238

ОК - обмотка компенсационная

ОП - обмотка подмагничивания

ОД - обмотка добавочных полюсов

ОУ1, ОУ2 - обмотки управления

ПД - приводной двигатель.

Рисунок 144.

Если приводным двигателем ПД, привести во вращение якорь ЭМУ с частотой n_а , а к обмотке управления ОУ1 подвести сигнал управления U_у, то в ОУ1 появится ток управления І_у малый по величине, т.к. сигнал U_у - мал.

Ток управления создаст МДС управления F_у = I_у W_у,

где W_у - число витков ОУ1.

МДС F_у создаст магнитный поток управления Ф_у, который сцепляясь с обмоткой якоря, наведет в ней ЭДС Е_q, которая будет сниматься со щеток q1 - q2.

ЭДС Е_q будет небольшой по величине, т.к. создается малым потоком Ф_у :

Е_q = С_е Ф_у n_а ; (304)

где С_е- конструктивный коэффициент.

Однако, поскольку щетки q1 и q2 замкнуты накоротко, то Е_q вызовет в цепи щеток q1 q2 большой ток І_q, который, протекая по обмотке якоря от щетки q1 до щетки q2, создаст в ней МДС F_q, а значит и поток Фq = ^_Fq___

R_м который будет направлен по поперечной оси главных полюсов и неподвижен в пространстве.

В той же обмотке якоря, вращающейся в неподвижном потоке Ф_q, наведется ЭДС Е_d , снимаемая со щеток d_{1 и} d₂ : Е_d = С_е Ф_д n_а

Если к выходным зажимам ЭМУ подключить нагрузку R_н , то Е_d создаст в цепи щеток d₁ , d₂ рабочий ток І_d.

Таким образом небольшая мощность ОУ будет усиливаться в два этапа:

1) сначала мощность ОУ усилится на ступени “цепь управления - поперечная цепь” с коэффициентом усиления К_у1 = Р_q/Р_у ;

2) затем на ступени “поперечная цепь - продольная (рабочая) цепь, с коэффициентом усиления К_у2 = Р_d/Р_q .

Тогда общий коэффициент усиления по мощности:

К_у = К_у1·К_у2 = Р_d/Р_у (305)

Обычно К_у = 2000 - 20000.

Обмотка добавочных полюсов ОД служит для улучшения коммутации на щетках d₁ , d_2.

Обмотка подмагничивания ОП служит для увеличения Ф_q , что позволяет уменьшить ток І_q , а значит улучшить коммутацию на щетках q₁, q₂.

Обмотка компенсационная ОК - устраняет размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси d₁ d₂ , т.к. рабочий ток І_d создаст МДС F_d направленную встречно МДС F_у, т.е. продольный магнитный поток Ф_d будет ослаблять поток управления Фу, вплоть до его полной нейтрализации. Поэтому в ОК получают МДС F_d и если F_ок = F_d , то реакция якоря не действует на обмотку управления. Резистор R_к - для регулирования величины F_ок , т.е. величины компенсации.

5 Основы электропривода

5.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Всякая совокупность машин, применяемых для осуществления какого-либо технологического процесса, состоит из трех частей:

- машина-двигатель;

- передаточный механизм;

- машина-орудие (рабочая машина).

В современной промышленности основным типом машины-двигателя является элдектродвигатель (ЭД), т.к. он обладает рядом приемуществ:

1) использует наиболее экономичный вид энергии - электроэнергию;

2) имеет широкий диапазон мощностей (1Вт - 10 мВт);

3) имеет широкий диапазон регулирования скорости (1 : 100);

4) прост в управлении и в эксплуатации;

5) управление ЭД легко автоматизируется.

Электропривод (ЭП) - это электромеханическая система, посредством которой осуществляется движение исполнительного органа рабочей машины и управление этим движением.

Рабочая машина (РМ) - это устройство изменяющее формы, свойства, положение обрабатываемого материала или изделия.

Структурная схема ЭП представлена на рисунке 145.

ИЭ - источник электроэнергии; ЭЭ - электроэнергия; МЭ- механ.энергия;

СП - силовой преобразователь; БУ - блок управления;

СУ- система управления; U_у - напряжение (сигнал) управления;

U_з - задающее напряжение (задающий сигнал);ЭД – электродвигатель;

ИО - исполнительный орган РМ; Uдс – напряжение дополнительных сиг -

ПУ- передаточное устройство ; налов

Рисунок 145 - Структурная схема ЭП.

