Любая
электрическая машина, как электромеханический
преобразователь энергии (ЭМС), может
работать в двух режимах: двигательном,
преобразуя подводимую электрическую
энергию в механическую, или в тормозном
(генераторном) режиме, преобразуя
подводимую механическую энергию в
электрическую. В двигательном режиме
(рис.2. 6,а) электрическая энергия,
потребляемая из сети Рпотр,
за вычетом потерь
в силовом канале электропривода
преобразуется в механическую и передается
рабочему органу машины РО.
Тормозные режимы
по своим энергетическим характеристикам
могут быть различными.
Режим рекуперативного
генераторного торможения;
в этом режиме (рис.2.6, б) кинетическая
энергия, запасенная в движущихся
элементах механической системы, или
потенциальная энергия, отбираемая от
рабочего органа (например, в режиме
спуска груза), поступает на вал
электродвигателя и преобразуется им,
как генератором, в электрическую энергию,
которая за вычетом потерь в электрической
машине и преобразователе отдается в
питающую сеть; в этом режиме электродвигатель
работает как генератор параллельно с
питающей сетью. Такой режим торможения
энергетически является наиболее
выгодным, т.к. энергия торможения
используется полезно.
Режим динамического
торможения; в
этом режиме двигатель отключается от
сети и работает как автономный генератор,
нагруженный на сопротивление; энергия
торможения (рис.2.6, в), поступающая на
вал электродвигателя, преобразуется в
электрическую и вся расходуется на
потери в электрической машине и (в случае
необходимости) во включенных в цепи
обмоток машины сопротивлениях.
Режим
противовключения; в этом случае двигатель,
вращающийся в одном направлении, с целью
торможения включается в другом
направлении; двигатель при этом потребляет
электрическую энергию из сети и
механическую энергию торможения,
поступающую на вал электродвигателя
(рис.2.6, г). Суммарная энергия расходуется
на потери в электродвигателе и в
сопротивлениях, включенных в цепи
обмоток машины; этот режим характеризуется
большими потерями энергии.
Иногда режим
противовключения используется в
электроприводах грузоподъемных
механизмов для создания подтормаживающего
момента при спуске груза; в рассматриваемом
режиме механизм движется под действием
силы тяжести груза, а электродвигатель
включается в направлении подъема груза,
создавая посредством устройств
регулирования необходимый тормозной
момент. Энергетически этот режим
идентичен режиму торможения
противовключением.
При
анализе энергетических диаграмм,
характеризующих процесс торможения
электропривода, следует учитывать, что,
если при торможении технологический
процесс продолжается, то часть
высвобождаемой кинетической энергии
идет на совершение полезной работы.
2.3. Уравнение движения электропривода
К механической
системе, совершающий вращательное
движение относительно фиксированной
оси вращения, прикладываются два момента:
момент М,
развиваемый двигателем, и момент
сопротивления движению Мс
(рис.2.7).
Если момент,
развиваемый электродвигателем, равен
моменту сопротивления движению.
М=Мс
или М—Мс=0,
то механическая
система будет совершать движение с
постоянной (установившейся) угловой
скоростью ω=ωуст
или находиться в состоянии покоя (ω=0).
Это положение
соответствует первому закону механики
Ньютона – закону инерции, — который
применительно к вращательному движению
может быть сформулирован следующим
образом: тело, имеющее фиксированную
ось вращения, будет находиться в состоянии
покоя или равномерного вращения, до тех
пор, пока приложенные моменты не выведут
его из этого состояния
,
если
,
(2.2)
т.е., если
алгебраическая сумма моментов,
прикладываемых к валу, равна нулю, то
механическая система будет вращаться
с постоянной скоростью
(или будет в состоянии покоя), т.е.
находиться в установившемся режиме.
Для поступательного
движения условие установившегося режима
формулируется как
,
если
,
т.е. если сумма векторов сил, приложенных
к механической системе, равна нулю, то
система будет двигаться с постоянной
установившейся скоростью
или находиться в состоянии покоя.
Момент сопротивления
движению обычно называют статическим
моментом, так как в соответствии с (2.2)
он характеризует установившийся режим
работы электропривода.
Момент двигателя
и статический момент зависят от скорости.
