Системы электроприводов

ФГБОУ ВПО и МГТУ им. Г.И. Носова

Кафедра электротехники и электротехнических систем

 

 

 

 

 

Реферат по дисциплине:

«Электроника и электрооборудование транспортных и транспортно-технологических машин» на тему

 «Системы электроприводов»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ТСА-10 Трушин Никита

Проверил: доцент, к.т.н. Мугалимов Р.Г.

 

 

 

 

 

Магнитогорск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Определение понятия  «электропривод»

2 Классификация электроприводов

3 Режимы работы электропривода

4 Уравнения движения электропривода  при поступательном и вращательном  движении

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Определение  понятия «электропривод»

 

Электрический привод представляет собой электромеханичёское устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.

Свойства электромеханической  системы оказывают решающее влияние  на важнейшие показатели рабочей  машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность  технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода (рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.

 

 

Рисунок 1.1 – Схема автоматизированного  электропривода

 

2 Классификация  электроприводов

 

Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 – Структурная  схема группового трансмиссионного электропривода

 

Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод  в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному  и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 2.2.

 

Рисунок 2.2 – Структурная  схема группового электропривода

 

Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственные помещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиями и передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность труда вследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещения рабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.

В трансмиссионном приводе  при выходе из строя или при  ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как  в случае индивидуального привода  или группового по схеме на рисунке 2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей  машины.

 

Рисунок 2.3 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка

Индивидуальный электропривод  широко применяется в различных  современных машинах, например в  сложных металлорежущих станках, в  прокатных станах металлургического  производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах  и т. п.

Примером использования  индивидуального привода может  служить продольно-фрезерный станок (рисунок 2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных  бабок).

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок или положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным пли технологическим соображениям.

Примером взаимосвязанного электропривода может служить привод цепного конвейера. На рисунке 2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2), расположенными вдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость.

Взаимосвязанный электропривод  широко применяется в различных  современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным  управлением, в бумагоделательных  машинах, ротационных машинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях но производству шинного корда, синтетических пленок и т. д.

 

 

Рисунок 2.4 – Схема взаимосвязанного привода конвейера

 

По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения.

Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем использования  электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с  преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т. п.) либо применения электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (так  называемые линейные электродвигатели, магнитогидродинамические двигатели).

По степени управляемости электропривод может быть:

1) нерегулируемый — для  приведения в действие исполнительного  органа рабочей машины с одной  рабочей скоростью, параметры  привода изменяются только в  результате возмущающих воздействий;

2) регулируемый — для  сообщения изменяемой пли неизменяемой  скорости исполнительному органу  машины, параметры привода могут  изменяться под воздействием  управляющего устройства;

3) программно-управляемый  — управляемый в соответствии  с заданной программой;

4) следящий — автоматически  отрабатывающий перемещение исполнительного  органа рабочей машины с определенной  точностью в соответствии с  произвольно меняющимся задающим  сигналом;

5) адаптивный — автоматически  избирающий структуру или параметры  системы управления при изменении  условий работы машины с целью  выработки оптимального режима.

Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает:

1) редукторный, в котором  электродвигатель передает вращательное  движение передаточному устройству, содержащему редуктор;

2) безредукторный, в котором  осуществляется передача движения  от электродвигателя либо непосредственно  рабочему органу, либо через передаточное  устройство, не содержащее редуктор.

По уровню автоматизации можно различать:

1) неавтоматизированный  электропривод, в котором управление  ручное; в настоящее время такой  привод встречается редко, преимущественно  в установках малой мощности  бытовой и медицинской техники  и т. п.;

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 М_С 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;

2) изменением сопротивления  цепи якоря посредством резисторов (реостатное);

3)  изменением подводимого  к якорю двигателя напряжения.

Реостатное  регулирование скорости двигателя

Реостатное регулирование  скорости электроприводов осуществляется путем изменения активных сопротивлений  резисторов, включенных в главные  цепи двигателей. При этом для двигателей постоянного тока имеются в виду резисторы, включаемые в цепи обмоток  якоря. При регулировании скорости сопротивлением в цепи якоря во всем диапазоне имеем  .

