Скачать:  tema-1.zip [24,78 Kb] (cкачиваний: 1)  

1. Общие вопросы, механики ЭП.

2. Основные звенья кинетической цепи ЭП.

3. Класси­фикация технологических процессов.

4. Основное урав­нение движения ЭП для вращательного и возвратно-поступательного движения.

5. Механическая и электроме­ханическая характеристика.

6. Абсолютная и относи­тельная жесткость.

7. Относительные единицы.

8. Требования к регулируемому электроприводу: диа­пазон, зонность, плавность, экономичность, качество регулирования, устойчивость при регулировании.

9. Ре­гулирование при постоянстве момента и мощности.

1. Общие положения механики электропривода

Задача раздела — определение парамет­ров и характеристик механического движения подвижной части электропривода, в которую входят осуществляющая движение часть электродвигательного устройства, передаточное устройство и исполнительный орган рабочей машины. Последний по определению не входит в состав электро­привода, но при изучении законов движения не может рассматриваться обособленно, так как формирование необходимого закона дви­жения исполнительного органа является основной задачей электропривода, а параметры, характеризующие режим работы исполнительного органа, существенно влияют на движе­ние всей системы в целом. Параметры механического вращательного движения: момент (момент силы) М, Нм; угол (угловое перемещение) j, рад; угловая скорость dj/dt= w, рад/с; угловое ускорение dw/dt = d²j/dt² = e, рад/с². Параметры механического поступатель­ного движения: сила F, Н; путь (линейное перемещение) х, м; линейная скорость dx/dt = v, м/с; линейное ускорение dv/dt = d²x/dt² = а, м/с². В ряде случаев для характеристики дви­жения используется понятие рывка de/dt = r, рад/с³, и соответственно da/dt = r, м/с³.

Элементы ЭП, в которых может запасаться энергия, хар-ся в зависимости от вида энергии. Инерционные элементы запасают кинетическую энергию и характеризуются при вращательном дви­жении моментом инерции J, кг×м^а; при поступательном движении — массой т, кг, упругие элементы, деформация которых под­чиняется закону Гука, запасают потенциаль­ную энергию и характеризуются коэффициен­том жесткости при кручении с_КР, Н-м/рад, коэффициентом жесткости при растяжении или сжатии с_Л, Н/м.

Иногда при расчетах используется поня­тие податливости валопровода 1/с_кр = е_кр или податливости линейного элемента 1/с_л = е_л.

ЭП, в котором может осу­ществляться движение в обоих возможных направлениях, называется реверсивным, а из­менение направления движения — реверсом ЭП.

В зависимости от направления потока мощности различаются следующие режимы работы ЭП двигательный, когда механическая энергия направлена от электродвигательного устройства к исполнительному органу рабочей машины, и тормозной (гене­раторный), соответствующий обратному на­правлению механической энергии. Граничными режимами при переходе от двигатель­ного к тормозному (или от тормозного к дви­гательному) являются, режим идеального х.х., когда ЭП движется с определенной скоростью, но при этом электромагнитный момент вращатель­ного электродвигательного устройства равен нулю, и режим К.З., когда скорость ЭП равна нулю (ЭП неподвижен), а момент (соответ­ственно сила) электродвигательного устрой­ства не равен нулю. Для обоих граничных режимов — XX и КЗ — механическая мощ­ность (Р = Мw или Р = Fv) равна нулю.

Моменты (силы), приложенные к отдель­ным частям ЭП, могут быть движущими, если они действуют в направле­нии движения, либо тормозящими, если они действуют в противоположном направлении.

Для определения знаков параметров, характеризующих движение ЭП, используется следующее правило: одно из направлении движения принимается за по­ложительное, тем самым одновременно определяют­ся знаки скорости и ускорения; для моментов электродвигательного устройства положительное направление дей­ствия совпадает с положительным направле­нием движения, для моментов (соответственно сил) исполнительного органа рабочей машины, рассматриваемых как моменты (силы) сопротивления, положительным считается направ­ление, встречное направлению движения.

