Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

321

электродвигателем в соответствии с требованиями производственных

(технологических) процессов.

Современные рабочие машины характеризуются большей сложностью.

При их рассмотрении необходимо учитывать взаимосвязь между

технологическим процессом, конструкцией и характеристикой оборудования,

быстродействия электропривода и качеством систем управления. Поэтому в

системы электропривода часто включаются преобразователи электрической

энергии, которые придают большую гибкость управлению и обеспечивают

получение необходимых статических и динамических характеристик.

Электроприводы производственных машин можно разделить на три

основных типа:

1. Групповой электропривод, когда один электродвигатель

приводит в движение многие рабочие машины и механизмы через общую

трансмиссию – распределительный вал с наборов шкивов, с которым он связан

ременной или канатной передачей. Применение такого привода может служить

чистовая группа клетей непрерывных проволочных станов, выполненных в виде

блоков. Но в основном несовершенный групповой электропривод, в

производственных машинах, почти полностью был заменен индивидуальным и

многодвигательным электроприводами.

2. Одиночный (индивидуальный) электропривод, когда каждая

рабочая машина (станок, центрифуга, лифт, конвейер и др.) имеют свой

электродвигатель с непосредственной связью. В современных

электрифицированных агрегатах двигатель всё чаще «сращивается» с рабочей

машиной, конструктивно приспосабливается к ней. В этом случае применяются

электродвигатели специального исполнения (фланцевые, встраиваемые,

редукторные, шпиндельные и др.). Часто в таком приводе отсутствуют

механические передачи, т. к. электродвигатель составляет одно целое с машиной

и даже выполняет какую – либо её функцию, например в приводе ленточного

конвейера направляющим роликом является наружный ротор двигателя. Этот тип

привода широко распространён в промышленности, т. к. он обеспечивает

возможность работы при оптимальных скоростях, например привод летучих

322

ножниц, моталок, роликов отводящих рольгангов, вращения шпинделя и

скорость подачи инструмента в металлорежущих станках и др.

3. Многодвигательный электропривод, когда рабочая машина

имеет не один, а несколько или даже многие десятки двигателей различной

мощности, каждый из которых приводит в движение отдельные её

исполнительные органы или узлы.

Наиболее совершенным видом многодвигательного электропривода

являются автоматические конвейерные линии, состоящие из группы

различных машин, выполняющих полный цикл или комплекс последовательных

операций при изготовлении сложных деталей. Так, на автомобильных и

тракторных заводах успешно работают автоматические линии станков,

осуществляющие сотни операций (при полной обработке блока двигателя и др.).

Имеются полностью автоматизированные заводы (завод – автомат по

изготовлению поршней автомобильных двигателей, подшипниковый и

электроламповый заводы в Москве, Киеве, Харькове, Чернигове и др.).

Работа металлургических агрегатов в основных цехах металлургического

производства (доменном, сталеплавильном, прокатном) характеризуется

применением многодвигательного электропривода, без автоматизации которого

невозможно обеспечить рост выпуска продукции, повышения её качества и

увеличения сортимента. Из чего следует, что основным направлением в развитие

электропривода является полная его автоматизация при комплексной

механизации и автоматизации всего производства. Таким образом,

электрооборудование, автоматизированный электропривод и автоматизация

технологического процесса являются основой технологического перевооружения

любого производства, обеспечивающей дальнейшее повышение

производительности труда, увеличение выпуска и улучшения качества

продукции, снижение её себестоимости.

1 МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА,

СТАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМЫ

1.1 Механические характеристики рабочих машин и электродвигателей

323

Электродвигатель, приводящий в действие рабочую машину, выбирается с

таким расчетом, чтобы он удовлетворял требованиям нормальной и экономичной

ее работы как в установившихся режимах (n=const), так и в переходных режимах,

т.е. при пуске, торможении, регулировании скорости и реверсировании, когда

частота вращения и момент сопротивления могут изменяться по значению и

знаку. Соответствие электродвигателя данной рабочей машине определяется в

основном их механическими характеристиками [1,2].

Механическая характеристика рабочей машины n(Mc)

представляет собой зависимость частоты вращения n от ее статического

(соответствующего установившемуся или стационарному режиму движения)

момента сопротивления Мс, обусловленного силами трения и выполняемой

работой, которые тормозят движение. Механические характеристики рабочих

машин определяются теоретическими расчетами или экспериментально и

изображаются в виде графиков. При проектировании электропривода они обычно

считаются заданными (определяются технологами). Большое разнообразие

рабочих машин по виду их механических характеристик можно разделить на три

основные группы (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Типовые механические характеристики рабочих машин

324

К первой группе (1) относятся машины, статический момент

сопротивления которых не зависит от частоты вращения (Мс=const). К этой

группе можно отнести большинство подъемных кранов, лифты, лебедки,

поршневые насосы при неизменной высоте подачи, компрессоры и ленточные

конвейеры с постоянным передвигаемым грузом и другие устройства, момент

сопротивления которых в основном определяется силами трения, почти

неизменными в пределах рабочих скоростей.

