Шаманова С.И. Электропривод

Подождите немного. Документ загружается.

Иркутский государственный университет путей сообщения

С.И. Шаманова

Электропривод

Лекции

для студентов специальностей

101800 и 210700

очной и заочной форм обучения

Иркутск

2005

УДК 621.315

Шаманова С.И. Электропривод: Лекции. – Иркутск.: ИрГУПС, 2005. - 45 с.

Изложены лекции по основам электропривода. Рассмотрены

механическая часть силового канала, способы регулирования координат

электропривода, структурные схемы при регулировании координат.

Приведены основные схемы электрической части силового канала

электропривода. Изложены основы элементной базы информационного

канала управления электроприводом. Лекции предназначены для

студентов электротехнических специальностей.

Ил. 47. Библиогр.: 13 назв.

Рецензенты: д - р техн. наук, проф. А.В. Крюков (ИрГУПС);

канд. техн. наук З.А. Фёдорова, доц. ИрГТУ

Учебное издание

Шаманова Софья Искандеровна

Электропривод

Лекции

Редактор Л.И. Рубанова

Компьютерная вёрстка С.И. Шамановой

________________________________________________________________

Подписано в печать

Формат 60х84/16. Печать офсетная

Усл. печ. л.

План 2005 г. Позиция плана

Заказ

________________________________________________________________

Глазковская типография, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53

Введение

Данные лекции являются частью изучаемой дисциплины

“Электрические машины и электропривод” для специальностей 101800

“Электроснабжение железных дорог” и 210700 “Автоматика, телемеханика

и связь на железнодорожном транспорте” очной и заочной форм обучения.

В них приведены основные определения, назначение и функциональная

схема электропривода.

Рассмотрение вопроса механической части силового канала

электропривода содержит операцию

приведения реальной механической

схемы к расчётной модели, а также примеры неустановившегося движения

электропривода при различных видах изменения динамического момента.

Для обеспечения требуемых режимов электропривода необходимо

регулировать его координаты, поэтому изложены вопросы классификации

и схем регулируемого электропривода. В электрической части силового

канала электропривода при рассмотрении систем электрического

преобразовательного устройства с электродвигателями

постоянного и

переменного тока приведены графики и схемы с неуправляемыми и

управляемыми, реверсивными и нереверсивными преобразователями

электрической энергии.

В описании элементной базы информационного канала управления

электроприводом приведены виды некоторых управляющих элементов в

виде аналоговых и дискретных датчиков времени, тока, скорости и

положения.

Лекция 1

Электропривод как система

Электроприводом

(ЭП) называется электромеханическая система,

состоящая из электродвигательного, передаточного и управляющего

устройств, предназначенная для приведения в движение рабочего

механизма и управлением этим движением. Функциональная схема ЭП

представлена на рис. 1.1, где

ИЭЭ – источник электрической энергии,

Ω

ЭД

и Ω

РМ

– скорости вращения электродвигателя и рабочего механизма;

и W

мех

– электрическая и механическая энергии.

зс

дс i

Электропривод состоит из силового канала и канала управления.

Силовой канал состоит из электрической части

ЭД – ЭПУ и

механической

ЭД – МПУ, где ЭД – электродвигатель.

ЭПУ – электрическое преобразовательное устройство,

преобразующее электрическую энергию источника в электрическую

энергию для двигателя. Это может быть выпрямитель, инвертор, система

«генератор – двигатель» и т. д.

МПУ – механическое преобразовательное устройство,

преобразующее механическую энергию двигателя в механическую

энергию рабочего механизма. Это может быть редуктор, муфта и т.д.

Управляющее устройство – это маломощный блок управления

БУ.

Он вырабатывает сигнал управления на выходе

при задающем сигнале

на входе

зс

и ряда дополнительных сигналов U

дс i

, где i = 1, 2, 3,….

ЭП

БУ

мех

МПУ

ИЭЭ ЭПУ

РМ

Ω

ЭД

Ω

РМ

СУЭП

Рис. 1.1. Функциональная схема электропривода

Электрическое преобразовательное устройство ЭПУ совместно с

блоком управления БУ образуют систему управления электроприводом

СУЭП или информационный канал электропривода

ЭП.

