Это реле само прервет электроснабжение установки от источника тока.

Нередко встречаются случаи, когда необходимо отключить электроустановку от сети, если уровень напряжения достиг, значения меньше допустимого. Для этой цели используется реле минимального напряжения. Его конструкция напоминает любое электромагнитное реле, но срабатывание здесь происходит при понижении намагниченности катушки и отпадания от нее якоря с контактной системой.
Особое место в схемах защиты электрических установок занимает реле времени . Существуют как электромеханические, так и электронные реле времени.
Рассмотрим конструкцию реле времени типа ЭВ (рис. 8.4.8.).

Основным узлом реле является часовой механизм 2, запускаемый электромагнитной системой 1. Катушка реле включается в силовую цепь и при ее срабатывании часовой механизм вводится в действие. По истечении определенного отрезка времени замкнутся контакты реле и электроустановка отключится от сети. Реле позволяет осуществлять его настройку на различные режимы его работы.
В последние годы получили распространение приборы, в которых электромагнитная и контактная системы объединены в одно целое. Это так называемые герконы (рис. 8.4.9).

В герметизированной колбе, заполненной инертным газом, впаяны две или три контактные пластины из пермалоя. Сами контакты (из золота или серебра) находятся на свободных концах пластин. При приближении к геркону постоянного магнита или катушки с током произойдет замыкание или размыкание контактов.
В связи с развитием радиоэлектроники системы автоматического управления пополнились рядом бесконтактных логических элементов . Передачу и преобразование информации от датчика к исполнительному органу можно осуществлять просто, если различать два уровня (две величины) сигнала, каждый из которых может соответствовать, например, символам 0 и 1 или понятиям истинности "да" и "нет". В этом случае сигнал в любой момент времени имеет один из двух возможных значений и называется двоичным сигналом.

8.5.ПРИНЦИПЫ И СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

8.5.1. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

Принцип автоматического управления заключается в том, что без участия человека осуществляется строгое и последовательное выполнение операций по включению, отключению электрооборудования, а также соблюдение заданного режима его работы.
Различают два вида управления: полуавтоматическое и автоматическое. При полуавтоматическом управлении оператор осуществляет первоначальный пуск объекта (нажатие кнопки, поворот ручки и т.д.). В дальнейшем его функции сводятся лишь к наблюдению за ходом процесса. При автоматическом управлении даже начальный импульс по включению установки посылают датчик или реле. Установка полностью работает в автоматическом режиме по заданной программе.
Программное устройство может быть выполнено как на основе электромеханических элементов, так и с помощью логических схем.

8.5.2. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Приведем несколько часто встречающихся на практике схем управления электродвигателями.
Самой простой из них является схема управления асинхронным трехфазным двигателем с помощью магнитного искателя.
При нажатии кнопки "пуск" подключается к сети катушка электромагнита. Подвижный якорь придет в соприкосновение с сердечником катушки и своим движением замкнет силовые контакты, подающие трехфазное напряжение на электродвигатель. Одновременно с силовыми, замкнутся и блокировочные контакты, которые зашунти-руют кнопку "пуск", что позволяет ее отпустить. При нажатии кнопки "стоп" разрывается цепь питания катушки электромагнита и якорь, освободившись, отпадает, разомк-нув при этом силовые контакты. Электродвигатель остановится.
Защита электродвигателя от длительной перегрузки здесь обеспечивается двумя тепловыми реле РТ, включенными в две фазы. Отключающие контакты тепловых реле РТ1 и РТ2 введены в цепь питания катушки электромагнита.

Для реверсивного управления двигателем применяется схема с двумя магнитными пускателями (рис. 8.5.2.2.).
Один магнитный пускатель коммутирует схему включения двигателя на прямое вращение, а другой - на обратное.
Кнопки "вперед" и "назад" подключают соответственно свои катушки, а кнопка "стоп" и отключающие контакты теплового реле включены в общую цепь управления.

Поскольку периоды разгона и торможения электропривода не являются эффективным временем работы механизма, их длительность желательно по возможности сокращать, что особенно важно для привода механизмов, работающих с частыми пусками и остановками.

