Лекции по ЭМС для заочников

Электромеханические системы - как совокупность электрической машины и рабочего механизма.

Электромеханические системы представляют собой вполне определенный класс технических систем – упорядочное, целесообразное сочетание взаимосвязанных и взаимодействующих механических, электротехнических, электронных и микропроцессорных компонентов, образующих определенную управляемую целостность. Важнейшей составляющей любой технической системы является привод, используемый для осуществления движения каких-либо элементов технических систем относительно других, преобразуя какой – либо вид энергии в механическую работу.

Автоматизация и механизация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда, повышению благосостояния и повышению культуры производства. Специалисты в области автоматизированного привода должны быть хорошо знакомы с механическим оборудованием, технологией производства и уметь решать вопросы о способах регулирования скорости, рассчитывать переходные процессы ЭП и правильно выбирать мощность двигателя.

Структурная схема электромеханической системы

Привод всегда имеет два канала – силовой и информационный. По первому транспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка информации о состоянии и режимах функционирования приводной системы в целом. Для осуществления как силовых, так и управляющих функций привода используются различные виды энергии. По виду применяемой энергии приводы разделяют на электрические (электроприводы), гидравлические, пневматические и комбинированные, а по способу подключения к источнику питания – с автономным и не автономным энергоснабжением.

ЭП представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления технологическим процессом. ЭП состоит из преобразовательного устройства, двигателя, передаточного устройства и аппаратуры управления.

П – преобразовательное устройство. Служит для преобразования 3-х фазного переменного тока в другой род тока или изменение его параметров.

ПУ – передаточное устройство служит для согласования скоростей двигателя и рабочего органа или преобразования вида движения (редуктор).

АУ – аппаратура управления осуществляет стабилизацию или изменение параметров движения (перемещения, скорости, ускорения, силовых воздействий) передаточного устройств и рабочего органа, регулируя процесс преобразования и обмена энергией в силовом и информационном каналах управления, т.е предназначена для управлением технологическим процессом.

РО – рабочий орган механизма

По характеру движения различают электропривод вращательного и поступательного движения. По количеству исполнительных двигателей различают групповой взаимосвязи, индивидуальный привод.

Основные сведения о механике электропривода

Уравнение движения механической части ЭП

В механическом движении участвуют подвижная часть ЭД элементы передаточного устройства и РО. Совокупность этих элементов называется кинематической системой или механической частью ЭП.

Движение любого элемента механической части ЭП подчиняют законам физики:

1. При поступательном движении:

F – движущая сила

F_с – сила сопротивления движению

- изменение линейной скорости во времени

2. При вращательном движении:

Уравнение движения ЭП или уравнение равенства моментов это уравнение показывает что двигатель развивая вращательный момент уравновешивается моментом сопротивления и инерционным моментом.

М – вращательный момент

Мс – момент статического сопротивления движению

– изменение угловой скорости во времени

1) (сек^-1),(р/сек)

ω – угловая скорость вращения

J – момент инерции. Характеризует механическую инерцию системы и определяется:

(кг*м²)

m – масса тела

ρ – радиус инерции

Заменим массу на вес, а радиус на диаметр

g – ускорение силы тяжести, g=9,81мс²

GD² – маховый момент, дается в каталогах

Статический и динамический моменты в электромеханических системах

Разность значений моментов М и Мс называют динамическим моментом.

В зависимости от соотношения величин М и Мс движение может быть ускоренным, замедленным и равноускоренным.

М > Мс - ускоренное

М < Мс - замедленное

М = Мс - равномерное

Направление движения моментов М и Мс определяет их знак, +М если он будет действовать по направлению движения привода и —М если против движения привода. Следовательно М будет положительным если он развивает движущий момент и отрицательный если он работает в режиме тормоза.

Статические моменты делятся на активные и реактивные

К реактивным относятся всегда те, которые препятствуют движению они всегда отрицательны.

К активным относятся моменты от веса, сжатия, растяжения, кручения упругих тел. Все эти понятия связанны с изменением потенциала энергии привода. Если груз поднимают, то активный момент направлен против движения, т.е. потенциал момента отрицательный. Если же спускают то потенциал момента направлен в сторону вращения и является положительным.

С учетом вышеизложенного уравнение движения механической части ЭП можно переписать:

В данном уравнении моменты должны быть приведены к одной скорости вращения. Обычно двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдельные элементы которой движутся с разными скоростями.

Для упрощения расчетов движение ЭП можно рассматривать на каком-нибудь одном электромеханическом элементе. Обычно в качестве такого элемента принимают вал двигателя, расчетную схему механической части привода можно представить моментом инерции, на которую воздействуют: электромагнитный момент и приведенный к валу двигателя момент сопротивления (статический момент).

