Место электропривода в современных технологиях электронной промышленности. Механика электропривода, страница 4. Место электропривода в современной технологии


Место электропривода в современных технологиях электронной промышленности. Механика электропривода

Лекция №1.

1.1  Введение. Предмет курса ЭП.

Курс называется ОПЭиЭ. 2/3 будет посвящено ЭП. Под ЭП отведено 8 лекций в конце семестра. Для получения навыков проектирования вам придется выполнить КП, где разрабатывается система управления ЭП. Теория ЭП – это глубокая и содержательная наука.

Литература.

1.  Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. – М. 1985.

2.  Чиликин М.Г. Ключев В.И. Теория автоматического электропривода. – М. : Энергия, 1979.

3.  Зимин Е.Н. Яковлев В.Н. Автоматическое управление электроприводами: Учебное пособие для стедентов вузов. – М. : Высш. шк., 1979 - 318ст.

4.  Баранин А.В., Новиков В.А. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. – Л. 1982 – 392ст.

Дополнительная:

1.  Теория САР, под редакцией , – М. : Наука, 1975.

2.  ТАУ под редакцией часть 1, - М. : В.Ш., 1986.

3.  Яшугин Е.А. теория линейных непрерывных САУ в вопросах и ответах. – М. : В.Ш., 1986 – 224ст.

Для КП:

1.  Батарин А.В., Голубев Ф.Н. Примеры расчетов автоматизированного ЭП. – Л. : 1971.

2.  Васильев Д.В., чуни В.Г. Системы автоматического управления (примеры расчета). – М. : В.Ш., 1967.

3.  Анхимюк В.А., Онейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учебное пособие для студентов вузов: - Мн. : В.Ш., 1986 – 143ст.

Наша цель – научиться управлять ЭП, т.е. проектировать УУ. Для чего надо изучить свойства ЭП, как ОУ, несколько разделов ТАУ, ряд технических вопросов из области электроники. В рамках курса мы рассмотрим механизм ЭП, свойства ЭП, как объекта управления ОУ, методы регулирования координат ЭП и ряд теоретических вопросов. Также необходимо выполнить 4 лабораторные работы.

1.2  Место электропривода в современных технологиях электронной промышленности. Определение электропривода.

В машине можно выделить три части:

1. Двигатель. 2. Передаточных механизм (ПМ). 3. Исполнительных механизм (ИМ).

Дв. и Им в совокупности называются приводом. Есть две разновидности приводов: силовой и маломощный привод в сложных технологических механизмах (координатные столы в установках лазерного резания материалов и станки с ЧПУ, ПР). Во всех случаях в системе помимо двигателя с ИМ присутствует еще и электронное УУ (устройство управления). Такой  электропривод называется автоматизированным.

Функциональная схема автоматического ЭП.

                                                                t1                           ОУ                  t2       

g(t)   x(t)                                                u(t)                                                                                y(t)

                Р                      СП                     ЭД                 ПМ                     ИМ     

u                                                                                                                                                M

i                                                                                                                                                  w

f                                       ИУ                                                                               

ОС – делается в отдельных случаях

Определение – ЭП – это электромеханическая система, преобразующая электродвигателя (ЭД), передаточного механизма (ПМ), регулятора (Р), силового преобразователя (СП) и измерительного устройства (ИУ).

- задающее воздействие.

 - регулируемая (выходная величина).

 - измеренное значение выходной величины.

 - рассогласование или ошибка.

 - управляющее воздействие.

 - возмущающее воздействие, для ЭП – это обычно Мс – момент нагрузки на валу (статический момент).

ЭД+ПМ+ИМ=ОУ, Р+СП+ИУ=УУ, ОУ+УУ=ФСУ ЭП – САРЭП.

Основная задача АСУ ЭП  - обеспечение с необходимой точность условия  y(t)=g(t), т.е. x(t)=0 во все моменты времени, как в установившихся (статических), так и в переходных (динамических) режимах.

Функции y(t) и g(t) будут неодинаковы по ряду причин.

1)  В реальных АСУ ЭП всегда есть возмущающее воздействие отклоняющее регулируемую величину от требуемого ее значения. Возмущением обычно является статический момент нагрузки на валу ЭД – Мс.