Продолжительность переходных процессов привода определяется интегрированием уравнения движения электропривода. Разделив переменные, получим для периода пуска

где J - момент инерции, приведенный к валу двигателя. Для решения этого интеграла необходимо знать зависимость моментов двигателя и механизма от скорости. Текущее значение момента двигателя при реостатном пуске заменим средним его значением М=αМ ном, как это показано на рис. 31. Тогда для простейшего случая пуска при условии, что M c =const, получим следующее выражение для времени пуска от состояния покоя (ω 1 =0) до конечной угловой скорости (ω 2 = ω ном), соответствующей статическому моменту М c:

Время торможения определится из выражения

Из уравнения видно, что теоретически угловая скорость достигнет своего установившегося значения только через бесконеч­но большой промежуток времени (при t =∞). В практических же расчетах считают, что процесс разбега заканчивается при угловой скорости, равной не установившемуся ее значению ω= ω с, а при ω=(0,95÷0,98)ω с. Из уравнения следует, что уже при t= 3Т м ω=0,96 ω 0 , т. е. переходный процесс практически будет за­кончен за время t= (3÷4)T м.

Поскольку пуск двигателей постоянного тока и асинхронных с фазным ротором часто осуществляется через многоступенчатый Реостат, необходимо уметь вычислять время разбега двигателя на каждой ступени.

Для ступени х уравнение может быть переписано в виде

М = М с + (М к - М с) е, (33)

где: М к -номинальный момент при пуске; t x - время разбега двигателя на рассматриваемой ступени; Т мх - электромеханическая постоянная времени для этой же ступени.

где ω хн - угловая скорость на ступени х при М=М, ном.

Решая равенство (33) относительно времени пуска и учитывая равество (27), находим

Где: ω х -угловая скорость на ступени х при М=М к; ω х+1 -то же, на ступени х+ 1 при М=Мк; ω хс - то же, на ступени х при M=М с.

Время разбега на естественной характеристике te теоретически равно бесконечности. При расчетах же его принимают равным (3÷4)Т м.е. Общее время разбега двигателя при пуске равно суммарному времени разбега на всех ступенях.

Время торможения электропривода определяется также реше-нием основного уравнения движения.

Замедление привода происходит в том случае, если динамический момент имеет отрицательное значение или когда вращающий момент двигателя меньше статического момента сопротивления

Для торможения противовключением, когда угловая скорость изменяется от ω= ω 1 до ω=0, уравнение (27) может быть переписано в виде

М 1 и ω 1 - соответственно момент и угловая скорость двигателя в начале торможения; ω с - угловая скорость, соответствующая моменту М с на заданной механической характеристике.

Время торможения от ω 1 до полной остановки составит

При динамическом торможении от w=w1 до w=0

Время реверсирования можно рассматривать как сумму времени торможения и разбега в обратном направлении.

Основным уравнением, описывающим работу системы электро­привода, является уравнение движения. Пользуясь этим урав­нением, можно произвести анализ переходных процессов, вычислить время разгона и торможения, определить расход энергии и т. д.

Решив уравнение движения электроприводов относительно угловой скорости ω или вращающего момента двигателя М для про­стейшего случая, когда M c = const, механическая характеристика двигателя линейна, получим уравнение переходного процесса при­вода

где M с и ω с - статический момент и соответствующая ему угловая скорость; Мнач и ω нач - соответственно момент двигателя и угловая скорость в начале переходного режима; t - время, прошедшее от начала переходного режима; Т м -электромеханическая постоянная чая времени.

Электромеханической постоянной называется время, в течение которого привод с приведенным моментом инерции J разгоняется вхолостую из неподвижного состояния до угловой скорости идеального холостого хода ω о при неизменном вращающем моменте, равном моменту к.з. Мк (или начальному пусковому моменту) двигателя. С увеличением величины Т м растет время переходных процессов и, как следствие, снижаются производительность и экономичность работы машины

Электромеханическая постоянная времени может быть определена ленаиз следующего выражения:

где: s hom =(ω 0 -ω ном)/ω о -скольжение (для асинхронного двигателя) или относительный перепад скорости (для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения) при работе на искусствен ной характеристике при номинальном моменте на валу двигателя; Mк -начальным пусковой момент двигателя (момент к.з. ).