По характеру изменения статического момента все механизмы делятся

1. Машины с постоянным статическим моментом (ленточные конвейеры, краны, лебедки и т.д.), для них статический момент неизвестен.

2. Машины у которых статический момент зависит от скорости (центробежные, осевые вентиляторы, насосы, турбокомпрессоры)

3. Машины со статическим моментом зависящим от пути (поршневые компрессоры, электровозы)

4. Машины у которых статический момент зависит от ряда технологических факторов изменяющихся случайно во времени ( горные машины)

Приведение моментов сопротивления от одной оси вращения к другой можно произвести на основании энергетического баланса системы. При этом потери мощности в промежутках передач учитываются введением в расчеты КПД. На основании равенства мощностей момент сопротивления механизма можно определить по формуле.

М_см – статический момент механизма

ω_М – скорость вращения механизма

η_м – КПД передачи

ω_д – скорость вращения двигателя

Приведение моментов инерции к одной оси основано на том, что суммарное значение кинетической энергии движущихся частей привода остается неизменным т.е.

J_д - момент инерции двигателя

J₁ - момент инерции муфты

J_м - момент инерции механизма

При рассмотрении работы двигателя, приводящего в движение механизмы, необходимо, прежде всего, выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристикам производственных механизмов.

Механические характеристики

Механической характеристикой называется зависимость угловой скорости двигателя от вращающего момента.

Механические характеристики можно разделить на 3 категории:

1. Абсолютно жесткая характеристика, при которой скорость, при изменении момента не меняется (такой характеристикой обладает синхронный двигатель)

2. Жесткая механическая характеристика. При которой скорость с изменением момента хотя и падает, но не значительно (ДПТ с параллельным и независимым возбуждением, асинхронный двигатель).

3. Мягкие характеристики со значительным падением скорости при изменении статического момента (ДПТ последовательного возбуждения).

Механическая характеристика может быть естественной и искусственной. Естественная представляет зависимость скорости от момента, при нормальных условиях работы двигателя (номинальное напряжение, поток, частота, отсутствие дополнительного сопротивления).

При нарушении номинальных условий работы двигателя получаем искусственную характеристику.

Статическая устойчивость двигателя

Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы ЭП. Когда при случайном возникшем отклонении скорости от установившегося режима ЭП система возвращается в точку установившегося режима. Допустим, по какой либо причине скорость ЭП возросла до значения ω₁. выясним, что произойдет со скоростью, если вызвавшее её изменения причина исчезнет.

Из характеристики двигателя и исполнительного органа видно что при скорости ω₁ момент нагрузки M_c больше момента двигателя М_с>М_н. тогда в соответствии с основным уравнением движения в системе двигатель - механизм будет действовать отрицательный динамический момент. Начнется процесс торможения, который закончится при скорости ω₁. Допустим, произошло снижение скорости до уровня ω₂ которая меньше нормальной скорости работы двигателя. В этом случае М_с2 меньше М₂ и под действием уже положительного динамического момента скорость начинает возрастать пока не достигнет установившегося значения. Таким образом, система двигатель — механизм обладает свойством возвращаться к скорости номинального режима при возможных отклонениях от неё, т.е. движение в такой системе устойчивое. Привод считается устойчивым, если в точке номинального (установившегося) режима выполняется условие β<β_c, где β - модуль жесткости.

Неустановившееся движение ЭП имеет место когда моменты двигателя и нагрузки отличаются друг от друга М≠М_С. Наиболее типичными видами неустановившегося движения является пуск, торможение, реверсирование ЭП, а так же переход с одной скорости на другую. Неустановившееся движение называют переходным процессом или переходным режимом. Целью рассмотрения неустановившихся режимов является получение зависимости механических переменных ЭП: скорости, момента, угла поворота от времени.

Уравнение механической характеристики ДПТ

Общее уравнение механической характеристики для ДПТ.

U — напряжение питания (В)

Сд — коэффициент зависящий от конструктивных данных двигателя

Ф — магнитный поток, (Вебер – Вб)

М — вращательный момент, (Нм)

Rя -сопротивление цепи якоря.(Ом)

Скоростная характеристика (электромеханическая)

,

ДПТ параллельного и независимого возбуждения

Анализируя уравнение механической характеристики для данного двигателя получаем, что магнитный поток, возникающий в обмотке возбуждения, не влияет на процессы, происходящие в самом двигателе и при постоянном напряжении сети магнитный поток можно считать величиной постоянной и при М=0 получаем

- уравнение холостого хода

Второй член уравнения механической характеристики определяет изменения угловой скорости двигателя при изменении момента:

Δω – зависит от момента и от сопротивления в якорной цепи, с увеличением сопротивления скорость уменьшается

это механическая характеристика ДПТ является прямой линией тангенс угла которой определяется значением

ДПТ последовательного возбуждения

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорем и по ней протекает якорный ток. Следовательно, магнитный поток является функцией тока якоря.

