Курс лекций

СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

для электромехаников речных училищ специальности 180407.51

Глава I. Теоретические основы электропривода

Раздел I. Механика электропривода

Лекция 1

тема занятий: Основное уравнение вращательного движения

Вопросы:

1.1. Определение электропривода

1.2. Электромагнитный и статический моменты

1.3. Основное уравнение вращательного движения

Определение электропривода

Электроприводом называется электромеханическое устройство, состоящее из электродвигателя, аппаратов управления им и передаточного устройства от двигателя к исполнительному механизму.

Основные электромеханические параметры электродвигателя: мощность, напряжение, сила тока, угловая скорость, вращающий момент, КПД и коэффициент мощности.

Электромагнитный и статический моменты

Во время работы электропривода на вал двигателя одновременно действует электромагнитный момент самого двигателя и статический момент, создаваемый исполнительным механизмом и передаточным устройством (например, редуктором). Каждый из этих моментов может быть как движущим, так и тормозным.

Моменты, действующие согласно направлению вращения вала ЭД считаются положительными, а направленные навстречу ему – отрицательными.

Все статические моменты по характеру действия делятся на активные (потенциальные) и реактивные.

Активным называется момент, который независимо от направления движения всегда действует в одну сторону. Таким образом, он может быть как тормозным (отрицательным), так и движущимся (положительным).

Активный момент создается за счет ранее запасенной или получаемой извне энергии и поэтому действует независимо от того, находится система в движении или она неподвижна.

Примерами активных моментов являются моменты от силы тяжести, а также от растяжения, сжатия и скручивания упругих тел, от силы ветра.

Активный момент, в отличие от реактивного, сохраняет свой знак при изменении направления вращения привода.

Судовым механизмам в большей части присущи статические моменты реактивного характера. К таким механизмам относятся: насосы, компрессоры, вентиляторы, станки механической мастерской и др. При работе электродвигателя с механизмами данного типа он всегда развивает вращающий момент, направленный в сторону движения механизма, и затрачивает его на преодоление момента сопротивления.

Реактивный момент создается как реакция среды на движение электромеханической системы. Поэтому он действует лишь во время движения и всегда навстречу ему.

Т.о. с изменением направления движения реактивный момент изменяет направление действия и во всех случаях является тормозным (отрицательным).

Примерами реактивного момента являются: моменты сил трения в опорах элементов электромеханических систем, сопротивление жидкости или воздуха на лопастях центробежных насосов и вентиляторов, сопротивления от сжатия, растяжения неупругих тел, резания.

Все эти моменты препятствуют движению привода.

Статические моменты грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств являются в основном потенциальными (активными). Однако этим механизмам из-за сил трения в передаче свойственны также и реактивные моменты.

Действующий на вал ЭД статический момент представляет собой алгебраическую сумму моментов, создаваемых рабочим органом машины и силами трения в кинематической передаче:

М_ст = - М_р + М_а (1.1)

М_р – реактивный момент,

М_а – потенциальный или активный момент.

Полный статический момент может быть как отрицательным, так и положительным. Если ЭД работает на подъеме груза, то активный момент М_п, создаваемый грузом, и реактивный момент сил трения механизма являются отрицательными (тормозными) и в сумме создают нагрузку на ЭД, который при этом развивает положительный движущий момент.

При работе ЭД на спуск, если момент сил трения превышает создаваемый грузом момент (статический момент отрицательный), то для опускания груза необходимо, чтобы двигатель создавал направленный в сторону спуска движущий момент, который вместе с моментом, создаваемым грузом, преодолевал бы момент сил трения. Такой спуск называется силовым и осуществляется в грузоподъемных механизмах при опускании ненагруженного гака.

При опускании тяжелого груза, когда момент, создаваемый грузом, превышает момент сил трения, статический момент положителен. В этом случае ЭД, включенный на подъем, вместе с силами трения создает тормозной (отрицательный) момент и ограничивает скорость спуска.

Т.о. характер статической нагрузки оказывает существенное влияние на работу ЭП.

Основное уравнение вращательного движения

При работе двигателя в установившемся режиме, когда его вращающий момент М равен статическому моменту М_ст и скорость вращения постоянна, справедливо уравнение:

М = М_ст М – М_ст = 0

Изменение нагрузки на валу электродвигателя, а также изменение параметров питающей сети вызовут переход электропривода от одного установившегося режима работы к другому.

Продолжительность переходного режима электропривода зависит в основном от момента инерции или махового момента рабочей машины и электродвигателя.

