Теория электропривода учебное пособие
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Е.М. Васильев
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Утверждено Учебно-методическим советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
УДК 62-83(075.8) В19
Рецензенты:
д-р техн. наук Б.В. Кавалеров
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет),
канд. техн. наук, доцент И.Я. Сальников (ЗАО «Энергосервис», г. Пермь)
Васильев, Е.М.
В19 Теория электропривода : учеб. пособие / Е.М. Васильев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2014. – 316 с.
ISBN 978-5-398-01348-1
Представлены классические разделы механики электропривода, электромеханические свойства электродвигателей постоянного и переменного тока, переходные процессы в разомкнутых системах электропривода, вопросы выбора мощности двигателей.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», а также по специальности 130400.65 «Горное дело» со специализацией «Электрификация и автоматизация горного производства».
УДК 62-83(075.8)
ISBN 978-5-398-01348-1 |
© ПНИПУ, 2014 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... |
8 |
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА...... |
14 |
1.1. Основные понятия и определения....................................... |
14 |
1.2. Классификация электроприводов........................................ |
16 |
2. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА........................................... |
20 |
2.1. Общие положения................................................................. |
20 |
2.2. Классификация статических моментов и сил |
|
сопротивления движению............................................................ |
22 |
2.3. Механические характеристики электродвигателей........... |
26 |
2.4. Статическая устойчивость механического движения ...... |
27 |
2.5. Приведение статических моментов, усилий, моментов |
|
инерции и движущихся масс к одному движению................... |
29 |
2.5.1. Общие принципы решения задач приведения............. |
29 |
2.5.2. Задачи приведения при вращательном движении |
|
механизма.................................................................................. |
31 |
2.5.3. Задачи приведения при поступательном движении |
|
механизма.................................................................................. |
34 |
2.5.4. Задача приведения к одному движению |
|
при меняющемся передаточном числе редуктора ................ |
36 |
2.6. Оптимальное передаточное число редуктора |
|
в электроприводе.......................................................................... |
39 |
3. ДИНАМИКА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ |
|
ЭЛЕКТРОПРИВОДА....................................................................... |
46 |
3.1. Уравнение движения электропривода................................. |
46 |
3.2. Уравнение движения электропривода с учетом |
|
упруговязких элементов.............................................................. |
49 |
3.3. Механическая часть электропривода как объект |
|
управления.................................................................................... |
58 |
4. ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЯМИ |
|
ПОСТОЯННОГО ТОКА.................................................................. |
71 |
4.1. Основные уравнения, определения и характеристики...... |
71 |
4.2. Электромеханические и механические |
|
характеристики ДПТ НВ ............................................................. |
75 |
4.2.1. Построение электромеханических и механических |
|
характеристик........................................................................... |
76 |
|
3 |
4.2.2. Характеристики ДПТ НВ при введении добавочных |
|
сопротивлений в цепь якоря .................................................... |
78 |
4.2.3. Расчет добавочных сопротивлений при реостатном |
|
пуске ДПТ НВ ........................................................................... |
80 |
4.2.4. Регулирование частоты вращения ДПТ НВ |
|
изменением напряжения на якоре........................................... |
83 |
4.2.5. Регулирование частоты вращения ДПТ НВ |
|
изменением магнитного потока............................................... |
85 |
4.2.6. Тормозные режимы ДПТ НВ......................................... |
88 |
4.2.6.1. Генераторное торможение с отдачей энергии |
|
в сеть........................................................................................... |
89 |
4.2.6.2. Торможение противовключением.............................. |
91 |
4.2.6.3. Динамическое торможение......................................... |
93 |
4.3. Электромеханические и механические характеристики |
|
двигателей последовательного возбуждения............................ |
95 |
4.3.1. Расчет электромеханической и механической |
|
характеристик ДПТ ПВ............................................................ |
98 |
4.3.2. Искусственные электромеханические |
|