Из уравнении (27) и (28) следует, что при линейной механической характеристике двигателя и постоянном статическом моменте изменение угловой скорости и момента, развиваемого двигателем, происходит по экспоненциальному закону. В частном случае, когда пуск двигателя совершается под нагрузкой из неподвижного состояния (ω нач =0), уравнение (27) принимает вид

и при пуске вхолостую, когда М c = 0,

На рис. 30 изображен процесс нарастания угловой скорости движения согласно уравнению (27). Постоянная времени определяется из графика отрезком на прямой, отсекаемым касательной, проведенной из начала координат к кривой ω=f(t)

Лекция 7. Основы выбора электродвигателей.

В производственных условиях нагрузка на двигатель зависит от величины нагрузки механизма и характера изменения ее во времени.

Закономерность изменения статической нагрузки во времени обычно.изображается в виде диаграмм, которые называются нагрузочными диаграммами механизма. На основании нагрузочных диаграмм механизма строятся нагрузочные диаграммы двигателя, в которых учитыва­ются статистические и динамические нагрузки.

Так как нагрев двигателей в основном происходит за счет потерь электроэнергии в обмотках двигателя, а при различных нагрузках величина тока в обмотках различна, то и температура

обмоток двигателя будет зависеть от нагрузочных диаграмм.

Нагрузочные диаграммы электродвигателей делятся:

по характеру изменений величины нагрузки во вре­мени - на диаграммы с постоянной и переменной на­грузкой (рис. 5.4);

по продолжительности нагрузки - на диаграммы с продолжительной, кратковременной, повторно-кратковре­менной и перемежающейся нагрузкой.

В соответствии с таким делением нагрузок принято различать четыре основных режима работы двигателей с постоянной и переменной нагрузкой: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный, перемежа­ющийся.

В каждом двигателе имеются токоведущие части, изолированные изоляцией. Изоляция, не меняя своих параметров, выдерживает только определенную темпе­ратуру. Эта температура и есть пре­дельная (допустимая) температура, до которой может нагреваться двигатель. Если двигатель будет нагружен так, что его τ у будет выше τ д, - он выйдет из строя.

Конечная температура электродвигателя τ н слагается из превышения его температуры над температурой окру­жающей среды и температуры окружающей среды (для средней полосы СССР она принята 308 К). Учитывая это положение, следует сделать вывод, что в характеристи­ках двигателей указана мощность для окружающей сре­ды с температурой 308 К. При изменении температуры окружающей среды можно, в определенных пределах, менять и нагрузку на двигатель против его паспортной мощности.

Допустимые температуры нагрева обмоток двигателей ограничиваются свойствами различных классов изоля­ции, а именно:

класс У, τ д =363 К - непропитанные хлопчатобу­мажные ткани, пряжа, бумага и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка;

класс А, τ д = 378 К-те же материалы,но пропитан­ные жидким диэлектриком (маслом, лаком) или опущен­ные в трансформаторное масло;

класс Е, τ д = 393 К-синтетические органические пленки, пластмассы (гетинакс, текстолит), изоляция эма­лированных проводов на основе лаков;

класс В, τ д = 403 К-материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические вещества (миканит, стеклоткань, стеклотекстолит) и некоторые пластмассы с минеральным наполнением;

класс F, τ д = 428 К-те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими веще­ствами повышенной теплостойкости;

класс Н, τ д = 453 К-те же материалы в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими веществами, а также кремнийорганическая резина;

класс С, τ д более 453 К - слюда, электротехническая керамика, стекло, кварц, асбест, применяемые без свя­зующих составов или с неорганическими связующими со­ставами.

Тепловые режимы работы электропривода. Расчет и выбор мощности электродвигателей для кратковременного режима работы.

Расчет нагрузочных диаграмм и тахограмм.

Способы проверки двигателей на нагрев и перегрузочную способность, пересчет мощность двигателей на стандартную пв.

Расчет и выбор мощности двигателей при длительном режиме работы

Продолжительность включения (пв). Пересчет мощности двигателя на стандартную пв. Проверка двигателя на нагрев и перегрузочную способность.

Механические характеристики двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Способы торможения двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения.

Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения.

Основные показатели регулирования скорости электродвигателей. Способы регулирования скорости электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Расчет тормозных сопротивлений двигателя постоянного тока независимого возбуждения (rдт, rп).

Расчет пусковых сопротивлений в приводах с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения.

