Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые

скорости поля будут достаточно велики (более 3м/с), что затрудняет использо-

вание этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двига-

тели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для по-

лучения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейно-

го асинхронного двигателя его обмотки питают от

преобразователя частоты.

Применяются несколько вариантов конструкций линейного асин-

хронного двигателя. Одна

из них показана на рис.7.4.

Здесь вторичный элемент

2, соединенный с рабочим

органом, перемещается по

направляющим 1 под

действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая

конструкция удобна для компоновки с рабочей машиной, однако, она сопряже-

на со значительными потоками рассеяния поля

статора, вследствие чего cosφ

двигателя будет низким.

Для увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным

элементом, последний размещают в прорезь между двумя статорами, либо кон-

струкция двигателя выполняется в виде цилиндра (см. рис.7.5). В этом случае

статор двигателя представляет собой трубку 1, внутри которой расположены

цилиндрические наборные катушки 2, являющиеся обмоткой статора.

Между

катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магни-

топровода. Вторичный элемент - шток трубчатой формы выполнен из ферро-

магнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную кон-

струкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие

двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в

качестве вторичного элемента используется рельс

или специальная полоса, а

статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий кпд и

связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (поте-

ри скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться синхрон-

ные (вентильные) двигатели. Принцип работы вентильного двигателя рассмот-

рен в главе 8 и сохраняется в применении к линейному варианту его исполне-

ния. Конструкция

такого двигателя аналогична представленной на рис.7.4. Ста-

тор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются

постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда ста-

тор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнита-

ми неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от

относительного положения магнитов. С этой целью

в конструкции предусмот-

рен датчик положения 4 (рис.7.4).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные

шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя,

показанного на рис.7.3, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на

которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствую-

щем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать

дис-

кретное движение, шаг которого может быть весьма малым -до долей милли-

метра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный эле-

мент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зуб-

цового деления τ, числом фаз m и частотой переключения V = τf/m .

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, по-

скольку увеличение

зубцового деления и частоты не лимитируется технологи-

ческими факторами. Ограничения существуют для минимального значения т,

т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторич-

ным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить

конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движе-

ние, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или

многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить

ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канав-

ки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет со-

вершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать переме-

щение

на плоскости. В этом случае возникает задача создания опоры для под-

вижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная полушка –

напор воздуха, подаваемого в пространство под подвижным элементом. Ли-

нейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и

имеют низкий кпд. Основной областью их применения являются легкие мани-

пуляторы, легкие

сборочные станки, измерительные машины, станки для ла-

зерной резки и другие устройства.

Благодаря применению линейных двигателей отпадает необходимость

применения кинематических звеньев, преобразующих вращательное движение

в поступательное.

7.4. Контрольные вопросы для самопроверки

1. Почему в вентильно-индукторном электроприводе число зубцов маг-

нитопровода статора не совпадает с числом зубцов магнитопровода ротора?

2. Что такое

дискретный электропривод?

3. Для привода каких механизмов и устройств целесообразно примене-

ние шаговых, электродвигателей?

4. Что такое частота приемистости шаговых двигателей?

5. В чем состоит основное преимущество линейных, электро-

двигателей?

6. В чем состоит основное отличие линейных асинхронных двигателей

от линейных синхронных (вентильных) двигателей?

Глава 8. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

8.1. Общие сведения

При пуске и останове электродвигателя, при его реверсе, изменении за-

дания на скорость в регулируемом электроприводе, при приложении (или сня-

тии) к валу двигателя механической нагрузки изменяются параметры электро-

привода: ток, момент, скорость и другие. При этом привоя переходит из одного

установившегося режима работы с одними параметрами движения в другой ус

тановившийся режим с другими параметрами. Однако этот переход не может

быть мгновенным, т.к. ток в двигателе из-за электромагнитной инерционности

его целей не может изменяться мгновенно, также не может изменяться мгно-

венно скорость двигателя из-за механической инерционности движущихся масс

электропривода.

Переходным процессом (переходным режимом) электропривода назы-

вается протекающий

во времени процесс перехода от одного установившегося

режима работы (или отключенного состояния; к другому установившемуся со-

стоянию.

Причиной возникновения переходных процессов могут быть:

• управляющие воздействия (включение - отключение электропривода,

изменение задания на скорость привода и др.),

• возмущающие воздействия, главным из которых является изменение

нагрузки на валу двигателя (изменение M

Необходимость изучения, а затем и формирования переходных процес-

сов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных

динамических режимах, в которых происходит резкое приложение нагрузки,

необходимо быстрое изменение скорости и т.д. Таковы электроприводы метал-

лорежущих, станков, горных экскаваторов, прокатных станов и других машин.

