- •Введение в мехатронику Под редакцией а.А. Радионова
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •В.1. Понятие “мехатроника”
- •В.2. Структура и принципы интеграции мехатронных систем
- •В.3. Задачи и структура учебного плана подготовки инженеров по специальности 220401 - Мехатроника
- •Контрольные вопросы
- •Глава 1. Электропривод мехатронных устройств
- •1.1. Основные понятия и законы электротехники
- •1.2. Устройство, принцип действия и характеристики электрических двигателей
- •1.2.1. Классификация электродвигателей
- •1.2.2. Двигатель постоянного тока
- •1.2.3. Асинхронный двигатель переменного тока
- •1.2.4. Синхронный двигатель
- •1.2.5. Обратимость электрических машин углового движения
- •1.2.6. Линейный электродвигатель
- •1.3. Силовые преобразователи электрической энергии
- •1.3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный
- •1.3.2. Преобразователи переменного тока
- •1.3.2.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью
- •1.3.2.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Гидропривод мехатронных устройств
- •2.1. Основные понятия и законы гидравлики
- •2.2. Устройство, принцип действия и характеристики гидравлических двигателей
- •2.2.1. Классификация гидравлических двигателей
- •2.2.2. Гидроцилиндры
- •2.2.3. Поворотные гидроцилиндры
- •2.2.4. Гидромоторы
- •2.3. Гидроаппараты
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Преобразователи движения
- •3.1. Назначение и классификация преобразователей движения
- •3.2. Зубчатые передачи
- •3.3. Червячная передача
- •3.4. Передачи с гибкой связью
- •3.4.1 Ременные передачи
- •3.4.2 Цепная передача
- •3.4.3. Тросовая передача
- •3.5. Передача винт-гайка
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Управление мехатронными модулями и системами
- •4.1. Иерархия систем управления
- •4.2. Системы управления исполнительного уровня
- •4.3. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сетей
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Введение в мехатронику
- •455000, Г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Глава 1. Электропривод мехатронных устройств
В мехатронных модулях для преобразования электрической энергии в механическую вращательного либо линейного движения применяются, как правило, системы электропривода, построенные по принципу управляемый преобразователь – электродвигатель.
Электродвигатели вращательного движения известны давно и находят широкое применение в различных областях техники. Электродвигатели линейного движения появились в конце ХХ века и по настоящее время используются крайне ограниченно. Управление координатами электродвигателей осуществляется преобразователями переменного тока в постоянный (тиристорными преобразователями) и переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты (преобразователями частоты).
1.1. Основные понятия и законы электротехники
Первопричиной всех электрических явлений в природе являются электрические заряды, носители которых – электроны содержатся в каждом атоме любого вещества. Именно упорядоченное движение электронов и определяет протекание электрического тока.
Электрической цепью называется совокупность устройств, образующих путь для электрического тока. Среди электротехнических устройств различают источники, приемники и проводники электрической энергии (рис. 1.1).
Предположим, что через участок электрической цепи (приемник энергии) под воздействием приложенного от источника энергии напряжения u проходит электрический заряд q, тогда численно мгновенное значение тока за промежуток времени dt, величина которого стремится к нулю, определится как
, (1.1)
а совершаемая при этом элементарная работа в виде
(1.2)
или с учетом (1.1)
. (1.3)
По сути, элементарная работа соответствует элементарной энергии, производная по времени которой представляет собой мгновенную мощность
, (1.4)
определяемую с учетом (1.2) и (1.3) как
. (1.5)
Из выражения (1.5) следует, что мгновенная мощность электрической энергии положительна при одинаковых знаках u и i и отрицательна при разных знаках. Если р>0, то энергия поступает в устройство (приемник), если р<0, то энергия вырабатывается устройством (источник).
Для передачи электрической энергии на расстояния используют трехфазный переменный ток (рис. 1.2). В такой системе электрических цепей действуют три синусоидальных напряжения одной и той же частоты
(1.6)
сдвинутых относительно друг друга на электрических градусов:
(1.7)
В практике применения систем переменного тока широко используют понятие действующего значения электрической величины – ее среднеквадратичного значения за период
, . (1.8)
При условии, что
, (1.9)
аналогично
. (1.10)
Физическая сущность действующего значения может интерпретироваться следующим: в нагрузке, к которой приложено синусоидальное напряжение амплитудой Um выделится такое же количество энергии, которое выделилось бы при приложении к ней постоянного напряжения величиной U.
Все электрические цепи состоят из компонентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов, тиристоров, транзисторов, электрических двигателей и др.), которые характеризуются величинами электрического сопротивления, емкости и индуктивности.
Величина сопротивления R участка цепи определяется по закону Ома (1826 г.)