Моменты исполнительного органа рабочей машины принято разделять на актив­ные и реактивные.Активные моменты обусловлены воздействием на исполнитель­ный орган внешних сил. Эти моменты не зависят от направления движения и, как правило, не зависят от скорости (рис. 2.1, а)(РИС 1.). Реактив­ные моменты возникают как реакция при движении исполнительного органа — это моменты (силы) вязкого трения первого или второго рода (соответственно зависимости 1 и 2 на рис. 2.1, б) или сухого трения (зависимость 3). В последнем случае при изменении направления движения реактив­ный момент (сила) сухого трения скачком изменяет свой знак.

2. ОСНОВНЫЕ ЗВЕНЬЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ЭП.

Обычно двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдель­ные элементы которой движутся с различными скоростями. Примерная кинематическая схема ЭП с вра­щательным движением исполнительного механизма пред­ставлена на рис. 2.1 (РИС 2).

Часто в рабочих механизмах один из элементов совер­шает вращательное движение, другие — поступательное, например в таких машинах, как подъемник (рис. 2.2)(РИС. 2), кран, строгальный станок и т. п.

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

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

В системе промышленного пр-ва м выделить 3 класса тех-ких процессов: 1) добыча сырья, включая добычу твердых, жидких или газообразных полезных веществ, заготовку сырья лесо­пром-ти и с/х комплексами; 2) переработка сырья в полуфабрикаты, изменение состояния или хим-го со­става вещества; 3) технологии изменения формы и состава вещества для получения готового товарного продукта.

Во всех технологических процессах участвуют транспортные и подъемно-транспортные системы, обеспечивающие единство и непрерывность технологического процесса. В каждом классе технологических процессов имеются подклассы, отражающие особенности сырья и способы его добычи, переработки и изготовления из него готового продукта.

Разнообразные производства разделяются по виду готовой про­дукции. Базовыми производствами являются: агропромышленное, добычи полезных ископаемых, лесоперера­батывающее, металлургическое, машиностроительное, бумажное и полиграфическое, текстильное, химическое, пищевое.

В структуре технологического процесса производства готового продукта можно выделить 3 части: 1) подготовку исходного сырья в вид, удобный для изготовле­ния готового продукта; 2) изготовление готового продукта; 3) обработ­ку и упаковку готового продукта для отправки его по­требителю.

4.Основное уравнение движения эп для вращательного и возвратно-поступательного движения

В механическом движении участвуют подвижная часть ЭД (ротор или якорь), элементы механического передаточ­ного устройства и исполнительный орган. Совокупность этих эле­ментов называют механической частью ЭП.

Движение любого элемента механической части ЭП (или испол­нительного органа рабочей машины) подчиняется законам механики. Поступательное и вращательное дви­жения описываются соответственно следующими уравнениями:

åF=mv/dt+vdm/dt (1) åМ = J dw /dt + w dJ /dt (2)

где åF и åМ - соответственно совокупность сил и моментов, дей­ствующих на элемент; т и J - соответственно масса и момент инер­ции элемента; t - время, w и v - соответственно угловая и линейная скорости движения элемента.

Уравнения движения по своему характеру яв-ся дифференци­альными, поскольку содержат производные скорости, массы и мо­мента инерции. В большинстве случаев масса и момент инерции эле­ментов при движении не изменяются, их производные оказ-ся равными нулю и уравнения (1) и (2) упрощаются: åF=mdv/dt=ma (3) åM=Jdw/dt=Je (4)

где a=dv/dt и e=dw/dt- соответственно ускорения при поступа­тельном и вращательном движениях.

Уравнения (3) и (4) отражают известный закон механики: ус­корение движения механического элемента (тела) пропорциональ­но алгебраической сумме действующих на него сил (моментов) и обратно пропорционально его массе (моменту инерции). Если åf=o; åm=o, (5) то dv/dt = dw/dt = 0 и элемент движется с постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Другими словами, элемент будет двигаться с неизменной скоро­стью (или будет неподвижным), если сумма сил или моментов, к нему приложенных, будет равна нулю. Такое движение называют установившимся.

При åF > 0 или åМ > 0 элемент будет двигаться с ускорени­ем, а при åF < 0 или åм < 0 - с замедлением. Условия (5) ис­пользуются для определения параметров установившегося механи­ческого движения.