Ко второй группе (2) принадлежат рабочие машины, статический

момент сопротивления которых пропорционален квадрату частоты вращения.

Такая характеристика называется параболической или вентиляторной

(вентиляторы, турбокомпрессоры, центробежные насосы, центрифуги,

сепараторы, гребные винты и т.д.).

К третьей группе (3) можно отнести машины с нелинейно спадающей

механической характеристикой. У этих машин статический момент

сопротивления обратно пропорционален частоте вращения, т.е. носит

гиперболический характер, при неизменной потребляемой мощности

(различные металлорежущие станки – токарные, расточные и фрезерные, моталки

прокатных станов и др.).

Статический момент сопротивления некоторых рабочих машин

существенно зависит от стадии обработки изделий и перерабатываемых

продуктов, что характерно, например, для металлообрабатывающих, вальцовых и

деревообделочных станков, мельниц, дробилок и месильных машин. В установках

с кривошипным механизмом (поршневые насосы и компрессоры, лесопильные

рамы и др.) момент сопротивления зависит не только от частоты вращения, но и

от положения исполнительных органов, определяемого углом поворота

приводного вала (является периодической функцией угла поворота кривошипного

механизма).

Механические характеристики электродвигателей всех типов, кроме

синхронного, носят спадающий характер, т.е. с увеличением нагрузки на валу

(тормозного момента) их частота вращения снижается, но в различной мере.

325

По степени жесткости или устойчивости частоты вращения с

изменением нагрузки механические характеристики электродвигателей

подразделяются на три группы (см. рис. 1.2): абсолютно жесткую (1),

жесткую (2,3) и мягкую (4,5), при которых частота вращения (с изменением

нагрузки от холостого хода до номинальной) изменяется соответственно до 10 и

20% номинальной. Абсолютно жесткую характеристику (1) имеет синхронный

двигатель, жесткие в рабочей части – двигатель постоянного тока параллельного

возбуждения (2) и асинхронный двигатель (3), мягкую – двигатели постоянного

тока последовательного и синхронного возбуждения (4,5).

Рисунок 1.2 – Типовые механические характеристики электродвигателей

Номинальный вращающий момент двигателя М

ном

(

⋅

) определяется

номинальными мощностью Р

ном

(кВт) и частотой вращения n

ном

(об/мин), которые

указываются в каталогах (при U=U

ном

и f=50 Гц – для двигателей переменного

тока).

ном

9550⋅

1.2 Устойчивость работы электропривода

326

Чтобы двигатель электропривода мог разогнать при пуске рабочую

машину до рабочей частоты вращения, его пусковой вращающий момент М

должен быть больше момента сопротивления машины М

, приведенного к валу

двигателя, т.е. должно быть выполнено условие пуска М

>М

. Уравнение

механического состояния

jММ

сэд

Ω

⋅+= ,

где j – динамический момент инерции;

Ω – угловая частота вращения ротора.

Из вышерассмотренного уравнения следует, что ротор начнет разгоняться

при

Ω

>0.

При медленном разгоне (

Ω

мало) из-за больших пусковых токов

двигатель может перегреться, особенно при частых пусках. Такой «тяжелый»

пуск электропривода нежелателен. Тяжелый пуск имеют короткозамкнутые

асинхронные двигатели, жестко соединенные (муфтой или зубчатой передачей ) с

рабочими машинами, особенно если машины работают с ударной нагрузкой

(прессы, молоты, прокатные станы, поршневые насосы и др.) и укомплектованы

вращающимися маховиками, предназначенные для сглаживания максимумов

(пиков) нагрузки и бросков тока. Для облегчения условий пуска иногда двигатель

соединяют с рабочей машиной с помощью фрикционной центробежной муфты,

гидромуфты или электромагнитной муфты скольжения.

В установившемся режиме работы электропривода вращающий момент

двигателя М

эд

преодолевает статический момент сопротивления М

рабочей

машины (действуют встречно), следовательно, установившаяся работа привода

возможна при условии, если пересекаются механические характеристики

электродвигателя и рабочей машины, например, в точке А, как показано на рис.

1.3 для привода вентилятора с асинхронным двигателем.

