1.3. Силы и моменты, действующие в системе электропривода. Виды моментов в электроприводе


1.3. Силы и моменты, действующие в системе электропривода

Статические моменты

Определение «статический момент»

В состав каждого электропривода входит рабочая машина, например, насос, грузо-

вая лебедка, рулевая машина и т.п.

Каждая такая машина имеет рабочий орган, предназначенный для выполнения полезной работы. К рабочим органам относят: у насоса - крыльчатку , у грузовой лебедки - крюк для подвески груза ( гак ), у рулевого устройства - перо руля и т.п.

Таким образом, к валу электродвигателя электропривода приложены два момента:

1.электромагнитный момент самого двигателя и

2. момент, создаваемый рабочей машиной и передачей ( если она есть ). Последний называется статическим моментом.

Важно подчеркнуть, что статический момент имеет чисто механический характер.

Направление действия статических моментов

В зависимости от выполняемой электроприводом операции каждый из них может быть как движущим, так и тормозным.

Движущими или положительными называют моменты, направленные в сторону движения и вызывающие или способствующие ему.

Тормозные или отрицательные моменты направлены навстречу движению и пре-

пятствуют ему.

1.4. Виды статических моментов

Различают два вида статических моментов:

1. активные ( потенциальные ) и

2.реактив-ные.

Активным называют момент, который вне зависимости от направления движения всегда действует в одну сторону. Такой момент создают, например, масса поднятого груза, силы упругости предварительного сжатых, растянутых или скрученных упругих тел и др.

В системе координат ω ( М ) связь угловой скорости ω и статического момента М

показана при помощи вертикальной линии, проходящей через 1-й и 4-й квадранты

( рис. 8.2, а ).

Рис. 8.2. Активный ( а ) и реактивный ( б ) статический моменты

Действительно, если считать, что активный момент создан подвешенным грузом,

то статический момент М=G*R=const(G– вес груза,R– радиус барабана лебедки ).

Он имеет одно и то же значениепри любой скорости, в том числе при скорости, равной нулю.

Кроме того, направление этого момента не зависитот направления перемещения груза ( вверх или вниз ), что объясняется тем, что действие силы тяжести груза также не зависит от того, поднимают или опускают груз. Как известно, сила тяжести всегда направлена к центру Земли.

Реактивным называют момент, возникающий как реакция среды на движение электромеханической системы.

Поэтому он действует только во время движения и всегда навстречу ему. Поэтому при изменении направления движения реактивный момент изме-няет направление действия и во всех случаях будет тормозным ( отрицательным ).

Такой момент создают силы трения, например, трение крыльчатки вентилятора о воздух, трение шестерней в редукторе и т.п.

В системе координат ω ( М ) связь угловой скорости ω и статического момента М

показана при помощи вертикальных линий, проходящих через 1-й и 3-й квадранты ( рис. 8.2, б ).

В общем случае статический момент представляет собой алгебраическую сумму

моментов во всех частях рабочей машины. Если в электроприводе вентилятора статиче-

ский момент создается только в результате трения крыльчатки о воздух и имеет реактив-

ный характер, то в электроприводе лебедки действую одновременно два момента – актив-

ный, созданный подвешенным грузом, и реактивный, созданный силами трения в редук-

торе и в самом двигателе.

Поэтому в общем случае статический момент механизма находится как алгебраиче

ская сумма реактивного и активного моментов, т.е.

М= ±М± М( 8.1 ).

studfiles.net

Основы электропривода - часть 2

2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.

Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.

3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение) .

Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.

Установившийся режим описывается статическими характеристиками.

Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах 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 электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).

Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.

4 УравнениЕ движения электропривода

Электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, создают вращательное движение; значительная часть машин-орудий также имеет вращающиеся рабочие органы; поэтому представляется целесообразным вывод уравнения движения сделать сначала для случая вращательного движения .

В соответствии с основным законом динамики для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения:

(4.1)

В системах электропривода основным режимом работы электрической машины является двигательный. При этом момент сопротивления имеет тормозящий характер по отношению к движению ротора и действует навстречу моменту двигателя. Поэтому положительное направление момента сопротивления принимают противоположным положительному направлению момента двигателя, в результате чего уравнение (4.1) записывается в виде:

(4.2)

Уравнение движения привода (4.2) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент

уравновешивается моментом сопротивления на его валу и инерционным или динамическим моментом . В этом уравнении принято, что момент инерции привода является постоянным, что справедливо для значительного числа производственных механизмов. Здесь моменты являются алгебраическими, а не векторными величинами, поскольку оба момента и действуют относительно одной и той же оси вращения.

Правую часть уравнения (4-2) называют инерционным (динамическим) моментом (

), т.е. (4.3)

Этот момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода. Из (4.3) следует, что направление динамического момента всегда совпадает с направлением ускорения электропривода.

В зависимости от знака динамического момента различают следующие режимы работы электропривода:

1)

, т.е. , имеет место ускорение привода при , и торможение привода при .