Уравнение движения ЭП. Пере­ходным режимом ЭП называют ре­жим работы при переходе от одного установившегося со­стояния к другому, когда изменяются скорость, момент, и ток. Причинами возникновения переходных режимов в ЭП является либо изменение нагрузки, связан­ное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможе­ние, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в ЭП могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения.

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

При поступательном движении движущая сила F всегда уравновешивается силой сопрот-я машины Fс и инерционной силой m dv/dt , возникающей при изменениях скорости. Если масса тела т выражена в килограммах, а скорость v — в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеря­ются в ньютонах (кг-м-с‾²).

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так: F-Fc=m dv/dt(1) Аналогично уравнение равновесия моментов, Н*м, для вращательного движения (уравнение движения привода) имеет следующий вид: M-Mc=J dw/dt(2) Уравнение (2) показывает, что развиваемый двига­телем вращающий момент М уравновешивается моментом сопротивления Мс на его валу и инерционным или дина­мическим моментом J dw/dt. В (1) и (2) принято, что масса тела т и соответственно момент инерции привода J являются постоянными, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Из анализа (2) видно:1) при М > Mc dw/dt<i>> 0, т. е. имеет место ускорение привода;2) при М < Mc dw/dt < 0, т. е. имеет место замедле­ние привода (очевидно, что замедление привода может быть и при отрицательном значении момента двигателя);3)при М = Мc dw/dt = 0; в данном случае привод работает в установившемся режиме. Вращающий момент, развиваемый двигателем при ра­боте, принимается положительным, если он направлен в сторону движения привода. Если он направлен в сторо­ну обратную движению, то он считается отрицательным. Отметим, что знак минус перед Мc указывает на тормозя­щее действие момента сопр-я, что отвечает усилию резания, потерям трения, подъему груза, сжатию пру­жины и т. п. при полож-м знаке скорости.

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

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

При учете сказанного о знаках моментов формула (2) соответствует работе двигателя в двигательном режиме при реактивном моменте сопротивления (или при потен­циальном тормозящем моменте сопротивления). В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом: ±M±Mc =J dw/dt(2.а)

Выбор знаков перед значениями моментов в (2.а) зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

5. Механическая характеристика

Механической характеристикой двигателя называется зависи­мость его скорости от развиваемого момента w(М) (для враща­тельного движения) или усилия v(F) (для поступательного движе­ния). Различают естественную и искусственную хар-ки двигателей.

Естественная характеристика двигателя соответствует основной схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Естественные механические хар-ки двигателей вращательного движения приведены на рис. 2 (РИС 3) (1...4 - соответственно синхронного, по­стоянного тока с независимым возбуждением, асинхронного и постоянного тока с последовательным возбуждением). На естественной хар-ке располагается точка номинального режима работы двигателя с координатами wном, Мном.

Если включение двигателя происходит не по основной схеме, или в его электрические цепи включены какие-либо дополнительные электротехнические элементы (резисторы, реакторы, конденсато­ры), или двигатель питается напряжением с неноминальными параметрами, то его хар-ки будут наз-ся искусственными. Таких характеристик у двигателя может быть сколь угодно много. Поскольку эти характеристики получают с целью регулиро­вания переменных двигателя - тока, момента, скорос­ти, положения, то они иногда называются регулировочными. Ис­кусственные характеристики двигателя и способы их получения подробно рассматриваются далее.

6. Абсолютная и относительная жесткость.

Это относится почти ко всем обычным ЭД, применяемым в промышленности, - т.е. к ДПТ независимого, последовательного и сме­шанного возбуждения, а также к асинхронным бесколлекторным и коллекторным двигателям переменного тока. Однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью их механических характеристик. Жесткость механической хар а к-ки ЭП - это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых элек­тродвигательным устройством, к соответствующей разности угловых скоростей ЭП, т. е. β=(М₂-М₁)/(ω₂-ω₁)=∆М/∆ω.

Обычно на рабочих участках мех-кие харак-ки дв-лей имеют отрицат-ную жесткость β<0. Линейные мех-кие харак-ки обладают постоян­ной жесткостью. В случае нелинейных характеристик их жесткость не постоянна и определяется в каждой точке как производная момента по угловой скорости β = дМ/дω. Понятие жесткости может быть применено и к мех-ким харак-кам производственных механизмов. Эти харак-ки можно оценивать жесткостью βc = дМс/дω.