и механические характеристики ДПТ ПВ.............................. |
101 |
4.3.2.1. Реостатные характеристики ДПТ ПВ ........................ |
102 |
4.3.2.2. Расчет пусковых сопротивлений в цепи |
|
якоря ДПТ ПВ ........................................................................... |
105 |
4.3.3. Характеристики ДПТ ПВ при изменении |
|
напряжения питания................................................................. |
106 |
4.3.4. Характеристики ДПТ ПВ при изменении |
|
магнитного потока.................................................................... |
108 |
4.3.5. Тормозные характеристики ДПТ ПВ............................ |
113 |
4.4. Особенности электромеханических свойств |
|
электродвигателей со смешанным возбуждением..................... |
119 |
4.5. Электропривод постоянного тока управляемый |
|
преобразователь – двигатель........................................................ |
122 |
4.5.1. Система с электромашинным преобразователем ........ |
122 |
4.5.2. Система тиристорный преобразователь – двигатель.... |
126 |
4.5.2.1. Краткие сведения из теории работы ТП.................... |
127 |
4.5.2.2. Механические характеристики тиристорного |
|
электропривода.......................................................................... |
134 |
4.5.2.3. Тормозные режимы электропривода |
|
по системе ТП–Д....................................................................... |
139 |
5. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА |
|
С АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ..................... |
146 |
4 |
|
5.1. Асинхронный двигатель – электромеханический |
|
преобразователь энергии............................................................. |
146 |
5.2. Электромеханические свойства асинхронных |
|
электродвигателей........................................................................ |
150 |
5.3. Искусственные механические характеристики АД........... |
158 |
5.3.1. Механические характеристики при изменении |
|
напряжения ............................................................................... |
158 |
5.3.2. Механические характеристики при введении |
|
в цепь статора добавочных сопротивлений........................... |
161 |
5.3.3. Механические характеристики при введении |
|
в цепь ротора добавочных сопротивлений............................ |
162 |
5.4. Электромеханические свойства частотно-управляемого |
|
асинхронного электропривода.................................................... |
164 |
5.5. Регулирование скорости АД изменением числа пар |
|
полюсов......................................................................................... |
169 |
5.6. Регулирование скорости АД в каскадных схемах.............. |
172 |
5.6.1. Принцип построения каскадных схем.......................... |
172 |
5.6.2. Электромеханический вентильно-машинный |
|
каскад......................................................................................... |
174 |
5.6.3. Вентильно-машинный электрический каскад............. |
176 |
5.6.4. Асинхронно-вентильный каскад................................... |
178 |
5.7. Характеристики асинхронного электропривода |
|
в тормозных режимах .................................................................. |
180 |
6. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА |
|
С СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ............................. |
189 |
6.1. Особенности конструкции синхронных двигателей......... |
189 |
6.2. Электромеханические свойства СД..................................... |
191 |
6.2.1. Электромеханические свойства неявнополюсных |
|
синхронных двигателей........................................................... |
192 |
6.2.2. Электромеханические свойства явнополюсных |
|
синхронных двигателей........................................................... |
194 |
6.2.2.1. Двухфазная модель явнополюсного СД ................... |
194 |
6.2.2.2. Угловая характеристика явнополюсного СД ........... |
197 |
6.3. Пуск синхронных двигателей .............................................. |
201 |
6.4. Тормозные режимы СД......................................................... |
205 |
6.5. Регулирование скорости синхронных двигателей............. |
206 |
6.6. Синхронный двигатель – компенсатор реактивной |
|
мощности....................................................................................... |
207 |
6.7. Шаговый режим работы синхронного электродвигателя... |
209 |
|
5 |
7. ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ................. |
211 |
7.1. Общие положения о переходных процессах....................... |
211 |
7.2. Переходные процессы в электроприводе постоянного |
|
тока................................................................................................. |
214 |
7.3. Переходные процессы ДПТ НВ при Lя = 0 .......................... |
217 |
7.4. Расчет времени реостатного пуска ДПТ НВ....................... |
220 |