2)  Кроме того, многие элементы АСУ ЭП обладают инерционностью.

Виды электропривода: 1. Групповой. 2. Индивидуальный.

Групповым ЭП называется ЭП, при котором от одного ЭД-ля приводится в движение несколько исполнительных механизмов ИМ. Главной особенностью группового ЭП является невозможность управления технологическим процессом с помощью СУиЭП-ом. Поэтому групповой заменяется индивидуальным. Это означает качественный скачок, т. к. при этом кроме функции преобразования энергии на ЭП возлагается важная задача управления техническим процессом приводимого в движение механизма. Индивидуальным ЭП называется ЭП, при котором каждый ИМ приводится в движение отдельным ЭД или несколькими ЭД.

АСУ ЭП классифицируют по выполняемой задаче на 4 категории. 1) системы стабилизации управляемой координаты (чаще всего скорости w), 2) следящие системы – отслеживают заранее неизвестный g(t) – чаще всего это положение ИМ: - системы наведения на цель, 3) программные АСУ ЭП – управляют положение ИМ, которое должно выравниваться по заданной программе (станки с УПУ, роботы). 4) системы оптимального управления ЭП – y(t)- варьируется, т.о. чтобы минимизировать некоторый критерий оптимальности (потери, время перемещения и т.д.)

vunivere.ru

Лекции Электропривод ГМиММ - 1. Роль электропривода в современных машинных технологиях

Практический диапазон регулирования скорости в каскадных схемах обычно не превышает двух. Вызвано это тем обстоятельством, что по мере роста диапазона регулирования скорости и тем самым скольжения АД требуется увеличивать уста­новленную мощность всех устройств в его роторной цепи. Так, при диапазоне регулирования. равным двум установленная мощность машинно-вентильного электрического каскада составляет 250% номиналь­ной мощности АД, из них основной АД —100%, выпрямитель, вспомогательная машина и синхронный генератор —по 50%.

Плавность регулирования скорости АД в каскадных схемах высокая и определяется плавностью изменения ЭДС вспомогательной машины или ПЧ. Регулирование скорости производится вниз от естественной характеристики, а некоторые специальные каскадные схемы обеспечивают и двухзонное регулирование скорости.

Несмотря на значительные капитальные затраты при реализации данного способа регулирования скорости, применение каскадных схем за счет полез­ного использования энергии скольжения оказываются экономически целесообразным для мощных асинхрон­ных ЭП с небольшим (не более 2—3) диапазоном регулирования скорости. К ним относятся ЭП мощ­ных вентиляторов, центробежных насосов, компрессо­ров, воздуходувок, испытательных установок.

4.4 Асинхронный электропривод с частотным регулировани­ем скорости

Возможность частотного регулирования скорости асинхрон­ного двигателя-регулирование путем изменения частоты пи­тающего напряжения – вытекает из того обстоятельства, что ско­рость вращения электромагнитного поля статора пропорциональ­на частоте питающего напряжения

(6.2)

Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф1

(6.3)

то в большинстве случаев одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо регулировать и его амплитуду. Необходимость регулирования напряжения при уменьшении частоты вниз от номинальной связана с тем, что из-за уменьшения индиви­дуального сопротивления обмоток двигателя ток намагничивания будет возрастать, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его перегреву. Регулирование напряжения следует производить та­ким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

Рис.6.2. Схема вклю­чения асинхронного двигателя с питанием

от преобразователя частоты

Для реализации способа частотного регулирования асин­хронный короткозамкнутый двигатель включается в питающую сеть с параметрами Ucи fc через преобразователь частоты UF (см.рис.6.2). В качестве преобразователей частоты в настоящее время используются, в основном, полупроводниковые преобразо­ватели частоты.

Существующие вентильные регулирование скорости изменением частоты реализуется с помощью полупроводниковых преобра­зователей частоты которые мож­но разделить на две группы:

1 – преобразова­тели с непосредствен­ной связью питающей сети и нагрузки, сокращенно НПЧ;

2 – преобразова­тели частоты с промежуточным зве­ном постоянного тока.

