Автоматизировоный электропривод

ВСТУП

 

Більшість виробничих робочих  машин та механізмів приводиться  в дію електричними двигунами. Двигун разом із механічним пристроями (редукторами, трансмісіями, кривошипно-шатунними  механізмами та ін.), що слугують для  передачі руху робочому органу машини, а також з пристроями управління та контролю утворює електромеханічну систему, яка являється енергетичною, кінематичною і кібернетичною основою функціонування робочих машин.

В більш складних технологічних  машинних комплексах, де є декілька робочих органів або технологічно пов’язаних робочих машин, використовується декілька електромеханічних систем, які у поєднанні з електричними системами розподілу електроенергії та загальною системою управління утворюють електромеханічний комплекс.

Створення сучасних електромеханічних систем базується на використанні нових досягнень силової електроніки, механіки, автоматики, мікроелектроніки та комп’ютерної техніки. Це область науки, яка швидко розвивається, що визначає високу динамічність розвитку електромеханічних систем.

Прискорення темпів технічного прогресу у машинобудуванні та інших областях, зменшення строків морального старіння поколінь технічних засобів постійно ставлять нові задачі щодо подальшого розвитку елементів та систем автоматизованого електропривода. Новітні технології, що пов’язані з механічним рухом, базуються виключно на використанні регульованого електропривода.

 

1 МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ

 

Механічною характеристикою двигуна  називається залежність між швидкістю обертання і моментом М, який розвиває вал двигуна.

Всі характеристики розділяються на природні і штучні.

Природною називають характеристику двигуна при номінальних параметрах живлячої мережі, нормальній схемі включення і відсутності додаткових опорів у колах двигуна. Всі інші характеристики двигуна, які отримуються при недотриманні хоча б однієї з цих умов, називаються штучними.6

Одним із критеріїв для порівняння механічних характеристик є їхня жорсткість, оцінювана коефіцієнтом жорсткості β, що визначається за формулою:

 

,

 

де  - приріст обертального моменту;

  - приріст кутової швидкості.

Відповідно до цього  критерію характеристики електродвигунів  поділяються на абсолютно тверді, , тверді і м’які .

Абсолютно тверду характеристику має синхронний двигун, тверді характеристики мають двигуни постійного струму паралельного збудження і двигуни змішаного збудження при великих навантаженнях на валу, а також асинхронні двигуни на лінійній частині характеристики.

М’яку характеристику має двигун постійного струму послідовного збудження і двигуни змішаного збудження при малих навантаженнях на валу.

Характерними точками  механічних характеристик є: точка ідеального холостого ходу, точка номінального режиму роботи, точка короткого замикання.

При ідеальному холостому  ході відсутній момент на валу двигуна (М=0). Швидкість обертання двигуна в цьому випадку називається швидкістю ідеального холостого ходу .

Точка номінального режиму характеризується номінальним значенням моменту М_н і номінальною швидкістю _.

Різниця між швидкістю  і поточним значенням швидкості називається падінням швидкості .

Значення ковзання двигуна S визначаємо по формулі:

 

 

де  - швидкість ідеального холостого ходу.

В точці короткого  замикання швидкість двигуна дорівнює нулю. Момент на валу, що відповідає цієї швидкості, називається моментом короткого замикання або пусковим моментом.

 

2 Приведення сил і моментів

 

2.1 Приведення моментів опору і моментів інерції при обертальному русі

 

Зазвичай двигун приводить в дію робочий механізм через систему передач (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Схема  «двигун – редуктор – механізм»

 

Приведення моментів опору до вісі обертання електродвигуна виконується на основі енергетичного балансу всієї системи. При цьому статичний момент опору, приведений до валу двигуна

 

,

 

де – статичний момент опору робочого механізму;

 – швидкість обертання  валу робочого механізму;

 – швидкість обертання  валу двигуна;

 – коефіцієнт корисної  дії передачі (редуктора).

Приведення моментів інерції до однієї вісі обертання  спирається на те, що величина сумарного  запасу кінетичної енергії частин приводу, що рухаються, віднесена до однієї вісі, залишається незмінною. При наявності обертових частин, що мають моменти інерції і кутові швидкості , можна замінити їх динамічну дію дією одного моменту інерції, приведеного до швидкості обертання валу двигуна, тобто:

 

.

Зазвичай в робочих  механізмах використовуються редуктори, в яких частини, що рухаються, мають форму порожнього циліндру, зрізаного конусу і прямолінійного тонкого стрижня (вал). Моменти інерції цих тіл визначаються наступними виразами.

Для довгого тонкого  валу відносно його вісі обертання:

 

,

 

де m – маса валу;

l   – довжина валу.

Для порожнього циліндра відносно його вісі обертання:

 

,

 

де R₁, R₂ – зовнішній і внутрішній радіуси циліндру.

Для зрізаного прямого  конусу відносно його вісі обертання

 

,

 

де R₁, R₂ – радіуси основ конусу.

 

2.2 Приведення сили і маси при поступальному русі до моменту при обертальному русі

 

Необхідність приведення поступального руху до обертального виникає, наприклад, у підйомниках, кранах, стругальних верстатах і т.п.

Приведений до швидкості обертання  валу двигуна підйомника (рисунок 2.2) момент опору визначається за формулою:

 

,

 

де F_с.м – сила опору робочого механізму, обумовлена силою ваги вантажу G, який рухається поступально;

V   – швидкість поступального руху вантажу.

Момент інерції, приведений до валу двигуна, знаходимо за формулою:

 

.

