Конспект лекций - Электромеханические системы

Электропривод - это электромеханическая система, предназначенная для преобразования электрический энергии в механическую энергию вращательного, либо поступательного движения.

На рис.1.2. представлена общая структура электропривода, которую поясняет таблица 1.2.

Рис. 1.2. Общая структура электропривода

4

1.1.3.Классификация электроприводов

Классификация электроприводов представлена на рис.1.3.

Электропривод

Рис.1.3. Классификация электроприводов

По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения.

Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем использования электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным), либо применением электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (линейные электродвигатели, магнитогидродинамические двигатели и другие).

По степени управляемости электропривод может быть:

1)нерегулируемый – для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий;

2)регулируемый – для сообщения изменяемой или неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства;

3)программно-управляемый – управляемый по заданной программе;

4)следящий – автоматически обрабатывающий перемещение исполнительного органа машины с определенной точностью в соответствии с произволь-

5

но меняющимся заданным сигналом;

5)адаптивный – автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима.

Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устрой- ства. В этом смысле электропривод бывает:

1)редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащим редуктор;

2)безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

По уровню автоматизации можно различать:

1)неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное (в настоящее время встречается редко);

2)автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

3)автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и пере- менного тока. Здесь особо следует остановится на силовых полупроводниковых преобразователях, которые занимают основное место в современных электроприводах и выполняют функцию регулирования скорости и момента электродвигателя. Они включаются между двигателем и основным источником питания. По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы:

-ШИП – широтно-импульсный преобразователь преобразует постоянное напряжение питание в постоянное регулируемое напряжение на выходе;

-УВ – управляемый выпрямитель преобразует переменное, обычно синусоидальное напряжение частотой 50 Гц постоянно действующего значения (обычно 220 В) в постоянное регулируемое напряжение на выходе;

-В – неуправляемый выпрямитель (частный случай УВ);

-АИ – автономный инвертор преобразует переменное напряжение питания в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой;

-НПЧ – непосредственный преобразователь частоты преобразует переменное, обычно синусоидальное напряжение частотой 50 Гц постоянно действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой.

Вэлектроприводах постоянного тока исполнительным двигателем является двигатель постоянного тока. При питании от источника постоянного тока (аккумулятор, солнечная батарея, генератор постоянного тока) в качестве силового преобразователя используется ШИП. Если источником является сеть переменного тока, то может быть применен УВ или сочетание В+ШИП.

6

В электроприводах переменного тока исполнительным двигателем является машина переменного тока. В этом случае при питании от источника постоянного тока применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ+АИ, либо В+АИ.

Следует отметить, что при управлении двигателями постоянного тока необходимо регулировать только напряжение, а для управления двигателями переменного тока – напряжение и частоту.

Вопросы для самопроверки

1)Какие компоненты могут содержать электромеханические системы?

2)Для чего предназначен привод?

3)Из каких частей состоит привод и какие два канала имеет?

4)В чем заключаются особенности электрического привода?

5)В чем заключаются особенности гидравлического привода?

6)В чем заключаются особенности пневматического привода?

7)Как классифицируются электроприводы по степени управляемости?

8)Какие существуют основные типы силовых преобразователей?

Список литературы:

1.Карнаухов Н.Ф. Электромеханические и мехатронные системы /

Н.Ф.Карнаухов. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 320 с. ISBN 5-222-08228-8

2.Кацман М.М. Электрический привод: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 384с. ISBN 5-7695-2060-4

3.Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для проф. образования. – 3- е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 368 с. ISBN 5-7695-2502-9.

4.Розанов Ю.К. Электронные устройства электромеханических систем: Учеб.пособие для студентов высш.учеб.заведений / Ю.К.Розанов, Е.М.Соколова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 272 с. ISBN 5- 7695-1365-9

7

Тема 1.2. Основы механики электропривода

Цель и задачи: получить представление о приведении реальных электромеханических систем к простейшим расчетным моделям и ознакомиться с основными характеристиками электроприводов.