Преобразователь частоты с непосред­ственной связью включается в статорную цепь асинхронного двигателя и служит для преобразования напряжения стандартной частоты в регулируемое в определенных пределах напряжение по величине и частоте.

Преобразователи частоты с непосредственной связью обычно представляют собой три согласованно работающих реверсивных тиристорных преобразователя постоянного тока. Блок схема не­посредственного преобразователя частоты представлена на рис.6.7.

Рис.6.7. Блок-схема преобразователя час­тоты с непосредственной связью

Каждая фаза асинхронного двигателя питается от своего ре­версивного преобразователя.

Преобразователи частоты с не­посредственной связью по схеме рис.6.7 дают воз­можность при час­тоте питания 50Гц получать выход­ную частоту в пределах 0-20Гц. По­этому асинхронные электроприводы данного типа чаще всего применяются для тихоходных безредукторных электроприводов средней и большой мощности.

Основным дос­тоинством преобразователей частоты с непосредственной связью является естест­венная коммутация вентилей под действием напряжения питаю­щей сети, как это происходит в управляемых тиристорных преобразователях (выпрямителях), используемых в приводе посто­янного тока. Благодаря возможности перевода преобразователя из выпрямительного в инверторный режим, в рассматриваемых схемах возможно торможение асинхронного двигателя с отдачей энергии торможения в сеть (рекуперативное торможение). Меха­нические характеристики асинхронного электропривода с преоб­разователем частоты с непосредственной связью показаны на рис.6.9.

Рис.6.9. Механические характеристики электропривода НПЧ-АД

2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

В этой системе используются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Блок схема такого пре­образователя представлена на рис.6.10.

Рис.6.10. Блок-схема электропривода с преобразо­вателем частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока

Перемен­ное напряже­ние промыш­ленной сети сначала выпрямляется посредством регулируемого или нерегулируемого выпрямителя UD, а затем подается на автономный инвертор, преобразующий постоянное напряжение (или ток) в напряжение (или ток) регулируемой частоты и величины.

Регулирование величины напряжения (или тока) промежуточного звена постоянного тока может производиться управляемым выпрямителем UD , либо (в инверторах напряжения) в качестве первого звена используется неуправляемый выпрямитель, а регулирование напряжения осуществляется инвертором методом широтно-импульсной модуляции. В первом случае функции управления четко разделены: выпрямитель управляет величиной тока или напряжения, а инвертор - значением выходной частоты преобразователя. Во втором случае обе этих функции возлагаются на инвертор.

Важным узлом преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является фильтр F. Этот фильтр выполняет две функции: сглаживает пульсации выпрямленного напряжения (или тока) и служит устройством для накопления и отдачи энергии, что необходимо для обеспечения циркуляции реактивной мощности между обмотками асинхронного двигателя и фильтром. По­скольку на входе преобразователя установлен полупроводниковый выпрямитель, то циркуляция реактивной мощности между асинхронным двигателем и сетью невозможна.

Преобразователи частоты по типу автономного инвертора, используемые в электроприводах, позволяют получать выходную частоту от долей герца до нескольких сотен Гц. Верхний предел ограничивается возможной частотой коммутации вентилей инвертора, нижний - качеством выходного напряжения или тока; при несинусоидальной форме тока в обмотках двигателя при ма­лых частотах нарушается равномерность вращения ротора.

При частотном регулировании величина относительного скольжения sjзависит как от разности скоростей вращающегося электромагнитного поля и ротора – абсолютного скольжения sабс = ω0 – ω, так и от относительного значения f 1 частоты пи­тающего напряжения

С учетом (6.2)

(6.6)

Рис.6.3. Схема замещения асин­хронного двигателя

Для анализа электроме­ханических характеристик двигателя при частотном ре­гулировании рассмотрим Т-­образную схему замещения двигателя (рис.6.3). В отли­чие от ранее приведенной схемы замещения в данном случае приходится учитывать, что реактивные сопротивления двигателя зависят от частоты питающего напряжения и изменя­ются с изменением частоты.

