1. Состав и назначение систем автоматизированного электропривода

Электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую и управления преобразуемой энергией называется электроприводом. Система электропривода состоит из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движе­нием. На рисунке 1.1 представлена полная функциональная схема автоматизированного электропривода производственного механизма. Система управления СУ привода, включающая в себя силовую (ССУ) и информационную (ИСУ) составляющие (ИСУ осущ-ет текущий контроль состояния технологич. процесса и ЭП и формирует сигнал управления для ССУ), получает питание от сети с параметрами U_c,I_c,f_c и преобразует их для питания двигателя ЭД в соответствии с режимом работы последнего. Передаточный механизм ПМ служит для преобразования механических параметров на валу ЭД – момента М_В и частоты вращения ω_В и передачи их исполнительному механизму ИМ. ССУ, ЭМП, РД, ПМ и ИМ – составляют силовой канал ЭД, т.е. канал по кот. транспортируется преобразуемая энергия. Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь. В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии. Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Рисунок 1.1

В замкнутых системах АЭП сигнал управления формируется при сравнении сигналов задающего устройства (ЗУ) и датчиков обратных связей (ДОС). В конкретных агрегатах могут отсутствовать отдельные элементы схемы. ЭМП – электромеханический преобразователь, РД- ротор двигателя.

2 . Уравнение движения электропривода, вывод и анализ

Рассмотрим простейшую механическую систему, состоящую из вращающейся части двигателя (ротора или статора - РД) и рабочего органа (РО) механизма, имеющего вращательное движение, присоединенного непосредственно к валу двигателя. В системе действуют два момента – момент, развиваемый двигателем М_Д и момент статической нагрузки М_С, в который входят момент, создаваемый рабочим органом механизма и моменты трения. Эти моменты характеризуются величиной и направлением действия.

Если М_Д и М_С действуют в направлении движения, их называют движущими, если их знаки противоположны знаку скорости, моменты называют тормозящими. В соответствии с принципом Деламбера, совместное действие М_Д и М_С определит величину и знак динамического момента , определяющего ускорение системы. Таким образом, уравнение движения системы в общем случае имеет вид

. (1.1)

Проведем простейший анализ уравнения (1) для двигательного режима работы ЭП, когда

. (1.2)

При М_Д > М_С dω/dt > 0 и имеет место режим ускорения привода, при М_Д < М_С dω/dt < 0 и имеет место режим замедления привода, а при М_Д = М_С динамический момент и ускорение равны нулю. Первые два режима называют переходными, а последний – установившимся (стационарным). Инерционный ( динамич.) момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода.

3. Приведение моментов статической нагрузки к валу двигателя. Обычно между ЭД и РО находится одно или несколько передаточных устройств (ПУ). Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов, каждый из кот. совершает различные вращательные или поступательные движения. Все элементы схемы движутся с различными скоростями и ускорениями и имеют свои моменты инерции, что затрудняет составление и анализ уравнения движения всей системы. Поэтому на практике все моменты статической нагрузки и моменты инерции приводятся к какому – либо одному валу, обычно к валу двигателя и относительно этого вала решают уравнение движения. При приведении моментов статической нагрузки исходим из равенства мощности в реальной и приведенной схемах: , откуда . где i- хар-ет реальную схему (т.е. это передаточное число ПМ или редуктора).При возвратно – поступательном движении , .Суммарный приведенный к валу двигателя момент сопротивления .

4. Приведение моментов инерции к валу двигателя. Обычно между ЭД и РО находится одно или несколько передаточных устройств (ПУ). Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов, каждый из кот. совершает различные вращательные или поступательные движения. Все элементы схемы движутся с различными скоростями и ускорениями и имеют свои моменты инерции, что затрудняет составление и анализ уравнения движения всей системы. Поэтому на практике все моменты статической нагрузки и моменты инерции приводятся к какому – либо одному валу, обычно к валу двигателя и относительно этого вала решают уравнение движения.При приведении моментов инерции исходим из равенства запасов кинетической энергии в реальной и приведенной схемах. Суммарный запас кинетич. энергии движущихся частей привода, отнесенный к одной оси, остается неизменным. При вращательном движении . При возвратно – поступательном движении где , где ; .

Суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции

5 . Типовые статические нагрузки ЭП. Активные и реактивные силы и моменты нагрузки. Статический момент Мс или момент сопротивления включает все механические потери в системе. Моменты сопротивления можно разделить на две категории: реактивные моменты – моменты сопротивления от сжатия, моменты трения и т.д., и активные (потенциальные) моменты – моменты силы тяжести, сжатия, растяжения , скручивания упругих тел. Активные силы и моменты – это силы и моменты, создаваемые внешними по отношению к двигателю источниками механической энергии независимо от движения электропривода. Пример – момент, создаваемый весом опускаемого или поднимаемого груза (рисунок 1). Момент сопротивления при этом равен , и направлен вниз, независимо от направления вращения вала двигателя. Величина М_С не зависит от скорости перемещения груза. Реактивными силами и моментами называются силы и моменты сопротивления движению, возникающие как реакция на активный движущий момент, развиваемый двигателем. Реактивные силы и моменты зависят от скорости и подразделяются на силы и моменты сухого трения, вязкого трения и силы и моменты вентиляторного типа. Силы и моменты сухого трения (рисунок 2.2) неизменны по модулю, но скачком меняют свой знак при изменении знака скорости: . Они характерны для станочных приводов подачи, вентилей, дросселей и т.д. На рисунке 2.3 изображен нагрузочный момент вязкого трения, характеризующийся линейной (или близкой к ней) зависимостью величины от скорости - Зависимость нагрузочного момента от угловой скорости вентилятора, центробежного насоса, центрифуги имеет вид, показанный на рисунке 2.4, называется вентиляторным и описывается формулой , где n = 1,5…2.5.

6. Понятие о статической устойчивости работы привода Движение привода в установившемся режиме может быть устойчивым или неустойчивым. Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от уст-шегося значения привод возвратится в точку установив-ся режима. При неустойчивом движении любое, даже самое малое отклонение ω от ω_УСТ приводит к изменению состояния: привод не вернется в точку установившегося режима. привод статически устойчив если в точке установившегося режима выполняется условие dM/dw-dMc/dw<0. (при положительном приращении угловой скорости момент двигателя меньше статического момента, т.е. привод вследствие этого затормозится до прежнего значения скорости; при отрицательном приращении угловой скорости момент двигателя окажется больше момента сопротивления и привод разгонится до прежнего значения скорости).

В качестве примера рассмотрим работу АЭП на механизм с моментом сопротивления М_С. Пусть при работе в точке «а» по какой – либо причине ω < ω_УСТ. Тогда в соответствии с механическими характеристиками М > М_С возникает положительный динамический момент М_ДИН = М – М_С > 0, которому соответствует положительное ускорение dω/dt > 0 и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво. Если при работе в точке «а» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво. Если при работе в точке «b» ω > ω_УСТ, М > М_С, М_ДИН = М – М_С > 0, ускорение dω/dt > 0 и скорость становится еще выше. Если при работе в точке «b» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и скорость становится еще ниже. Таким образом, работа системы в точке «b» статически неустойчива.

7 . Естественные электромех. и мех. хар-ки ДПТ НВ. Схема включ. ДПТ НВ предствлена на рис. 2.7. Якорь двигателя М и обмотка воз-ния получают питание от разных независимых источников, что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре Д и обмотке возб-ния и выполнять их на разные номин. напр-ия. Электромеханические и электромагнитные процессы в ДПТ НВ описываются уравнениями электрического равновесия (Кирхгофа) цепей якоря и обмотки возбуждения, а также уравнением электромагнитного момента:

2.1

Из совместного решения системы уравнений (2.1) получаем уравнение электромеханической характеристики ω = f(I) (2.2)

и уравнение механической характеристики ω = f(M)

(2.3). В установившемся режиме работы привода ,

и уравнения 2,3 приобретают вид (2.4) и (2.5).

Х арактеристики, построенные при номинальных значениях напряжения и потока и R_доб = 0, называются естественными, при U_Я ≠ U_Н, Ф ≠ Ф_Н или R_доб ≠ 0 – искусственными электромех. или мех. хар-ми. Хаар-ными точками электромех. хар-ки (рисунок 2) являются точки идеального холостого хода (I = 0, ω = ω₀ = U_Н/kФ_Н), короткого замыкания (I = I_К = U_Н/R_ЯΣ, ω = 0) и номинального режима (I_Я = I_Н, ω = ω_Н). По любой паре из этих координат можно построить хар-ку. Используя введенные значения жесткости характеристик ; (2.6),

можно записать следующие выражения для электромех. и мех. хар-к: ; ; (2.7).Жесткость ест. хар-ки зависит от внутр. сопр-ия якорной цепи двигателя, кот. включ. собственное сопр-ие якорной обмотки, сопр-ие обмотки доп-ых полюсов, компенсационной обмотки и щеток.