Найти скорость установившегося режима
работы механизма, когда известны
механические характеристики двигателя
и рабочего механизма, удобно графическим
путем. Рис.2.8, а соответствует механической
системе, состоящей из вентилятора и
асинхронного двигателя. Точка А
пересечения механических характеристик
двигателя и вентилятора соответствует
условию (2.2), т.е. установившемуся режиму
работы. На рис.2.8, б показаны механические
характеристики грузоподъемной лебедки,
работающей в режиме спуска груза
(скорость отрицательна). Для обеспечения
постоянной скорости спуска приводный
электродвигатель переводится в режим
торможения противовключением, которому
соответствует механическая характеристика
2. Точка Б
пересечения этой характеристики с
механической характеристикой лебедки
соответствует равенству моментов М=Мс,
т.е. установившемуся режиму движения.
Статические моменты
подразделяют на активные и реактивные.
Мса
– активный момент сопротивления движению
прикладываемый к рабочему органу машины;
этот момент создается силами тяжести
(например, в грузоподъемных механизмах,
лифтах и др.), силами ветра (механизм
поворота башенных кранов), и др.; активные
моменты могут как препятствовать
движению, так и создавать движение, в
соответствии с этим знак Мса
может быть отрицательным, если его
направление противоположно знаку
скорости вращения и положительным, если
направление момента совпадает с
направлением скорости вращения.
Мср
– реактивный момент сопротивления
движению, прикладываемый к рабочему
органу машины; этот момент возникает
как реакция на движение рабочего органа
и всегда препятствует движению (например,
момент от сил резания в механизмах
главного движения металлорежущих
станков, момент от аэродинамических
сил вентиляторов и др.); при ω=0
Мср=0;
к реактивным моментам сопротивления
относится также момент от сил трения в
подшипниках, передачах и других элементах
кинематической цепи рабочей машины;
момент трения всегда препятствует
движению.
Статический момент
– полный момент сопротивления движению
равен сумме его составляющих
Мс=Мса+Мср
(2.3)
Знаки всех моментов
определяются в отношении знака скорости
вращения. Если вектор момента совпадает
с вектором скорости, то знак момента
положителен. Иначе говоря, если момент
способствует движению – он положителен,
если препятствует – отрицателен.
Алгебраическая сумма момента двигателя
(М)
и составляющих статического момента
определяет результирующий момент,
прикладываемый к валу электродвигателя
МΣ=М+Мс
(2.4)
Для положительного
направления движения в формуле (2.4) знак
момента М,
развиваемого двигателем, будет
положительным, если он работает в
двигательном режиме, и отрицательным,
если работает в тормозном режиме. Знак
активной составляющей статического
момента Мса
будет отрицательным, если этот момент
препятствует движению (например, подъем
груза) и положительным, если этот момент
способствует движению (например, спуск
груза). С учетом (2.3)
.
(2.5)
Аналогично для
поступательного движения
,
(2.6)
где:
— соответственно векторы силы линейного
двигателя и силы сопротивления движению.
Если результирующий
момент
равен нулю, то механическая система
будет находиться в состоянии покоя или
равномерного установившегося движения.
Если результирующий момент (или
результирующая сила) не равен нулю, то
происходит изменение скорости механической
системы: при положительном значенииМΣ
или (FΣ)
– ускорение; при отрицательном значении
– замедление. Режимы, при которых
,
называют переходными или динамическими.
Изменение скорости
определяется вторым законом Ньютона –
законом динамики, согласно которому
для поступательного движения – импульс
силы равен изменению количества движения
.
Импульс силы –
это вектор, равный произведению вектора
результирующей силы на время ее действия.
Количество движения – это вектор, равный
произведению вектора скорости на массу
тела.
Если масса постоянна,
то
.
(2.7)
Этот закон
устанавливает, что если результирующая
сила не равна нулю, то тело получает
ускорение (замедление), величина которого
зависит от величины силы и массы тела.
Для вращательного
движения относительно фиксированной
оси второй закон Ньютона формулируется
следующим образом: импульс момента
равен изменению количества движения
(2.8)
Количество движения
– произведение момента инерции
вращающихся масс на их угловую скорость.