(6.13)

где

Механиче­ские характери­стики, соответ­ствующие час­тотному регули­рованию при выполнении со­отношения (6.13) и r1 = 0, показаны на рис.6.4 (сплош­ными линиями). В первом при­ближении пропорциональное регулирование напряжения в соответствии с соотношением (6.13) обеспечивает работу двигателя с постоянным потоком.

Рис.6.4. Механические характеристики асин­хронного двигателя при ЭЭ

частотном регулиро­вании при U1*/f1*=const

В действительности при малых значениях частоты (f1* r1 существенно снижает величину напряжения, прикладываемого к контуру намагничива­ния (напряжение Uаб на рис.6.5).

Uаб = U1 – I1r1

Падение напряжения на индуктивном сопротивлении х1 уменьшается с уменьшением частоты и поэтому не оказывает та­кого влияния на напряжение Uаб, как падение напряжения на ак­тивном сопротивлении r1 которое не зависит от частоты.

Рис.6.5. Зависимость величины напряжения питания от частоты

1 – U1* = f1* , 2 – U1= U1нf1* + I1r1(1 – f1*).

При более точном расчете с учетом падения напряжения на сопротивлении r1 меха­нические характеристики име­ют вид, показанный на рис.6.4 пунктиром. При малых значе­ниях частоты, когда относи­тельное значение падения напряжения на сопротивлении r1 становится значимым, поток двигателя уменьшается и соответственно уменьшается максимальный момент Мк, что следует также из формулы (6,11).

Поэтому для того чтобы регулировать скорость двига­теля, сохраняя максимальный момент двигателя постоянным, нужно величину напряжении уменьшать в меньшей степени, чем уменьшается частота, при­мерно в соотношении:

U1 = U1нf1* + I1r1 (1 – f1*) (6.14)

Такой способ регулирования напряжения называют «про­порциональное регулирование с I · r компенсацией». Зависимость U1* =f(f1*) показана на рис.6.5. При регулировании напряжения в соответствии с соотношением (6.14) механические характери­стики будут иметь вид, показанный на рис.6.4 сплошными ли­ниями.

    1. Тормозные режимы асинхронных двигателей
Полная механическая характеристика асинхронного двига­теля во всех квадрантах по­ля Мs, пред­ставлена на рис.3.14.

Асин­хронный двига­тель может ра­ботать в трех тормозных ре­жимах: рекупе­ративного тор­можения, дина­мического тор­можения и тор­можения противовключением; специфи­ческим тормоз­ным режимом является также конденсатор­ное торможе­ние.

Рис.3.14. Полная механическая характеристика асинхронного двигателя

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения ω> ω0; s

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную ско­рость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний совпадающий со знаком скоро­сти вращающий момент. Это может быть, например, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в ре­жиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса (3.27), Максимальный момент в режиме рекуперативного тормо­жения несколько выше, чем максимальный момент в двигатель­ном режиме. Для рекуперативного режима

Несколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении r1) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в гене­раторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть поте­ри в статоре.

Рис.3.15. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя в режиме реку­перативного торможения

Энергетический баланс в режиме ре­куперативного генераторного торможения определяется следующим (рис.3.15). Ме­ханическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразу­ется в электромагнитную мощность вращающегося поля Рэм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.35) получим

Рмех = Рэм – Рs= Мω0 – М ω0s

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в ста­торе, отдается в питающую сеть, а мощность скольжения рассеи­вается в роторной цепи. Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отклю­чении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактив­ной мощности (см. рис.3.19).

Рис.3.16. Схемы подключения асинхронного двигателя в режиме дина­мического торможения

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и подключаются к источнику постоянного напряжения (см. рис.3.16). При питании обмоток статора постоянным током соз­дается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора ω0дт = 0. Скольжение будет равно

sдт = – ω/ ω0н

где ω0н – номинальная угловая скорость вращения поля ста­тора.

Вид механических характеристик (см. рис.3.17) подобен ха­рактеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя величину тока возбуждения Iдт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной мо­мент развивает двига­тель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах Iдт >I1н на­чинает сказываться насыщение магнитной це­пи двигателя.