- активная мощность

Активная мощность связана с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию.

- мощность двигателя

Характерной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является. то, что изменение магнитного потока с изменением тока якоря оказывает большое влияние на скорость двигателя. Это видно из скоростной характеристики двигателя .

Предположим что магнитная цепь ненасыщенна, тогда Ф=С_Ф-I_Я, С_ф = tga подставим это значение в формулу момента М = С_Д *С_Ф*1²_Я; С_Д*С_Ф=К, М=К*1²_Я и выразим из формулы значение тока . Подставим значение магнитного потока в уравнение механической характеристики и получим произведем замену тока и получим

- уравнение механической характеристики для ДПТ при последовательном возбуждении.

Анализируя уравнение механической характеристики, видим, что при уменьшении нагрузки скорость возрастает, а при М=0 скорость стремится к бесконечности. В реальных двигателях ток холостого хода не может быть равен нулю, вследствие потерь в стали и механических потерь, но угловая скорость может достигать опасных по условию механической прочности значений. Поэтому холостой ход недопустим. При увеличении момента скорость стремится к нулю.

Механическая характеристика ДПТ смешанного возбуждения

Механическая характеристика для данного двигателя выведена экспериментально.

Двигатель имеет 2 обмотки возбуждения магнитный поток машины определяется Ф=Ф1+Ф2. Вследствие нелинейной зависимости потока от тока якоря аналитическое выражение механической характеристики получить нельзя.

Действие магнитного потока на машину проявляется в её размагничивании. Для построения механической характеристики используя универсальные характеристики момента и скорости которые приведены в справочниках. Магнитный поток параллельно обмотке создает независимо от тока якоря поток поэтому двигатель может работать в режиме холостого хода:

Регулирование ЭП с таким типом двигателей может, осуществляется изменением напряжения, магнитного потока, добавочного резистора в цепи якоря. Эти двигатели обладают большой массой, габаритами, стоимостью и используются очень редко.

Механические характеристики АД переменного тока

Для вывода механической характеристики воспользуемся Т - образной схемой замещения.

U - первичное фазное напряжение.

I₁ - фазный ток статора

Г₂ - приведенный ток ротора

I₀ - намагничивающий ток системы

X^`₁ - индуктивное сопротивление статорной обмотки,

Х^"₂ приведенное сопротивление роторной обмотки,

r1 - активное сопротивление статорной обмотки,

r2 - приведенное активное сопротивление роторной обмотки

Момент АД может быть определен из выражения электрических потерь.

(1)

Подставим значение S критическое в уравнение момента получим выражение критического момента.

(2)

Знак (+) относится к двигательному режиму, знак (-) к генераторному. Разделим (1) выражение на (2) и если пренебречь активным сопротивлением

ротора то получим упрощенную формулу момента. (3)

Анализируя выражение (1) видно, что при данном скольжении момент пропорционален квадрату движения, поэтому этот двигатель чувствителен к колебаниям напряжения сети. Построим механическую характеристику точек двигателя.

1) S=0 M=0 при этих значениях скорость двигателя равна синхронной

2)S=S_ном M=M_ном - соответствует скорости к номинальному моменту.

3) М=М_кр S=S_Kp

4) S=l, М=М_п- начальный пусковой момент

При скольжении S<0 но больше S_кр двигатель работает при номинальном режиме, при S=S_кp двигатель работает в режиме пуска. При S>1 двигатель работает в режиме противовключения и при S<0 двигатель переходит в генераторный режим.

Работа двигателя определяется перегрузочной способностью

а - АД с КЗ ротором б - АД с фазным ротором

Механическая характеристика и угловая характеристика синхронного двигателя (СД).

Механическая характеристика СД отличается от характеристики др. двигателей тем, что скорость является постоянной, при изменении нагрузки от холостого хода до максимума равна скорости магнитного поля созданного токами обмотки статора , р- число пар полюсов.

При холостом ходе оси ротора и рез-го магнитного поля статора почти совпадают в пространстве. Если к валу двигателя приложить нагрузку, ротор при своем синхронном вращении несколько отстает от вращающего магнитного поля статора. И между осями рез-го магнитного поля и полем ротора возникает некоторый угол 0. Вращающий электромагнитный момент синхронного двигателя определяется: числом фаз, напряжением, ЭДС и т.д.

х_с - синхронное индукционное сопротивление обмотки статора. При sin90=l - момент максимален,

Зависимость вращательного момента от угла 0 называется угловой характеристикой двигателя.

При θ от 0 до 90 момент возрастает до максимума и двигатель работает устойчиво, при θ >90 вращающий момент начинает уменьшаться и двигатель выпадает из синхронизма, в это случае используются устройства для втягивания СД в синхронизм. Момент номинален при θ от 20 до 30. перегрузочная способность лежит в пределах .