Для этих машин возникает задача сокращения

длительности переходных про-

цессов, т.е. повышение быстродействия электропривода.

Есть рабочие машины, для которых важнейшим требованием является

стабильность скорости вращения (например, машины для производства бумаги,

пленки и т.п.). Здесь при приложении возмущающих воздействий важна мини-

мизация величины отклонения от заданных параметров движения.

Большое значение имеет анализ переходных процессов для следящих

электроприводов, которые работают, как правило, в переходных режимах, от-

рабатывая изменяющееся задание скорости и положения.

Переходные процессы могут быть колебательными или апериодиче-

скими, как показано на рис.8.1, и

характеризуются следующими показателя-

ми.

Время переходного процесса t

пп

время, начиная с которого регулируемый

параметр Y входит и остается в зоне

допустимых отклонений от заданного

значения Y

зад

. Обычно в системах элек-

тропривода эта зона принимается равной ±2% или ±5% от заданной величины

регулируемого параметра.

Время нарастания до заданного значения t

- время, когда регулируемый

параметр Y первый раз достигает заданного значения.

Перерегулирование

%100

зад

задмакс

−

- это выраженное в процентах от-

носительное превышение максимального значения регулируемого параметра

над заданным значением.

Эти показатели качества переходных процессов приводятся для случая,

когда на систему регулирования действует ступенчатое (единичное) управ-

ляющее или возмущающее воздействие.

Для расчета и анализа переходных процессов необходимо найти пере-

ходную функцию - зависимость параметров электропривода (скорости, тока,

момента и др.) от времени.

Переходные функции описываются дифференциальными уравнениями.

Порядок дифференциального уравнения будет определяться числом инерцион-

ностей, которые учитываются при рассмотрении данного переходного процес-

са. Ниже перечислены основные инерционности, характерные для электропри-

водов.

Механическая инерционность, связанная с накоплением и отдачей ки-

нетической энергии; величина механической инерционности определяется для

вращательного движения моментом инерции /г , приведенным к валу электро-

двигателя; при анализе переходных процессов механическая инерционность

оценивается электромеханической постоянной времени

(8.1)

где β - абсолютная величина (без учета знака) жесткости механической

характеристики электропривода.

Электромагнитная инерционность, связанная с накоплением (отдачей)

энергии электромагнитного поля; эта инерционность оценивается электромаг-

нитной постоянной времени

= (8.2)

где L и R - индуктивность и активное сопротивление электромагнитно-

го устройства (например, обмотки двигателя).

Электростатическая инерционность, связанная с накоплением (отдачей)

энергии электростатического поля; эта инерционность оценивается постоянной

времени

RCТ

(8.3)

где С - емкость конденсатора, R - сопротивление цепи его заряда-

разряда.

Существуют инерционности и другой физической природы, которые

иногда следует учитывать при анализе переходных процессов.

Если предположить, что инерционности отсутствуют или они пренеб-

режимо малы, то переходные процессы будут протекать мгновенно. Наличие в

реальных системах инерционностей различной физической природы обуслав-

ливает затягивание

переходных процессов, связанное с тем, что в процессе пе-

рехода системы из одного состояния в другое происходит накопление (за-

пасание) или отдача энергии, которые не могут происходить мгновенно.

Если потоки энергии однонаправлены, то переходный процесс при

приложении

постоянного по

величине воздействия

носит монотонный

характер. Таков,

например, процесс

нарастания тока в

обмотке возбуждения двигателя постоянного тока при подаче напряжения на

эту обмотку (рис.8.2,а).

Процесс изменения тока во времени при подаче напряжения на обмотку

описывается дифференциальным уравнением

LiRU +=

приводя который к нормализованному виду с учетом (8.2), получим:

устэ

T ==+ (8.4)

где I

уст

- установившееся значение тока возбуждения, или в оператор-

ной форме, заменяя символ дифференцирования d/dt на оператор р

устэ

IрTi

)1(

(8.5)

Решение этого уравнения будет

начустуст

еIIIi

−

−−= )( (8.6)

При I

нач

= 0

)1(

уст

eIi

−

−= (8.7)