Рис.3.17. Механические характеристи­ки асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента мо­жет производиться так­же введением дополни­тельного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочно­го сопротивления анало­гичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улуч­шению cosφ2 повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно рассматривать как работу трехфазного асин­хронного двигателя при питании его постоянным током, т.е. то­ком при частоте f1|=0. Второе отличие заключается в том, что об­мотки статора питаются не от источника напряжения, а от источ­ника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамическо­го торможения ток протекает (при соединении обмоток в звез­ду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Энергетически в режиме динамического торможения асин­хронный двигатель работает как синхронный генератор, нагру­женный на сопротивление роторной цепи двигателя. Вся механи­ческая мощность, поступающая на вал двигателя, при торможении преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивле­ний роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического торможения может осуществляться не только подачей постоянного тока в обмотки статора машины, но также в режиме самовозбуждения путем подключения конденсаторов к цепям статора асинхронной машины, как это показано на рис. 3.19. Такой способ торможения называют конденсаторным торможением асинхронных двигателей. По энергетической сущности этот вид торможения идентичен динамическому торможению, т.к. энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую и выделяется в виде потерь в роторе двигателя.

Рис.3.19. Схема включения асинхронного двигателя в ре­жиме динамического торможе­ния с самовозбуждением от конденсаторов

Процесс самовозбуждения асинхронного двигателя проис­ходит следующим образом. Под действием остаточного потока ротора в обмотках статора наводится э.д.с,, под действием кото­рой возникает намагничивающий ток, протекающий через кон­денсаторы. При этом увеличивается поток машины, следователь­но, наводимая э.д.с. и ток намагничивания. Верхняя и нижняя границы режима самовозбуждения и величина тормозного мо­мента зависят от величины емкости конденсаторов. Данный спо­соб торможения применяется для приводов малой мощности (до 5кВт), т.к. требует установки конденсаторов значительного объе­ма.

topuch.ru

Место электропривода в современных технологиях электронной промышленности. Механика электропривода, страница 4

w1                    w2                                     w3

   J1=J2       

      

Трехмерная расчетная схема применяется редко, лишь для детальных исследований. На практике часто с12 стремится к бесконечности, либо с23 к бесконечности, т.е. упругостью одного из валов можно пренебречь. Получается двухмассовая схема. Например, при с23 к бесконечности.

                            с12  

 

J1                                            J2

Используется чаще всего.

w1               w2

Здесь J1= Jэ.

В некоторых случаях пренебрегают упругостью с12 и считают валы абсолютно жесткими. Получают простейшею одномассовую расчетную схему.

 

                    

w1

Т. о. совершенно разнотипные механизмы ЭП-да могут быть сведены к одной из трех расчетных схем, по которой осуществляется анализ движения привода.

2.6 Моменты, действующие в ЭП.

Будем выделять три вида моментов на валу:

- электрический момент М двигателя, формируется ЭМП;

- статический момент Мс, создаваемый ИМ;

- динамический момент Мд;

1) Мд=М-Мс

2) -тоже называется динамическим моментом.

                       w                                        М-Мс=0

w0

                                                                                                          МЧЭП

  

               +w

               +M

               +Мд

               +Мс                                                                         Мс                         М=Мс

 

МХ нагрузки

Подробнее о знаках моментов. Перед расчетом ЭП надо выбрать (+) направления вращения (скорости) ЭД. Тогда М и Мд (+), если они способствуют вращению в (+) направлении, т.е. являются движущими.

Статический момент Мс, наоборот, считают (+), если он препятствует движению вала в выбранном (+) направлении, т.е. является тормозящим.

2.7 Классификация статических моментов.

Мс по характеру действия делятся на активные и реактивные.

Мс – активными – называются моменты, создаваемые внешними по отношению к ЭД источника w независимо от направления движения (силы тяжести, упругости, ветра).

  w

R                             +w

                       Мс       М

 

Mc=GR=mgR

m,G

Активный момент м.б. как двигательным, так и тормозным.

Мс - реактивным – называют момент возникающий как следствие движения ЭД и всегда является тормозным. При изменении движения он изменяет знак. Это, например, все виды трения.

w                                                Mc=|Mc|signw

                                                                    Вязкое трение - Mc=kw

Вентиляторное трение - Mc=kw2

M

     -Mc                         +Mc

По характеру влияния на механические колебания моменты и силы делятся на консервативные и диссипативные.