2)

, т.е. , имеет место замедление привода при , и ускорение при .

3)

, т.е. , в данном случае привод работает в установившемся режиме, т.е. .

В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

Выбор знаков перед значениями моментов зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

Наряду с системами, имеющими только элементы, находящиеся во вращательном движении, иногда приходится встречаться с системами, движущимися поступательно . В этом случае вместо уравнения моментов необходимо рассматривать уравнение сил, действующих на систему.

При поступательном движении движущая сила

всегда уравновешивается силой сопротивления машины и инерционной силой , возникающей при изменениях скорости. Если масса тела выражена в килограммах, а скорость — в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах ().

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

. (4.4)

В (4.4) принято, что масса тела

является постоянной, что справедливо для значительного числа производственных механизмов.

Сказанное выше о классификации и знаках моментов полностью справедливо и для сил, действующих на систему.

5 Влияние параметров , , на вид скоростных (механических) характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Регулирование скорости вращения двигателя

Регулированием скорости называется целенаправленное принудительное изменение скорости двигателя посредством специального устройства или приспособления, независимо от величины и характера нагрузки, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к закону движения рабочего органа механизма. Установленная при регулировании скорость при отсутствии воздействия на регулирующее приспособление в дальнейшем изменяется по механической характеристике электропривода в соответствии с нагрузкой. Регулирование скорости позволяет наиболее рационально использовать производственные механизмы, обеспечить оптимальные режимы их работы и, как правило, уменьшить расход энергии.

Двигатели параллельного возбуждения, питаемые от источника постоянного напряжения, применяются обычно для длительного режима работы, когда требуется широкое регулирование частоты вращения, например для металлообрабатывающих станков, для листоправильных машин в прокатных станах, для главных приводов трубопрокатных станов и т. п.

Выражение скорости вращения двигателя постоянного тока:

показывает, что возможны три принципиально различных способа регулирования угловой скорости двигателя:

1) изменением тока возбуждения (магнитного потока) двигателя;

mirznanii.com

Кинематическая схема электропривода. Силы и моменты, действующие в системе электропривода

Стр 1 из 35Следующая ⇒

Электрический привод

 

 

Конспект лекций для студентов дневной и заочной форм обучения специальности ЭС (электроснабжение)

 

Автор Столбов Б. М.

Рецензент к.т.н., доцент Ромодин А. В.

к.т.н., доцент Лыков А. Н.

 

 

Пермь 2010

Содержание

Введение. 3

1. Механика электропровода. 6

1.1 Кинематическая схема электропривода. Силы и моменты, действующие в системе электропривода. 6

1.2 Механические характеристики производственных механизмов при типовых нагрузках. 7

Для теории и практики электропривода большое значение имеют понятия механической характеристики рабочей машины. 7

1.3 Приведение J, Мс Fc, m и С – жесткостей упругих элементов к расчетной скорости и расчетные схемы механической части электропривода. 10

1.4 Уравнение движения и режимы работы электропривода как. 16

динамической системы. 16

2. Понятие об электромеханических и механических характеристиках и режимах работы двигателей. 20

3. Электромеханические свойства электродвигателей. 23

3.1 Естественные и искусственные электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. 23

3.2 Тормозные режимы двигателя независимого возбуждения. 30

Торможение с рекуперацией энергии в сеть. 30

Торможение противовключением. 32

Динамическое торможение. 35

3.3 Расчет механических характеристик двигателя независимого возбуждения 36

3.4 Расчет сопротивлений для якорной цепи ДНВ.. 37

3.5 Естественные и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ДПВ) 42

3.6 Тормозные режимы двигателей последовательного возбуждения. 48

3.7 Расчет искусственных электромеханических и механических характеристик ДПВ. 53

3.8 Расчет пусковых сопротивлений для якорной цепи ДПВ.. 55

3.9 Электромеханические свойства двигателя постоянного тока смешанного возбуждения (ДСВ) 57

3.10 Расчет тормозных сопротивлений для двигателей постоянного тока. 59

3.11 Естественные механическая и электромеханическая характеристика асинхронного двигателя (АД) 62

3.12 Искусственные механические характеристики АД при изменении параметров цепей двигателя и питающей сети. 67

3.13 Тормозные режимы асинхронного двигателя. 71

3.14 Расчет естественной и искусственных механических характеристик АД.. 78

3.15 Расчет сопротивлений для роторной цепи АД.. 81

3.16 Электромеханические свойства синхронного двигателя СД.. 84

4. Переходные режимы электроприводов. 89

4.1 Общая характеристика переходных режимов электроприводов, их классификация и понятие об оптимальных переходных процессах. 89

4.2 Уравнения электромеханического переходного процесса электропривода с линейной механической характеристикой при Мс=const и ω0=const 93

4.3 Переходный процесс электропривода с линейной механической характеристикой при одно – и многоступенчатом пуске в случае Мс=const; ω0=const 95