		Обяза-	Электродвигатель
	Электрич.	тельно	Аппаратура управления (реле, контакторы,...)
Элек-	часть		Электропреобразователи (трансформаторы, тиристоры,..)
тро-			Устройства автоматизации (тахогенераторы, сельсины,..)
при-	Механич.	Обяза-	Подвижная часть ЭД
вод	часть	тельно	Входной элемент ИО РМ
	(кинемати-		Непосредственная связь с РМ
	ческая		Редуктор
	схема)		Вариатор
			Кривошинно-шатунный преобразователь движения
			и др.

Рисунок 146 - Табличная схема ЭП.

За год рождения электропривода принят 1838 г, когда русский ученый Б.С.Якоби установил ЭДПТ на катер. ЭД вращал два гребных колеса и катер двигался со скоростью 2 км/час

По количеству используемых электродвигателей ЭП классифицируется [15]:

1) групповой (трансмиссионный) - когда один ЭД приводит в движение ИО группы рабочих машин;

2) одиночный (индивидуальный) - когда один ЭД приводит в движение все ИО одной РМ;

3) взаимосвязанный делится на:

- многодвигательный - каждый ИО РМ приводится в движение одним или несколькими механическими связанными ЭД;

- электрический вал - каждый ИО РМ приводится в движение одним или несколькими электрически связанными ЭД.

5.2 УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Совокупность подвижной части ЭД, элементов ПУ и ИОРМ называется механической частью ЭП (кинематической схемой ЭП), см.рис. 145.

Движение любого элемента механической части ЭП подчиняется законам механики, в частности второму закону Ньютона, который имеет вид в общем случае: d V dm для поступательного движения F = m ^____ + V ^____ ; (306)

dt dt

dω dj для вращательного движения М = j ^____ + ω ^____ ; (307)

dt dt

где F - совокупность сил действующих на элемент;

М - совокупность моментов действующих на элемент;

m - масса элемента;

ω - угловая скорость элемента;

t - время;

j - момент инерции элемента.

j = m ² , (308)

где  - радиус инерции элемента.

Поскольку в ЭП чаще имеет место вращательное движение, то далее будем рассматривать электропривод именно для вращательного движения.

В большинстве случаев момент инерции при движении не изменяется, тогда уравнение (307) упростится: dω М = j ^____ ; (309)

dt

dω где ^____ - угловое ускорение.

dt

dω

Если ускорения нет, т.е. ^____ = 0, то М = 0 dt

т.е. в соответствии с первым законом Ньютона, если сумма сил или моментов приложенных к телу равна нулю, то тело будет двигаться с постоянной скоростью. Такое движение называется установившимся движением.

Моменты сопротивления, которыми рабочая машина противодействует движущему моменту двигателя могут быть статическими М_с и динамическими М_д .

В общем случае уравнение движения ЭП имеет вид

dω

 М  М_с = j ^_____ ; (310) dt

где М - электромагнитный момент ЭД;

М_с - статический момент РМ;

dω

j ^_____ = М_д - динамический момент РМ. dt

Правило определения знаков в уравнении движения ЭП.

1) Частота вращения вала ЭД всегда считается положительной в какую бы сторону ни вращался ЭД;

2) Если направление действия момента совпадает с направлением скорости движения, то такой момент называется движущим и ему присваивается знак “плюс”;

3) Если направление действия момента не совпадает с направлением скорости движения, то момент тормозящий и ему присваивается знак “минус”;

4) Если М - М_с = 0, т.е. М_д = 0, то ЭП вращается с постоянной скоростью и мощность, развиваемая двигателем, расходуется на преодоление лишь только статической нагрузки, т.е. ЭП находится в установившемся движении.

Если М_д  0, то ЭП находится в переходном движении (переходном процессе).

Проверка выполнения условия М - М_с = 0 обычно производится с помощью механических характеристик двигателя и ИО РМ.

Механическая характеристика электродвигателя, т.е. зависимость угловой скорости якоря от развиваемого момента, может быть естественной или искусственной.

Естественная механическая характеристика - это характеристика соответствующая паспортной (основной) схеме включения ЭД и номинальным параметрам питающего напряжения.

Такая характеристика для каждого ЭД единственная.

Искусственная механическая характеристика ЭД - если ЭД включен не по основной схеме, т.е. его параметры имеют отклонения от номинальных или в его электрические цепи включены какие-либо дополнительные элементы (резисторы, конденсаторы, дроссели).