Консервативные - не поглощают W колебаний. Это силы, не зависящие от скорости (тяжести).

Активные - моменты являются консервативными, т.к. не зависят от скорости.

Диссипативные – поглощают W колебаний, зависят от скорости (трения).

Примечание: В технической литературе часто применяют термин “динамический момент” не для момента, вызывающего разгон или торможение Мд=М-Мс, а для равного ему по величине и обратного по направлению (и знаку) момента инерционных масс , противодействующую изменению скорости привода. .

vunivere.ru

Место электропривода в современных технологиях электронной промышленности. Механика электропривода, страница 3

Механические характеристики используемого механизма имеет вид:

Прямой

ИМ: звено робота, башенное орудие танка, ведущий вал монитора.

Нас интересуют две общих особенности:

1) Способность создавать статический момент нагрузки Мс.

2) Обладание моментом инерции JМ.

За простенькой схемой из 3-х блоков могут скрываться самые разнообразные устройства.

                                                                                              

JM  

 

MMc

ПМ: система блоков у подъемного крана, система роликов и пассиков в магнетроне, редуктор в звене робота и т.д.

Нас интересует как ПМ передает на грузку Мс и JM на вал ЭД. Это дает возможность рассматривать ПМ упрощенно.

2.2 Упругие связи. Коэффициент жесткости.

1) Ротор соединяется с редуктором упругим валом.

           С            ПМ

                                                         РД

М                                                                   Му

 - закон Гука. Му – нагрузка упругой механической связи (момент),  - коэффициент жесткости.

2) Для поступательного движения – упругий трос.

                                                       

                                                                                   S

c’

Fy

P

 - нагрузка связи (сила).  - деформация упругого эл-та при поступательном движении.

2.4 Приведение механических звеньев к валу двигателя.

Различные механические звенья движутся с разными скоростями, причем одни – поступательно, а другие – вращательно. Это затрудняет расчеты. Чтобы можно было сопоставлять моменты инерции и массы различных звеньев, а также жесткости различных упругих связей их движения приводят во I-х) к вращательному, во II-х) к одинаковой угловой скорости w1 вала двигателя.

1) Приведение вращающихся масс и упругих валов к валу ротора осуществляется из условий неизменности кинетической и потенциальной энергий до и после приведения по формулам:

J                           c

 

 Jд                                            Jм

           

       

       

При приведении вращающихся масс моменты инерции и жесткости делятся на J2 (коэффициент редукции 2).

2) При приведении вращающихся масс, движущихся поступательно, а также упругих тросов к вращающимся со скоростью w1 массам и упругим валам получаются формулами

 

                                                              C(пр)

w

=>       Jд                                             J(пр)

 

c                  

m

Коэффициент жесткости и масса умножаются на , - радиус приведения.

2.5 Расчетные схемы механической части ЭП.

Приведение к одной скорости вращения позволяет представить мех. Часть ЭП в виде одной из трех расчетных схем: трехмассовой, двух- и одномассовой.

ПРИМЕР: механическая система с двумя упругими валами приводится к трехмассовой расчетной схеме.

                                                                                                                          ИМ

                  с1          ПМ            JПМ1          JПМ2                   c2        w2   

РД                                                                                                                     Jм кинематическая схема

                 с12                                              с23

 

J1                                          J2                                         J3

vunivere.ru

Основные понятия и определения в электроприводе. Механическая часть силового канала электропривода. Физические процессы в электроприводе с машинами постоянного тока, страница 3

которой элемент используется.

Электропривод – электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих электрических, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними сопредельными электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса /3/.

Электропривод и современная технология

Место электропривода в современной технологии определяется тем, что практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже – пневмопривод.

Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии: возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии. Образно говоря, если вычислительная техника – мозг современной технологии, то электропривод – ее мышцы.

Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции – десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает . Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где вытягиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; а частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150 000 об/мин.

Но особенно широк, безгранично широк диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы... Именно эта особенность – теснейшее взаимодействие с технологической сферой – оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементной базы, его методологии. И электропривод, развиваясь, положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые возможности, а значит, открывает и новые горизонты.

