Вопрос №24

См. документ pdf

Вопрос №25

См. документ pdf Дроздова, стр.7-14

Вопрос №26

См. документ pdf

Вопрос №27

Электроприводом называется устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии в механическую и обеспечивающее электрическое управ­ление преобразованной механической энергией.

Автоматизированный электропривод (АЭП) представляет со­бой электромеханическую систему, состоящую из автоматическо­го управляющего устройства (АУУ), преобразователя мощности, передаточного устройства и электродвигателя, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей ма­шины и управления этим движением. Электродвигатель и рабо­чая машина в данном случае представляют собой объект управления.

Основ­ными элементами электропривода являются: электродви­гатель, аппаратура управления и защиты, про­межуточные передачи, соединяющие электродвигатель с рабочей машиной.

В некоторых приводах промежуточная передача отсутствует (привод насосов, вентиляторов и др.). С целью повышения гибкости управления и улуч­шения характеристик питание электродвигателя иногда осуществляется от управляемого выпрямителя, генерато­ра пли преобразователя частоты, которые также являют­ся элементами электропривода. В большинстве случаев привод получает электроэнергию от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц, напряже­нием от 380 до 10 000 В.

Передаточное устройство предназначено для передачи механической энергии от электро­двигателя к исполнительному органу рабочей машины и согла­сования вида и скорости их движения. В качестве исполнитель­ного органа могут служить валки прокатного стана, барабан кранового механизма, механизм перемещения электрода и т. п. В качестве передаточного устройства используют редукторы, планетарные и реечная передачи, муфты и т. п.

Основные технологические агрегаты и машины металлургического производства имеют автоматизированный электропривод.

Общая структурная схема электропривода приведена на рис. 1. Основным элементом ЭП является электрический двигатель (ЭД), который вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет потребляемой от источника электроэнергии (ИЭЭ) электриче­ской энергии (ЭЭ). В некоторых режимах работы ЭП электродви­гатель осуществляет и обратное преобразование энергии, получая механическую энергию от исполнительных органов (ИО) и рабо­тая при этом в генераторном режиме. От электродвигателя механическая энергия подается на испол­нительный орган рабочей машины (РМ) через механическую пе­редачу (МП). В некоторых случаях ИО непосредственно соединя­ется с ЭД, что соответствует безредукторному ЭП. Электрическая энергия поступает в ЭП от источника электро­энергии через преобразователь электрической энергии (Пр). Функции управления и автоматизации работы ЭП осуществ­ляются устройством управления (УУ). Преобразователь Пр вместе с устройством управления УУ образуют систему управления (СУ) электропри­вода.

Рисунок 1 – Структурная схема электропривода

Назначение указанных на схеме рис. 1 элементов состоит в следующем.

Электродвигатель - электромеханический преобразователь, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую (в некоторых режимах работы ЭП - для обратного преобразования энергии).

Преобразователь электроэнергии - электротехническое устрой­ство, предназначенное для преобразования электрической энер­гии одних параметров или показателей в электроэнергию других параметров или показателей и управления процессом преобразо­вания энергии.

Механическая передача - механический преобразователь, пред­назначенный для передачи механической энергии от электродви­гателя к исполнительному органу рабочей машины и согласова­ния вида и скоростей их движения.

Управляющее устройство - совокупность элементов и устройств, предназначенная для формирования управляющих воздействий в ЭП и обеспечивающая взаимодействие ЭП с сопредельными си­стемами его отдельных частей.

Система управления ЭП - совокупность преобразователя элек­троэнергии и устройства управления, предназначенная для уп­равления электромеханическим преобразованием энергии в целях обеспечения заданного движения исполнительного органа рабо­чей машины.

Рабочая машина - машина, осуществляющая изменение фор­мы, свойств, состояния и положения предметов труда.

Исполнительный орган рабочей машины - движущийся элемент рабочей машины, выполняющий технологическую операцию.

