Теория электропривода

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Кафедра «Микропроцессорные средства автоматизации»

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Методические указания по изучению курса и выполнению контрольных заданий

Издательство Пермского государственного технического университета

2011

1

Составитель канд. техн. наук Б.М. Столбов

УДК 62-83-52(072.8) ББК 32.965.3я7

Т33

Рецензент д-р техн. наук, профессор Ю.Н. Хижняков

(Пермский государственный технический университет)

Т33 Теория электропривода: метод. указания по изучению курса и выполнению контрольных заданий / сост. Б.М. Столбов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. – 34 с.

Содержит программу курса, методические указания по его изучению со ссылкой на литературные источники, освещающие отдельные разделы курса. Приведены варианты контрольных заданий, которые студенты должны выполнить на основе изучения данного курса, указания по их выполнению даны в виде, не требующем дополнительного привлечения специальной литературы.

Предназначено для студентов заочного отделения специальности 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 220305.65 «Автоматизированное управление жизненным циклом продукции».

УДК 62-83-52(072.8) ББК 32.965.3я7

© ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2011

3

I. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ КУРСА

Курс «Теория электропривода» для студентов специальностей «Автоматизированный электропривод» является основополагающей, базовой дисциплиной для изучения таких профилирующих дисциплин, как «Системы управления электроприводами», «Автоматизация типовых технологических процессов и производств», «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов» и др. Необходимость изучения этого курса определяется теми многообразными задачами, которые приходится решать инженеруэлектроприводчику при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации промышленных электроприводов в различных отраслях народного хозяйства.

Цель курса «Теория электропривода» – изучение общих физических свойств и характеристик электромеханических систем как объектов автоматического управления, изучение главнейших теоретических и практических положений анализа и расчета систем электрического привода производственных механизмов и изучение поведения электродвигателей совместно с этими механизмами в установившихся и неустановившихся режимах работы, изучение вопросов регулирования координат (переменных) электропривода и вопросов выбора мощности электродвигателей и преобразователей, а также энергетики электропривода в различных режимах работы.

Хотя программа курса (дисциплины) «Теория электропривода» предназначена для его изучения студентами специальности АЭП, ее содержание и объем материала полностью соответствуют программе курса «Электромеханические системы» для студентов специальности АУЦ. Разница лишь в названии дисциплины.

Для студентов-заочников специальности АУЦ этот курс не является базовой, профилирующей дисциплиной, но необходимость его изучения и его содержание определяются потребностями в знании его основ, так как специалисту по управлению жизненным циклом продукции обязательно придется иметь дело с устройствами и элек-

4

тромеханическим оборудованием, содержащими различные системы электроприводов, и он должен знать их назначение, области применения, свойства, следовательно, квалифицированно управлять жизненным циклом этого оборудования.

Кроме того, знание этого курса позволит выпускнику специальности АУЦ квалифицированно взаимодействовать со специалистами смежных отраслей.

В результате изучения этого курса студенты должны знать:

а) математическое описание, структурные схемы и физические свойства механической части электропривода;

б) общие свойства разомкнутых и замкнутых электромеханических систем (электромеханические свойства и характеристики электродвигателей в двигательном и тормозных режимах и расчет параметров электроприводов);

в) методы регулирования координат электроприводов; г) методику расчета и выбора мощности электродвигателей по

условиям нагрева и выбора преобразовательных устройств; д) энергетику электроприводов в установившихся и неустано-

вившихся режимах; е) основные технико-экономические показатели различных сис-

тем электроприводов.

Кроме этого, врезультатеизучения курсастудентыдолжныуметь: а) экспериментально исследовать электромеханические свойства

электроприводов в установившихся режимах работы; б) рассчитывать параметры, механические характеристики, пере-

ходные процессы и энергетику электроприводов.

в) рассчитывать потребную мощность электродвигателей для производственных механизмов, выбирать тип электродвигателей

исиловые преобразователи для питания электроприводов.