Электропривод и современная энергетика

С энергетической точки зрения электропривод – главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60 % всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе.

Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например одну тонну условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть, что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится все труднее, а запасы его все убывают.

Итак, налицо две ясно выявившиеся в ходе научно-технической революции проблемы развития электропривода: первая – необходимость расширения функциональных возможностей в разнообразнейших технологических применениях, и вторая – острое требование экономно расходовать энергию, другие ресурсы. Эти две проблемы будут все время в центре нашего внимания.

1.2. Общие требования к электроприводу

Познакомившись в самом общем виде с понятием «электропривод», сформулируем общие требования к нему как к системе, ответственной за управляемое электромеханическое преобразование энергии, т.е. определим главные показатели, которые характеризуют электропривод /5, 10/.

Прежде всего, назовем надежность. Как и любой технический объект, электропривод обязан выполнять заданные функции

vunivere.ru

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Самостоятельная работа № 5.

Тема: Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).

Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=constнапряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

 

Контрольные вопросы:

1. Опишите основные преимущества асинхронных двигателей по сравнению с двигателями постоянного тока.

2. На чем основан принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя ?

3. Что обеспечивает применение регулируемого электропривода ?

4. Что необходимо выполнить для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя при частотном методе регулирования скорости асинхронного двигателя ?

 

stydopedia.ru

Современные проблемы разработки электропривода | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Мачулин П. С. Современные проблемы разработки электропривода // Молодой ученый. — 2016. — №10. — С. 273-275. — URL https://moluch.ru/archive/114/30193/ (дата обращения: 05.07.2018).



Принцип конструирования механических систем наделением их на стадии конструирования свойством адаптации к первичным и силовым ошибкам, к передаваемому силовому потоку необходимо закладывать ещё на этапе разработки системы управления любого изделия.

Свойство адаптации присуще биосистемам и это свойство есть средство выживания и эволюции биологических систем, оно состоит в приспособлении к изменяющимся внешним условиям. Биосистемы снабжены рецепторами, открыты, обладают множеством степеней свободы и связей, способны к саморазвитию. В проектировании систем управления необходимо придерживаться принципов биологических систем, совершенствуя и сводя их к форме формул и математики.

Современный электропривод представляет собой сложный симбиоз электродвигателя, силового преобразователя тока и системы управления. Характеристики двигателя изменяются в зависимости от условий окружающей среды — меняется сопротивление обмоток статора, электромеханическая характеристика двигателя, в следствие чего меняются и выходные параметры привода. Для построения корректного алгоритма управления необходимо учесть множество факторов таких как: температура окружающей среды, температура обмоток статора, изменение активного сопротивления обмоток статора, температурный дрейф операционных усилителей в цепи измерения тока, скорость ротора двигателя. Чтобы учитывать внешние факторы, необходимо усложнение аппаратной части, что влечёт за собой увеличение габаритов и массы, усложнение прибора в целом, и как следствие уменьшение его надёжности. Следовательно, нужно стремится к максимально стабильной характеристики двигателя во всём рабочем диапазоне температур, но сводить к минимуму учитываемые параметры.

Стабильная моментная характеристика двигателя во всех условиях работы, позволит уменьшить запас прочности в исполнительной конструкции, уменьшить массу. А использование при этом минимального числа учитываемых параметров обеспечит улучшение габаритно-массовых показателей блока управления двигателем и увеличение надёжности. Так же не мало важна устойчивость привода к переменному моменту нагрузки. Для учета всех критериев ещё на этапе разработки, выполняется расчет системы управления. А так же математическое моделирование для анализа полученных данных во всех режимах и условиях работы. Расчёт системы управления и математическое моделирование работы двигателя на начальном этапе разработки привода позволяет надёжно подобрать характеристики двигателя и силового преобразователя под определённую задачу. Что в свою очередь исключает затраты на изготовление излишних макетных образцов и их испытания. Так же сокращается время разработки и изготовления поставочного образца изделия. А время дороже всего…

Правильный расчёт системы управления позволяет на этапе разработки двигателя убедиться в актуальности выполняемых работ и при необходимости внести изменения в проектируемое изделие или его систему управления. А так же отработать все необходимые варианты работы изделия, и разработать алгоритмы адаптации к так или иначе меняющимся внешним факторам.