7.5. Переходные процессы в ДПТ НВ c учетом |
|
электромагнитной инерции якоря............................................... |
222 |
7.6. Переходные процессы при линейном изменении |
|
управляющего воздействия.......................................................... |
227 |
7.7. Переходные процессы ДПТ НВ при изменении |
|
магнитного потока двигателя и неизменном напряжении |
|
на якоре.......................................................................................... |
240 |
7.8. Переходные режимы двигателей переменного тока.......... |
245 |
8. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
ВЗАИМОСВЯЗАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА........................... |
247 |
8.1. Классификация и особенности электроприводов............... |
247 |
8.2. Электромеханические свойства многодвигательного |
|
электропривода.............................................................................. |
249 |
8.2.1. Электромеханические свойства двухдвигательного |
|
электропривода с ДПТ при различных способах |
|
включения.................................................................................. |
251 |
8.2.2. Электромеханические характеристики |
|
двухдвигательного электропривода при изменении |
|
магнитного потока.................................................................... |
255 |
8.2.3. Электромеханические свойства двухдвигательного |
|
электропривода с асинхронными двигателями...................... |
258 |
8.3. Электромеханические свойства систем синхронного |
|
вращения электродвигателей....................................................... |
259 |
8.3.1. Система синхронного вращения |
|
с вспомогательными асинхронными двигателями................ |
260 |
8.3.2. Системы синхронного вращения с асинхронными |
|
машинами и реостатом в цепи роторов.................................. |
263 |
9. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА......................................... |
266 |
9.1. Общие сведения ..................................................................... |
266 |
9.2. Особенности энергетики вентильных электроприводов.... |
268 |
9.3. Потери в установившихся режимах..................................... |
271 |
9.3.1. Потери в двигателе постоянного тока с независимым |
|
возбуждением............................................................................ |
273 |
9.3.2. Потери в асинхронном двигателе.................................. |
274 |
6 |
|
9.4. Энергетика переходных режимов электропривода ........... |
276 |
9.4.1. Потери энергии в электроприводе с ДПТ НВ............. |
276 |
9.4.2. Энергетика переходных режимов асинхронного |
|
электропривода......................................................................... |
280 |
9.5. Пути улучшения энергетических показателей |
|
переходных процессов электроприводов................................... |
282 |
9.6. Энергосбережение средствами электропривода................ |
288 |
10. ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.................... |
289 |
10.1. Постановка задачи выбора мощности электропривода.... |
289 |
10.2. Нагрев и охлаждение двигателей ...................................... |
291 |
10.3. Нагрузочные диаграммы электропривода........................ |
294 |
10.4. Номинальные режимы электродвигателей....................... |
296 |
10.5. Расчет мощности двигателя при продолжительном |
|
режиме работы.............................................................................. |
302 |
10.5.1. Метод средних потерь ................................................. |
304 |
10.5.2. Методы эквивалентирования режимов работы |
|
двигателей по нагреву.............................................................. |
306 |
10.6. Выбор мощности при повторно-кратковременном |
|
режиме работы двигателей.......................................................... |
310 |
10.7. Выбор мощности при кратковременном режиме |
|
работы двигателя.......................................................................... |
311 |
10.8. Определение допустимой частоты включений |
|
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.......... |
313 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................... |
314 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Во всех отраслях промышленного производства, в сельском хозяйстве и в быту, при научных исследованиях на земле и в космосе – всюду используются разнообразные механизмы и устройства, позволяющие перемещать различные детали и материалы или воздействовать на них, осуществляя тот или иной технологический процесс.
Электрический привод (ЭП) играет большую роль в реализации задач повышения производительности труда в разных отраслях народного хозяйства, автоматизации и комплексной механизации производственных процессов. Около 70 % вырабатываемой электроэнергии [3] преобразуется в механическую энергию электродвигателями (ЭД), которые приводят в движение различные станки и механизмы.