4.4 Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при Мс=const; ω0=const в тормозных режимах. 99

4.5 Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при ω0=const, Мс=f(ω) 103

4.6 Графический метод интегрирования уравнения движения (метод пропорций) 105

4.7 Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при ω0=f(t) и Mc=const 107

4.8 Переходный процесс в электроприводе с двигателем независимого возбуждения при изменении магнитного потока. 110

5. Регулирование координат электропривода. 115

5.1 Требования к координатам электропривода и формированию его статических и динамических характеристик. 115

5.2 Основные показатели способов регулирования координат электропривода 115

5.3 Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП–Д) 120

5.4 Система генератор–двигатель постоянного тока (Г–Д) 120

5.5 Расчет статических механических характеристик в системе Г-Д.. 126

5.6 Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д) 127

5.7 Торможение и реверсирование двигателя в системе ТП-Д и статические механические характеристики реверсивного вентильного электропривода постоянного тока. 133

5.8 Расчет статических механических характеристик в системе ТП-Д.. 139

5.9 Коэффициент мощности и основные технико-экономические показатели системы ТП-Д.. 140

5.10 Законы частотного регулирования асинхронными двигателями. 143

5.11 Статические механические характеристики АД, при частотном управлении с компенсацией падений напряжений. 146

5.12 Система ПЧ-АД с электромашинным и статическим преобразователем частоты и основные технико-экономические показатели. 152

5.13 Регулирование скорости АД в каскадных схемах. Принцип регулирования и понятие об электрическом и электромеханическом каскадах. 155

5.14 Каскад с асинхронным двигателем, работающим в режиме двойного питания 157

5.15 Каскады АД с машиной постоянного тока и вентильным преобразователем 161

5.16 Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД) 166

6. Нагревание электродвигателей и основы их выбора по мощности. 171

6.1 Общие сведения о нагревании двигателей и нагрузочных диаграммах электроприводов. 171

6.2 Номинальные режимы работы электродвигателей. 174

6.3 Нагревание и охлаждение двигателей при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой. 180

6.4 Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы с постоянной нагрузкой. 183

6.5 Нагревание двигателей при повторно-кратковременном режиме работы 188

6.6 Предварительный выбор двигателей по мощности. 191

6.7 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу средних потерь. 192

6.8 Определение потерь и КПД двигателя при номинальной и неноминальной нагрузке. 195

6.9 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу эквивалентного (среднеквадратичного) тока. 196

6.10 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методам эквивалентного момента и эквивалентной мощности. 199

6.11 Выбор мощности двигателя для работы с длительной неизменной нагрузкой 201

6.12 Выбор мощности двигателя для кратковременного режиме работы.. 203

6.13 Выбор мощности двигателя для повторно-кратковременного режима работы.. 205

6.14 Выбор двигателей для работы в режимах S4 ¸ S8 и выбор преобразователей для регулируемых электроприводов. 208

6.15 Особенности выбора мощности АД с к.з. ротором и определение допустимого числа включений их в час при повторно-кратковременном режиме работы.. 209

7. Энергетика электроприводов. 211

7.1 Потери энергии при установившемся режиме работы нерегулируемого электропривода. 211

7.2 Потери мощности и энергии в установившемся режиме регулируемого электропривода. 213

7.4 Потери энергии при переходных процессах в нерегулируемом электроприводе. 218

7.5 Потери энергии при переходных процессах в регулируемом электроприводе и способы уменьшения потерь энергии. 225

8. Принципы автоматизации процессов. 231

Использованная литература. 237

 

Введение

Понятие об электроприводе, его назначение и функции. Структура и основные элементы современного электропривода. Типы электроприводов и особенности развития электропривода.

 

Электроприводом называется электромеханическая система, служащая для приведения в движение рабочих органов механизмов и управления их технологическим процессом. Блок схема электропривода как объекта управления может быть представлена в следующем виде:

 

 
 

 

Система управления (СУ) электроприводом состоит из энергетической части и информационной части. Энергетическая часть – это преобразовательное устройство, назначение которого – управление потоком энергии, поступающим из сети, с целью регулирования режимами работы двигателя и механизма. Преобразовательное устройство позволяет расширить гибкость управления, позволяет придать характеристикам электропривода нужный вид, что достигается или путем преобразования переменного напряжения промышленной частоты в постоянное (выпрямленное) напряжение, или в переменное напряжение, но другой частоты.

Информационная часть СУ предназначена для фиксации и обработки поступающей информации от ЗУ и ДОС (сравнения сигналов от ЗУ и ДОС). На основе этой информации вырабатываются сигналы управления преобразовательным устройством и двигателем. Сама же СУ обеспечивает электроприводу необходимые статические и динамические свойства.

Передаточное устройство (передаточный механизм) служит для изменения скорости или вида движения (из вращательного в поступательное или наоборот). К передаточному устройству относятся: редукторы, кривошипно-шатунные механизмы, зубчато-реечные или клино-ременные передачи, барабаны с тросами и т.п..