327

Положительным свойством, присущим всем электродвигателям,

является их саморегулирование, которое заключается в возможности

развивать двигателем вращающий момент, равный моменту нагрузки на валу. В

случае привода вентилятора (см. рис. 1.3) пуск осуществляется при избыточном

моменте двигателя (М

>М

). При этом двигатель, а с ним и рабочая машина,

быстро увеличивают частоту вращения от нуля до установившейся n

=const в

точке пересечения характеристик А, когда наступает динамическое равновесие

(М

эд

=М

). Равновесие может нарушаться вследствие колебаний напряжения сети,

питающей асинхронный двигатель (М

эд

≡

), или изменения нагрузки.

Рисунок 1.3 – Совместная механическая характеристика

асинхронного двигателя и вентилятора

Если напряжение повысится, то вращающий момент двигателя увеличится,

что будет соответствовать механической характеристике двигателя М

эд

с большим

максимальным моментом М

max

1 (при прежней критической скорости n

кр

Равновесие нарушится, М

эд

>М

. Электропривод получит некоторое ускорение до

наступления нового равновесия моментов в точке пересечения характеристик А1

при n

1>n

. При некотором снижении напряжения сети момент двигателя

уменьшается и будет соответствовать характеристике М

эд

2 с меньшим моментом

max

2. Нарушенное равновесие (М

эд

<М

) уже восстановится в точке А2,

соответствующей установившемуся вращению n

2<n

328

Устойчивая работа электропривода не нарушится и в случае некоторых

изменений момента сопротивления на валу двигателя при условии U=const.

Например, при его уменьшении частота вращения двигателя немного

увеличивается до наступления нового равновесия при n

1>n

Соответствие электродвигателя данной рабочей машине определяется не

только наличием точки пересечения их характеристик при какой-то

определенно1, технологически целесообразной частоте вращения рабочей

машины, но и допустимым ее перепадам при возможных изменениях нагрузки.

1.3 Основные уравнения движения

Двигатель, сообщающий движение рабочей машине, должен преодолевать

момент сопротивления последней. При неизменной скорости вращения (при

условии, что GD

не зависит от угла поворота) двигатель преодолевает только

статические моменты. Такой режим работы двигателя называется

установившимся, или статическим. При установившемся режиме для

вращательного движения в любой мгновенье времени момент М

эд

, развиваемый

двигателем, равен моменту статического сопротивления М

механизма (в случае,

когда двигатель непосредственно приводит рабочий орган машины, например,

привод валков блюминга): М

эд

=М

Если скорость вращения двигателя меняется при преодолении момента

сопротивления, то двигателю, кроме статического момента сопротивления,

необходимо преодолевать также и динамические моменты, создаваемые

движущимися с переменной скоростью массами системы привода. Такой режим

работы двигателя называется переходным, или динамическим. Другими словами,

переходным режимом работы двигателя называется режим работы во время

перехода от одного установившегося состояния к другому, когда в

электродвигателе происходит изменение скорости вращения, тока и момента.

При переходном режиме уравнение равновесия моментов дополняется

инерционным, или динамическим моментом

329

эд

=М

+М

дин

(1.1)

Динамический момент обусловлен изменением запаса кинетической

энергии движущихся масс привода. Для приводов, у которых момент инерции не

зависит от угла поворота

дин

Ω

⋅=⋅

, Н

⋅

(1.2)

где

Ω

⋅=⋅

- момент инерционного или динамического

сопротивления системы, Н

⋅

;

Ω=

⋅

- угловая скорость вала двигателя, с

-1

;

⋅

- угловая скорость вращения, рад/с.

Т.к. скорость вращения магнитного поля статора равна

f60

⋅

при р=1

n=60

⋅

отсюда

f =

ωπ

=⋅⋅=

⋅

=Ω f2

где j – момент инерции вращающихся масс относительно оси вращения,

кг

⋅

330

Основное уравнение движения (1.1) может быть записано в виде

эд

=М

⋅ (1.3)

Очень часто в электроприводе для характеристики инерции вращающихся

масс вместо момента инерции j пользуются маховым моментом GD

(кгс

⋅

значение которого для двигателей приводится в каталогах. Если маховый момент

в каталогах задан в кгс

⋅

, то для перевода в СИ его значение необходимо

умножить на коэффициент 9,81 м/с

, тогда динамический момент будет выражен в

⋅

. Связь между этими величинами при определении момента инерции

вращающихся масс относительно оси вращения:

⋅

=⋅ ρ кг

⋅

, (1.4)

⋅

где m – масса вращающегося тела, кг;

ρ((D) – радиус (диаметр) инерции, м;

g=9,81 – ускорение свободного падения, м/с

Численные значения

⋅

в кг

⋅

в кгс

⋅

равны между собой,

поэтому

⋅

кг

⋅

, (1.5)

⋅