В табл. 1 приведены наиболее распространенные примеры ре­ализации элементов ЭП.

Классификация электроприводов:

В настоящее время в соответствии с ДСТУ - 16593 ЭП классифицируются по следующим характеристикам:

1. По количеству и связи исполнительных рабочих органов:

- индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится одним самостоятельным двигателем;

- групповой, в котором один двигатель приводит в действие исполнительные органы РМ или несколько органов одной РМ;

- взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ;

- многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал;

- электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

2. По типу управления и задаче управления:

- автоматизированный ЭП, управляемый путем автоматического регулирования пара-метров и величин;

- программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специали-зированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой;

- следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления;

- позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного орга-на РМ;

- адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

3. По характеру движения:

- ЭП с вращательным движением;

- линейный ЭП с линейными двигателями;

- дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

4. По наличию и характеру передаточного устройства:

- редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором;

- электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством;

- магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энер-гию движения токопроводящей жидкости.

5. По роду тока:

- переменного тока;

- постоянного тока.

6. По степени важности выполняемых операций:

- главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в много-двигательных ЭП);

- вспомогательный ЭП.

Вопрос №28

Уравнения движения электропривода

Механическая часть электропривода представляет собой си­стему твердых тел, на движение которых наложены ограни­чения, определяемые механическими связями. Уравнения меха­нических связей устанавливают соотношения между перемещениями в системе, а в тех случаях, когда задаются соотно­шения между скоростями ее элементов, соответствующие урав­нения связей обычно интегрируются. В механике такие связи называются голономными. В системах с голономными связями число независимых переменных — обобщенных координат, определяющих положение системы, - равно числу степеней сво­боды системы. Известно, что наиболее общей формой записи дифференциальных уравнений движения таких систем являются уравнения движения в обобщенных координатах (уравнения Лагранжа):

Рис.1.7. Исходная расчетная схема механической части

где W_к —запас кинетической энергии системы, выраженный через обобщенные координатыq_iи обобщенные скоростиq_i;Q_i=A_i /q_i —Aобобщенная сила, определяемая суммой элемен­тарных работ_i, всех действующих сил на возможном пере­мещенииq_i

или

где L — функция Лагранжа; Q’_i — обобщенная сила, опреде­ляемая суммой элементарных работ А_i всех внешних сил на возможном перемещении q_i.

Функция Лагранжа представляет собой разность кинети­ческой W_ки потенциальнойW_пэнергий системы, выражен­ных через обобщенные координатыq_iи обобщенные ско­рости т. е.

Уравнения Лагранжа дают единый и достаточно простой метод математического описания динамических процессов в механической части привода; их число определяется только числом степеней свободы системы.

В качестве обобщенных координат могут быть приняты как различные угловые, так и линейные перемещения в си­стеме. Поэтому при математическом описании динамики меха­нической части привода с помощью уравнений Лагранжа предварительного приведения ее элементов к одной скорости не требуется. Однако, как было отмечено, до выполнения операции приведения в большинстве случаев невозможно количественно сопоставлять между собой различные массы системы

Рис. 1.8. Двухмассовая расчет­ная схема механической части

и жесткости связей между ними, следовательно, невозможно выделить главные массы и главные упругие связи, определяю­щие минимальное число степеней свободы системы, подлежа­щее учету при проектировании. Поэтому составление приведен­ных расчетных механических схем и их возможное упрощение являются первым важным этапом расчета сложных электро­механических систем электропривода независимо от способа получения их математического описания.