Момент инерции J
(кг.м2)
– параметр, аналогичный по физическому
смыслу массе при поступательном движении.
Он характеризует меру инерции тел,
вращающихся относительно фиксированной
оси вращения. Момент инерции материальной
точки с массой m
равен произведению массы на квадрат
расстояния от точки до оси вращения
Момент инерции
тела есть сумма моментов инерции
материальных точек, составляющих это
тело. Он может быть выражен через массу
тела и его размеры. Значения момента
инерции для тел вращения приводятся в
каталогах и справочниках. Иногда в
каталогах дается значение махового
момента GD2.
Для того, чтобы найти момент инерции
нужно GD2
разделить на четыре
.
Отметим, что
механическая инерционность вращающегося
тела зависит не только от его массы, но
и диаметра. При одной и той же массе
тело, имеющее больший диаметр, обладает
значительно большим моментом инерции.
Поэтому малоинерционные электродвигатели
стремятся конструировать с меньшим
диаметром ротора большей длины. Напротив,
когда в состав кинематической цепи
рабочей машины включается маховик, его
целесообразно конструировать с большим
диаметром.
Если
момент инерции постоянен, то уравнение
второго закона Ньютона можно представить
в виде
(2.9)
Исходя из того,
что МΣ
определяет динамику механической
системы, то результирующий момент МΣ
часто называют динамическим.
.
(2.10)
Учитывая (2.4),
получим
(2.11)
Это уравнение,
отражающее второй закон Ньютона, называют
уравнением движения электропривода.
Отметим, что в этом
уравнении все моменты приложены к валу
двигателя, а момент инерции
отражает инерционности всех масс,
связанных с валом электродвигателя и
совершающих вместе с ним механическое
движение.
Для поступательного
движения уравнение движения электропривода
соответственно будет
(2.12)
где: F
— усилие,
развиваемое двигателем;
Fс
— усилие
сопротивления движению на штоке этого
двигателя;
m
— массы
подвижных элементов, связанные со штоком
двигателя;
v
— линейная
скорость штока двигателя.
Соседние файлы в папке Главы по ЭП
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
В двигателях параллельного возбуждения при неизменном токе в обмотке возбуждения (IВ = const) магнитный поток изменяется при нагрузке весьма незначительно, поэтому с некоторым приближением можно принять Ф = const. В этом случае электромагнитный момент [см. (25.24)] пропорционален току в цепи якоря и механическая характеристика n = f(M) может быть представлена зависимостью n = f(Ia) (рис. 29.8). Если эту характеристику продолжить в обе стороны за пределы осей координат (прямая 1), то можно показать, что электрическая машина в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в трех режимах: двигательном, тормозном и генераторном.
При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря Ia0небольшой. При этом частота вращения n = n0 (точка А). Затем с появлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодействующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС Ea = 0 и ток двигателя достигает значения ![clip_image002[4]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2014/10/clip_image0024_thumb1.gif "clip_image002[4]"){kind=small}
Если двигатель применяют для привода механизма, нагрузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, привод барабана, на который наматывается трос с грузом), то при последующем увеличении нагрузочного момента этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал электрической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины — тормозящим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной режим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е.
![clip_image002[6]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2014/10/clip_image0026_thumb1.gif "clip_image002[6]"){kind=small}
.
При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают добавочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря ![clip_image002[8]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2014/10/clip_image0028_thumb2.gif "clip_image002[8]"){kind=small}
(штриховая прямая).
Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вращения, а следовательно, и ЭДС Ea начнут возрастать. Когда ЭДС Ea = U, машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и частота вращения якоря достигает значения, называемого пограничной частотой вращения nxx
Рис. 29.8. Режимы работы машины постоянного тока:
1 — с параллельным (независимым) возбуждением;
2 — со смешанным возбуждением;
3 — с последовательным возбуждением
При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС Ea станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим: механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электрическую и поступать в сеть.
Перевод машины из двигательного в генераторный режим используют для торможения двигателя, так как в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозящим (рекуперативное торможение).
ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
ТИПОВЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Теперь можно перейти к различным режимам работы привода. К ним можно отнести двигательный режим и режим торможения. Например, при подъеме груза привод работает в двигательном режиме, при спуске — в режиме торможения. В теории электропривода анализируются работа двигателя при разных знаках момента нагрузки и направления вращения. Для этого используются координаты механических характеристик (см. рис. 20,6), выражающих зависимость частоты вращения от момента, развиваемого двигателем.