Сучетом перечисленных требований задачами курса «Теория электропривода» является формирование у студентов основных теоретических представлений и знаний по автоматизированному электроприводу, формирование практических навыков, необходимых не только для изучения специальных профилирующих дисциплин, но

идля самостоятельного приобретения новых знаний в области авто-

5

матизированного электропривода. Еще одна задача курса для студентов – научиться квалифицированно взаимодействовать со специалистами смежных отраслей.

В рабочей программе, изложенной ниже, сделаны ссылки на соответствующую литературу, которой следует пользоваться при изучении отдельных разделов курса, и даны методические указания по этим разделам.

Курс «Теория электропривода» рассчитан на изучение в течение двух семестров. В объем первой части курса, изучаемой в одном семестре, входят разделы 1–4, вторая часть курса, содержащая разделы 5–8, изучается в другом семестре. Студенты-заочники выполняют два контрольных задания и курсовой проект, целью которого является детальный расчет системы электропривода рабочей машины. Во время зачет- но-экзаменационной сессии студенты-заочники должны выполнить соответствующий учебному плану объем лабораторных работ.

II. ПРОГРАММА КУРСА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕГО ИЗУЧЕНИЮ

1. Введение

Понятие об электроприводе, его назначение и функции. Структурная блок-схема современного автоматизированного электропривода. Типы электроприводов.

Методические указания

При изучении материала, являющегося вводным в курс «Теория электропривода», следует усвоить, что представляет собой современный автоматизированный электропривод производственных механизмов, какую роль он играет в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, быту, каково его назначение и функции, какова его структура, из каких элементов он состоит, какие функции выполняют его элементы и какие типы электроприводов существуют.

Литература: [1. с. 5–22]; [2. гл. 1, § 1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 4].

6

2. Механика электропривода

Кинематическая схема электропривода, ее основные механические узлы. Силы и моменты, действующие в системе электропривода (активные и реактивные). Механические характеристики производственных механизмов (типовые нагрузки электроприводов).

Приведение моментов инерции J, моментов и усилий статического сопротивления Mc, Fc, поступательно движущихся масс m, жесткостей упругих элементов C к расчетной скорости и составление расчетных схем механической части электропривода.

Уравнения движения и режимы работы электропривода как динамической системы – установившийся и переходный – и условия их существования.

Структурные схемы и передаточные функции механической части электропривода.

Динамические нагрузки электропривода. Понятие о коэффициенте динамичности и способе его уменьшения.

Методические указания

При изучении данного раздела следует иметь в виду, что электропривод кроме электрической части включает в себя и механическую часть, которая передает механическую энергию от двигателя к исполнительному механизму и содержит звенья с общими для различных электроприводов функциями. Непосредственное представление о движущихся массах электропривода и механических связях между ними дает кинематическая схема. На примере несложной кинематической схемы нужно разобраться, из каких элементов она состоит, каковы связи между ними и почему необходимо реальную кинематическую схему при расчетах заменять эквивалентной расчетной схемой.

Следует четко уяснить, с какой целью при расчетах механической части электропривода осуществляется приведение к расчетной скорости J, Mc, Fc, m, C и как при этом учитываются потери в передачах.

7

При изучении уравнений движения механической части электропривода, получаемых с помощью уравнения Лагранжа, следует хорошо разобраться, какими уравнениями описывается движение трех-, двух- и одномассовой (жесткого приведенного механического звена) систем, какие моменты действуют в этих системах, как из уравнений движения трехмассовой упругой механической системы можно получить уравнение двухмассовой системы и жесткого приведенного механического звена. Следует четко представлять, что по-

нимается в этих уравнениях под J1, J2, J3, C12, C23, M12, M23. Необходимо запомнить основное уравнение движения жесткого

приведенного механического звена и как определяется суммарный приведенный момент инерции и приведенный момент сопротивления этого звена.

Следует понять, как на основе уравнений движения трех- и двухмассовых упругих механических систем составляются их структурные схемы и как можно определить из них передаточные функции по управляющему и возмущающему воздействиям.

Необходимо также разобраться в природе динамических нагрузок, возникающих при работе электропривода, особенно при наличии кинематических зазоров, и понять, как можно уменьшить коэффициент динамичности.