Основной функцией простейшего не автоматизированного электропривода, состоящего только из электродвигателя, питаемого непосредственно от сети, и система управления которого включает в себя пакетный выключатель, или магнитный пускатель, является приведение в движение рабочего механизма с неизменной скоростью.

Автоматизированные электроприводы, имеющие систему автоматического управления, выполняют более широкие функции, обеспечивая рациональное ведение технологического процесса, более высокую производительность механизма при лучшем качестве выпускаемой продукции.

В зависимости от схемы передачи энергии от сети к рабочим органам механизмов различаются три типа электроприводов:

1.Групповой (трансмиссионный).

2.Однодвигательный или индивидуальный.

3.Многодвигательный (тоже индивидуальный).

Групповой электропривод представляет собой систему, в которой один электродвигатель посредством системы шкивов и ремней (трансмиссий) приводит в движение группу рабочих машин или группу рабочих органов одной машины, как показано на приведенном рисунке. В такой системе невозможно регулирование отдельных машин воздействием на двигатель. В настоящее время такой электропривод практически не применяется и представляет интерес лишь с точки зрения истории развития электропривода.

 

 

Однодвигательный электропривод представляет собой систему, в которой каждая рабочая машина приводится в движение отдельным, связанным только с ней электродвигателем, как изображено на следующем рисунке.

 

 

Примером применения однодвигательного электропривода являются простые металообрабатывающие станки и другие несложные механизмы. Во многих случаях привод осуществляется от электродвигателя специального исполнения, конструктивно представляющего одно целое с самим механизмом. Характерным примером полного совмещения двигателя с рабочим органом механизма является электрорубанок, электрическая дрель.

Можно назвать также электрическую таль, двигатель-ролик (рольганг), применяемый в металлургической промышленности на прокатных станах. Здесь неподвижный статор с обмоткой располагается внутри рольганга, а сам ролик является ротором.

В случае однодвигательного электропривода имеется возможность электрическими методами (воздействием на электродвигатель) регулировать скорость каждой из машин и автоматизировать их работу. При этом значительно сокращается путь передачи энергии от сети к рабочим органам, помещения освобождаются от тяжелых трансмиссий, шкивов, ремней, резко снижается вероятность несчастных случаев. Для механизмов с одним рабочим органом возможен выбор для электропривода двигателя с характеристиками, наиболее полно удовлетворяющим требованиям производственного процесса. Поэтому в настоящее время этот тип электропривода является основным и имеет наибольшее применение.

Однако, при однодвигательном электроприводе машин с несколькими рабочими органами внутри машины еще сохраняется система механического распределение энергии (посредством шестерен и т.п.) с присущей ей недостатками. Поэтому в современных машинах подобного рода широко применяется многодвигательный электропривод, при котором каждый рабочий орган приводится в движение отдельным электродвигателем. Такие электроприводы применяются, например, в сложных металлообрабатывающих станках, бумагоделательных машинах, прокатных станах, электрических экскаваторах. При этом значительно упрощается кинематическая схема машины.

Особенностями развития электропривода на современном этапе является расширение областей применения частотно-регулируемого электропривода переменного тока и вентильного электропривода постоянного тока, расширение и усложнение его функций, связанных с управлением технологическими процессами и соответствующее усложнение систем управления (САУ), повышение требований к динамическим и точностным показателям, увеличение быстродействия, надежности, экономичности, снижение габаритов.

Особенностью развития электропривода является также унификация его элементной базы, создание унифицированных комплектных тиристорных и транзисторных электроприводов, удовлетворяющими требованиям широкого круга механизмов.

Одним из проявлений развития регулируемого электропривода является тенденция к упрощению кинематических схем машин и механизмов, за счет создания безредукторного электропривода с использованием специальных тихоходных двигателей, имеющих номинальную скорость вращения 18-120 оборотов в минуту. Область применения – мощные электроприводы прокатных станков, шахтных подъемных машин, скоростных лифтов, основных механизмов экскаваторов.

Механика электропровода

Динамической системы.

Механическая часть электропривода представляет собой систему движущихся твердых тел. Исследование характера движения рабочей машины или отдельных ее органов может быть произведено на основе решения уравнений движения. Уравнение движения можно получить на основе анализа запасов энергии в системе двигатель – рабочая машина, или на основе анализа второго закона Ньютона. Но наиболее общей формой записи дифференциальных уравнений, определяющих движение системы, в которой число независимых переменных (координат) равно числу степеней свободы системы, является уравнение Лагранжа:

, где

Wk – запас кинетической энергии системы, выраженный через обобщенные координаты qi и обобщенные скорости .

– обобщенная сила, определяемая суммой элементарных работ DAi всех действующих в системе сил на возможных перемещениях Dqi.

При наличии в системе потенциальных сил формула Лагранжа принимает вид:

, где

L=Wk-Wn функция Лагранжа, равная разности запасов кинетической и потенциальной энергии.

