- •Введение в электромеханику
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •В.1. Краткая история развития электромеханики
- •В.2. Понятие “электромеханика”. Структура электромеханических систем
- •В.3. Задачи и структура учебного плана подготовки бакалавров по направлению 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии
- •Контрольные вопросы
- •Глава 1. Основные понятия и законы электротехники
- •1.1. Электрические цепи постоянного и переменного тока
- •1.2. Магнитные цепи
- •1.3. Электромагнитная аналогия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Устройство, принцип действия и характеристики электрических двигателей
- •2.1. Классификация электродвигателей
- •2.2. Двигатель постоянного тока
- •2.3. Асинхронный двигатель переменного тока
- •2.4. Синхронный двигатель
- •2.5. Обратимость электрических машин углового движения
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Силовые преобразователи электрической энергии
- •3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный
- •3.2. Преобразователи переменного тока
- •3.2.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью
- •3.2.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Преобразователи движения
- •4.1. Назначение и классификация преобразователей движения
- •4.2. Зубчатые передачи
- •4.3. Червячная передача
- •4.4. Передачи с гибкой связью
- •4.4.1 Ременные передачи
- •4.4.2 Цепная передача
- •4.4.3. Тросовая передача
- •4.5. Передача винт-гайка
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Введение в теорию электропривода
- •5.1. Механика электропривода
- •5.1.1. Кинематическая и расчетная схема механической части электропривода
- •5.1.2. Уравнение движения электропривода
- •5.1.3. Типовые статические нагрузки электропривода
- •5.2. Регулирование координат электропривода
- •5.2.1. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения
- •5.2.2. Регулирование скорости асинхронных двигателей
- •5.2.3. Регулирование тока и момента при пуске электродвигателей
- •5.3. Энергетика электропривода
- •5.3.1. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода
- •5.3.2. Типовые режимы работы электропривода
- •5.3.3. Выбор мощности электродвигателей
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Управление электромеханическими модулями и системами
- •6.1. Иерархия систем управления
- •6.2. Системы управления исполнительного уровня
- •6.3. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сетей
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Введение в электромеханику
- •455000, Г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Контрольные вопросы
1. Какие силовые электронные преобразователи, применяемые для управления электродвигателями, Вы знаете?
2. Поясните принцип выпрямления переменного тока в постоянный. Какое свойство диода при этом используется?
3. Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя с нулевой точкой и поясните принцип ее действия.
4. Нарисуйте и поясните принцип действия трехфазной мостовой схемы выпрямления.
5. Как используется трансформатор в трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схемах выпрямления?
6. Вспомните принципиальное отличие тиристора от диода. Объясните принцип регулирования напряжения в тиристорных преобразователях на примере трехфазной нулевой схемы выпрямления.
7. Какие типы силовых преобразователей частоты Вы знаете? Назовите ступени преобразования электрической энергии в них.
8. Нарисуйте принципиальную схему одной фазы преобразователя частоты с непосредственной связью. На примере временных диаграмм поясните принцип ее действия.
9. Объясните причину ступенчатого регулирования частоты в преобразователях с непосредственной связью. Какие частоты выходного напряжения в них можно получить?
10. Нарисуйте структурную схему преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Поясните назначение каждого ее элемента.
11. На примере однофазного мостового инвертора поясните принцип широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения.
12. Какую функциональную нагрузку в схеме инвертора напряжения несут обратные диоды? К каким негативным последствиям привело бы их отсутствие?
Глава 4. Преобразователи движения
Передача движения от исполнительного электродвигателя к выходному звену электромеханического модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения рабочего органа и способа их расположения. Преобразователи движения оказывают существенное влияние на качество работы электромеханической системы в целом.
При проектировании электромеханических модулей тип преобразователя движения выбирают исходя из сложности его конструкции, к.п.д., люфта в передаче, габаритных размеров, массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, стоимости и др.
4.1. Назначение и классификация преобразователей движения
Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и рабочего органа. Для преобразования движения используют зубчатые, червячные, цепные, ременные и фрикционные передачи, а также передачи винт-гайка (рис. 4.1). В связи с тем, что угловая скорость вращения электродвигателей, как правило, на много выше скоростей рабочих органов электромеханических модулей, то в преобразователях движения применяются понижающие передачи.
Рис. 4.1. Классификация механических передач
преобразователей движения
4.2. Зубчатые передачи
Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи – механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 4.2, а-г), пересекающимися (рис. 4.2, е-з) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 4.2, д).