Получим уравнения движения, соответствующие обобщен­ным расчетным механическим схемам электропривода, пред­ставленным на рис. 1.2. В трехмассовой упругой системе обобщенными координатами являются угловые перемещения масс ₁,₂,₃им соответствуют обобщенные скорости₁,₂и₃. Функция Лагранжа имеет вид

Для определения обобщенной силы Q’_iнеобходимо вычис­лить элементарную работу всех приложенных к первой массе моментов на возможном перемещении:

Следовательно,

Аналогично определяются две другие обобщенные силы:

Подставляя (1.34) в (1.32) и учитывая (1.35) и (1.36), получаем следующую систему уравнений движения:

В (1.37) пропорциональные деформациям упругих связей моменты являются моментами упругого взаимодействия между движущимися массами системы:

С учетом (1.38) систему уравнений движения можно пред­ставить в виде

Рассматривая (1.39), можно установить, что уравнения дви­жения приведенных масс электропривода однотипны. Они отра­жают физический закон (второй закон Ньютона), в соответ­ствии с которым ускорение твердого тела пропорционально сумме всех приложенных к нему моментов (или сил), вклю­чая моменты и силы, обусловленные упругим взаимодействием с другими твердыми телами системы.

Очевидно, повторять вывод уравнений движения вновь, переходя к рассмотрению двухмассовой упругой системы, нет необходимости. Движение двухмассовой системы описывается системой (1.39) при J₃= 0 иM₂₃= 0:

г де

Переход от двухмассовой упругой системы к эквивалентно­му жесткому приведенному механическому звену для боль­шей наглядности его физической сути полезно выполнить в два этапа. Вначале положим механическую связь между первой и второй массами (см. рис. 1.2,б) абсолютно жесткой (с₁₂ =). Получим двухмассовую жесткую систему, расчетная схема ко­торой показана на рис. 1.9. Отличием ее от схемы на рис. 1.2,б является равенство скоростей масс₁ = ₂ ,= при этом в соответствии со вторым уравнением системы (1.40)

Рис. 1.9. Двухмассовая жест­кая механическая система

Уравнение (1.41) характеризует нагрузку жесткой механи­ческой связи при работе электропривода. Подставив это вы­ражение в первое уравнение системы (1.40), получим

Следовательно, с учетом обозначений на рис. 1.2, в М_с=М­_с1+М_с2; J_ = J₁ + J₂, и уравнение движения электропри­вода имеет вид

Это уравнение иногда называют основным уравнением движения электропривода. Действительно, значение его для анали­за физических процессов в электроприводе исключительно ве­лико. Как будет показано далее, оно правильно описывает движение механической части электропривода в среднем. Поэтому с его помощью можно по известному электромагнит­ному моменту двигателя и значениям М_сиJ_ оценить сред­нее значение ускорения электропривода, предсказать время, за которое двигатель достигнет заданной скорости, и решить многие другие практические вопросы даже в тех случаях, когда влияние упругих связей в системе существенно.

Как было отмечено, передачи ряда электроприводов содер­жат нелинейные кинематические связи, типа кривошипно-шатунных, кулисных и других подобных механизмов. Для таких механизмов радиус приведения является переменной величиной, зависящей от положения механизма, и при получении мате­матического описания необходимо это обстоятельство учиты­вать. В частности, для приведенной на рис. 1.10 схемы кривошипно-шатунного механизма

где R_к— радиус кривошипа.

Имея в виду механизмы, аналогичные показанному на рис. 1.10, рассмотрим двухмассовую систему, первая масса которой вращается со и представляет собой суммарныйскоростью двигателя приведенный к валу двигателя момент инер­ции всех жестко и линейно связанных вращающихся элемен­тов J₁, а вторая масса движется с линейной скоростьюv и представляет собой суммарную массутэлементов, жестко и линейно связанных с рабочим органом механизма. нелинейна, причемиСвязь между скоростями ). Для полу­ченияр = р ( уравнения движения такой системы без учета упругих связей воспользуемся уравнением Лагранжа (1.31), приняв в . Вначале определимкачестве обобщенной координаты угол обобщенную силу:

где М’_с —суммарный момент сопротивления от сил, воздей­ствующих на линейно связанные с двигателем массы, приве­денный к валу двигателя;f_c — результирующая всех сил, при­ложенных к рабочему органу механизма и линейно связанным с ним Sэлементам; — возможное бесконечно малое перемеще­ние массыm. Следовательно,

где р )( S/= — радиус приведения.