На рис. 27 показаны возможные режимы работы двигателя в зависимости от типа преобразователя и фазы нагрузки. На рис. 27, а в первом квадранте показан тиристорный преобразователь, питающий двигатель постоянного тока. Двигатель имеет, например, вращение по часовой стрелке, энергия идет от преобразователя к двигателю, преобразователь работает в выпрямительном режиме, двигатель М работает в двигательном режиме, энергия берется из сети и через преобразователь поступает в двигатель. Ясно, что аналогично привод будет работать в 111 квадранте, но вращаться двигатель будет против часовой стрелки.
На рис. 27, б показан двухквадрантный привод, где преобразователь нереверсивный. В этом случае в / квадранте привод будет работать точно так же, как и в первом случае, а во II (тормозном) квадранте (после контактного реверса преобразователя в режиме спуска груза) источником энергии является груз, вращающий двигатель, и поэтому энергия может возвращаться в сеть.
На рис. 27, в показан нереверсивный четырехквадрантный привод. В / и II квадрантах происходят те же явления, что и в двухквадрантном приводе. Если же сделать переключение в цепи якоря так, как показано в левой части рисунка, мы попадем в III и IV квадранты. При этом тормозной режим соответствует IV квадранту, двигательный — IIL Рекуперация энергии происходит в IV квадранте, где двигатель имеет правое вращение, а потребление энергии из сети происходит в III квадранте, где двигатель имеет левое вращение. Таких же результатов можно достичь путем реверса тока возбуждения (см.111 и IV квадранты, рис.27,г).
До сих пор мы рассматривали нереверсивный тиристорный преобразователь, характерной особенностью которого является наличие одной группы тиристоров. Четырехквадрантный привод для станков с ЧПУ имеет две группы тиристоров. При работе одной группы двигатель имеет левое вращение, при работе другой — правое. На рис. 27, д показана работа привода в четных квадрантах
6)
-п
п
Рис. 27. Работа электропривода в четырех квадрантах механических характеристик:
д — однокваярантный привод; б — двушвадрантяый привод; в — четырехквадрантный привод; г — четырехвадраншый привод с реверсом в цепи возбуждения с одной группой тиристоров; д — четырехквадр&нтный реверсивный привод с двумя группами тиристоров С раздельным управлением; е — четырехквадранфный реверсивный привод с двумя группами тиристоров с согласованным управлением
механических характеристик. Двигательный режим имеет место в / и III квадрантах, тормозной і— во II и IV. Одна группа тиристоров работает в / и II квадрантах, другая — в III и IV. Направление вращения двигателя, знак момента, направление энергии показано стрелками. В данном случае применяется схема раздельного управления группами тиристоров, т. е. одновременно обе группы работать не могут. Однако до сих пор встречаются схемы
Рис. 28. Схема электропривода для
работы в режиме позиционирования
согласованного управления (рис. 27, е). Из рисунка видно, что для данной системы привода характерен инверторный режим работы во всех четырех квадрантах механических характеристик. Это значит, что если одна группа работает в выпрямительном режиме, другая отдает (инвертирует) энергию обратно в сеть.
Остановимся на других режимах работы электропривода. Среди них в первую очередь следует остановиться на режимах позиционирования и слежения. Например, для автоматизации процесса сверления печатных плат создан электропривод, отличительной особенностью которого является датчик положения на валу двигателя. Благодаря этому датчику обычный электропривод получает новое качество — он может точно отрабатывать заданный угол поворота вала двигателя. В зависимости от вида датчика точность угла поворота изменяется от 1° до 1′. Как же работает такой привод? Как дается сигнал на остановку двигателя при достижении его валом заданного угла поворота?
