Режимы работ электроприводов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ        МЕХАТРОННЫХ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

 

 

Конспект лекций

 

 

Часть 1.

 

1. Базовые понятия и определения в области привода робототехники и мехатроники. Примеры современных систем.

2.  Функции приводов, классификация, режимы работы, окружение.

3. Требования к приводам. Сравнение различных видов приводов. Перспективы развития приводов.

4. Виды, классификация и особенности функционирования гидроприводов МТ и РТУ.

5.  Устройство, принципы действия и основные характеристики гидроприводов.

                                                Часть 2

6. Принципы работы, виды, классификация, режимы работы электроприводов.

7. Характеристики при регулировании и выбор электроприводов.

8. Принципы построения, характеристики и применение систем управления и регуляторов приводов.

 

Литература

 

 

Часть 2

6. Принципы работы, виды, классификация, режимы работы электроприводов.

Основные понятия и классификация электроприводов

Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного, либо поступательного движения и включающее электромеханический преобразователь (двигатель) и устройство управления двигателем.

В общем случае ЭП включает преобразователь П, электромеханический преобразователь (электродвигатель) ЭМП(Д), рабочий механизм РМ, устройство (или устройства) обратной связи УОС, суммирующий узел СУ. Преобразователь П, устройства обратной связи УОС и суммирующий узел СУ образуют устройство управления УУ. В зависимости от типа ЭП в УУ могут входить и другие элементы управления.

Преобразователь П предназначен для преобразования напряжения сети Uсети в напряжение Uup другой частоты и величины, напряжение той же частоты и переменной величины, постоянное напряжение, изменяющееся по величине, и др. Это напряжение подается на ЭМП (Д), который, развивая на валу вращающий момент M, непосредственно или через передаточное устройство приводит в движение (вращательное или поступательное) рабочий механизм РМ с моментом сопротивления Мс.

УОС служит для контроля, измерения и последующего учета ЭП регулируемой величины (на рис. 1 - частоты вращения ω).

УС осуществляет функцию суммирования задающего напряжения Uзап и напряжения обратной связи по частоте вращения или иной величине Uoc. Результирующее напряжение управления Uрез равное разности между задающим напряжением и напряжением обратной связи, определяет выходные параметры преобразователя и, следовательно, скорость вращения двигателя.

Рис. 1

Вариант блок-схемы электропривода

Блок-схема (рис. 1 ) соответствует структуре автоматизированных электроприводов наиболее массовому типу ЭП. Другие типы ЭП могут иметь структуру большей или меньшей сложности.

Классификация электроприводов

В соответствии с ГОСТ - 16593 ЭП классифицируются по следующим характеристикам:

По количеству и связи исполнительных, рабочих органов.

1. Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится одним самостоятельным двигателем, приводом.

2. Групповой, в котором один двигатель приводит в действие испол­нительные органы РМ или несколько органов одной РМ.

3. Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.

4. Многодвигательный, в котором взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.

5. Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

По типу управления и задаче управления.

1. Автоматизированный ЭП, управляемый путем автоматического регулирования параметров и величин.

2. Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.

3. Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполни тельного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.

4. Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.

5. Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

По характеру движения.

1. ЭП с вращательным движением.

2. Линейный ЭП с линейными двигателями.

3. Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

По наличию и характеру передаточного устройства.

1. Редукторный ЭП с редуктором или мультипликатором.

2. Электрогидравлический с передаточным гидравлическим устройством.

3. Магнитогидродинамический ЭП с преобразованием электрической энергии в энергию движения токопроводящей жидкости.

По роду тока.

1. Переменного тока.

2. Постоянного тока.

По степени важности выполняемых операций.

1. Главный ЭП, обеспечивающий главное движение или главную операцию (в многодвигательных ЭП).

2. Вспомогательный ЭП.

 

 Элементы механики электропривода.

 Уравнение движения ЭП

Где М - вращающий момент двигателя, Нм; Мс - приведенный к валу двигателя момент сопротивления РМ, Нм; J - приведенный к валу двигателя момент инерции ЭП, Нм ; ω - угловая частота вращения двигателя, рад/с.