Из уравнения:

 

 

видно, что включение добавочного  сопротивления в цепь якоря позволяет  изменять скорость вниз от скорости идеального холостого хода, при этом жесткость  механических характеристик резко  уменьшается, особенно при больших  значениях добавочного сопротивления (рис. 5.1).

 

Рисунок 5.1 – Схема включения  и механические характеристики двигателя  постоянного тока параллельного  возбуждения при реостатном регулировании  скорости

 

Диапазон реостатного  параметрического регулирования тока и момента ограничен сверху перегрузочной  способностью двигателя по условиям коммутации, а пределы изменения  скорости, в которых можно получить заданную точность регулирования, уменьшаются  с ростом статической жесткости. Таким образом при условии М_С = const диапазон регулирования обычно не превосходит 1 3.

Потери мощности при реостатном регулировании пропорциональны  потребляемой мощности и перепаду угловой  скорости, выраженному в относительных  единицах. Так, если момент нагрузки постоянен (следовательно, постоянна потребляемая мощность) и угловая скорость двигателя  уменьшается вдвое, то примерно половина мощности, потребляемой из сети, будет  рассеиваться в виде теплоты, выделяемой в реостате, т. е. данный способ регулирования (реостатный) является не экономичным.

Реостатное регулирование  скорости осуществляется простыми и  дешевыми техническими средствами и  обычно находит применение в тех  случаях, когда требования к плавности  регулирования невелики, продолжительность  работы с пониженной скоростью незначительна  и применение более совершенных  методов регулирования экономически нецелесообразно (вентиляторы, дымососы).

Регулирование скорости двигателя изменением питающего  напряжения

Для реализации рассматриваемого способа регулирования необходимо иметь источник питания, напряжение, на зажимах которого может изменяться в широких пределах. Для электродвигателей  постоянного тока в качестве таких  источников используются различного рода управляемые преобразователи электрической  энергии переменного тока в электрическую  энергию постоянного тока. Наиболее широкое применение получили электромашинные  и вентильные преобразователи. Регулирование  напряжением, так же как и реостатное, осуществляется при постоянном потоке двигателя Ф=Ф_н=const. Из уравнения

 

 

следует, что с изменением осуществляется регулирование только скорости идеального холостого хода

 

 

тогда как жесткость механических характеристик при неизменных параметрах цепи якоря сохраняется. При этом механические характеристики представляют собой семейство параллельных друг другу прямых, т. е. имеют одинаковую жесткость (как показано на рис. 5.2), что определяет относительно высокую  стабильность угловой скорости.

 

Рисунок 5.2 – Механические характеристики двигателя при изменении  питающего напряжения ( )

 

Диапазон регулирования  в системах привода без обратных связей ограничивается значением (8 10):1, а в замкнутых системах может достигать значений 1000:1 и более.

Модуль жесткости механических искусственных характеристик меньше, чем модуль жесткости естественной характеристики. Однако по сравнению  с реостатным регулированием при  регулировании в зоне низких скоростей  модуль жесткости характеристик  оказывается значительно большим, что дает возможность существенно  расширить диапазон регулирования  скорости.

Регулирование угловой скорости осуществляется вниз от основной, так  как напряжение, прикладываемое к  якорю, в большинстве случаев  может изменяться только вниз от номинального (иногда, например, при регулировании  угловой скорости двигателя с постоянными магнитами возможно регулирование как вниз, так и вверх от основной скорости — двухзонное).

Оценив технические и  экономические показатели параметрического регулирования скорости изменением напряжения, можно прийти к выводу, что высокие технические показатели регулирования скорости покупаются ценой значительного увеличения габаритов и стоимости электропривода. Дополнительные затраты, связанные  с введением управляемого преобразователя, полностью окупаются высокой  управляемостью системы, обеспечивающей возможность эффективного автоматического  управления всеми режимами работы электропривода и точного автоматического регулирования  его координат.