В трехмассовой упругой системе за обобщение координаты целесообразно принять угловое перемещение масс j1, j2, j3 и соответствующие им угловые скорости w1, w2, w3.

Запас кинетической энергии в системе:

Запас потенциальной энергии деформации упругих элементов, подвергающихся скручиванию:

Здесь М12 и М23 – моменты упругого взаимодействия между инерционными массами J1 ÷ J2 и J2 ÷ J3, зависящие от величины деформации j1-j2 и j2-j3.

Элементарная работа всех приложенных к J1 моментов на возможном перемещении Dj1.

Следовательно, обобщенная сила .

Аналогично элементарная работа всех приложений ко 2-й и 3-й инерционным массам на их возможных перемещениях Dj2 и Dj3:

, и

, и

т.к. ко 2-й и 3-й массам электромагнитный момент двигателя не приложен.

Найдя функцию Лагранжа L=Wk-Wn и учитывая значения Q1`,Q2`и Q3`, после подстановки их в уравнение Лагранжа, получим уравнения движения трехмассовой упругой механической системы:

В случае двухмассовой системы М23=0; J3=0 и уравнения движения имеют вид:

В случае жесткого приведенного механического звена ; ; , и уравнение его движения имеет вид:

Это уравнение является основным уравнением движения.

В системе электропривода некоторых механизмов имеются кривошипно-шатунные, кулисные и карданные передачи. Для таких механизмов радиус приведения “r” непостоянен, зависит от положения механизма. Так для кривошипно-шатунного механизма, изображенного на рис. 1.12.

 

 

Получить уравнение движения в этом случае можно также на основе формулы Лагранжа или на основе составления энергетического баланса системы двигатель – рабочая машина. Воспользуемся для разнообразия последним условием.

Пусть J –суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции всех жестко и линейно связанных вращающихся элементов, а m – суммарная масса элементов жестко и линейно связанных с рабочим органом механизма, движущаяся со скоростью V. Запас кинетической энергии в системе:

, где

– суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции системы всей системы.

Динамическая мощность:

Разделив на , получим:

имел в виду, что

Возможны 2 режима работы электропривода как динамической системы: установившийся и переходный, причем установившийся режим может быть статическим или динамическим. Установившийся статический режим электропривода с жесткими обратными связями имеет место в случае, если и , т.е. . Для механизмов, у которых Мс зависит от угла поворота, даже при постоянной угловой скорости и имеет место установившийся динамический режим.

Во всех остальных случаях, т.е. при и режим работы электропривода является переходным. Без переходного режима не совершается работа ни одного электропривода.

Электропривод работает в переходном режиме при пуске, торможении, изменении скорости и нагрузки, изменении направления движения, свободном выбеге, отключении от сети и движении по инерции.

Динамическое торможение

Суть этого способа торможения заключается в том, что якорь двигателя отключается от сети и замыкается или накоротко, или на тормозное сопротивление, а обмотка возбуждения остается подключенной к сети, (рис. 3.2.6).

 

Вследствие того, что ЭДС двигателя по направлению остается такой же, как и до торможения, а напряжение к якорю не приложено, ток, текущий под действием этой ЭДС,

создает тормозной момент. Машина работает генератором. Кинетическая энергия, запасенная в двигателе и вращающихся частях проводимого им механизма, преобразуется в электрическую и рассеивается в форме тепла в сопротивлении якорной цепи. Как и в режиме противовключения понятие КПД здесь утрачивает смысл. Так как при динамическом торможении U=0, то также равна нулю и уравнение механической характеристики имеет вид:

Семейство механических характеристик, соответствующих различным сопротивлениям Rm , изображено на рис. 3.2.6. Все они проходят через начало координат. Наиболее интенсивное торможение получается при замыкании якоря накоротко. При этом характеристика динамического торможения будет параллельна естественной. Однако по условиям ограничения первоначального броска тока замыкание якоря накоротко допустимо только при переводе двигателя в тормозной режим при малых скоростях.

Обычно динамическое торможение осуществляется при Ф=Фн и широко применяется в электроприводах, где требуется точная остановка. Оно может быть использовано и для тормозного спуска груза.

С энергетической точки зрения динамическое торможение выгоднее противовключения, т.к. из сети энергия потребляется только обмоткой возбуждения. Оно обеспечивает плавность торможения, надежно, можно получить характеристики с малой крутизной. Недостатком является уменьшение тормозного момента двигателя по мере снижения скорости.

 

 

Естественные и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ДПВ)

Принципиальная схема ДПВ изображена на рис. 3.5.1.