Переходные процессы.

Под переходными процессами понимают процессы от перехода от одного состояния ЭП к другому, т.е. переход от покоя к вращению и обратно, от одной скорости к другой (пуск, торможение, реверс, сброс нагрузки). Для большинства работающих машин протекание переходных процессов имеет существенное значение. Например: для привода с цикличной работой производительность машин зависит от длительности пуска и торможения. Увеличение этих циклов приводит к увеличению длительности рабочего цикла, а следовательно к уменьшению производительности. Но при сокращении длительности этих режимов возрастают динамические нагрузки в элементах рабочей машины, что может привести к разрушению. Поэтому только нагрузочные диаграммы, построенные с учетом ПП делают возможным правильно спроектировать ЭП. Причины переходных процессов в ЭП являются механическая и электромагнитная инерционность. Механический ПП учитывается только механическая инерция движущихся частей. Электромагнитный ПП учитывает электромагнитную инерцию индуктивности обмоток электрических машин. ПП - описываются сложными дифференциальными уравнениями.

Потери энергии при переходных процессах.

Потери энергии имеют существенное значение при выборе двигателя, потери в якорной цепи ДПТ параллельного возбуждения определяются

ΔР=Р1-Р2=UI-Мω

Где:

Р1= UI - мощность подводимой к двигателю

Р2 = Мω - мощность на валу двигателя

Выразим ток через момент, а напряжение через скорость холостого хода:

,

Подставим эти значения в формулу (1) получим:

(2)

Потери энергии за время t определяется: (3)

Из уравнения ЭП получим подставим это значение в уравнение (3) и учитывая что за время t скорость изменилась от начального до конечного значения получим

Если статический момент равен нулю, т.е. двигатель, запущен без нагрузки и начальная скорость равна нулю конечная скорость равна скорости холостого хода то получим:

т.е. двигатель потребляет из сети половину энергии, часть которой преобразуется в механическую и передается якорю в виде кинетической энергии , а вторая половина теряется в цепи якоря главным образом на пусковые резисторы.

При торможении противовключением потери энергии равны тройному запасу кинетической энергии деленной пополам .При

динамическом торможении как и при пуске

Потери энергии для АД.

Припуске:

При динамическом торможении:

При реверсе:

Способы снижения потерь энергии в переходных процессах.

Снижение потерь имеет важное значение т.к. улучшает энергетические показатели ЭП.

1. уменьшение момента инерции

2. регулирование холостого хода двигателя.

Уменьшение момента инерции возможно за счет уменьшения момента инерции самого двигателя. Это возможно за счет использования малоинерционных двигателей имеющие пониженный момент инерции В этом случае двигатель выполняется с повышенным отношением длины якоря к его диаметру, с полым или дисковым якорем. Рационального конструирования механической передачи путем выбора оптимального передаточного числа редуктора, рациональных размеров и форм механической передачи. Замена одного двигателя двумя имеющими половинную номинальную мощность заменяемого двигателя.

Регулирование скорости может обеспечиваться для ДПТ изменением напряжения на якоре в системе УВ-Д управляемый выпрямитель двигатель, а для АД изменение частоты питающего напряжения, или числа пар плюсов в многокаскадных двигателях.

Пуск и торможение электродвигателя.

Пуск заключается в подключении к источнику энергии и разгоне до требуемой скорости. Режим пуска определяется величиной и характером статического и пускового момента. В зависимости от соотношения статического и номинального момента режимы пуска могут быть легкими, нормальным и тяжелыми. Если начальный статический момент не превышает 30-40% номинального пуск считается номинальным. Пуск центробежных насосов, вентиляторов. Если начальный статический момент больше 40%, но меньше 100% от нормального то режим пуска считается нормальным. Если начальный статический момент больше 100% номинального то режим пуска является тяжелым. Для многих горных машин и механизмов. В процессе остановки ЭП в системе действуют инерционные силы стремящиеся удлинить время остановки. Для уменьшения времени остановки применяют механическое и электрическое торможение.

Пуск ДПТ.

Ток якоря:

Где Rд - внутреннее сопротивление двигателя.

При пуске двигателя W₀=0, ЭДС=0, тогда пусковой ток определяется т.к. внутреннее сопротивление мало то включение двигателя на полное напряжение вызывает бросок тока превышающий номинальный в несколько раз. Для ограничения пускового тока необходимо последовательно в цепь якоря включать добавочные пусковые резисторы, которые уменьшают пусковой ток .По мере увеличения скорости двигателя будет расти ЭДС и ток определятся значением . С увеличением скорости момент и ток двигателя будут уменьшатся. Для поддержания величин I_п и М_п в необходимых пределах нужно уменьшить величину пускового сопротивления. Это осуществляется автоматически.