Расчет пусковых сопротивлений в приводах с двигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения при шунтировании обмотки якоря и включении последовательного сопротивления.

Каскадные схемы включения ад. Регулирование скорости асинхронных двигателей в системе авк.

Расчет ступени противовключения для асинхронного двигателя.

Торможение асинхронного двигателя противовключением.

Регулирование скорости асинхронных двигателей.

Расчет пусковых сопротивлений асинхронных двигателей.

Регулирование скорости электродвигателей в системе г-д. Механические характеристики системы г-д. Диапазоны регулирования.

Динамическое торможение электродвигателей постоянного и переменного тока. Расчет механических характеристик.

Регулирование скорости путем шунтирования обмотки якоря.

Расчет и выбор основного электрооборудования вентильного электропривода.

Механические характеристики вентильного электропривода.

Основные характеристики вентильного электропривода. Расчет сквозных (регулировочных) характеристик тиристорных преобразователей.

Выпрямительный и инверторный режим работы тиристорного электропривода постоянного тока.

Управление выпрямленным напряжением в системе тп-д.

Регулирование скорости двигателей в системе тп-д. Расчет механических характеристик.

Регулирование выпрямленного напряжения в системе тп-д.

Энергетические характеристики системы тп-д

Системы тпч-ад

Регулирование скорости в системе тпч-ад

Регулирование скорости в системе тпч-сд.

Переходные процессы при пуске двигателя

Механические характеристики синхронных двигателей. Пуск в ход и торможение синхронных двигателей.

Особенности пуска синхронных двигателей. Разновидности схем пуска синхронных двигателей.

Литература

1. Основное уравнение движения электропривода.

Для электромеханической системы в любой момент времени должно выполняться условие баланса мощностей:

где
- мощность, отдаваемая двигателем на вал;

- мощность статических сил сопротивления;

- динамическая мощность, идет на изменение кинетической энергии
в процессах, когда изменяется скорость двигателя.

В свою очередь уравнение для кинетической энергии запишется:

Или для динамической мощности:

Если именяются во времени, то получим:

Приравняв значения мощностей, получим:

Эта зависимость является уравнением движения электропривода. Для большинства механизмов
. Тогда уравнение примет вид:

Проанализируем это уравнение:

Основное уравнение движения электропривода является основой всех инженерных расчетов. На его основе производится расчет, например, диаграммы двигателя, выбирается двигатель, рассчитываются пусковые моменты и токи, оценивается динамика электропривода.

1. Основные понятия об устойчивости электропривода.

Устойчивость электропривода определяется при сравнении механической характеристики двигателя и механической характеристики исполнительного механизма (
и
). Рассмотрим на примере АД.

Рассмотрим для трех механических характеристик исполнительных механизмов:

В этом режиме двигатель преодолевает момент нагрузки и момент механических потерь. Режим работы устойчивый.

В таком режиме мы имеем две точки пересечения (2 и 3). Устойчивой является скорость . Потому, что небольшое отклонение скорости компенсируется изменением момента противоположного знака (wMилиwM).

Для точки 3 wM.

1. Определение времени пуска и торможения электропривода

Время пуска можно определить исходя из основного уравнения движения электропривода:

.

Выделим из этого уравнения составляющую времени:

;

Проинтегрировав это выражение получим:

.

Данным уравнением определяется время нарастания скорости от 0 до конечной (установившейся).

Время торможения может быть вычислено по следующей формуле:

1. Тепловые режимы работы электропривода. Особенности расчета и выбора мощности электродвигателей в различных тепловых режимах.

Режим работы электрической машины – это установленный порядок чередования периодов, характеризуемых величиной и продолжительностью нагрузки, отключений, торможения, пуска и реверса во время ее работы.

1. Продолжительный режим S 1 – когда при неизменной номинальной нагрузке
работа двигателя продолжается так долго, что температура перегрева всех его частей успевает достигнуть установившихся значений
. Различают продолжительный режимнеизменной нагрузкой (рисунок 1) и сизменяющейся нагрузкой (рисунок 2).