Учебные вопросы:

1.Уравнение движения электропривода

2.Приведение моментов и моментов инерции

3.Механические характеристики электропривода

1.2.1. Уравнение движения электропривода

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (пример, ЭП насосов, вентиляторов) (рис.1.4.).

где ω - угловая скорость;

J - суммарный момент инерции, состоящий из момента инерции двигателя JДВ

инагрузки JНАГР;

М- электромагнитный момент, развиваемый двигателем;

Мс - момент, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение).

Каждый момент имеет свою величину и направление.

Правая часть уравнения (1.1) - динамический момент J dω = M дин. dt

Возникает, если алгебраическая сумма моментов М и Мс отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Режимы, при которых ∑ M = 0 , т.е. моменты М и Мс равны по величине и про-

тивоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует ω = const , в том числе ω = 0 .

Режимы, когда ∑ M ¹ 0 , называют переходными или динамическими (ускоре-

ние, замедление).

В уравнении (2.1) момент Мс практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, фор-

8

мируется двигателем. Скорость ω - зависимая переменная; ω (t ) определяется в динамических режимах решением (1.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

± M (ω ) ± M c (ω ) = 0 .

1.2.2.Приведение моментов и моментов инерции

Обычно между двигателем и нагрузкой находится какая-либо механическая передача, т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и скоростями.

Для сведения любой реальной системы к простейшей модели на рис.1.4 нужно выполнить ряд операций, называемых приведением моментов и моментов инерции к некоторому выбранному в качестве основного валу, обычно - к валу двигателя.

Т.е. некоторую реальную механическую систему, нужно заметить эквивалентной системой (рис.1.5).

б)

Рис.1.5. Модель эквивалентной приведенной системы

Принимаются допущения:

-система жесткая, без зазоров;

-моменты инерции, относящиеся к основным валам, неизменны, относящиеся к промежуточным валам, если такие есть, равны нулю;

В реальной и приведенной системах должны остаться неизменной мощность, развиваемая двигателем Mω , т.е. в нашем случае, когда потери покрываются двигателем (М и ω направлены согласно):

откуда

Потери всегда покрываются той частью системы, которая создает движение, поэтому при обратном потоке мощности - от нагрузки к двигателю

В реальной и приведенной системах должны быть одинаковы запасы кинетической энергии, т.е.

или

9

1.2.3.Механические характеристики электропривода

Моменты М и Мс могут зависеть от времени, от положения, от скорости. Наиболее интересна и важна связь моментов М и Мс со скоростью ω . Зависимости

ω ( M ) и ω ( M C ) называют механическими характеристиками соответственно двига-

теля и нагрузки (механизма).

Поскольку как моменты, так и скорость могут иметь различные знаки, механические характеристики могут располагаться в четырех квадрантах плоскости ω − M . На рис.1.6 в качестве примера показаны характеристики асинхронного двигателя (М) и центробежной машины (Мс). Знаки величин определяют, приняв одно из направлений движения за положительное, например: по часовой стрелке- + или вверх- + и т.п.

Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости (участок ω0 - Мк.з характеристики двигателя);

Моменты, направленные против движения (тормозящие), имеют знак, проти-

воположный знаку скорости (остальные участки характеристик).

Рис.1.6. Пример механических характеристик

Моменты принято делить на активные и реактивные.

Активные моменты могут быть как движущими, так и тормозящими, их направление не зависит от направления движения: момент, созданный электрической машиной (М на рис.1.6), момент, созданный грузом, пружиной и т.п. Соответствующие механические характеристики могут располагаться в любом из четырех квадрантов.

Реактивные моменты - реакция на движение, они всегда направлены против движения, т.е. всегда тормозящие: момент от сил трения, момент, создаваемый центробежной машиной (Мс на рис.1.6) и т.п. Механические характеристики всегда располагаются во втором и четвертом квадрантах.

10