Механической характеристикой исполнительного органа рабочей машины называется зависимость скорости его движения от усилия или момента на нем, т.е. _ио = (М_с).

В ЭП принято все моменты и силы приводить к валу ЭД, т.к. удобнее всего рассматривать движение системы относительно этого вала. В результате такого приведения механическая характеристика преобразуется к виду:

 = (М_с); (311)

где  - угловая скорость ЭД;

М_с - приведенный к валу ЭД момент нагрузки (момент статический).

Количественно механические характеристики ЭД и ИО оцениваются жесткостью:

dМ ∆ М

 = ^____  ^_____ = tg α ; (312)

dω ∆ ω

где α - угол наклона графика характеристики к оси ординат.

По жесткости механические характеристики бывают:

1) абсолютно жесткие, когда   40

2) жесткие, когда  = 10...40

3) мягкие, если   10.

Поскольку установившийся режим работы ЭП характеризуется равенством моментов ЭД и ИО и равенством их скоростей, то для нахождения установившегося режима ЭП необходимо в одном и том же квадранте совместить механические характеристики ЭД и ИО, точка пересечения этих характеристик и будет соответствовать их установившемуся движению с угловой скоростью ω_уст.

На рис. 147 показан пример определения координат установившегося движения электропривода состоящего из ЭДПТ НВ и вентилятора.

ω

ω0

Вентилятор

ωуст

ЭДПТ

М

М = Мс

0

Рисунок 147.

Все механические переменные ЭП (моменты, скорости, углы поворота вала, ускорения) называются координатами электропривода.

5.3 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Исходя из свойства обратимости, любая электрическая машина (ЭМ) может работать как в двигательном, так и в генераторном (тормозном) энергетических режимах, при этом переход из одного режима в другой может происходить без изменения схемы включения.

Энергетический режим работы ЭМ может быть определен исходя из направления двух переменных:

1) электрических - ЭДС и тока;

2) механических - электромагнитного момента (М) и угловой скорости ротора ().

При одинаковых направлениях М и  и разных направлениях Е и І - двигательный режим.

При разных направлениях М и  и одинаковых направлениях Е и І - генераторный (тормозной) режим.

Всего может быть четыре основных энергетических режима: двигательный, регуперативного торможения (генераторный), торможения противовключением, динамического торможения; и два граничных режима: холостого хода и короткого замыкания.

В 2.11 были рассмотрены энергетические режимы АД, теперь рассмотрим энергетические режимы на примере ЭДПТ НВ. Электрические схемы ЭД в указанных режимах и соответствующие им участки на электромеханической и механической характеристиках показаны на рисунках 148 - 153.

На рисунках изображаются графики характеристик как при вращении вала ЭМ в одну сторону (принято как вращение условно - вперед) так и при вращении вала в другую сторону.

Рисунок 148 - Двигательный режим ЭДПТ НВ.

Рисунок 149 - Режим идеального холостого хода.

Рисунок 150 - Режим рекуперативного торможения (генераторный).

Рисунок 151 - Режим короткого замыкания.

Рисунок 152 - Режим торможения противовключением (генераторный режим при последовательном соединении с сетью ).

Рисунок 153 - Режим динамического торможения (режим автономного генератора).

На рисунках 152 и 153 точка А обозначает рабочую точку ЭДПТ НВ в двигательном режиме с координатами номинального режима, т.е. М = М_ном, І = І_ном,  = _ном

На рисунке 153 угол наклона прямой динамического торможения к оси ординат зависит от величины сопротивления резистора динамического торможения R_{дт .} Чем больше R_дт тем меньше этот угол.

5.4 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.4.1 НАГРУЗОЧНЫЕ ДИАГРАММЫ

Выбор ЭД для ЭП состоит в поиске такого ЭД, который обеспечил бы заданный технологический цикл рабочей машины, соответствовал бы условиям окружающей среды и компановки с РМ и при этом имел бы допустимый нагрев.

Электродвигатели рассчитываются и проектируются так, что работая на естественной механической характеристике с номинальными параметрами (М_ном, _ном, І_ном ) они не нагреваются выше той температуры, на которую рассчитана изоляция обмоток двигателя.

Если ЭД выбран недостаточной мощности, то нарушится технологический цикл, уменьшится производительность РМ, ЭД будет нагреваться, что приведет, в конечном итоге, к выходу ЭД из строя.

Если ЭД выбран завышенной мощности, то увеличатся потери энергии из-за уменьшения его КПД и коэффициента мощности, увеличится стоимость электропривода.