Величина Mдин=Jdω/dt называется динамическим или избыточным моментом ЭП, Положительный динамический момент обеспечивает разгон ЭП, отрицательный замедление. Мощность двигателя

Где [М]=Нм и [ɷ]=рад/с

 

Поскольку со=2тт/60=п/9,55 (где п измеряется в об/мин), то:

Номинальный момент двигателя можно вычислить по приводимым в паспорте номинальной мощности Рн и номинальной скорости вращения двигателя пн

Приведенный к валу двигателя момент сопротивления

где j и п соответственно передаточное отношение и КПД передачи. Приведенный к валу двигателя момент инерции ЭП, в котором сочетаются вращательное и поступательное движения (например, ЭП лифта)

где Jд моменты инерции ротора двигателя; JPM момент рабочего механизма

(редуктора и шкива); ωРМ - частота вращения рабочего механизма, рад/с; G - вес перемещаемого посредством ЭП груза, кг; V - линейная скорость перемещения груза м/с; g - ускорение силы тяжести, 9,8 м/с . Определение времени ускорения и замедления ЭП

Время t1-2 ускорения или замедления ЭП от частоты вращения ω1 до ω2 определяется путем интегрирования уравнения движения ЭП

В простейшем случае, когда M=const, Mc=const, J=const, получим:  В частном случае, при пуске двигателя до частоты вращения ωс, время

пуска tn определяется выражением:

 

 

Режимы работ электроприводов.

 

Нагрев и охлаждение двигателей в ЭП

При включении двигателя в сеть и наличии на его валу нагрузки происходит его нагрев, зависящий от тепловых потерь ΔР, времени нагрева t, теплоемкости С и теплоотдачи двигателя А. Эти величины связаны между собой уравнением теплового баланса электродвигателя:

где τ - превышение температуры двигателя над температурой охлажда­ющей среды, которую принимают, как правило, равной +40 С.

Решение этого уравнения дает зависимость изменения превышения температуры двигателя во времени. Зависимость имеет экспоненциальный характер (рис. 2.):

где τуст - установившееся превышение температуры, °С; τнач - начальное превышение - температуры, °С; Tн - постоянная времени нагревания, Тн=СА, с.

Номинальные режимы работы двигателей

Режимы работы стандартизованы. Различают три основных режима: длительный (обозначается символом S1), кратковременный (S2) и повторно-кратковременный (S3).

Длительный - это режим, в котором превышение температуры двигателя достигает установившегося значения. Длительный режим подразделяется на два вида: а - режим с постоянной нагрузкой, б - режим с переменной нагрузкой. К типу а - относятся ЭП вентиляторов, насосов, компрессоров, транспортеров, текстильных станков и др. К типу б - ЭП поршневых компрессоров, прокатных станов, токарных, фрезерных, сверлильных станков и др.

Режим работы ЭП отражают при помощи на­грузочных диаграмм (НД), которые представ­ляют собой зависимость мощности Р, момен­та М или тока двигателя от времени t. Примеры НД для длительного режима и кри­вая нагрева приведены на рис. 3.

 

 

 

Рис. 3. Нагрузочные диаграммы для длительного режима: а - с постоянной нагрузкой, б- с переменной нагрузкой

В кратковременном режиме двигатель работает непродолжительное время, в течение которого превышение его температуры не достигает установившегося значения, а после отключения он успевает охладиться до температуры охлаждающей среды (рис. 4, а). В этом режиме работают ЭП шлюзов, задвижек нефте- и газопроводов, и др.

Повторно-кратковременным называют режим, п котором кратковременные периоды включения двигателя чередуются с периодами пауз, причем в период нагрузки превышение температуры двигателя не достигает установившегося значения, а при отключении не успевает достичь температуры охлаждающей среды (рис. 4, б).

Свойства двигателей в повторно-кратковременном режиме зависят от продолжительности включения (ПВ). Как видно из диаграммы (рис. 4. б), двигатель нагружен в течение времени t1 течение времени to следует пауза. Их сумма составляет время цикла tц .

ПВ - это величина, равная отношению времени работы двигателя под нагрузкой ко времени цикла, измеряемое в процентах:

ПВ стандартизованы и составляют 15, 25, 40, 60%.

 Значение ПВ указывается на паспорте двигателя.

 

 

а)

                                                        б)

Рис. 4. Нагрузочные диаграммы и диаграммы нагрева: а-для кратковременного режима Работы, б - для повторно-кратковременного режима работы

Двигатель мощностью PHi с ПВ1 может быть использован при другой ПВ2. Мощность Р2, на которую можно потом нагружать двигатель, определяется приближенным соотношением:

 

 Расчет мощности и выбор электродвигателей.

Выбор электродвигателя предполагает:

Выбор рода тока и номинального напряжения осуществляют, исходя из экономических соображений, с учетом того, что самыми простыми, дешевыми и надежным являются асинхронные двигатели, а самыми дорогими и сложными - двигатели постоянного тока;

выбор номинальной частоты вращения;

выбор конструктивного исполнения двигателя выполняют, учитывая три фактора: защиту его от окружающей среды, способ и обеспечение охлаждения и способ монтажа.