. (1.11)
В приведенном выражении предполагается, что положительные направления тока и напряжения совпадают, т.е. величина сопротивления всегда имеет положительное значение.
Индуктивность L – идеализированный элемент электрической цепи, в котором происходит накопление энергии магнитного поля. Индуктивность определяется как отношение потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе
. (1.12)
Как и сопротивление, величина индуктивности всегда имеет положительный знак.
На основании закона электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла изменение потокосцепления самоиндукции вызывает электродвижущую силу (э.д.с.) самоиндукции
. (1.13)
Знак минус учитывает противодействие этой э.д.с. изменению потокосцепления.
Поскольку величина индуктивности L не зависит от тока i, то выражение (1.13) с учетом (1.11) примет вид
. (1.14)
Величина
(1.15)
называется падением напряжения на индуктивности. В соответствии с (1.14) ток в индуктивности определится по зависимости
. (1.16)
Таким образом, из приведенных рассуждений следует, что под действием внешних факторов напряжение, прикладываемое к индуктивности, может изменяться мгновенно, а изменение тока в ней будет происходить при этом в течение некоторого времени.
Емкостью C называют идеализированный элемент электрической цепи, в которой осуществляется накопление электрического поля. Емкость является количественной оценкой отношения заряда к напряжению на элементе
. (1.17)
Поскольку заряд и напряжение имею один знак, то всегда С > 0.
Если в общем случае ток есть производная электрического заряда по времени (см. (1.1)), то протекающий по емкости ток определится в виде
, (1.18)
тогда напряжение на емкости составит
. (1.19)
Анализ выражений (1.18) и (1.19) позволяет заключить, что под действием внешних факторов ток в емкости может изменяться мгновенно, а изменение напряжения при этом будет происходить в течение некоторого времени.
Источником энергии в электрических цепях являются источники э.д.с. и источники тока. Идеальный источник э.д.с. представляет собой активный элемент с двумя выводами, напряжение на которых не зависит от тока, проходящего через него. Предполагается, что внутри такого идеального источника рассмотренные выше элементы R, L, C отсутствуют и поэтому прохождение тока не вызывает на нем падения напряжения. Вольт-амперная характеристика идеального источника э.д.с приведена на рис. 1.3, а, прямая 1. В действительности же реальные источники электрической энергии обладают как внутренним сопротивлением, так и индуктивностью, а их вольт-амперная характеристика имеет вид прямой 2 (рис.1.3, а).
Источник тока представляет собой элемент, ток которого не зависит от напряжения на его выводах. На рис. 1.3, б приведена вольт-амперная характеристика идеального 1 и реального 2 источников тока.
В преобразователях электроприводов широкое применение также находят нелинейные компоненты – диоды, тиристоры и мощные транзисторы. На рис. 1.4 приведены условные обозначения этих компонентов и отражающие их основные свойства вольт-амперные характеристики.
Диодами называют двухэлектродные компоненты электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Величина внутреннего сопротивления диода зависит от полярности напряжения, приложенного к его электродам. На прямой ветви (рис. 1.4, а) внутреннее сопротивление диода будет мало, на обратной – наоборот, велико. Иначе говоря, в прямом направлении диод пропускает электрический ток, а в обратном нет.
Рис. 1.4. Вольт-амперные характеристики диода (а),
тиристора (б) и силового транзистора (в)
Основным недостатком диода, ограничивающим его применение в силовых электронных преобразователях, является невозможность управлением моментами включения и выключения – открытия и закрытия. Частично этот недостаток решен в полууправляемом силовом компоненте – тиристоре, вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 1.4, б. Включение тиристора осуществляется подачей импульса на управляющий электрод и только при условии наличия прямого напряжения на его силовых электродах. Выключение же происходит исключительно при изменении полярности напряжения на последних.
На рис. 1.4, в приведена вольт-амперная характеристика силового транзистора. Транзистор является полностью управляемым прибором и позволяет осуществлять коммутацию цепей вне зависимости от величины напряжения на его электродах путем подачи, либо снятия импульса с управляемого электрода.
В электротехнике основными законами электрических цепей наряду с законом Ома являются законы баланса токов в узле – первый закон Кирхгофа и баланса напряжений в замкнутых участках цепи – второй закон Кирхгофа.
На рис. 1.5, а показан электрический узел, а на рис. 1.5, б – электрический контур. Первый закон Кирхгофа гласит: “алгебраическая сумма токов в узле равна нулю”
(1.20)
или для узла на рис. 1.5, а
. (1.21)
Первый закон Кирхгофа выражает тот факт, что в узле электрический заряд не накапливается и не расходуется.
Второй закон Кирхгофа – “алгебраическая сумма э.д.с. в любом контуре цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на элементах этого контура”
, (1.22)
или для контура на рис. 1.5, б может быть записан в виде
. (1.23)