При проектировании ЭП одновременно с выбором ЭД, в общем случае, производится расчет передаточного числа и выбор механической передачи (передаточного устройства) между ЭД и ИО РМ.

В данном курсе рассматривается задача, когда механическая передача уже выбрана, либо она вообще не нужна, т.е. ЭД непосредственно соединяется с ИО РМ.

Основой для выбора ЭД является нагрузочная диаграмма – график изменения приведенного к валу ЭД статического момента РМ во времени, т.е. зависимость Мс=(t), и диаграмма скорости ИО РМ (тахограмма), т.е. зависимость  =(t).

Нагрузочная диаграмма рассчитывается на основании данных характеризующих работу РМ и параметров механической передачи.

Если Мс за время технологического цикла не изменяется, то он может быть рассчитан по формулам, которые приводятся в специальной литературе.

Например для вентилятора:

Кз QН

Мс = ^{_____________} ; (313)

η _в _в η i

где Q - производительность вентилятора, м³/с;

Н - напор (давление газа), Па;

η _в - КПД вентилятора;

_в - угловая скорость вентилятора, рад/сек;

Кз - коєффициент запаса (1,1 - 1,5);

η - КПД механической передачи;

і - передаточное число механической передачи.

Если Мс изменяется за время технологического цикла, то теоретически или опытным путем получают произвольную нагрузочную диаграмму.

Нагрузочные диаграммы РМ определяют различные режимы ЭП.

Для упрощения процесса выбора ЭД по мощности, произвольные нагрузочные диаграммы приводятся к стандартизованным диаграммам, которые, в зависимости от характера нагрева и охлаждения ЭД в процессе его работы в составе электропривода, разделяются на восемь номинальных режимов, обозначаемых S1,S2,...S8.

Основные режимы - это режимы S1,S2,S3, номинальные данные двигателей в этих режимах включаются в паспорта и каталоги.

Уточняющие режимы - это режимы S4...S8, они помогают упростить нагрузочные диаграммы произвольных режимов.

Как было сказано выше, стандартизованные нагрузочные диаграммы (номинальные режимы работы ЭД) различаются между собой, в основном, характером и интенсивностью нагрева и охлаждения двигателя во время его работы в заданном технологическом цикле.

Обычно при анализе работы ЭД в электроприводе рассматриваются не абсолютные температуры ЭД, а перегрев , который определяется из формулы:

 = t⁰_эд - t⁰_окр.ср. ; (314)

где t⁰_эд - температура ЭД;

t⁰_окр.ср. - стандартная техническая температура окружающей среды.

Принято: t⁰_окр.ср = + 40⁰С.

Допустимый перегрев ЭД определяется классом его изоляции, т.е.

_доп = t⁰_доп.из. - t⁰_окр.ср. ; (315)

где t⁰_доп.из. - максимально-допустимая температура нагрева изоляции.

Установлено, что изменение перегрева ЭД во времени определяется из формулы: -t/Tн

 = (_нач - _уст) е + _уст ; (316)

где _нач - начальный перегрев;

_уст - установившийся перегрев;

Постоянная времени нагрева определяется по формуле:

Тн = С/А (сек.); (317)

где С - теплоемкость ЭД;

А - теплоотдача ЭД;

_уст = ∆ Р/А ; (318)

где ∆ P - потери мощности в ЭД.

Процесс изменения перегрева ЭД при его охлаждении описывается следующим уравнением: -t/Tо

_о = (_{нач о} - _{уст о}) е + _{уст о} ; (319)

С

где Т_о = ^____ - постоянная времени охлаждения, сек

А_к

А_к - теплоотдача при неподвижном роторе.

Поскольку А_к < А, то Т_о > Тн, а значит охлаждение неподвижного ЭД происходит медленнее, чем его нагрев.

Как видно из (316) и (319) графики процессов нагрева и охлаждения двигателя имеют форму экспоненты.

Далее рассмотрим в чем же заключаются различия между основными номинальными режимами работы ЭД.

Продолжительный номинальный режим S1 - это такой режим работы ЭД, который продолжается столько времени, что за это время перегрев всех его частей достигает установившегося значения. На рисунке 154 изображены графики зависимости электромагнитного момента (мощности) двигателя от времени и зависимости перегрева ЭД от времени, где t_ц - время рабочего цикла^)

^М,Р Признаком режимаS1

является выполнение условия:

t_раб  3Тн (320)

где: t_раб - время работы ЭД

^t

0

τ

^Тн

^τуст

^t

^{0 tц}

Рисунок 154

Продолжительность цикла работы ЭД при режиме S1 должна быть более 10 минут. Работа ЭД в режиме S1 может происходить как с постоянной нагрузкой (как на рис. 154), так и с переменной нагрузкой. В последнем случае момент (мощность) ЭД в течение рабочего цикла будет изменяться(режим S6).

