
Лекции по автоматическому электроприводу / Глава 1
.doc
ЛЕКЦИИ ПО АЭП, ЧАСТЬ I
ЛИТЕРАТУРА
-
Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат, 2000.
-
Егоров В.Н, Шестаков В.М. Динамика систем электропривода. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
-
Шестаков В.М., Дмитриев Б.Ф., Репкин В.И. Электронные устройства систем автоматического управления: Учебное пособие. – СПб: Изд. ЛГТУ, 1991.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП.
-
Классификация ЭП
-
По назначению: а) ЭП станков; б) ЭП роботов; и т.д.
-
По роду тока: а) ЭП постоянного тока; б) ЭП переменного тока.
-
По роду аппаратуры: а) тиристорные ЭП; б) транзисторные ЭП; в) микропроцессорные ЭП
-
По виду САУ:
а) аналоговые (непрерывные) СЭП;
б) цифровые (дискретные) СЭП;
в) цифроаналоговые СЭП;
г) линейные или нелинейные СЭП;
д) статические или астатические СЭП;
-
По выполняемым функциям:
а) грубое регулирование скорости (разомкнутые СЭП);
б) точное регулирование скорости (замкнутые СЭП);
в) слежение за произвольно изменяющимися входными сигналами;
г) программная отработка заданий (СЭП с программным управлением);
д) взаимосвязанное регулирование параметров (многодвигательные и взаимосвязанные СЭП);
Функции а)-д) считаются основными. К дополнительным функциям относятся:
а) сигнализация (диагностика); б) защита ЭП.
-
Механические характеристики рабочих машин и ЭД
1.
Механические характеристики рабочих
машин
:
1 – не зависящая от скорости;
2 – линейно зависящая;
3 – нелинейно зависящая (вентиляторная);
4 – намоточно-размоточная.
2.
Механические характеристики ЭД
:
1 – СД;
2 – ДПТ с независимым возбуждением;
3 – ДПТ с последовательным возбуждением;
4 – трехфазный АД.
Согласование двигателей и характеристик происходит по следующим параметрам:
а)
по диапазону регулирования скорости
;
б)
по нагрузке (,
);
в)
по энергетическим показателям ().
1.3. Механические характеристики ДПТ
1. Механические характеристики ДПТ с независимым возбуждением
;
где
- конструктивная постоянная двигателя,
- число пар полюсов;
- число активных стержней;
- число пар параллельных ветвей (количество
обмоток в секции);
.
РИС
1
– естественная характеристика ()
1' – инверсная характеристика
2
-
- 1-я зона управления ЭД
3
-
- 2-я зона управления ЭД
4
-
тормозные режимы:
5 – динамическое торможение: двигатель отключается от сети, якорь закорачивается на сопротивление;
6 – торможение противотоком;
7
– рекуперация. условия рекуперации:
,
реверс момента. Реализуется с помощью
управляемого преобразователя, включенного
в цепь якоря двигателя. Отдает энергию
в сеть.
2. ДПТ с последовательным возбуждением
;
;
;
т.е. механическая
характеристика нелинейная
РИС
1 – естественная характеристика;
2
-
;
3 – динамическое торможение;
4 – режим противотока.
У
данных ДПТ
,
т.е. двигатель нельзя включать без
нагрузки. По этой же причине рекуперация
невозможна.
3. Пусковые и тормозные режимы ДПТ независимого возбуждения
Переходные процессы ДПТ определяются следующими уравнениями
- уравнение
равновесия электрической цепи;
- символическая
форма уравнения Даламбера.
Эти уравнения описывают движение ЭП в целом. Рассмотрим частные случаи.
1) Прямой пуск. Двигатели малой мощности запускаются напрямую от питания.
а)
; б)
РИС
2) Реостатный пуск
(-)
;
;
;
(--)
;
;
;
РИС
3) Рекуперация – энергия торможения отдается в сеть
(-)
(--)
РИС
4) Динамическое торможение. Якорь двигателя закорачивается на сопротивление
РИС
5) Противоток
,
где
- тормозной резистор.
РИС
1.4. Механические характеристики АД
1) Механические характеристики трехфазных АД
Индекс: 1 – статора; 2 – ротора.
При R1=0 механическая характеристика описывается формулой
,
где
- критический момент;
- скольжение,
,
.
РИС
1
– естественная ();
1' – реверс (меняются местами две из трех фаз);
2
-
,
;
3
-
или
;
4
– АД с фазным ротором
,
.
тормозные режимы
5 – динамическое торможение: на обмотку статора подается постоянный ток, тогда раскручиваемый ротор будет тормозиться;
6 – противоток (реверс): (меняются местами две фазы);
7
– рекуперация
,
реверс момента. Для торможения до нуля
требуется ПЧ, который непрерывно снижает
.