 

Рисунок 2.2 – Схема «двигун – редуктор – барабан»

 

Якщо механізм має  елементи, які рухаються обертально і поступально, то сумарний приведений до валу двигуна момент інерції, визначаємо по формулі:

 

.

 

3 Електропривод на двигуні постійного струму

паралельного  збудження

 

3.1 Рівняння характеристик і режими роботи двигуна

 

Схема ввімкнення двигуна  наведена на рисунку 3.1.

 

Рисунок 3.1 – Схема ввімкнення електродвигуна

 

Рівняння рівноваги напруг якірного кола цього двигуна в усталеному режимі має вигляд:

 

,

 

де  – сумарний опір якірного кола.

Е.р.с двигуна визначається виразом:

 

,

 

де с – конструктивна постійна двигуна;

Ф – магнітний потік одного полюсу.

Швидкісна характеристика двигуна при постійному магнітному потоці Ф визначаємо за формулою:

 

,

 

де – швидкість ідеального холостого ходу;

 – падіння швидкості при даному струмі й опорі якірного кола.

З цього рівняння випливає, що швидкісна характеристика двигуна  являє собою пряму лінію, нахил  якої до вісі абсцис визначається коефіцієнтом .

Електромагнітний момент зв’язаний зі струмом якоря двигуна і магнітним потоком наступним чином:

 

.

 

Момент на валу двигуна  трохи менше електромагнітного  моменту через втрати в сталі  і механічні втрати на тертя в  підшипниках електродвигуна. При розрахунках механічних характеристик ці втрати не враховуються, тому що вони невеликі й електромагнітний момент приймають рівним моменту на валу двигуна.

Механічна характеристика двигуна  має вигляд:

 

.

 

Механічна характеристика двигуна паралельного збудження  також являє собою пряму лінію.

Двигун паралельного збудження, як і будь-яка електрична машина, має  властивість оберненості, тобто  може працювати в генераторних режимах, створюючи гальмівний момент на валу. Розрізняють наступні генераторні гальмівні режими: рекуперативне гальмування з віддачею енергії в мережу; динамічне гальмування; гальмування противмиканням.

Рекуперативне гальмування  виникає в усіх випадках, коли швидкість  обертання двигуна вище швидкості ідеального холостого ходу . При цьому електрорушійна сила двигуна Е буде рівна:

 

.

 

Тобто ЕРС двигуна стає більше прикладеної напруги, а струм змінює свій напрямок. У цьому випадку отримуємо:

 

.

 

Від'ємне значення струму свідчить про те, що двигун працює генератором паралельно з живлячою мережею, створюючи при цьому гальмівний момент на своєму валу.

Оскільки режим рекуперації  виникає без зміни схеми включення  двигуна, залишаються справедливими  рівняння швидкісної і механічної характеристик, тобто характеристики в цьому режимі є продовженням характеристик режиму двигуна в область другого квадранту.

Динамічне гальмування буде в тому випадку, коли якір двигуна, що обертається відключається від мережі і замикається на активний опір. Обмотка збудження при цьому залишається ввімкненою в мережу.

При динамічному гальмуванні двигун перетворює механічну енергію, що надходить  на вал, в електричну. Ця енергія  виділяється у вигляді тепла  в опорі якірного кола.

Так як при динамічному гальмуванні напрямок обертання і напрямок магнітного потоку не міняються, то е.р.с. двигуна в цьому режимі зберігає той же знак, що й при роботі в режимі двигуна.

При U=0 рівняння швидкісної і механічної характеристик двигуна в режимі динамічного гальмування

 

,  , .

 

Ці характеристики лінійні, проходять через початок координат  і розташовуються в другому і четвертому квадрантах. Нахил характеристик визначається величиною опору R.

Гальмування противмиканням це такий режим роботи, коли двигун включений для обертання в одному напрямку, а зовнішній момент обертає якір у протилежному напрямку.

На практиці режим противмиканням двигуна одержують за рахунок  збільшення опору якірного кола.

 

Зміна знаку швидкості в режимі противмикання приводить до зміни знаку е.р.с. двигуна. В цьому випадку струм якоря визначається з виразу:

 

.

 

Режим противмикання  доцільно застосовувати для реверсивних  приводів, де швидке гальмування і  пуск двигуна в зворотному напрямку необхідні за технологічним процесом.

Побудову будь-якої характеристики двигуна паралельного збудження, враховуючи їх прямолінійність, можна здійснити по двох точках. Зазвичай беруть точку ідеального холостого ходу (М=0 і ) і точку, що відповідає номінальному моменту (М=М_н і ).

Природна характеристика двигуна будується за паспортними  даними двигуна. Для цієї характеристики маємо:

 

;

;

.

 

Номінальний момент двигуна  можна також визначити за виразом:

 

,

 

де Р_н– номінальна потужність двигуна; ;

η_н – к.к.д. двигуна при номінальному навантаженні.

Для побудови швидкісної характеристики досить знайти , оскільки I_н і n_н наводяться в паспорті на двигун.

Кутова швидкість обертання  валу двигуна  зв’язана зі швидкістю обертання n_н, яка наводиться в паспортних даних, таким чином:

 

.

Для визначенні величини сФ_н необхідно знати опір R_я. Якщо він не наводиться в паспортних даних на двигун його можна знайти, прийнявши орієнтовно, що половина всіх втрат двигуна при номінальному навантаженні приходиться на втрати в обмотці якоря. Тоді

 

.

 

Звідси

.

 

Штучні реостатні характеристики двигуна також будуються за двома  точками: , М=0 і , М=М_н.