ЭП классифицируются:

1.По характеру движения рабочего механизма РМ – вращательного

или поступательного. При этом скорость может быть регулируемой и

нерегулируемой. Движение может быть непрерывным или дискретным,

однонаправленным или двунаправленным (реверсивным), а также

возвратно – поступательным.

2. По роду тока ЭД – переменный или постоянный.

3. Механического преобразователя – редуктор, гидромуфта,

электромуфта.

4. Виду электрического силового

преобразователя – неуправляемые

и управляемые выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и

напряжения переменного тока, импульсные преобразователи постоянного

тока с различными видами модуляции выходного напряжения постоянного

тока.

5. Числу используемых двигателей – групповой, индивидуальный и

взаимосвязанный.

Групповой электропривод характеризуется тем, что один его

двигатель приводит в движение

несколько исполнительных органов одной

машины или

один исполнительный орган нескольких рабочих машин.

Индивидуальный электропривод обеспечивает движение оного

исполнительного органа рабочей машины.

Взаимосвязанный электропривод – это два или несколько

электропривода, связанных между собой механически или электрически и

работающих совместно на

один или несколько исполнительных органов.

Если двигатели связаны между собой

механически и работают на

общий вал, то электропривод называется

многодвигательным. Если

двигатель связан

электрическими цепями, то электропривод называется

электрическим валом.

При рассмотрении работы электродвигателя, приводящего в

действие рабочий механизм, необходимо выявить соответствие их

механических свойств и характеристик. Обычно при проектировании

электропривода механическая характеристика рабочего механизма

является уже заданной. Поэтому для получения устойчивой работы в

установившемся режиме для определения скоростей и моментов

сопротивления рабочего механизма необходимо подобрать механическую

характеристику электродвигателя соответствующей

формы. Иногда для

получения требуемых механических характеристик электродвигателя

приходится применять специальные схемы его включения с аппаратурой

управления и датчиками сигналов для силовых цепей и цепей управления.

Механической характеристикой двигателя называется

зависимость его скорости от развиваемого момента

Ω(М) для

вращательного движения или усилия

ν(F) для поступательного движения,

где

Ω и ν – угловая и линейные скорости движения; М и F – момент и

усилие. Естественные механические характеристики, соответствующие

основной (паспортной) схеме включения и номинальным параметрам

питающего напряжения некоторых двигателей, приведены на рис. 1.2, где

характеристика 1 соответствует синхронному двигателю, 2 – двигателю

постоянного тока с независимым возбуждением, 3 – асинхронному

двигателю, 4 – двигателю постоянного тока с последовательным

возбуждением.

Механической характеристикой рабочего

механизма называется

зависимость скорости его движения от усилия или момента на нём, то есть

Ω

РМ

(М

РМ

) при вращательном движении и ν

РМ

) при поступательном

движении. В результате операции приведения реальной механической

части электропривода к расчётной модели, эти характеристики

преобразуются в зависимость вида

Ω(М

), где Ω – скорость двигателя, а

– приведённый к его валу момент нагрузки (сопротивления).

По характеру действия моменты нагрузки

делятся на активные и

реактивные. Активные моменты имеют постоянное, не зависящее от

скорости, направление своего действия (рис. 1.3, характеристика 1).

Реактивные моменты всегда противодействуют движению, и поэтому

изменяют свой знак с изменением направления скорости движения (рис.

1.3, характеристика 2).

На рис. 1.3 также приведены 3 – характеристика вентилятора и 4 –

механизма металлообрабатывающего станка. Реальные же механические

характеристики

более сложны по своему виду.

Как механические характеристики двигателя, так и рабочего

механизма оцениваются по коэффициенту жёсткости

Ω

=β

Тогда у синхронного двигателя характеристика обладает

абсолютным коэффициентом жёсткости

β = ∞ (рис. 1.2, кривая 1),

двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением имеет

мягкую механическую характеристику с переменной величиной

коэффициента жёсткости

β для всех точек характеристики (рис. 1.2, кривая

4). У асинхронного двигателя коэффициент жёсткости переменный, как

положительный, так и отрицательный (рис. 1.2, кривая 3), а характеристика

1 на рис. 1.3 имеет нулевой коэффициент жёсткости

β = 0.