Рис. 4.2. Основные виды зубчатых передач:
а – цилиндрическая с прямыми зубьями; б – цилиндрическая с косыми зубьями; в – цилиндрическая с шевронными зубьями; г – цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д - реечная передача; е – коническая с прямыми зубьями; ж – коническая с тангенциальными зубьями; з – коническая с круговыми зубьями;
Кинематическая схема цилиндрической и конической передач приведены на рис. 4.3. Передаточное соотношение может быть найдено из соотношения числа зубьев входной z1 и выходной z2 шестерен
. (4.1)
Основными характеристиками механических передач являются мощности на валах ивВт, угловые скорости ивс-1, (или частота вращения ивмин-1), моменты сил ив, передаточное соотношениеи к.п.д.. Выражения, описывающие взаимосвязи основных характеристик зубчатых передач имеют вид
или и, (4.2)
, (4.3)
или , (4.4)
и , (4.5)
или при выделении момента потерь в передаче в виде
. (4.6)
Также следует отметить, что приведение моментов инерции элемента электромеханического модуля, вращающегося со скоростью или поступательно движущегося со скоростью, к скоростиможет быть выполнено на основании закона сохранения кинетической энергии
или (4.7)
в соответствии с выражением
или , (4.8)
где – масса поступательно движущегося тела;– радиус приведения к валу со скоростью
. (4.9)
Для реечной передачи, при преобразовании вращательного движения в поступательное, линейная скорость рейки определится как
, , (4.10)
передаточное соотношение
, , (4.11)
где – диаметр шестерни вмм.
Передаточное соотношение реечной передачи может находиться в диапазоне 10…200 м-1. К.п.д. цилиндрических передач составляет 0,95…0,99.
На рис. 4.4 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются:
- солнечная шестерня 1 (находится в центре);
- водило 2, жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней;
- кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями.
При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий – в качестве ведомого.
В случае, когда водило 2 зафиксировано (), а мощность подводится через солнечную шестерню1, планетарные шестерни 3 будут вращаться на месте со скоростью, определяемой отношением числа их зубьев относительно солнечной шестерни
.
Вращение планетарных шестерён 3 передается кольцевой шестерне 4. Если кольцевая шестерня имеет зубьев, то она будет вращаться со скоростью
.
В итоге, если водило заблокировано, то общее передаточное отношение системы будет равно
. (4.12)
В случае, если закреплена кольцевая шестерня (), а мощность подводится к водилу, то передаточное отношение на солнечную шестерню будет больше единицы и составит
. (4.13)
Наиболее широкое применение планетарные передачи нашли в автомобильных дифференциалах и в суммирующих звеньях кинематических схем металлорежущих станков. В современных устройствах могут использоваться каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел. На этом принципе работают многие автоматические коробки передач автомобилей.
Достоинствами планетарных передач по сравнению с обычными цилиндрическими или коническими передачами являются меньшие габариты и масса. Недостатками – повышенная точность изготовления, большее число подшипников качения.
Для получения больших передаточных чисел (до 90000) применяют волновые передачи (см. рис. 4.5). Волновая передача состоит из жесткого неподвижного элемента – зубчатого колеса1 с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента – тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями 2, соединенного с выходным валом; генератора волн – кулачка 3, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента.
Принцип работы волновой зубчатой передачи проиллюстрирован на рис. 4.6. Например, при числе зубьев гибкого колеса 200, а неподвижного элемента – 202 и двухволновой передаче (два выступа на генераторе волн) при вращении генератора по часовой стрелке первый зуб гибкого колеса будет входить в первую впадину жёсткого, второй во вторую и т.д. до двухсотого зуба и двухсотой впадины. На следующем обороте первый зуб гибкого колеса войдёт в двести первую впадину, второй – в двести вторую, а третий – в первую впадину жёсткого колеса. Таким образом, за один полный оборот генератора волн гибкое колесо сместится относительно жёсткого всего на 2 зуба.
Передаточное соотношение волновой передачи от вала генератора волн к валу гибкого колеса равно
, (4.14)
где ,– соответственно число зубьев жесткого и гибкого зубчатых колес.
Основной недостаток таких редукторов – низкий к.п.д. (не более 70…80%), а также высокие требования к точности изготовления и свойствам применяемых материалов.