 

Поскольку обмотка ДПВ включена последовательно с обмоткой якоря, его магнитный поток является функцией IЯ (нагрузки). Уравнение равновесия ЭДС якорной цепи и уравнение электромагнитного моменты этого двигателя можно представить в виде:

Здесь

Индуктивность рассеяния якорной цепи LЯ, значительно меньше индуктивности LВ обмотки возбуждения, связанной с главным потоком двигателя. Поэтому в ряде случаев ею можно пренебречь. В установившемся режиме . Поэтому уравнения статических электромагнитной и механической характеристик можно представить в виде:

;

Точное аналитическое выражение механической характеристики этого двигателя дать трудно, т.к. Ф≠const, так же как сложной является зависимость момента от нагрузки. При номинальном токе магнитная цепь машины насыщена. В связи с этим для получения достаточно подробного представления о характеристике двигателя можно воспользоваться кусочно-линейной аппроксимацией характеристик и намагничивания (рис. 3.5.2).

 

Начальный участок кривой намагничивания (IЯ≤0,3IН и М≤0,15МН) с достаточной точностью можно заменить прямой . Тогда , где α – коэффициент пропорциональности. Тогда . Подставив это в уравнение электромеханической характеристики, получим:

Отсюда следует, что при малых нагрузках механическая характеристика ДПВ имеет гиперболический характер.

Второй участок линейной аппроксимации кривой намагничивания, соответствует значениям IЯ до 1,3IН и М до 1,4МН. Для этого участка зависимости потока от тока и момента имеют вид и , где ; α1 – тоже коэффициент пропорциональности, а Ф0 – поток остаточной индукции. Если подставить значения Ф в уравнение электромеханической характеристики, получим неявно выраженную гиперболу.

При нагрузках по току IЯ>1,3IН, и моменту М>1,4МН магнитный поток машины становится практически постоянным и механическая характеристика ее приобретает линейный характер. Скорость двигателя уменьшается лишь за счет падения напряжения в якорной цепи (рис. 3.5.3).

 

При практических расчетах полученным уравнением механической характеристики (если сложить ее отдельные участки, соответствующие указанным выше нагрузкам по току и моменту) пользоваться нельзя, т.к. оно получено в предположении ненасыщенной магнитной системы, а современные двигатели с такой системой не строятся. Поэтому при расчетах электроприводов с ДПВ применяют графические и графоаналитические методы с использованием экспериментальных зависимостей его скорости, момента и потока от тока якоря. Эти зависимости приводятся в каталогах для каждого типа двигателей в абсолютных, а в справочниках – в относительных единицах в виде универсальных характеристик для двигателей до 10кВт и выше 10кВт (см. рис.3.5.4).

 

Зная номинальные данные двигателя и пользуясь этими универсальными характеристиками, можно, задаваясь различными значениями тока якоря, найти ω и М по кривым и и построить естественную характеристику . Однако нужно помнить, что это будет зависимость скорости от момента на валу.

Обычно эти кривые для ДПВ серии ДП, Д, МП, т.е. тех двигателей, которые применяются чаще всего в магистральном электротранспорте, трамваях, самоходных вагонах, средствах внутризаводского транспорта и т.п.

Искусственные механические характеристики ДПВ можно получить тем же способом что и для ДНВ.

При изменении напряжения на зажимах двигателя характеристики перемещаются параллельно естественной вверх или вниз (см. рис. 3.5.5).

 

При введении сопротивления якорную цепь двигателя скорость его уменьшается, характеристики смещаются вниз, они становятся более мягкими (рис. 3.5.6).

 

Для получения скоростей двигателя при U=const, превышающих скорости на естественной характеристике, ослабляется магнитный поток машины шунтированием обмотки возбуждения (рис. 3.5.7).

 

Характеристика при ослабленном потоке располагается выше естественной, но она более мягкая (ее жесткость при каждой данной скорости меньше, чем на естественной характеристике (рис. 3.5.8)).

 

Рис. 3.5.8

 

Из приведенных графиков видно, что скорость ДПВ при работе как на естественной, так и на искусственных характеристиках, при увеличении нагрузки резко падает. Поэтому ДПВ непригодны для электроприводов, требующих постоянства скорости при меняющейся нагрузке.

При идеальном холостом ходе скорость ДПВ теоретически может возрасти до бесконечности. В действительности всегда есть трение в подшипниках, о воздух и т.п. и есть поток остаточной индукции, составляющей (0,02÷0,09)ФН. Поэтому скорость не возрастает до бесконечности, но может в 5÷7 раз превышать номинальную, и во избежание опасности разноса двигателя его нельзя с приводным механизмом соединять при помощи ременной и цепной передачи. С учетом возможного резкого увеличения скорости при сбросе нагрузки ДПВ рассчитывают на .

 

 

Электромеханические свойства двигателя постоянного тока смешанного возбуждения (ДСВ)

Двигатель смешанного возбуждения, принципиальная схема которого изображена на рис. 3.9.1, имеет две обмотки возбуждения – параллельную (независимую) и последовательную. Поэтому его свойства и характеристики занимают промежуточное положение между ДНВ и ДПВ. Практически МДС обмоток возбуждения действуют согласованно.