Регулирование скорости двигателя изменением потока возбуждения

Этот принцип регулирования  следует непосредственно из анализа  выражений для скоростной и механической характеристики:

 

 

Ток возбуждения, а значит, и поток могут изменяться лишь в сторону уменьшения по сравнению  с номинальными, так как по условиям нормальной работы обмотки возбуждения  ток в ней не может длительно  превосходить номинальную величину. Кроме того, даже кратковременное  увеличение оказывается неэффективным, так как в большинстве случаев магнитные цепи электрических машин уже при номинальном потоке близки и насыщению. Следовательно, речь идет лишь о регулировании скорости путем снижения потока или, как принято говорить, путем ослабления потока возбуждения. Основным достоинством рассматриваемого метода регулирования является то, что мощность обмотки возбуждения невелика и составляет, как правило, 2 5% мощности двигателя. Для машин малой, а иногда и средней мощности обычно используются резисторы в цепи возбуждения (рис. 5.3,а), а для крупных машин — специальные преобразователи, например генераторы, электромашинные усилители, магнитные усилители, регуляторы напряжения, вентильные преобразователи (рис. 5.3,б).

 

Рисунок 5.3 – Схемы включения  двигателя при регулировании  скорости изменением магнитного потока

 

Из равенства

 

 

следует, что для того, чтобы при разных потоках  эдс была равна одному и тому же номинальному напряжению сети , частота вращения должна увеличиваться обратно пропорционально ослаблению потока. Например, если поток ослаблен вдвое, то частота вращения должна увеличиться также вдвое и т. д.

Электромеханическим характеристикам  при изменении тока возбуждения соответствуют различные значения угловой скорости идеального холостого хода, определяемые по:

 

 

На рис. 5.4 по оси ординат  отложено значение угловой скорости идеального холостого хода для естественной характеристики, когда поток .

Значения угловых скоростей  идеального холостого хода при ослабленном  потоке и лежат, очевидно, выше .

 

Рисунок 5.4 – Электромеханические  и механические характеристики двигателя  постоянного тока параллельного  возбуждения при регулировании  угловой скорости током возбуждения

 

Все электромеханические  характеристики пересекаются с осью абсцисс в одной точке. Последнее  следует из того, что при  уравнение для любой электромеханической характеристики имеет вид:

 

 

откуда определяется ток  в якоре двигателя

 

.

 

Следовательно, при различных  токах возбуждения и при угловой  скорости двигателя, равной нулю, ток  в якорной цепи равен току короткого  замыкания двигателя. Этим значением  тока и определяется общая точка  пересечения электромеханических  характеристик.

Механические характеристики, показанные на рис. 5.4, имеют те же значения угловых скоростей идеального холостого  хода, что и для электромеханических  характеристик. Это следует из . Однако эти характеристики не пересекаются в одной точке на оси абсцисс, так как по мере уменьшения потока уменьшается и момент короткого замыкания, определяемый по формуле:

 

 

Диапазон регулирования  ограничивается различными факторами. Главным из них является ухудшение  условий коммутации с возрастанием угловой скорости, поскольку реактивная ЭДС, вызывающая искрение на коллекторе пропорциональна току и угловой  скорости, т. е. . Кроме того, при больших угловых скоростях требуется повышать механическую прочность якоря. Нижний предел угловой скорости ограничивается степенью насыщения машины и нагревом обмотки возбуждения, т. е. номинальной угловой скоростью. Большинство двигателей независимого возбуждения, не предназначенных для регулирования скорости, и допускают повышение ее только на 10 20%. Двигатели, специально сконструированные для работы с регулированием скорости, дают возможность работать со скоростью, в 3 5 раз превышающей скорость идеального холостого хода при номинальном значении магнитного потока.

Стабильность угловой  скорости при регулировании определяется относительным перепадом угловой  скорости при изменении нагрузки. В данном случае при номинальном  токе якоря как  , поэтому независимо от тока возбуждения относительный перепад сохраняется одним и тем же для естественной и искусственной характеристик, т. е. угловая скорость сравнительно стабильна.