Пуск АД: Для ограничения пусковых токов большой мощности асинхронных машин или получения плавного пуска асинхронного привода применяют:
-
включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска;
-
"частотный" пуск через преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя
;
-
с фазным ротором;
-
реакторный пуск – включение индуктивных сопротивлений в цепь ротора. Вначале пуска частота тока в роторе близка к частоте сети, индуктивное сопротивление
велико и ограничивает пусковой ток.
2) Механические характеристики двухфазных АД
Выпускаются на мощность до 1 кВт. Могут выполняться со сплошным или полым ротором. ОВ, ОУ – соответственно обмотки возбуждения и управления; Для сдвига фаз в цепь ОВ последовательно включают конденсатор емкостью 1-2 мкФ на каждые 100 Вт.
, при однофазном
включении
.
Примечание: при частотном управлении характеристики станут линейными и параллельными друг другу, при фазовом – только линейными.
РИС
1.5. Механические характеристики СД
1
– естественная ();
1' – реверс;
2
-
.
Достоинства:
а) жесткость механических характеристик;
б)
высокий коэффициент мощности
.
,
можно получить
(емкостную реакцию машины) при ее
перевозбуждении
На базе СД компонуют вентильные двигатели с широким диапазоном регулирования скорости.
1.6. Современные серии ЭД, применяемых в машиностроении
-
2П(Ф)-4П(Ф) – серия широкорегулируемых ДПТ. Предназначен для работы от тиристорных преобразователей. Имеют шихтованный статор, усиленный коллекторно-щеточный аппарат. Допустимый коэффициент пульсаций тока i до 7%.
= 1-1000 кВт;
=2200
– 8000 об/мин; степень ослабления поля
;
=
110, 220, 440, 660 В.
2
(10с) и 1,5 (60с).
-
ПБСТ – ДПТ, безобдувный, станочный, со встроенным тахогенератором.
=0,5-27
кВт;
=110,
220, 440 В;
=500-3000
об/мин;
;
4.
-
ПГТ – ДПТ с гладким якорем, со встроенным тахогенератором. Малоинерционный. Отсутствие зубцовой зоны позволяет увеличить поток, что приводит к увеличению момента (
)и снижению индуктивности (следовательно, и
).
=0,65
– 10 кВт;
=60,
110, 220, 440 В;
;
8.
-
ПБВ, 2ПБВ – ДПТ высокомоментный, безобдувный, с возбуждением от постоянных магнитов. Высокая удельная энергия магнитов позволяет получить усиленный магнитный поток и момент.
=0,5
– 10 кВт;
=500
– 1500 об/мин;
=50,
60, 110, 220, 440 В,
10.
-
ДПУ – ДПТ с печатным якорем, управляемый. Малый момент инерции.
до 10 кВт;
=3000
об/мин; разгон 0-3000 за 0,2 с. Применяются
в робототехнике. Срок службы до 5 лет
(предыдущие до 10 лет).
-
4А – серия трехфазных короткозамкнутых АД. Предназначены для работы от тиристорных и транзисторных ПЧ. Малый момент инерции, пониженные потери, повышенные пусковые моменты.
=0,5
– 1000 кВт;
=220,
380, 500 В;
=750,
1000, 1500, 3000 об/мин;
2,5.
-
АО – однофазные АД.
до 0,5 кВт;
=220, 380 В;
=1000, 1500, 3000 об/мин.
-
ДВУ – вентильные управляемые СД с ротором на постоянных магнитах.
до 10 кВт;
=220,
380 В;
=1000,
1500, 3000 об/мин;
10000.
1.7. Силы и моменты, действующие в электроприводе
Уравнения механики ЭП для поступательного и вращательного движения
- уравнения Даламбера
знак
определяет разгон, торможение или
установившийся режим. Различают
двигательный и тормозной момент работы
двигателя и активный и пассивный момент
сопротивления движению. К пассивному
моменту относят работу силы трения, к
активному – силы тяжести, упругости. В
общем случае уравнение примет вид
.
1.8. Приведение моментов сопротивления и инерции к валу двигателя
Перед
расчетом статики механики ЭП необходимо
все механические величины привести к
одной оси двигателя или механизма (чаще
двигателя).
- коэффициент передачи.
РИС
-
Приведение момента сопротивления. Запишем баланс мощностей на валу двигателя и механизма:
;
вращательное
движение:
;
;
поступательное
движение:
;
;
-
Приведение момента инерции к валу двигателя. Запишем баланс кинетической энергии.
вращательное
движение:
;
;
поступательное движение:
;
-
В общем случае приведения моментов сопротивления при наличии поступательно движущихся и вращающихся масс
-
Время ускорения и замедления ЭП. Электромеханическая постоянная времени.
;
;
при
- const;
,
двигатель
разгоняется от 0 до
при
:
заменяя
,
,
получаем
.