- •Тема 10 основы электропривода
- •10.1. Основные понятия и основы кинематики электроприводов.
- •10.2. Нагревание и охлаждение электрических машин.
- •10.3. Выбор мощности и проверка электродвигателя на нагрев и перегрузочной способности. Содержание
- •10.1. Основные понятия и основы кинематики электроприводов
- •10.1.1. Назначение и структура электроприводов
- •10.1.2. Элементы теории и характеристики электроприводов
- •2. Находим максимальную кинетическую энергию
- •2. Номинальное время пуска двигателя вместе с механизмом
- •3. Вычислим угловые ускорения
- •10.2. Нагревание и охлаждение электрических машин
- •10.2.1. Предельные температуры нагрева и охлаждение электрических машин
- •10.2.2. Режимы работы электродвигателей.
- •10.3.2. Выбор мощности двигателя для кратковременного режима работы
- •2. Вычисляем время допустимой кратковременной работы
- •10.3.3. Выбор мощности двигателя для повторно-кратковременного режима работы
- •1. Определяем продолжительность включения
- •Вопросы для самопроверки
2. Находим максимальную кинетическую энергию
Wmax = J(wmax)2/2 = 12,15/2(2p500/60) = 16,655 кВтс.
Характеристики моментов сопротивления. Привод работает с постоянной (установившейся) частотой вращения у, если момент двигателя М равен приведённому моменту нагрузки Мс. В противном случае в приводе имеет место ускорение или замедление вращения в зависимости от того, какие знаки динамического момента Мд и угловой частоты . Учитывая то, что электродвигатель может вращаться в любую сторону и может быть заторможен, выбирают условные положительные направления моментов (рис. 10.2а). При Мс М имеем d/dt 0 и Мд 0, при 0 привод ускоряется, а при 0 – замедляется. При Мс М имеем d/dt 0 и Мд 0, привод ускоряется при 0, в то время как при 0 – замедляется.
Различают моменты сопротивления Мс, способствующие движению (опускание груза подъёмной машиной), моменты, не изменяющие своего направления при изменении направления вращения, например, момент при нагрузке на барабане подъёмной машины не зависит от направления вращения барабана, и моменты, препятствующие движению, направление действия которых всегда противоположно направлению момента М. Так, для быстрой остановки привода часто применяют механические тормоза, при использовании которых запасённая в приводе кинетическая энергия W посредством трения, возникающего между колодками тормоза и тормозным шкивом, превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду. Момент Мс механического тормоза является типичным моментом, препятствующим движению.
Если двигатель электропривода с моментом нагрузки Мс отключить от сети, его момент М станет равным нулю. Уравнение движения примет вид
Мс = Мд = Jdw/dt.
Привод начнёт замедляться и через некоторое время остановится.
Для замедления привода, кроме механических тормозов, применяют также различные способы электрического торможения.
В общем случае момент нагрузки Мс может зависеть от угловой частоты вращения , от пути s, от угла поворота вала и от времени t. По этим признакам производственные механизмы подразделяют на механизмы, у которых момент нагрузки Мс:
практически постоянен (прямая 1, рис. 10.2б). К ним относится большинство грузоподъёмных и транспортных механизмов (лифты, механизмы подъёмных кранов, транспортёры);
линейно зависит от угловой частоты, т.е. Мс = С (прямая 2, рис. 10.2б), например, привод генератора постоянного тока, работающего на постоянную нагрузку (R = const), или пропорционален квадрату частоты, т.е. Мс = С2 (кривая 3, рис, 10,2б). Это приводы идеальных центробежных насосов и вентиляторов;
является функцией пути Мс = f(s) или угла поворота вала Мс = f(). Таковыми являются ножницы для резки металлов, эксцентриковые прессы и т.д.;
зависит от пути и от угловой частоты, т.е. Мс = f(s, ), например, электротранспортные средства, электрическая тяга;
является функцией времени Мс = f(t), например, различные исполнительные механизмы и др.
Для управления такими приводами разработаны системы автоматического управления в функции частоты, пути, угла поворота, времени и т.д.
Условие устойчивости функционирования ЭПр. Установившийся режим при М = Мс и = у = const может быть устойчивым или неустойчивым. Для определения характера установившегося режима с помощью внешнего воздействия выводят привод из равновесия.
Р ежим считается устойчивым, если по истечении некоторого времени с прекращения внешнего воздействия восстановится первоначальное состояние равновесия. Если моменты М и Мс зависят только от угловой частоты , то состояние равновесия имеет место в точке а пересечения их механических характеристик (рис. 10.2в).
Придадим посредством внешнего воздействия приращение . В этом режиме момент Мд и угловое ускорение d/dt отрицательны. Поэтому с прекращением действия внешнего фактора привод замедляется и восстанавливается первоначальное состояние.
Состояние равновесия стабильно, если изменение динамического момента М противоположно по знаку . Условие устойчивости установившегося режима функционирования ЭПр в математическом выражении имеет вид
Знание механических характеристик (Мс) производственных механизмов (см. рис. 10.2б), а также изученных ранее естественных механических характеристик (М) электродвигателей (рис. 10.3): 1 – синхронного; 2 – асинхронного; 3, 4 – постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения, а также их изменений в процессе регулирования частоты вращения вала, играет важную роль в выборе типа ЭПр и оценок как устойчивости его движения, так и поведения двигателя в переходных режимах.
Анализ режимов работы ЭПр и выбор мощности двигателя обычно проводят для эквивалентной системы двигатель – механизм, в которой все моменты статических сил и моменты инерции приведены к валу электродвигателя, относительно которого составляют и решают уравнение движения.
О пределение времени разгона привода. Для определения времени переходных процессов пуска, торможения, реверса и регулирования частоты вращения, возникающих при работе ЭПр необходимо знать функцию угловая частота – время, т.е. иметь осциллограмму изменения частоты во времени. Зависимость = f(t) можно найти из уравнения движения Мд = М – Мс = Jd/dt привода, при условии, что моменты М и Мс зависят только от частоты . Разделив переменные dt = (J/Мд)d и рассматривая J и Мд постоянными, время изменения угловой частоты = 2 1, необходимое для ускорения от угловой частоты 1 до 2, определим из уравнения движения путём интегрирования
П одставив в уравнение 2 = н и 1 = 0, Мд = Мн, получим время разгона (пуска) привода до номинальной частоты вращения
Последнее выражение получено после умножения числителя и знаменателя правой части первого уравнения на н, где Wн – кинетическая энергия привода при номинальной частоте н; Рн – номинальная мощность двигателя.
Таким образом, время разгона tп.д двигателя можно рассчитать по каталожным данным двигателя, если вместо момента инерции J системы двигатель-механизм подставить момент инерции двигателя Jд, а номинальное время разгона tп.н всего привода можно определить по формуле
tп.н = tп.д(Jд + Jпр)/Jд.
где Jпр – момент инерции внешних движущихся масс, приведённый к валу двигателя.
Упражнение 10.2. Электрический двигатель с номинальной мощностью Pн = 5 кВт и частотой вращения nн = 1000 об/мин имеет момент инерции ротора Jдв = 0,32 кгс2, диаметр ротора D = 196 мм, момент инерции механизма привода, приведённый к валу двигателя Jпр = 4,3 кгс2.
Определить:
номинальное время пуска двигателя tп.д и электропривода tп.н;
угловое ускорение dдв/dt двигателя без производственного механизма и dпр/dt с механизмом, полагая равномерное ускорение частоты вращения при пуске в обоих случаях.
Решение. 1. Определяем номинальное время пуска двигателя