Вспомним, что остановке двигателя соответствует нулевое значение задающего напряжения. Эта задача решается путем установки на конце вала (рис.28) потенциометра обратной связи (ПОС). Если задающий потенциометр (3/7) повернуть на какой — то угол, на входе привода появится сигнал, например 5 В, и двигатель начнет вращаться. Одновременно начнет вращаться ПОС. Как только он выдаст те же 5 В, напряжение на входе преобразователя (сигнал рассогласования ДU) станет равным нулю и привод автоматически остановится. Ясно, что если задать при помощи ЗП напряжение 7 В — угол поворота увеличится, если задать 2 В — уменьшится. Для достижения высокой точности отработки заданного угла вместо потенциометров применяют фотоимпульс — ные и другие конструкции датчиков. Но принцип действия остается тем же. Если такому приводу задать программу, состоящую из серии координатных отрезков, соответствующих расстоянию между отверстиями печатной платы, станет ясной работа электропривода в режиме позиционирования. Он устанавливает плату относительно сверла так, чтобы просверлить отверстие в нужном месте. После окончания сверления плата вновь перемещается, вновь происходит сверление и т. д. Так как отверстия могут располагаться в любом месте печатной платы, то одновременно работают два привода. Один смещает плату, например, по оси X, другой — по оси У.
например, в соответствии с программой устройства ЧПУ. В результате вал двигателя «повторяет» или «следит» за поворотом ЗП. Таким образом, в следящем режиме имеет место отставание движения двигателя от командного перемещения задающего органа. Это отставание называется скоростной ошибкой. Скоростной она называется потому, что с ростом задаваемой частоты вращения она увеличивается и наоборот. Так как наличие скоростной ошибки приводит к ухудшению качества и точности обработки, разработаны способы компенсации скоростной ошибки. Один из них рассмотрен ниже при Ьписании электропривода нового поколения серии ЭТА.
Качество системы автоматического регулирования определяется ее динамическими характеристиками. К ним следует отнести время пуска, торможения и реверса и характер переходного процесса. На рис. 29 показаны возможные формы переходных процессов при пуске, реверсе и торможении. Кривая изменения скорости может быть колебательной (верхний ряд) и апериодической. Колебательность оценивается числом колебаний до перехода скорости в установившееся состояние. Влияние на форму переходного процесса оказывают параметры коррекции, степень обратной связи по скорости и настройка узла токоограничения. Изменяя параметры цепи коррекции, резистора в цепи обратной связи по скорости и кратность пусковых токов относительно номинального, можно получить различные формы кривых переходных процессов.
Рассмотрим процессы пуска, реверса и торможения в замкнутой по скорости четырехквадрантной системе автоматического регулирования приводом. В первый момент пуска двигатель стоит, а на вход усилителя подается задающее напряжение. Так как напряжение тахогенератора при этом равно нулю, усилитель полностью открывается и к якорю двигателя прикладывается максимальное н-апряжение. Он разгоняется, частота вращения тут же начинает падать — вступил в работу тахогенератор. После достижения примерного равенства напряжений устанавливается частота вращения, соответствующая ее заданному уровню.
Допустим, нам надо поменять направление вращения на обратное. Для этого необходимо поменять знак задающего напряжения. Это вызывает включение той группы тиристоров, которая вращает двигатель в обратном направлении. Так как тахогенератор некоторое время еще вращается в прежнем направлении, напряжения задания и тахогенератора в первый момент не вычитаются, а складываются. Благодаря этому, происходит быстрое изменение знака выходного напряжения усилителя. После перехода скорости через нуль начинается пусковой процесс, описанный выше. Для быстрого торможения вращающегося двигателя достаточно отключить задающее напряжение, при этом включение тормозящей группы тиристоров осуществляется напряжением тахогенератора. Оно включает ту группу тиристоров, которая вращает двигатель в противоположную сторону. В результате происходит эффективное торможение до момента остановки двигателя, при котором .напряжение тахогенератора принимает нулевое значение.
Наиболее популярным и распространенным методом металлообработки считается резка металла, при помощи которой получают всевозможные продукты проката или листа. Не существует универсального оборудования и станков — один вид обрабатывает профиль или …
Цилиндрический редуктор — простое и эффективное решение для ступенчатого снижения числа оборотов и повышения крутящего момента.
Разборка и сборка электроприводов серии ПМСМ (1—3-й типы размеров). При разборке следует освободить выходной конец вала агрегата от шкива или другого соединительного устройства; снять щеткодержатель 7 (см. рис. 55, а) …