2. Кратковременный режим S 2 – когда периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя (рисунок 3). При этом периоды работы двигателянастолько кратковременны, что температуры нагрева всех частей двигателя не достигает установившихся значений, а периоды отключения двигателя настолько продолжительны, что все части двигателя успевают охладиться до температуры окружающей среды. Стандартом установлены длительность периодов нагрузки 10, 30, 60 и 90 минут. В условном обозначении кратковременного режима указывается продолжительность периода нагрузки, напримерS2 – 30 мин.

3. Повторно-кратковременный режим S3 – когда кратковременные периоды работы двигателячередуются с периодами отключения двигателя, причем за период работыпревышение температуры не успевает достигнуть установившихся значений, а за время паузы части двигателя не успевают охладиться до температуры окружающей среды. Общее время работы в повторно-кратковременном режиме разделяются на периодически повторяющиеся циклы продолжительностью
.

При повторно-кратковременном режиме работы график нагревания двигателя имеет вид пилообразной кривой (рисунок 4). При достижении двигателем установившегося значения температуры перегрева, соответству­ющего повторно-кратковременному режиму
,температура перегрева двигателя продолжает колебаться от
до
. При этом
меньше установившейся температуры перегрева, которая наступила бы, если режим работы двигателя был продолжитель­ным (
<
).

Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продол­ жительностью включения:
. Действующим стандартом преду­смотрены номинальные повторно-кратковременные режимы с ПВ 15, 25, 40 и 60 % (для продолжительного ре­жима ПВ=100%). В условном обозна­чении повторно-кратковременного ре­жима указывают величину ПВ, напри­мер, S3-40%.

При выборе двигателя, в паспорте которого, указана мощность при ПВ=100% пересчет следует делать по формуле:

.

Рассмотренные три номинальных режима считаются основными. Также стандартом предусмотрены дополнительные режимы:

повторно-кратковременный режим S4 с частыми пусками, с числом включений в час 30, 60, 120 или 240;

повторно-кратковременный режим S5 с частыми пусками и электрическим торможением в конце каждого цикла;

перемещающийся режим S6 с частыми реверсами и электрическим торможением;

перемещающийся режим S7 с частыми пусками, реверсами и электрическим торможением;

перемещающийся режим S8 с двумя и более разными частотами вращения;

Рисунок 1 Рисунок 2

Рисунок3 Рисунок 4

"

Расчетная схема механической части электропривода

Механика электропривода

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрической и механической части. В этой главе мы рассмотрим механическую часть ЭП.

В общем случае механическая часть ЭП включает в себя механическую часть электромеханического преобразователя (ротор или якорь электродвигателя), преобразователь механической энергии (редуктор или механическую передачу) и исполнительный орган рабочей машины (ИО РМ). Поскольку наша задача - это приведение в движение ИО РМ, основополагающими для выбора и расчета ЭП являются характеристики рабочей машины и особенности механической части ЭП .

В общем случае механическая часть ЭП представляет собой сложную механическую систему, состоящую из нескольких вращающихся и поступательно движущихся с различными скоростями звеньев, имеющими различные массы и моменты инерции, соединенные упругими связями (малой или конечной жесткости). При этом в кинематических передачах часто имеют место зазоры.

На эту сложную механическую систему действуют различные по направлению и величине внешние моменты и силы, которые, в свою очередь, часто зависят от времени, угла поворота механизма, скорости движения и других факторов. Поскольку эта механическая система является неотъемлемой частью ЭП, необходимо знать её характеристики и иметь достаточно точное для инженерных расчетов математическое описание. Механическая часть ЭП описывается в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами. Для описания механической части ЭП наиболее удобным является использование уравнений Лагранжа второго рода.

Учитывая, что движение механической системы определяется наибольшими массами, наименьшими жесткостями и наибольшими зазорами; очень часто сложную механическую систему можно свести к двух-трех- массовой модели, которая может быть использована при расчете систем ЭП. (Это системы с гибкими валами, системы, подверженные резким динамическим нагрузкам, точные следящие системы).

В большинстве случаев механическая часть состоит из звеньев большой жесткости с жесткими связями, а зазоры мы стремимся свести к нулю, и тогда возникает возможность представить расчетную схему механической части как одномассовую систему, укрепленную на валу ЭД, при этом мы пренебрегаем упругостью механических связей и зазорами в передаче. Такая модель широко применяется для инженерных расчетов.