Современный электропривод отличается большим диапазоном мощностей двигателей, диапазоном регулирования скоростей до 10 000:1 и более, применением как тихоходных, так и сверхскоростных ЭД и характеризуется высокой степенью автоматизации. Многие современные высокоточные электроприводы управляются посредством вычислительных машин (например, электропривод мощных прокатных станов, доменных печей, копировальных станков). Во всем диапазоне мощностей электроприводов находят применение современные системы программного управления технологическими процессами, устройства, оптимизирующие по тем или иным критериям работу электропривода и механизма, используются принципы адаптивного автоматического управления.
Одним из проявлений развития регулируемого электропривода является тенденция к упрощению кинематических схем машин и механизмов за счет создания безредукторного электропривода, в котором должны использоваться специальные тихоходные двигатели. Уже имеются и применяются
8
тихоходные двигатели [1], имеющие номинальную скорость вращения 18–120 об/мин. Область применения – мощные электроприводы прокатных станов, шахтных подъемных машин, основных механизмов экскаваторов, скоростных лифтов.
Широкое внедрение электрического привода во все отрасли промышленности и всё возрастающие требования к статическим и динамическим характеристикам электроприводов предъявляют повышенные требования к профессиональной подготовке специалистов в области электрического привода.
Задачей курса «Теория электропривода» является изучение общих физических закономерностей, свойственных электроприводам любого назначения. В результате изучения этого курса студент должен научиться объяснять характер процессов в электроприводах и зависимостей, их описывающих, получить практические навыки расчета статических характеристик, переходных процессов и нагрузочных диаграмм электропривода, выбирать электродвигатели по мощности, выбирать преобразователи, рассчитывать энергетические показатели.
Краткая история и направления развития современного электропривода
Электрический привод – сравнительно молодая отрасль науки и техники, насчитывающая немногим более столетия с момента практического применения. C начала и почти до конца XIX века для приведения в движение станков и различных механизмов использовались паровые двигатели.
Появление электропривода обусловлено трудами многих отечественных и зарубежных ученых-электротехников. В их числе такие ученые, как датчанин Х. Эрстед, показавший возможность взаимодействия магнитного поля и проводника
9
с током (1820), француз А. Ампер, математически оформивший это взаимодействие в том же 1820 г., англичанин М. Фарадей, построивший в 1821 г. экспериментальный электродвигатель. Это отечественные ученые-академики Б.С. Якоби и Э.Х. Ленц, создавшие в 1834 г. электродвигатель постоянного тока, в 1837 г. американец Девенпорт построил электродвигатель с более простым коммутатором. В 1838 г. Б.С. Якоби усовершенствовал конструкцию ЭД, в котором были заложены практически все элементы современной электрической машины и который был испытан на речном катере. Именно поэтому 1838 г. считается годом рождения электропривода. Однако неэкономичность источника электроэнергии для таких ЭД – гальванической батареи – явились причиной того, что работы Б.С. Якоби и его последователей не получили сразу практического применения.
На основе открытого в 1833 г. академиком Э.Х. Ленцем принципа обратимости электрических машин в 1870 г. француз З. Грамм создал электрический генератор постоянного тока. Наш соотечественник электротехник В.Н. Чиколев (1845–1898) создает в 1879 г. ЭП для дуговых ламп, электроприводы швейной машины (1882) и вентилятора (1886). Внедряется ЭП постоянного тока в военно-морском флоте. Электропривод проникает в ткацкое производство на подмосковные текстильные фабрики.
Началось использование электропривода в городском транспорте – трамвайные линии в Киеве, Казани и Нижнем Новгороде (1892), в Москве (1903) и Петербурге (1907).
Анализ практического опыта использования, систематизация и разработка начал теоретической базы для последующего развития ЭП был выполнен в научном труде крупнейшего электротехника Д.А. Лачинова (1842–1903), опубликованном в 1880 г. в журнале «Электричество» под названием «Электромеханическая работа». В связи с этим 1880 г. – год опубликования научного труда «Электромеха-
10