7. Относительные единицы.

Использование относитель­ных единиц в теории и расчетах ЭП позволяет упростить форму записи уравнений, избавив их от постоянных коэф­фициентов, облегчить численные расчеты с уменьшением вероятности ошибок, контроли­руя порядок значений. При этом появляется возможность сопоставить результаты иссле­дования однотипных электродвигателей ЭП различной мощности, обобщить результаты исследования, вывести критери­альные зависимости для исследуемых режи­мов.

Выбор базовых значений физических ве­личин производится обычно в зависимости от условий конкретно решаемой задачи.

Базовые величины могут быть разделены на независимые и зависимые. К независимым базовым величинам относятся значения тех переменных, которыми исследователь задается произвольно. Значения зависимых базовых величин определяются физическими законами связи их с независимыми базовыми значениями,

В задачах ЭП в качестве независимых базовых статорных величин электрических машин принимаются такие их значения, которые в ном режиме обеспечили бы единичные значения этих величин: U_б =√2 U_НОМ; I_б =√2 I_НОМ — ам­плитуды номинальных фазных значений на­пряжения и тока; w_б = 2×p×f_НОМ - синхронная электрическая угловая скорость машины.

Зависимые базовые значения определяют­ся из следующих соотношений:

полная номинальная мощность машин переменного тока, потребляемая двигателем из сети, Р_б = 3U_НОМI_НОМ = 3U_бI_б / 2 ;

базовое потокосцепление ψ_б = U_б / ω_б ;

за базовое значение момента принимается номинальный электромагнитный момент дви­гателя М_б = р Р_б/ ω_б = 3рψ_б I_б /2 , где р — число пар полюсов двигателя;

базовое сопротивление Z_б = U_б / I_б ;

базовая индуктивность L_б = ψ_б / I_б = Z_б / ω_б ;

базовое время t_б = 1/ω_б - время пово­рота ротора на электрический угол 1 рад.

При таких базовых значениях относи­тельные значения момента инерции двига­телей определяются как. Базовые значения для вторичных кон­туров машин переменного тока выбираются, исходя из принципа инвариантности базовых мощностей контуров, а также равенства магнитных полей в зазоре машины, индукти­руемых базовыми токами ротора и статора в симметричном трехфазном режиме. При этом взаимные индуктивности любой пары неподвижных относительно друг друга кон­туров машины одни и те же, а при принятом выше значении базового времени будем иметь равенство индуктивностей и индуктивных сопротивлений, выраженных в относитель­ных единицах. Такая система относительных единиц для синхронных машин, например, известна под названием системы единиц Xad. За базовый ток любого роторного кон­тура принимается такой ток, при котором магнитное поле от него наводит в обмотке статора при синхронной угловой скорости ротора ЭДС I_2бXad = I₁Xad , где I₁Xad — ЭДС, наведенная в обмотке статора полем реакции якоря. Для определения базового тока обмотки возбуждения используется ли­нейная часть кривой намагничивания (рис. 3.26), из которой I_{f б} = I_f1Xad* , где If1 - ток возбуждения, соответствующий номинальной ЭДС статорного контура. Тогда, исходя из принципа инвариантности базовых мощ­ностей

определяется

U_fб = 3U_1бI_1б / 2I_fб ; Z_fб = U_fб / I_fб ;

Ψ_fб = U_fб / ω₀ ; L_fб = ψ_fб / I_fб.

Такой же принцип в задачах электро­привода положен и в основу выбора относи­тельных единиц контура возбуждения.

Здесь I_fб = Iном ; P_fб = P_б (базовая мощность машины).

8. Требования к регулируемому ЭП

Для количественной оценки и сопоставления различных способов регулирования скорости используются следующие показатели:

Диапазон регулирования скорости, определяемый отношением максимальной скорости к минимальной, т. е. D=wmax/wmin

В соответствие же с рис. 3.1 (РИС. 5) диапазон регулированиябудет определяться отношением wном/wи при заданном моменте нагрузки Мс.

Стабильность скорости,характеризуемая изменением скорости при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя и определяемая жесткостью его мех-ких хар-тик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагруз­ки, и наоборот. В рассматриваемом примере большая стабильность обеспечивается при искус-ной хар-ке3.