 

Естественные электромеханические характеристики ДСВ приводятся в каталогах. Благодаря наличию параллельной обмотки возбуждения ДСВ имеет скорость идеального холостого хода. При малых нагрузках, когда машина еще не насыщена, поток возрастает от прибавления к постоянному потоку параллельной обмотки потока последовательной обмотки возбуждения и скорость резко снижается (см. график на рис. 3.9.2). При больших нагрузках машина насыщается и хотя МДС последовательной обмотки растет, поток машины почти не меняется. Поэтому скорость снижается незначительно лишь за счет падения напряжения в цепи якоря. Чем больше МДС последовательной обмотки, т.е. чем больше нагрузка, тем мягче характеристики (пунктирные кривые на рис. 3.9.2)

 

При изменении подводимого напряжения характеристики перемещаются параллельно самим себе.

ДСВ позволяет иметь все три способа электрического торможения. Они имеют несколько особенностей по сравнению с тормозными режимами ДНВ и ДПВ. При ω>ω0 двигатель переходит в режим с рекуперацией энергии в сеть. Ток в якоре и последовательной обмотке при этом меняет направление и может размагнитить машину. С увеличением тока тормозной момент нарастает очень медленно, а при больших токах может даже уменьшаться. Наибольший тормозной момент составляет (0,3÷0,7)МН и имеет место при ω=2ω0.

 

Характеристики при этом во II квадранте, идут круто вверх (см. рис.3.9.3). Во избежание размагничивающего действия последовательной обмотки при переходе в данный тормозной режим ее шунтируют (отключают), превращая этим самым, двигатель в генератор независимого возбуждения. Поэтому механические характеристики во II квадранте превращаются в прямые (пунктир).

Режим противовключения практически не отличается от этого режима ДПВ.

Для перевода ДСВ в режима динамического торможения якорная цепь отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление. Поскольку ток в последовательной обмотке при этом изменит направление, машина будет размагничиваться. Поэтому обычно эту обмотку возбуждения отключают и торможение осуществляется только при обмотке параллельного возбуждения. Механические характеристики при этом имеют вид штриховых прямых, как показано на рис. 3.9.4.

 

 

 

Естественные механическая и электромеханическая характеристика асинхронного двигателя (АД)

Основным методом анализа установившихся режимов асинхронного двигателя является использование схем замещения. При этом обычно рассматриваются явления, относящиеся к одной фазе двигателя при соединении обмоток статора и ротора в звезду. Одной из таких схем является Т-образная схема замещения, изображенная на рис. 3.11.1 (в ней не учитываются потери в стали машины).

 

В соответствии с этой схемой для основных величин, характеризующих работу АД, в курсе электрических машин получены такие выражения:

Приведенный ток ротора

;

Электромагнитная мощность:

;

Электромагнитный момент:

Критический момент:

;

Номинальное и критическое скольжения:

; ;

Т.к в АД при отсутствии в цепи ротора добавочного сопротивления [email protected]'2, то можно найти соотношение

и

Здесь – перегрузочная способность двигателя по М. Поделив М на МКР, после преобразований получим уравнение механической характеристики АД, называемое уравнением Клосса.

Задаваясь различными значениями скольжения, можно построить естественную механическую характеристику двигателя во всем возможном диапазоне изменения скольжения. На рис. 3.11.2 приведены естественные характеристики АД для прямого и обратного действия электромагнитного момента.

 

Если пренебречь активным сопротивлением r1 обмотки статора, что вполне допустимо для АД большой мощности, то e=0 и уравнение механической характеристики принимает вид (это тоже формула Клосса):

.

В значительном числе случаев работа АД нормально протекает при S от 0 до (1,2¸1,5)SH, т.е. при S<(0,35¸0,4)SKP. Это обстоятельство позволяет в упрощенном выражении механической характеристики пренебречь отношением , которое в 8÷10 раз меньше . В этом случае механическая характеристика АД может быть представлена прямой, описываемой уравнением (в пределах до МН):

.

Следует иметь в виду, что формулы Клосса достаточно точно описывают механические характеристики АД с фазным ротором. В к.з. АД, выпускаемых обычно с относительно глубокими пазами в роторе, либо с двойной беличьей клеткой, имеется в той или иной степени явление вытеснения тока в стержнях ротора. Поэтому их параметры непостоянны и механические характеристики значительно отличаются от характеристик, рассчитанных по формулам Клосса. Однако, эти формулы благодаря своей простоте позволяют выполнять многие расчеты и делать общие заключения о свойствах и работе АД. В тех же случаях, когда необходима большая точность, должны использоваться экспериментально снятые механические характеристики. У некоторых к.з. АД при малых скоростях механическая характеристика имеет провал, (см. рис.3.11.3), вызванный влиянием высших гармоник поля, с чем следует считаться при пуске двигателя под нагрузкой.

 

Электромеханические характеристики АД представляют собой зависимости и . Т.к. ток ротора является основной величиной для оценки режима работы двигателя, рассмотрим зависимость .

При использовании формулы

это не всегда удается сделать ввиду отсутствия данных о сопротивлениях обмоток двигателя. В связи с этим для получения зависимости воспользуемся формулой Клосса и выражением электромагнитного момента.