Расчет мощности двигателя для длительного режима работы

При постоянной нагрузке (см. рис. 3, а) определяется мощность Рс или момент Мс механизма, приведенные к валу двигателя, и по каталогу выбирается двигатель, имеющий ближайшую не меньшую номинальную мощность Рн :РН > Рс

Для тяжелых условий пуска осуществляется проверка величины пускового момента двигателя так, чтобы он превышал момент сопротивления механизма. Пусковой момент:

где λ - кратность пускового момента двигателя, выбираемый по каталогу.

При длительной переменной нагрузке (см. рис. 3,6) определение номинальной мощности двигателя производят по методу средних потерь, либо методу эквивалентных величин (мощности, момента или тока).

Расчет мощности двигателя по методу средних потерь.

Метод основан на предположении, что при равенстве номинальных потерь двигателя ЛРИ и средних потерь, определяемых по диаграмме нагрузки, температура двигателя не будет превышать допустимую

1. Определяется средняя мощность нагрузки

кВт.2. Предварительно подбирается двигатель с номинальной мощностью Рн. При этом:Рн = (1,2-1,3)Рср, кВт.

3. Определяются номинальные потери подобранного двигателя ΔРн =Рн (1 - ηH )/ηH кВт.

4. Определяются по диаграмме потери ΔР1, ΔР2,... ΔPn,ΔPп = Pn(1-ηn)/ηn,

кВт. где ηп КПД, соответствующий мощности Рп и зависящий от нагрузки

двигателя, т. е. к=Рп/Рн

где а - отношение постоянных потерь в двигателе к номинальным.

5. Определяются по диаграмме средние потери

6. Проверяется условие равенства средних и номинальных потерь. При их расхождении более чем на 10% подбирают другой двигатель и повторяют расчет.

Расчет мощности двигателя по методу эквивалентных величин.

Метод основан на понятии среднеквадратичного или эквивалентного тока (мощности, момента). Переменные потери в двигателе пропорциональны квадрату тока нагрузки. Эквивалентным., неизменным по величине током называется ток, создающий в двигателе такие же потери, как и изменяющийся во времени фактический ток нагрузки.

1. Определяют величину эквивалентного тока

2. По каталогу выбирают двигатель, номинальный ток которого равен или несколько больше 1э

3. Двигатель проверяют по перегрузочной способности: отношение наибольшего момента сопротивления к номинальному не должно превышать допустимого значения, приводимого в каталогах

Если мощность и вращающий момент двигателя пропорциональны величине тока, то для расчета можно воспользоваться выражениями для эквивалентной

мощности

или эквивалентного момента

 

Расчет мощности двигателей для повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы.

 

Повторно-кратковременный режим работы (рис. 4,6)

1. По нагрузочной диаграмме определяют среднюю мощность Рср.

2. Выбирают двигатель номинальная мощность которого не меньше средней мощности.

3. Определяют эквивалентную мощность Рэ (или Мэ).

4. Эквивалентную мощность (момент, ток) пересчитывают для ближайшего стандартного значения ПВном :

5. По каталогу выбирают двигатель с номинальной мощностью Рн при ПВном так, чтобы Рн > Р.

6. Выбранный двигатель проверяют по перегрузочной способности.

Кратковременный режим работы (см. рис. 4,а).

Для этого режима используются двигатели кранового типа с продолжительностью 15, 30, 60 и 90 мин, для которых указываются соответствующие номинальные мощности. Мощность двигателя определяется по методу эквивалентных величин.

В этом режиме могут использоваться и двигатели, рассчитанные на длительный режим работы. Двигатель выбирают заниженной мощности. Следовательно, ток двигателя в период работы в этом режиме может существенно превышать номинальный, однако превышение температуры при этом не должно быть больше допустимого

Ток двигателя в кратковременном режиме работы, допустимый в течение времени tкр:   

Где , Тн - постоянная времени нагрева двигателя, с.

Коэффициент тепловой перегрузки двигателя

 или

Если постоянные потери неизвестны, то для номинального режима их ориентировочно принимают равными переменным потерям в двигателе:

Если известны потери ЛРКр и ЛРН, то постоянная времени определяется из соотношения

 

 

 Механические свойства электродвигателей и способы регулирования частоты их вращения .

 

Механические свойства электродвигателей определяются, главным образом, их механическими характеристиками.

Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения двигателя от развиваемого им на валу момента

Механическими характеристиками обладают также рабочие механизмы

Согласование механических характеристик рабочего механизма и двигателя - одна из важных задач выбора двигателя.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (рис. 5)

Уравнение механической характеристики имеет вид

где U напряжение, приложенное к цепи якоря, В; Ф магнитный поток, Вб;7?я> Яд - сопротивление якоря и добавочное в его цепи, Ом; к - конструктивные постоянные двигателя,                

где р - число пар полюсов двигателя; N— число активных проводников якоря двигателя; а - число параллельных ветвей обмотки якоря.

Вращающий момент двигателя    

ЭДС двигателя постоянного тока  

При постоянном магнитном потоке пологая

 

Рис. 5. Схема включения {а) и механические характеристики (б) двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения

 

Тогда выражение для вращающего момента

1. Механическая характеристика е, полученная для условийRд=0, Rв=0, т. е. напряжение на якоре и магнитный поток двигателя равны номинальным значениям, называется естественной.

2. Если»Rд>0 (Rв=O),то получаются, искусственные - реостатные характеристики 1 и 2, проходящие через точку щ - скорость идеального холостого хода машины. Чем больше Rд, тем характеристики круче.

3. Если изменять напряжение на зажимах якоря посредством преобразователя при условии, что Rд=0 и Rв=0, то искусственные механичес­кие характеристики имеют вид 3 н 4 и проходят параллельно естественной и тем ниже, чем меньше величина напряжении.

4. При номинальном напряжении на якоре (Rд=0) и уменьшении магнитного потока (Rb>0) характеристики имеют вид 5 и проходит тем выше естественной и круче ее, чем меньше магнитный лоток.

 

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 6)

Уравнение механической характеристики имеет вид   или

гдеRов - сопротивление обмотки последовательного возбуждения, Ом, а коэффициент линейной зависимости (в первом приближении) магнитного потока от тока якоря.

б)

Регулирование частоты вращения двигателя осуществляют путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления. Чем оно больше по величине, тем круче проходят механические характеристики. Регулируют скорость также путем шунтирования якоря.

а)

Рис. 6. Схема включения (а) и механические характеристики (б) двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

 

Асинхронный двигатель

Упрощенное уравнение механической характеристики имеет вид

где Мм максимальный или критический момент двигателя, Нм, s скольжение;

sM критическое скольжение, соответствующее Нм

Скольжение определяет меру отставания скорости вращения ротора от синхронной скорости ω1 магнитного поля статора

                                              

 

Критическое скольжение

Максимальный момент определяется выражением

 

Где R1,R’2 активные сопротивления статора и приведенное роторной цепи,

Ом; Х1, X2’ индуктивные сопротивления статора и приведенное роторной цепи, Ом; Uф- фазное напряжение, В.

Для практических расчетов, если неизвестны параметры двигателя,

величину sM можно определить из уравнения механической характеристики,

положив s=sH, аМ=М Способы регулирования асинхронного двигателя

представлены на рис. 7

Синхронный двигатель (рис. 8) Механическая характеристика: М — const. Угловая характеристика: М = Mmax sin0; Мтах =3U1E0 /ωХ1, где Е0 - ЭДС , наводимая в статоре, В; Х1 -индуктивное сопротивление статора, Ом; 0 - угол нагрузки машины.

 

 

 7. Регулирование скорости вращения электроприводов.

 

Регулирование1М называют преднамеренное изменение скорости вращения ЭП системой управления в целях реализации заданного алгоритма управления. Алгоритм управления - последовательность простых операций, приводящая к решению задачи управления. Показатели регулирования.

Диапазон регулирования - это отношение наибольшей скорости вращения, получаемой в ЭП, к наименьшей (рис. 9,а):

Плавность регулирования, определяемая как отношение скоростей на двух соседних ступенях регулирования:

, при этом

Плавность тем выше, чем К ближе к единице.

Стабильность скорости вращения при изменении нагрузки соответствует отношению приращения момента на данной характеристике к приращению скорости:

Стабильность тем выше, чем меньше изменение скорости при увеличении нагрузки на валу двигателя.

Потери энергии при регулировании в регулирующих элементах.

 

Рис 9. К определениям показателей регулирования скорости. Для их снижения регулирующие элементы избегают включать в главные цепи.

5. Допустимая нагрузка на валу двигателя, определяемая нагревом его обмоток и скоростью вращения двигателей с самовентиляцией. Различают регулирование скорости в двух зонах: с постоянным моментом I и с постоянной мощностью 2 (рис. 9, б).

6. Направление регулирования скорости вверх или вниз от основной (номинальной скорости).

 

---

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 943; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!