Ω

Точка пересечения механической характеристики электродвигателя

М(Ω) и характеристики рабочего механизма М

(Ω) соответствует

установившемуся режиму с

уст

и Ω

уст

Вид механических характеристик двигателя и рабочего механизма

определяет устойчивость работы в установившемся режиме, для чего

необходимо выполнение условия

β < β

или ,

Ω

где β и β

– соответственно коэффициенты жёсткости механических

характеристик двигателя и рабочего механизма.

Ω

2 1

Рис.1.3. Механические характеристики рабочих механизмов

Ω

Рис. 1.2. Механические характеристики двигателей

Лекция 2

Механическая часть силового канала электропривода

В механическом движении участвуют подвижная часть

электропривода (ротор или якорь), элементы механического передаточного

устройства и исполнительный орган. Совокупность этих элементов

называют механической частью электропривода.

Поступательное и вращательное движение описываются

уравнениями:

ΣF = m dv / dt + v dm / dt;

ΣM = J dΩ / dt + Ω dJ / dt;

где

ΣF и ΣM – совокупность сил и моментов, действующих на элемент; m

и J – масса и момент инерции; Ω и v – угловая и линейная скорости; t –

время.

Если масса и момент инерции не изменяются, то

ΣF = m dv / dt = ma; a = dv / dt;

ΣM = J dΩ / dt = Jε; ε = dΩ / dt;

где

а и ε – ускорения при поступательном и вращательном движении.

Если

ΣF = 0 и ΣМ = 0, то dv/dt = 0 и dΩ/dt = 0 и элемент движется с

постоянной скоростью или находится в состоянии покоя. Другими

словами, элемент будет двигаться с неизменной скоростью (или будет

неподвижным), если сумма сил и моментов, к нему приложенных, будет

равна нулю. Такое движение называется установившемся

. При ΣF > 0

или

ΣM > 0 элемент будет двигаться с ускорением, а при ΣF < 0 или ΣM

0 – с замедлением.

Одномассовая расчетная схема механической части электропривода

Анализируя механическое движение электропривода, необходимо

учитывать влияние на него других элементов механической части

электропривода. При этом пересчитывать, силы, моменты, массы и

моменты инерции относительно двигателя электропривода. Этот расчёт

называется операцией приведения, а сами пересчитанные переменные и

параметры – приведёнными. В этом

случае реальная механическая часть

электропривода заменяется расчётной моделью.

На рис. 2.1 приведена механическая часть электропривода

подъёмной лебёдки. Электродвигатель 1 вращательного движения с

моментом инерции

ЭД

через одноступенчатый редуктор 4 с парой

шестерён 5 и 6 приводит во вращение с угловой скоростью

Ω

барабан 8

подъёмной лебёдки, который с помощью троса 9 и крюка 10 поднимает

или опускает с линейной скоростью

ио

груз 11 с массой m. Из

соединительных механических муфт 3 и 7 первая служит шкивом для

механического тормоза 2. При приведении реальной механической схемы

(рис. 2.1 а) к расчётной (рис. 2.1 б) принимаются допущения, что все

элементы кинематической схемы являются абсолютно жёсткими и между

ними отсутствуют зазоры.

Для определения приведённого момента инерции

J необходимо

приравнять выражения кинетической энергии в реальной и расчётной

схемах

J Ω

/ 2 = J

ЭД

Ω

/ 2 + J

Ω

/ 2 + J

Ω

/ 2 + m v

ио

/ 2,

где J

– суммарный момент инерции элементов, вращающихся со

скоростью

Ω (кроме двигателя), J

– момент инерции элементов,

вращающихся со скоростью барабана

Ω

Умножая обе части этого выражения на 2 /

Ω

, получим

J = J

ЭД

+ J

(Ω

/ Ω)

+ m (v

ио

/ Ω)

или

J = J

ЭД

+ J

/ i

+ m ρ

где i = Ω / Ω

= z

/ z

– передаточное отношение редуктора (z

и z

–

соответственно число шестерён 6 и 5),

ρ = v

ио

/ Ω = Ω

/ Ω = R

/ i –

, M

Ω

1 1

Ω

ио

2 4

а) б)

Рис. 2.1. Реальная и расчётная модели механической части ЭП