Плавность регулирования скорости, определяемая перепадом ско­рости при переходе с одной искус-ной хар-ки на другую. Чем больше в заданном диапа­зоне регул-ния скорости м.б. получено искусственных хар-к, тем плавнее будет проис­ходить регулирование скорости.

Направление регулирования скорос­ти.(Зонность) В зависимости от способа воздей­ствия на двигатель и вида получаемых искусственных характеристик его ско­рость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике при данном моменте нагрузки. В первом случае говорят о регулировании скорости вверх от основной характеристики, во втором - вниз. Допустимая нагрузка двигателя. Электрический двигатель рассчитывается и проектируется таким образом, чтобы работая на естественной характеристике с номинальными скоростью, током, моментом и мощностью, он не нагревался выше определенной температуры, на которую рассчитана его изоляция. В этом случае срок его службы является нормативным и составляет обычно 15…20 лет. Поскольку потери энергии при нагреве двигателя пропорциональны квадрату тока, нормативный нагрев будет иметь место при протекание номинального тока в нем. При этом нагрев определяется также и условиями охлаждениядвигателя.

При регулировании скорости двигатель работает уже на искусственных хар-ках, т. е. При отличных от паспортных условиях. Поэтому для сохранения его нормативного нагрева и тем самым расчетногосрока службы нагрузка двигателя м.б. только такой, при которой в нем протекает ток не выше номинального. Именно такая нагрузка и называется допустимой.

Все способы регулирования скорости делятся по этому признаку на две группы, для одной из которых характерна допустимая нагрузка, равная номинальному моменту, а для другой - равная номинальной мощности двигателя. При правильном выборе способа регулирования скорости двигатель полностью используется в соответствии со своими возможностями во всем диапазоне ее изме­нения.

Экономичность регулирования скорости. Получение одних и тех же показателей мож­но обеспечить с помощью различных ЭП и способов регулирования их скорости. Для выбора наиболее рационального вида регу­лируемого ЭП используются различные технико-экон-кие показатели - капитальные затраты на его реализацию, эксплуата­ционные расходы, срок окупаемости, надежность, удобство и про­стота в эксплуатации, серийность и унификация средств управления и др. Оценка или сопоставление экономических показателей проводится при выборе возможных способов регулирования ско­рости данного ЭП. В результате анализа всех возможных вариантов выявляется экономически обоснованное решение.

Обычно сопоставление вариантов регулируемого ЭП производится по капитальным затратам и эксплуатационным расходам с учетом срока окупаемости. Если капитальные затраты на реализацию ЭП окупаются за счет сокращения расходов при его эксплуатации за заданный срок, то такое техническое решение считается экономически обоснованным. С этой же целью могут использоваться и другие технико-экономические показатели.

Качество регулирования. В понятие «качество « входит некоторая определенным образом организованная и согласованная с пользователем совокупность показателей, дополненная такими общетехническими показателями, как надежность, ремонтопригодность, помехозащищенность, взаимодействие с сетью и т.п.

Устойчивость или стабильность скорости при изменении нагрузки определяется жесткостью мех-кой регулировочной хар-ки. При колебаниях нагрузки будет иметь место статическое падение скорости , значение которой тем выше, чем меньше жесткость хар-ки.

9. Ре­гулирование при постоянстве момента и мощности.

Допустимая нагрузка двигателя при регулировании скорости в длительном режиме зависит от способа регулирования и определяется допустимым по условиям нагрева моментом. В этом отношении у ЭП возможны две регулировочные характеристики: регулирование при постоянном моменте М=const и регулирование при постоянной мощности Р=const (РИС. 6). Поясним смысл, заключающийся в этих определениях, на примере двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Примем, что двигатель имеет принудительную вентиляцию и его охлаждение не зависит от скорости. Тогда, по условиям допустимого нагрева, двигатель может длительно работать с током нагрузки, равным номинальному, при любой скорости. Если регулирование скорости происходит при постоянном магнитном потоке, равном номинальному, то двигатель может работать с постоянным моментом, равным номинальному . Мощность на валу двигателя при этом будет изменяться пропорционально скорости .