При наличии нелинейной механической связи рассматри­ваемого типа момент статической нагрузки механизма содер­жит пульсирующую составляющую нагрузки, :изменяющуюся в функции угла поворота

Запас кинетической энергии системы

здесь J_)( — суммарный приведенный к валу двигателя мо­мент инерции системы.

В применении к данному случаю левая часть уравнения (1.31) записывается так:

Р ис. 1 10. Кривошипно-шатунный меха­низм

Таким образом, в рассматриваемом случае уравнение дви­жения жесткого приведенного звена имеет вид

Рассматривая (1.45), нетрудно установить, что при нали­чии нелинейных механических связей уравнение движения электропривода существенно усложняется, так как становится нелинейным, содержит переменные коэффициенты, зависящие от углового перемещения ротора двигателя, и момент нагрузки, являющийся периодической функцией угла поворота.

Полученные математические описания динамических про­цессов в механической части электропривода, представляемой обобщенными схемами, позволяют анализировать возможные режимы движения электропривода. Условием динамического процесса в системе, описываемой (1.42), /dtявляется d  0, т. е. наличие изменений скорости электропривода. Для анализа статических режимов работы электропривода необходимо /dt=0по­ложитьd.Соответственно уравнение статического ре­жима работы электропривода с жесткими и линейными меха­ническими связями имеет вид

Если при движении М М_с/dt,d  0, то имеет место или динамический переходный процесс, или установившийся дина­мический процесс. Последнее соответствует случаю, когда при­ложенные к системе моменты содержат периодическую состав­ляющую, которая после переходного процесса определяет при­нужденное движение системы с периодически изменяющейся скоростью.

В механических системах с нелинейными кинематическими связями в соответствии с (1.45) статические /dt=0режимы работы отсутствуют. Если d =const,и в таких системах имеет место установившийся динамический процесс движения. Он обусловлен тем, что массы, движущиеся линейно, совершают принужденное возвратно-поступательное движение, и их ско­рость и ускорение являются переменными величинами.

С энергетической точки зрения режимы работы электро­привода разделяются на двигательные и тормозные, отли­чающиеся направлением потока энергии через механические передачи привода (см. § 1.2). Двигательный режим соответ­ствует прямому направлению передачи механической энергии, вырабатываемой двигателем, к рабочему органу механизма. Этот рёжим обычно является основным для проектирования механического оборудования, в частности редукторов. Однако при работе электропривода достаточно часто складываются условия для обратной передачи механической энергии от ра­бочего органа механизма к двигателю, который при этом должен работать в тормозном режиме. В частности, для элек­троприводов с активной нагрузкой двигательный и тормозной режимы работы вероятны практически в равной степени. Тор­мозные режимы работы электропривода возникают также в переходных процессах замедления системы, в которых осво­бождающаяся кинетическая энергия может поступать от соот­ветствующих масс к двигателю.

Изложенные положения позволяют сформулировать пра­вило знаков момента двигателя, которое следует иметь в виду при использовании полученных уравнений движения. При прямом направлении ее знак положителен, следовательно,передачи механической мощности Р = М движущие моменты дви­гателя должны иметь знак, совпадающий со знаком скорости. В тормозном режиме Р < 0, поэтому тормозные моменты дви­гателя должны иметь знак, противоположный знаку скорости.

При записи уравнений движения были учтены направле­ния моментов, показанные на обобщенных расчетных схемах, в частности на рис. 1.2, в. Поэтому правило знаков для моментов статической нагрузки другое: тормозные моменты нагрузки должны иметь знак, совпадающий со знаком ско­рости, а движущие активные нагрузки — знак, противополож­ный знаку скорости.