Литература: [1. гл. 1, § 1.1; 1.2; 1.3; 1.4; 1.5; 1.7]; [2. гл. 2, § 2.1; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5].

3.Электромеханические свойства

ихарактеристики электродвигателей

3.1.Математическое описание обобщенной электрической машины

(обобщенное математическое описание процессов элетромеханического преобразования энергии)

Электродвигатель как электромеханический преобразователь энергии (ЭМП).

Математическое описание обобщенной электрической машины. Электромеханические и механические характеристики двигателей.

8

Понятие о жесткости характеристик. Режимы работы электромеханического преобразователя энергии. Ограничения, накладываемые на процесс преобразования энергии.

Координатные преобразования уравнений обобщенной электрической машины. Выбор скорости ωк координатных осей U, V. Фазные преобразования переменных обобщенной машины.

Методические указания

При изучении данного раздела необходимо усвоить, что входит в понятие ЭМП, и хорошо разобраться в смысле и сущности замены реальной электрической машины идеализированной, обобщенной; знать физический смысл отдельных составляющих, входящих

вуравнения, описывающие обобщенные машины (коэффициенты самоиндукции и взаимной индукции, что означают индексы у этих коэффициентов и др.).

Необходимо детально разобраться в физической сущности координатных и фазных преобразований уравнений обобщенной машины и понять, для каких реальных электрических машин математическое описание процессов преобразования энергии целесообразно делать

восях α, β; d, q; x, y.

Следует твердо усвоить, что представляют собой электромеханические и механические характеристики электродвигателей, понятие их жесткости, научиться определять жесткость характеристик.

Необходимо усвоить, какие ограничения накладываются на процесс преобразования энергии и почему.

Следует запомнить перегрузочную способность двигателей общепромышленного применения и специальных (крановых и крановометаллургических) по току и моменту.

Литература: [1. гл. 2, § 2.2; 2.3; 2.4; 2.5; 2.7].

3.2.Электромеханические свойства

ихарактеристики двигателей постоянного тока

Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока независимого возбуждения ДНВ. Схема модели ДНВ как двухфазной обобщенной машины.

9

Естественные и искусственные электромеханические и механические характеристики ДНВ в именованных и относительных единицах, при изменении параметров двигателя и питающей сети. Тормозные режимы ДНВ. Расчет естественной и искусственных механических характеристик. Расчет пусковых сопротивлений для якорной цепи ДНВ.

Динамические свойства ДНВ при питании от источника напряжения. Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока последовательного возбуждения (ДПВ). Естественная и искусственные электромеханические и механические характеристики двигателя последовательного возбуждения (ДПВ) при изменении параметров двигателя и питающей сети. Тормозные режимы ДПВ. Расчет искусственных характеристик ДПВ. Расчет сопротивлений для якорной цепи ДПВ.

Механические характеристики двигателя постоянного тока смешанного возбуждения в двигательном и тормозном режимах.

Расчет тормозных сопротивлений длядвигателей постоянного тока.

Методические указания

При изучении данного раздела важным является уяснение свойств двигателей как электромеханических преобразователей энергии в двигательном и тормозных режимах. Следует хорошо представлять себе, как перевести двигатель из двигательного режима в тот или иной тормозной режим, какой должна быть схема и как это выглядит на графике механических характеристик. Надо четко представлять, почему необходимо ограничивать ток и момент двигателей при пуске и торможении, разобраться, в каких случаях целесообразен тот или иной способ торможения, уметь рассчитывать пусковые и тормозные сопротивления.

Необходимо понять влияние параметров двигателей и сети на их статические характеристики, научиться рассчитывать параметры двигателей и их статические характеристики.

Литература: [1. гл. 3, § 3.1; 3.2; 3.3; 3.4; 3.5; 3.6; 3.7; 3.8]; [2. гл. 3, § 3.1; 3.2; 3.3; 3.4; 3.5; 3.6]; [3. гл. 2, § 2.3; 2.4; 2.7; 2.8; 2.9; 2.13; 2.14; 2.15; 2.16; 2.20; 2.21; 2.22; 2.23].

10