Для анализа движения механической части ЭП осуществляется переход от реальной кинематической схемы к расчетной, в которой массы и моменты инерции движущихся элементов их жесткости, а также силы и моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же скорости (чаще всего к скорости движения ЭД). Условием соответствия полученной расчетной схемы реальной механической части ЭП является выполнение закона сохранения энергии.

Рис. 2.1. Кинематическая схема подъемного устройства

Переход от реальной схемы (рис. 2.1) к расчетной (рис. 2.2) называют приведением. Все параметры механической части приводят к валу ЭД (в некоторых случаях к валу редуктора).

Рис. 2.2. Расчетная схема подъемного устройства

Приведение моментов инерции и масс осуществляется с помощью следующих известных из механики формул:

Для вращательного движения, (2.1)

Для поступательного движения, (2.2)

Суммарный момент инерции системы, (2.3)

где – момент инерции двигателя, кг∙м 2 ;

– момент инерции k-ого вращающегося элемента, кг∙м 2 ;

– масса i-ого поступательно движущегося элемента, кг;

, – приведённые моменты инерции k и i элементов, кг∙м 2 .

Моментом инерции тела относительно оси, проходящей через центр тяжести, называют сумму произведений массы каждой элементарной частицы тела на квадрат расстояния от соответствующей частицы до оси вращения

где R j – радиус инерции

i k – передаточное число кинематической цепи между валом двигателя и k-ым элементом,

– угловые скорости вала двигателя и k-ого элемента, с -1 .

где – радиус приведения поступательно движущегося i элемента к валу двигателя, м,

– скорость движения поступательно движущегося i элемента, м/с.

Радиусом инерции называют расстояние от оси вращения (проходящей через центр тяжести), на котором надо поместить массу рассматриваемого тела, сосредоточенную в одной точке, чтобы удовлетворить равенство

Приведение моментов и сил , действующих на элементы к валу двигателя, осуществляются следующим образом:

Первый вариант: передача энергии от двигателя к рабочей машине

Для вращательно движущихся элементов, (2.6)

Для поступательно движущихся элементов. (2.7)

Второй вариант: энергия передается от рабочей машины к двигателю

Для вращательно движущихся элементов, (2.8)

Для поступательно движущихся элементов. (2.9)

В этих выражениях:

– момент, действующий на k элемент, Н∙м;

– сила, действующая на i элемент, Н;

– приведённый момент (эквивалентный), Н∙м;

– КПД кинематической цепи между k и i элементом и валом двигателя.

С помощью приведенных расчётных схем осуществляется определение параметров, устойчивость и характер протекания переходных процессов в механической системе.

Динамику ЭП, как правило, определяет механическая часть привода как более инерционная. Для описания переходных режимов необходимо составить уравнение движения ЭП учитывающее все силы и моменты, действующие в переходных режимах .

Наиболее удобным методом составления уравнений движения механизмов является метод уравнений Лагранжа второго рода. Сложность уравнения движения будет зависеть от того, какую расчетную схему механической части привода мы выбрали. В большинстве практических случаев выбирают одномассовую, расчетную схему, сводя всю систему электродвигатель-рабочая машина (ЭД-РМ) к жесткому приведенному механическому звену.

Одномассовая система (жесткое приведённое звено) является интегрирующим звеном. В том случае, когда в кинематической цепи ЭП содержатся нелинейные связи, параметры которых зависят от положения отдельных звеньев механизма (пары кривошип – шатун, кулисный механизм и так далее) движение одномассовой системы описывается нелинейным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами. Входящие в это уравнение моменты в общем случае могут быть функциями нескольких переменных (времени, скорости, угла поворота).

Как следует из структурной схемы, момент двигателя представляет собой управляющее воздействие, а момент сопротивления - возмущающее воздействие.

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

. (3-3)

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

инерционным динамическим моментом .

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

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

1) при , происходит ускорение электропривода;

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

Знак минус перед статическим моментом указывает на тормозящее действие механизма.

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

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

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

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

Время пуска двигателя в холостом режиме и под нагрузкой

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

Время переходных процессов определим из уравнения движения.

t = (3-4)

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

Пуск двигателя в холостом режиме

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

Для рассматриваемого режима (пуск в холостую)

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

t хх = , (3-5)

где: скорость в режиме холостого хода;331 130313