,

Отсюда

При номинальном режиме:

: отсюда

Читайте также:

  1. VI. ЧЕЛОВЕК – СОКРОВИЩНИЦА ДУХОВНОЙ СИЛЫ
  2. А. Искусство Железной Рубашки в общей системе даосского интегрального тренинга.
  3. Аксонометрическая схема стояка водоотведения и выпуска
  4. Белки, взаимодействующие с мРНК, как регуляторы трансляции
  5. Болезни системы кровообращения как социально значимая патология, место в системе МКБ-10. Динамика и структура заболеваемости и смертности от болезней системы кровообращения, гендерные особенности.
  6. В системе национальных счетов
  7. В системе социальных норм наряду с правом выделяют: мораль, корпоративные нормы, обычаи, религиозные нормы.
  8. В условиях, связанных с применением физической силы, специальных средств, огнестрельного оружия
  9. В чем настоящий секрет силы?
  10. В это время князь Владимир у Волок-Ламского и великий князь Дмитрий в Костроме собрали значительные силы. Один из татарских отрядов, двигавшийся к Волок-Ламскому, был внезапно атакован и разбит.
  11. Верно замечено, что «Обладание зависит от использования». Как лучше объяснить это, демонстрируя, что это единственный способ при необходимости достигнуть «источника силы, обладания и т. д.»?
  12. Взаимодействие аллельных генов (полное доминирование, неполное доминирование, сверхдоминирование и кодоминирование). Множественные аллели. Наследование групп крови человека по АВО системе антигенов.

lektsia.com

Силы и моменты, действующие в электроприводе

 

Уравнения механики ЭП для поступательного и вращательного движения

- уравнения Даламбера

Знак - динамического момента определяет режим работы привода: - разгон; - установившийся режим; - торможение.

 

Различают двигательный и тормозной момент работы двигателя и активный и пассивный момент сопротивления движению. К пассивному моменту относят работу силы трения, к активному – силы тяжести, упругости. В общем случае уравнение примет вид .

 

Приведение моментов сопротивления и инерции к валу двигателя

 

Перед расчетом статики механики ЭП необходимо все механические величины привести к одной оси двигателя или механизма (чаще двигателя). - коэффициент передачи.

 

 

1) Приведение момента сопротивления. Запишем баланс мощностей на валу двигателя и механизма: :

вращательное движение: ; ;

поступательное движение: ; ;

 

 

2) Приведение момента инерции к валу двигателя. Запишем баланс кинетической энергии:

вращательное движение: ; разделим выражение на , и с учетом получим ;

поступательное движение: ;

 

3) В общем случае приведения моментов сопротивления при наличии поступательно движущихся и вращающихся масс

 

Методы расчета мощности

 

Выбор мощности двигателя при стационарной нагрузке осуществляется по условию (ближайший больший по каталогу). В этом случае двигатель подошел по нагреву.

Рассмотрим выбор мощности двигателей при переменной нагрузке:

 

1. Метод средних потерь (прямой метод).

В основе метода лежит нагрузочная диаграмма. Рассмотрим прямой метод учета потерь в двигателе

 

1) Рассчитывается средняя мощность на валу двигателя по формуле

, Закон Джоуля-Ленца

Потери в двигателе пропорциональны активной мощности. Таким образом, нагрев двигателя определяется не , а . Отсюда возникает задача расчета потерь.

2) выбор мощности двигателя ,

где k=1,2...1,3 – коэффициент запаса, учитывающий пропорциональность потерь квадрату тока;

3) Расчет потерь при различных нагрузках с использованием каталожных кривых по формуле

 

4) определяются средние потери за цикл ;

5) выбор мощности двигателя по условию , где - двигатель подошел по нагреву;

6) выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия

ДПТ: , ;

АД: ,

 

Эквивалентные методы

Данные методы относятся к косвенным, поскольку косвенно учитывают потери в электрической машине.

1) Метод эквивалентного тока.

Рассчитывается некоторый эквивалентный ток, потери от которого равнозначны фактическим при переменной нагрузке т.к.

; - двигатель подошел по нагреву.

2) Метод эквивалентного момента при Ф-const

; - двигатель подошел по нагреву.

3) Метод эквивалентной мощности при Ф-const, -const

; - двигатель подошел по нагреву.

Затем выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия.

 

Наиболее широкое применение у метода эквивалентного тока, наиболее узкое у метода эквивалентной мощности. Методы эквивалентного тока и мощности не применимы при двухзонном управлении так как содержат блоки произведений в формулах , . Более точным является метод средних потерь (прямой метод).

 

Замечание: При повторно-кратковременный режиме двигатель выбирается из условия .

;

Здесь методы эквивалентного момента и тока практически не используются. В случае, если нагрузка в разных циклах неодинакова, рассчитывают среднюю ПВ с учетом n циклов.

 

 



infopedia.su


Смотрите также