В переходном режиме кроме вращающегося момента электродвигателя и статического момента нагрузки М_ст, действует динамический или избыточный момент привода М_дин.

Переходной режим выражается уравнением:

М – М_ст = М_дин

Основное уравнение динамики:

М – М_ст = ± (1.2)

где ω – угловая скорость, рад /c

J – момент инерции, кг · м²

J – момент инерции тела относительно оси вращения или момент инерции вращающихся масс. Момент инерции при вращательном движении соответствует массе тела m при поступательном движении.

Момент инерции характеризует инерционность вращающихся частей электропривода.

J = m ρ²,

где m – масса вращающегося тела, кг;

ρ – приведенный радиус инерции относительно оси вращения, м.

Анализ основного управления движения (1.2) показывает, что в зависимости от значения динамического момента, для электропривода возможны три состояния:

1. М > М_ст М_дин > 0 > 0 ускорение электропривода (разгон).

2. М = М_ст М_дин = 0 =0 установившееся равномерное дви-

жение электропривода с постоян-

ной скоростью.

3. М < М_ст М_дин < 0 <0 замедление электропривода

(торможение).

Лекция 2

тема занятий: Механические характеристики электродвигателей и производственных механизмов

Вопросы:

2.1. Понятия о механических и электромеханических характеристиках

2.2. Жесткость механической характеристики

2.3. Механические характеристики производственных механизмов

2.4. Двигательный и тормозной режимы работы электропривода

Понятия о механических и электромеханических характеристиках

Механической характеристикой электродвигателя называют зависимость скорости двигателя от создаваемого им электромагнитного момента:

ω = ƒ(М) (2.1)

Различают естественные и искусственные механические характеристики.

Естественной называется характеристика, снятая при нормальных условиях работы двигателя, т.е. при нормальных параметрах питающей сети (U_НОМ, ƒ_НОМ) и отсутствии добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя.

Характеристики, снятые при условиях, отличных от нормальных, называют искусственными.

Для каждого двигателя можно получить одну естественную и множество искусственных механических характеристик.

Наряду с механическими характеристиками, электромеханические свойства ЭД отражают также электромеханические характеристики, являющиеся одним из видов рабочих характеристик, и представляют собой зависимость угловой скорости ЭД от тока, протекающего по цепи якоря или ротора:

ω = ƒ( I ) (2.2)

Жесткость механической характеристики

С увеличением момента нагрузки на валу скорость всех двигателей, кроме синхронных, уменьшается.

Характер изменения угловой скорости двигателя с изменением момента сопротивления определяет жесткость механической характеристики.

Критерием оценки жесткости механической характеристики является крутизна , которая показывает отношение изменения угловой скорости к изменению момента.

=

и - изменения угловой скорости и момента, отнесенные к соответствующим номинальным значениям.

По степени жесткости различают механические характеристики трех видов:

1) абсолютно жесткие, для которых = 0, такую характеристику имеют синхронные двигатели. При изменении момента угловая скорость не изменяется;

2) жесткие, для которых ≤ 0,1. У этих электродвигателей при значительном изменении момента скорость изменяется в малой степени.

Такими характеристиками обладают ЭД постоянного тока параллельного возбуждения и асинхронные электродвигатели в пределах рабочей части их характеристик (верхняя часть кривой).

3) мягкие, для которых > 0,1. У этих электродвигателей при небольшом изменении момента происходит значительное изменение их угловой скорости.

Такими характеристиками обладают ЭД постоянного тока последовательного, смешанного возбуждения и ЭД в системе ГД с противокомпаудной обмоткой.

Степень жесткости механической характеристики является одним из основных электромеханических свойств ЭД.

Механические характеристики производственных механизмов

С изменением скорости изменяются также и статические моменты сопротивления ряда исполнительных механизмов.

Зависимость между статическим моментом и угловой скоростью М_ст = ƒ(ω) называется механической характеристикой производственного механизма.

По характеру этой зависимости судовые механизмы можно разделить на несколько групп:

1. Механизмы, у которых статический момент сопротивления не зависит от скорости вращения и остается постоянным. Т.е. момент сопротивления не зависит от каких-либо других параметров, кроме загрузки машины.

М_ст = const

Эти моменты создаются массой поднятого груза и силами трения.

К этой группе механизмов относятся: грузоподъемные устройства (лебедки, краны, лифты). Момент на валу их зависит при движении только от силы тяжести поднимаемого груза.