Переходная характеристика i = f(t) носит экспоненциальный характер

(рис.8.2,б). За время, равное Т

, ток в обмотке возбуждения возрастает до зна-

чения 0,63I

уст

; за время 3 Т

, - до значения 0,95 I

уст

; за время 5 Т

, - до значения

0,996 I

уст

. Практически можно считать, что время переходного процесса при

экспоненциальном характере составляет 3-5 постоянных времени. Если нужно

ускорить нарастание тока в обмотке возбуждения, то это можно сделать един-

ственным способом - увеличить напряжение, подводимое к индуктивности

(обмотке возбуждения) на время протекания переходного процесса. Если, на-

пример, мы увеличим напряжение в а раз до

значения RаIU

устф

, то ток в об-

мотке возбуждения будет нарастать быстрее, как это следует из характеристики

2 на рис.8.2,б. По достижении током значения I

уст

напряжение на обмотке воз-

буждения следует уменьшить до значения

RIU

уст

Таким образом, для уменьшения времени переходного процесса нужно

применить форсировку напряжения, которая затем снимается. Отношение

UUa

/= называется коэффициентом форсировки.

8.2. Переходные процессы, определяемые механической инерцион-

ностью электропривода

Переходные процессы в электроприводе, когда изменяются ток, момент

и скорость двигателя, представляют собой сложное явление - одновременное

протекание электромагнитных и механических переходных процессов. Харак-

тер переходного процесса зависит от числа инерционностей, участвующих в

данном процессе, и соотношения между характеризующими их

постоянными

времени.

Переходные процессы в зависимости от характера объекта могут опи-

сываться линейными или нелинейными дифференциальными уравнениями. Ес-

ли нелинейности несущественны, можно прибегнуть к линеаризации уравне-

ний.

В случае линейных систем анализ переходных процессов (расчет пере-

ходных характеристик) может производиться аналитическими методами. В

случае нелинейных систем целесообразно пользоваться численными методами

решения

уравнений на ЭВМ или методами компьютерного моделирования.

Если постоянные времени по величине отличаются на два и более по-

рядка, то можно малыми постоянными времени пренебрегать.

Проведем анализ электромеханической системы, состоящей из двигате-

ля с линейной механической характеристикой, и жесткого механического зве-

на.

Движение такой электромеханической системы определяется уравнени-

ем движения электропривода (см. раздел 2.3)

JММ

=−

(8.8)

где J

и М

- суммарный момент инерции и момент сопротивления дви-

жению, приведенные к валу двигателя.

Линейная механическая характеристика описывается уравнением

)(

−

М (8.9)

здесь ω

- скорость идеального холостого хода.

Совместное решение (8.8) и (8.9) позволяет получить уравнение, опи-

сывающее переходные процессы двигателя, определяемые механической инер-

ционностью электропривода

ωω

−=+⋅

(8.10)

Величина М

/β представляет собой падение скорости от нагрузки -

статическую ошибку ∆ω

(см. раздел 4.2), а

величина (ω

-М

/β) -

установившееся значение

скорости ω

уст

после

окончания переходного

процесса, когда М станет

равным М

(см рис.8.3,а).

Тогда обозначив

(8.11)

получим выражение для переходной характеристики электропривода.

устм

ωω

(8.12)

Переходные процессы, определяемые одной механической инерционно-

стью, суммарным приведенным к валу двигателя моментом инерции J

, описы-

ваются дифференциальным уравнением первого порядка. Решением этого

уравнения является переходная характеристика, имеющая вид экспоненты с

постоянной времени Т

(см. рис.8.3,б).

начустуст

−

−−= )(

ωωωω

(8.13)

при ω

нач

= ω

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

−

уст

е1

ωω

(8.14)

Задача 8.1. Построить характеристики переходного процесса при пуске

двигателя постоянного тока независимого возбуждения вхолостую с дальней-

шим приложением номинального момента нагрузки. Пуск производится пода-

чей номинального напряжения на якорь двигателя; обмотка возбуждения была

включена заранее. Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя вве-

дено добавочное сопротивление, ограничивающее максимальное значение тока

при пуске I

уст

= 2,5I

. По окончании пуска добавочное сопротивление должно

быть закорочено.

Технические данные двигателя: мощность Р

=6,5 кВт, номинальная

скорость вращения ω

=104,5 1/с; номинальное напряжение U

=220 В; номи-

нальный ток якоря I

ян

=33,5 А; сопротивление цепи якоря R

=0,77 Ом; индук-

тивность якоря L

=0,01 Гн; момент инерции привода J

= 1,0 кг.м

Решение.

1 . Номинальный момент двигателя

Нм

2,62

5,104

6500

===

2. Машинная постоянная

..86,1/86,1

5,33

2,62

сВАНм

====