Области применения бесколлекторных электродвигателей постоянного тока (БКЭПТ) непрерывно увеличиваются. Причинами для этого являются превосходное соотношение массогабаритных характеристик и мощности БКЭПТ, их превосходные характеристики разгона минимум затрат на техническое обслуживание и генерация малых акустических и электрических шумов относительно универсальных (коллекторных) электродвигателей постоянного тока.

Так как бесколлекторные моторы питаются переменным током, для работы им необходим специальный контроллер (регулятор), преобразующий постоянный ток от батарей в переменный. Регуляторы для бесколлекторных двигателей представляют собой программируемое устройство, позволяющее контролировать все жизненно важные параметры двигателя. Они позволяют не только менять обороты и направление работы мотора, но и обеспечивать в зависимости от необходимости плавный или резкий старт, ограничение по максимальному току, функцию «тормоза» и ряд других тонких настроек двигателя.

Производителей бесколлекторных моторов и регуляторов к ним очень много. Конструктивно и по размерам бесколлекторные двигатели тоже сильно различаются. Более того, самостоятельное изготовление бесколлекторных двигателей на основе деталей от CD-приводов и других промышленных бесколлекторных моторов стало весьма распространенным явлением в последнее время. Возможно, именно по этой причине у бесколлекторных двигателей сегодня нет даже такой приблизительной общей классификации как у коллекторных собратьев. На сегодняшний день, коллекторные двигатели в основном используют на недорогих моделях, или моделях начального уровня. Эти двигатели не дороги, просты в эксплуатации, и по-прежнему составляют самый массовый вид электромоторов. Им на смену идут бесколлекторные моторы. Единственным сдерживающим фактором пока остается их цена. Вместе с регулятором бесколлекторный мотор стоит на 30–70 % дороже. Однако, цены на электронику и моторы падают, и постепенное вытеснение коллекторных электромоторов — лишь вопрос времени.

Основные проблемы при разработке электроприводов заключаются в следующем:

‒ Характеристики двигателя изменяются в зависимости от условий окружающей среды. Меняется сопротивление обмоток статора, электромеханическая характеристика двигателя, в следствие чего меняются и выходные параметры агрегата.

‒ Для высоконадежных агрегатов, имеющих в составе бесколлекторные двигатели постоянного тока, необходимо резервирование системы управления. Бесколлекторный двигатель требует более сложную структуру управления. Поэтому повышается число электронных элементов, входящих в изделие, в следствие чего уменьшается надёжность агрегата в целом.

‒ При работе двигателя на больших скоростях имеется достаточно большой скачок создаваемого момента при изменении его знака на противоположный. Что вызывает не линейность характеристики управления, в следствии чего потерю точности стабилизации частоты вращения ротора, и развиваемого момента.

В заключение отмечу, что, несмотря на серьезную аппаратную поддержку методов векторной ШИМ, появившуюся в новейших микроконтроллерах, работы у программистов не уменьшилось. Они по-прежнему должны обеспечить в реальном времени: расчет номера базового сектора и внутрисекторного угла; определение составляющих базовых векторов и перепрограммирование ШИМ-генератора; коррекцию влияния «мертвого» времени и потерь напряжения на силовых ключах; коррекцию изменения напряжения на звене постоянного тока. Перечисленные задачи являются решаемыми, что дает уверенность в возможности быстрой разработки нового поколения перспективных цифровых систем управления приводами.

Литература:
  1. Справочник. Системы управления с цифровыми регуляторами. В. И. Гостев, Киев, «Техника», 1990 г.
  2. Теория систем автоматического регулирования. В. А. Бесекерский, Е. П. Попов, Издательство «Наука», Москва, 1975 г.
  3. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. В. Ф. Козаченко.

Основные термины (генерируются автоматически): Характеристика двигателя, окружающая среда, двигатель, следствие, мотор, условие работы, сопротивление обмоток статора, система управления, свойство адаптации, электромеханическая характеристика двигателя, ток.

moluch.ru


Смотрите также