Кратковременный номинальный режим S2 - когда за время работы ЭД его нагрев не успевает достичь установившегося значения, а за время остановки ЭД все его части успевают охладиться до температуры окружающей среды. Графики зависимостей М = (t) и  = (t) для режима S2 изображены на рис. 155

_____________________________________________________________________

) Рабочий цикл вращающийся электрической машины - периодически повторяющаяся последовательность состояний эл. машины, относящихся к ее работе в данном режиме ГОСТ 27471-87

Рабочий цикл (ДUTY CYCLE) - последовательность рабочих состояний, которые проходит компонент, устройство или аппаратура СТ МЭК 50(151)-78

М,Р

0 tp tц t

τ

Тн

τуст

0 tp tц t

Рисунок 155

Признак режима S2 : t_р  3Т_н (321)

Установлены стандартные значения продолжительности рабочего периода: 10, 30, 60, 90 минут. ЭД для режима S1 малопригодны для режима S2, т.к. обладают малой перегрузочной способностью . Поэтому выпускаются ЭД специально предназначенные для режима S2.

ЭД для режима S2 вообще нельзя использовать в режиме S1 из-за повышенных постоянных потерь мощности (Р_о). Если для режима S2 использовать ЭД предназначенный для режима S1, то его мощность нужно выбирать с учетом Мmin по формуле:

Мmin U_раб ²

Р_S1 = Р_расчS2 / ^{_________ ______} (322)

Мnom Unom

Повторно-кратковременный номинальный режим S3 - характеризуется периодами нагрузки и пауз, причем за период нагрузки перегрев ЭД не успевает достичь установившегося значения, а за время паузы (t_п) ЭД не успевает полностью охладиться (см.рис.156)

М,Р

tр tп

t

0 tц

τ

τуст

t

0 tц

Рисунок 156

Признак режима S3: t_р  3Т_н ; t_п  3Т_о (323)

Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения двигателя:

t_раб 100% t_раб

ПВ = ^___________ = ^______ 100% (324)

t_раб + t_п t_ц

Для режима S3 выпускаются специальные ЭД, в каталогах для них указывается номинальная мощность при нормативной (стандартной) продолжительности включения 15%, 25%, 40%, 60%.

За основную принимается ПВ=25%. Длительность рабочего цикла для таких ЭД не должна превышать 10 минут, иначе ЭД будет считаться работающим в режиме S1.

Если у РМ, работающей в режиме S3, ПВ и мощность близки к стандартному ПВ и номинальной мощности выбранного ЭД, то проверка такого двигателя по нагреву не требуется, т.к. работа при таких параметрах гарантируется заводом.

Если для режима S3 приходится использовать ЭД предназначенный для режима S1, то мощность такого ЭД следует выбирать по формуле:

Р_{расч S3}

Р_{расч S1} = ^___________ ; (325)

Пв_{ст S3}

Но эта мощность занижена примерно на 10%, т.к. здесь не учитывается, что при неподвижном роторе условия охлаждения ЭД ухудшаются.

Поэтому окончательно выбирается ЭД мощностью

Р_ном = Р_{расч S1} + 0,1 Р_{расч S1} (326)

Если РМ работает в режиме S3, но с нестандартным ПВ то с расчетной мощности при нестандартном ПВ переходят на расчетную мощность при ближайшем стандартном ПВ:

Р_{расч.ст.} = Р_расч ПВ_расч (327)

ПВ_ст.

И далее производится выбор двигателя по полученной расчетной мощности для стандартной ПВ.

Для перехода с одной стандартной ПВ на другую стандартную ПВ используется формула:

0,25

Р₄₀ = Р₂₅ ^_____ (328)

0,40

и таким же образом для любых ПВ.

Если для РМ, работающей в режиме S3, выбирается ЭД режима S3 со стандартным ПВ, то при определении расчетных и эквивалентных мощностей и моментов( см. 330) время пауз в течение рабочего цикла учитывать не следует, т.к. оно учтено в значении стандартной ПВ.

5.4.2 ПОРЯДОК ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ЭП

5.4.2.1 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭД