Основные понятия и механика электропривода

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 12

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Электрический привод

(1 семестр)

Введение

В современном сельскохозяйственном производстве, промышленности, на транспорте, в строительстве и коммунальном хозяйстве, в быту применяются самые разнообразные технологические процессы, для реализации которых человеком созданы тысячи различных машин и механизмов. С помощью этих рабочих машин и механизмов производятся и обрабатываются различные материалы и продукты, перемещаются грузы, предметы труда, жидкости, газ и реализуются многие другие процессы, необходимые для жизнеобеспечения человека.
Рабочая машина или производственный механизм состоят из множества взаимосвязанных деталей и узлов. Для их работы необходима механическая энергия, которая вырабатывается приводом. В зависимости от вида используемой первичной энергии различают гидравлический, пневматический, тепловой и электрический приводы. В современном мире наибольшее применение нашел электрический привод, на долю которого приходится около 70% потребляемой электроэнергии.
Такое широкое применение электрического привода объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощностей и скоростей движения; разнообразие конструктивного исполнения, что позволяет рационально соединять привод с исполнительными органами рабочей машины и использовать для работы в сложных условиях - в воде, среде агрессивных жидкостей и газов, космическом пространстве; простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота.
Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники - электромашиностроении и электроаппаратостроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике.

Во всех отраслях народного хозяйства производительность технологического оборудования в значительной мере определяется уровнем его автоматизации, основным звеном которой является электропривод. Прогресс во многих отраслях науки и техники (микроэлектроника, транспорт, авиация, космическая техника, и т.д.) все более подчеркивает его важнейшую роль. Электропривод обеспечивает работу ходовых винтов атомных ледоколов и прокатных станов мощностью несколько мегаватт. В то же время движение стрелок электромеханических часов также происходит благодаря электроприводу, правда, гораздо меньшей мощности - всего лишь доли ватта.

Большинство людей редко употребляют слово «электропривод», хотя сталкиваются с этим понятием ежедневно и многократно: комфортное движение в электропоезде (включая метро), лифте (особенно высотного здания), использование многочисленных бытовых приборов (пылесос, миксер, кондиционер, вентилятор, кухонный комбайн, автоматическая стиральная машина) и т.д. Движение лунохода и

марсохода тоже обеспечивается электроприводом.
Автоматизированный электропривод чаще всего рассматривают не как отдельное устройство, а как существенное звено системы автоматизации. Наиболее ярко сущность автоматизированного электропривода в агропромышленном комплексе проявляется в автоматических линиях по производству и переработке продукции животноводства и растениеводства, в автоматизированном электроприводе отопительно-вентиляционных установок сельскохозяйственных производственных помещений (птичников, свинарников, картофелехранилищ, теплиц), установок водоснабжения и т.п. Понимание устройства и работы электропривода - это прежде всего понимание физических процессов, происходящих в нем, умение сопоставлять современные технические решения в области микро- и силовой электроники, а также современного программного обеспечения. Это необходимо всем, чья деятельность непосредственно связана с проектированием, изготовлением и эксплуатацией установок, в которых используется электропривод.

Машины и механизмы сельскохозяйственного производства отличаются широким диапазоном изменения приводных характеристик: технологических, энергетических, механических, инерционных; режимов работы и нагрузочных диаграмм. Поэтому здесь используются различные системы электроприводов постоянного и переменного тока, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям по характеристикам. Кроме того, электроприводы в сельском хозяйстве зачастую работают в помещениях с высокой влажностью, запыленностью и содержанием химически активных веществ. При этом питание иногда осуществляется от маломощных источников электроснабжения (слабые протяженные сети, автономные электростанции), что особенно влияет на работу асинхронных двигателей - снижаются пусковой и максимальный моменты, что может привести к невозможности

прямого пуска двигателя.
По мнению ведущих специалистов, нерегулируемый (по частоте вращения) электропривод останется преобладающим типом привода. Не изменится и принципиальное техническое решение – асинхронный электропривод. В составе электроприводов мобильных установок и ручного электроинструмента останутся коллекторные двигатели. Вместе с тем забота об энергосбережении заставит значительно более внимательно относиться к выбору типа и мощности двигателя.

Мощные и трудно пускаемые электроприводы будут значительно чаще, чем сейчас, оснащать плавными пускателями, осуществляющими кроме того функцию энергосбережения при недогрузке двигателя, защиты от превышения напряжения, симметрирование фаз и т. п. Продолжится процесс перехода к регулируемому электроприводу в многочисленных и разнообразных технологиях. В самых массовых применениях (насосы, вентиляторы, транспортеры, бытовая техника) преобладающую роль еще долго будет играть частотно-регулируемый асинхронный электропривод сложившейся к настоящему времени конфигурации. Отличием от современного применения будет в использовании асинхронных двигателей, специально приспособленных к работе с преобразователями частоты, в большей интеграции в силовом канале преобразователя и в совершенствовании процессорной части, которые обеспечат более полную адаптацию к изменяющимся требованиям технологических процессов. Благодаря этому повысится технологический уровень оборудования, будут сэкономлены

значительные материальные и энергетические ресурсы.

Автор приносит искреннюю благодарность рецензентам: ведущему научному сотруднику Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, профессору, доктору технических наук Учеваткину, А.И. и заведующему кафедрой «Электротехника, электрификация и автоматизация гидравлических и мелиоративных систем» Московского государственного университета природообустройства, профессору, кандидату технических наук Голобородько, В.В. за полезные советы, которые содействовали улучшению содержания книги, а также Лихачевой, Г.В., взявшей на себя большой труд по редактированию рукописи.

Глава 1.

Основные понятия и механика электропривода

1.1. Основные понятия и классификация электропривода

Электрическим приводом называется машинное устройство, служащее для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и для управления ею. Основными элементами электропривода являются: электрический двигатель, соединительные устройства, аппаратура управления и защиты и преобразовательные устройства.

В зависимости от характерных признаков электроприводы разделяются на следующие виды:

По назначению - на главный, обеспечивающий главное движе­ние исполнительного органа рабочей машины или основную операцию процесса, и на вспомогательный, обеспечивающий вспомогательное движение исполнительных органов рабочей машины или вспомогательные операции процесса.

По характеру движения, электродвигательного устройства - на вращательный, в котором использован вращающийся электро­двигатель и на линейный, электродвигательным устройством которого является линейный электродвигатель.

По принципу управления частотой вращения и положением исполнительного органа – на нерегулируемый и регулируемый электропривод, нереверсивный и реверсивный, позиционный, следящий, программно-управляемый, адаптивный и др.

По принципу действия электродвигательного устройства - на электропривод непрерывного действия, подвижные части элект­родвигательного устройства, которого во время работы находят­ся в непрерывном движении, и на дискретный электропривод, подвижные части которого движутся через промежутки времени

(скачками).

по виду связи с исполнительным органом рабочей машины - на редукторный, безредукторный, имеющий непосредственную связь электродвигателя с исполнительным органом; на электрогидравлический, имеющий гидравлическое передаточное устрой­ство, и на маховиковый.

По характеру использования электродвигателя - на групповой, где от одного электродвигателя приводится в движение несколько рабочих машин или несколько рабочих органов одной машины; на индивидуальный, обеспечивающий движение одного исполнительного органа рабочей машины; на взаимосвязанный электропривод, в котором подвижные части двух или более двигателей связаны между собой и на многодвигательный, в котором отдельные рабочие органы рабочей машины приводятся в действие отдельными электродвигателями.

По роду тока и виду электродвигательного устройства - на электропривод постоянного тока с двига­телями постоянного тока, на электропривод переменного тока с двигателями переменного тока; асинхронные, синхронные, вентильные и др.

По виду источника питания - на электропривод, питающийся от сети, и на автономный электропривод, питающийся от акку­муляторных батарей, дизельного генератора и т.д.

По виду преобразовательного устройства: УВ-Д управляемый выпрямитель –двигатель; ШИП-Д широтно-импульсный преобразователь – двигатель; ТПН-АД тиристорный преобразователь напряжения –асинхронный двигатель; ППЧ-АД полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель и др. По степени автоматизации электропривод может быть: неавтоматизированным, автоматизированным и автоматическим.

1.2. Уравнение движения электропривода

Совместная работа электропривода с рабочими органами машины сопровождается колебаниями частоты вращения, тока и момента двигателя. Эти изменения вызываются, с одной стороны, изме­нением частоты и напряжения питающей сети, потока возбужде­ния или введением добавочных сопротивлений в цепь якоря, ротора и статора; с другой стороны, колебания частоты вращения или момента двигателя вызываются переменным характером нагрузки рабочей машины. Колебания частоты вращения снижают производитель­ность агрегатов, ухудшают качество обрабатываемого материа­ла или продукта. Изменение частоты вращения, вызванное частыми пусками и остановками электродвигателя и рабочей машины, приводит к перерасходу электрической энергии, что, в конечном счете, повышает себестоимость изделий или продуктов. Таким образом, определение характера изменения частоты вращения рабочей машины имеет вполне определенный практический интерес.

Рассмотрим систему, состоящую из электрического привода и

рабочей машины.

Характер изменения моментов двигателя и рабочей машины при разгоне и торможении, регулировании или стабилизации частоты вращения определяется по закону сохранения энергии:

А_Д = А_С - А_J, (1.1)

где А_Д - энергия, отдаваемая электрическим двигателем;

А_С - энергия, потребляемая рабочей машиной; - кинетическая энергия, запасенная в движущихся частях электродвигателя и рабочей машины.

Для вращательного движения

А_J = Jω²/2, (1.2)

где J - суммарный момент инерции системы двигатель - рабочая машина; ω – частота вращения двигателя. Подставим выражение (1.2) в (1.1):

А_Д - А_С = Jω²/2. (1.3)

Дифференцируем левую и правую части последнего выражения:

(1.4)

При этом получим

(1.5)

Левая часть выражения (1.5) представляет собой разность мощностей двигателя и рабочей машины:

. (1.6)

Поделим на угловую частоту вращения левую и правую части:

(1.7)

Полученное выражение носит название уравнения движения электропривода. Оно справедливо для вращательного движения. Для поступательного движения запас кинетической энергии

(1.8)

где m - масса поступательно движущихся частей рабочей маши­ны и электродвигателя; v - линейная скорость движения.

Подставим (1.8) в (1.3) и после небольших преобразований получим:

(1.9)

Это уравнение движения электропривода для поступательного движения. Для выяснения физического смысла уравнения движения эле­ктропривода проведем некоторые преобразования выражения (1.7): умножим числитель и знаменатель второго слагаемого на ω.

Так как , то

(1.10)

аналогично для (1.9):

(1.11)

Выражения (1.10...1.11) позволяют анализировать характер движения, изменения моментов двигателя и рабочей машины в

переходных режимах.

1.3. Анализ уравнения движения электропривода

Момент, развиваемый электрическим двигателем , идет на преодоление момента сопротивления машины и на изменение запаса кинетической энергии системы двигатель-рабочая маши­на. Это изменение носит название динамического момента. По значению он равен разности моментов двигателя и рабочей ма­шины. Как следует из анализа правой части выражений (1.10) и (1.11), динамический момент двигателя складывается из двух составляющих.

Первая составляющая связана с изменением частоты вращения, вторая составляющая

или

- с изменением момента инерции в зависимости от угла поворота , времени t или пути L.

В большинстве рабочих машин значения момента инерции J и массы m постоянны или мало изменяются. Этим изменением можно пренебречь и принять J и m постоянными. Тогда

(1.12)

(1.13)

Знак динамического момента влияет на характер движе­ния электропривода. При анализе этих выражений возможны не­сколько случаев.

Первый случай. Пусть М_Д - М_С > 0. Момент инерции J всегда положителен, поэтому Следовательно, при положитель­ном динамической моменте движение будет ускоренным, двигатель с рабочей машиной будут разгоняться.

Второй случай. Если М_Д - М_С < 0 и J > 0, то . Следова­тельно, движение замедляется, и двигатель с рабочей машиной будет тормозиться.

Третий случай. М_Д - М_С = 0, то есть М_Д = М_С тогда

(движение с установившейся частотой вращения).

1.4. Приведение моментов и усилий сопротивления к одной

частоте вращения

Рабочие машины очень часто приводятся в движение электри­ческими двигателями через редукторы или клиноременные передачи. Кинематическая схема подобных передач представлена на рис.1.1, откуда видно, что части механизма вращаются с различными частотами вращения. Из курса теоретической механики извест­но, что на каждой оси (рабочей машины, редуктора, электро­двигателя) действуют свои моменты, значения которых зависят от угловой частоты вращения. Характер изменения моментов и скорости определяется из системы дифференциальных уравнений, составленной для каждой скорости (оси). При одноступенчатом редукторе система состоит из двух уравнений, при двухступен­чатом - из трех и т.д.

Рис.1.1. Кинематическая схема электропривода лебедки.

Решение подобных систем дифференциальных уравнений связа­но с определенными трудностями. Задача упрощается, если вы­полнить приведение (или перерасчет) моментов и усилий к од­ной частоте вращения, одному валу: двигателя или рабочей машины.

В расчетах переходных процессов и установившихся режимов электрического двигателя нас интересуют моменты на его валу, поэтому моменты и усилия приводятся к частоте вращения этого двигателя [7].

Условием приведения является равенство мощностей на валу двигателя реальной и условной, или приведенной кинематических схем.

В реальной схеме мощность на валу рабочей машины

(1.14)

на валу двигателя

(1.15)

Мощность на валу двигателя в приведенной схеме

Р = М_ДВω_Д = М_Сω_{Д .} (1.16)

Согласно условию приведения моментов левые части двух по­следних уравнений равны, следовательно, равны и правые:

отсюда

, (1.17)

где - передаточное отношение редуктора,

Для поступательного движения получено аналогично:

M_C = F_MV_M/ (1.18) ; F_C = F_MV_M/ (1.19)

Выражения (1.17...1.19) получены для двигательного режима работы, когда электрическая энергия преобразуется в механи­ческую и передается рабочей машине. В тормозном режиме эле­ктродвигателя направление движения энергии меняется. Меха­ническая энергия от рабочей машины передается к электродви­гателю, который

преобразует ее в электрическую.

Мощность на валу электродвигателя

P_C = = M_M . (1.20)

В этом случае выражения (1.17...1.19) будут иметь вид:

(1.21) (1.22) (1.23)

Если редуктор состоит из n ступеней, то передаточное

от­ношение и КПД его:

и

Как отмечалось, в сельскохозяйственном производстве в основном работают тихоходные рабочие машины, для которых необходимы понижающие редукторы. Поэтому по значению приведенные моменты будут меньше реальных. Но, например, у молочных сепараторов установлен повышающий редуктор с , поэтому его приведенный момент сопротивления окажется больше момента барабана сепаратора.

1.5. Приведение моментов инерции и масс к одной частоте

вращения

При использовании уравнения движения электропри­вода необходимо знать общий приведенный момент инерции, дей­ствующий в системе электропривод - рабочая машина. В расче­тах учитывают моменты инерции, создаваемые движущимися частями электропривода (якорем, ротором, редуктором, муфтой и т.д.) и рабочими органами машины. Кроме того, необходимо учесть инерционные свойства объекта, на который воздействует рабочий орган машины: вода в насосе, зерно в нории и т.д. Инерция каждого из рассмотренных отдельных элементов опреде­ляет кинетическую энергию, которая затрачивается на изменение частоты вращения [4,7].

Приведение моментов инерции к одной частоте вращения осуществляется на основании равенства запасов кинетической энергии ре­альной и условной (приведенной) систем. Запас кинетической энергии реальной системы с редуктором, имеющим n ступеней (рис.1.1):

(1.24)

где - момент инерции электрического двигателя и первой

ведущей шестерни редуктора; - момент инерции второй и третьей шестерен на промежуточной ступени, соответствующий частоте вращения ; - момент инерции четвертой и пятой шестерен, соответствующий частоте вращения ; - момент инерции рабочей машины и ведомой (последней) шестерни.

Запас кинетической энергии системы, приведенной к частоте вращения двигателя:

(1.25)

В соответствии с условием приведения левые части выражений (1.24) и (1.25) равны, следовательно, равны и правые:

Разделим левую и правую части на

Учитывая, что = i; = i и т. д., последнее выражение можно переписать:

(1.26)

Слагаемые обусловливают момент инерции редуктора, который рекомендуется принимать равным 0,1...0,3 от момента инерции двигателя. Таким образом, окончатель­но:

(1.27)

При поступательном движении (ленточных конвейеров, бункерных кормораздатчиков, кресла оператора доильной уста­новки )
(1.28)

где m - масса поступательно движущихся частей рабочей маши­ны и транспортируемого объекта (зерна, сена, навоза). Из выражений (1.27) и (1.28) видим, что значение приведенного момента инерции определяется передаточным отношением редук­тора. В большинстве рабочих машин сельскохозяйственного производства редук­торы понижающие и i >1, следовательно, приведенный суммарный момент будет одного порядка с моментом инерции двигателя. Для молочных сепараторов i < 1, поэтому суммарный приведенный момент инерции оказывается значительно больше момента инерции двигателя.

1.6. Механические характеристики производственных

механизмов

Одним из основных вопросов, решаемых конструктором при проектировании электропривода, является расчет и выбор мощ­ности электродвигателя. Полную картину о рабочей машине дают приводные характеристики, в том числе и механическая [16].