Удут Л.С., Кояин Н.В., Мальцева О.П. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 6 Механическая система электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

Работа в 4-х квадрантах

Во многих случаях на производстве необходимо, чтобы

электродвигатель обладал возможностью вращения в двух

направлениях, а также мог работать кратковременно (торможение

электропривода) или длительно в генераторном режиме с возвратом

энергии в сеть. При этом переход привода из двигательного режима в

тормозной режим может происходить как плавно, так и предельно

быстро. Упрощенные схемы 4-х квадрантных электроприводов

постоянного и переменного тока приведены на рис. 5.6 и 5.7

соответственно.

а б

Рис 5.6. 4-х квадрантные электроприводы постоянного тока: а –

электропривод постоянного тока для всех требований; б – электропривод

постоянного тока с возвратом энергии в сеть

диоды

тиристоры

IGBT - транзисторы

Рис. 5.7. 4-х квадрантные электроприводы переменного тока: а –

электропривод с тормозным прерывателем и тормозным сопротивлением

для повторно-кратковременного режима работы; б – электропривод с

124

полностью управляемым мостом с возвратом энергии в сеть; в –

электропривод с IGBT-транзисторами с возвратом энергии в сеть

Проблема возврата энергии в сеть как в кратковременных, так и в

длительных режимах работы электродвигателя постоянного тока во 2-м

и 4-м квадрантах, полностью решается при применении реверсивного

тиристорного преобразователя. Сброс энергии в кратковременных

тормозных режимах асинхронного электродвигателя решается с

помощью тормозного резистора. Возврат же энергии при длительной

работе асинхронного двигателя в тормозных режимах требует

применения управляемого выпрямителя и возможности его работы в

инверторном режиме. Это значительно усложняет и удорожает

преобразователь частоты.

Выходное напряжение и ток

При питании от преобразователя постоянного тока подводимое к

двигателю напряжение состоит из частей синусоидального напряжения

питающей сети. Это является причиной пульсаций тока и момента

электродвигателя с частотой 300 Гц в 3-фазной мостовой схеме. Эта

частота лежит за пределами резонансных частот механической системы

привода и, вследствие этого, не создаёт каких-либо проблем.

Максимальное напряжение на клеммах электродвигателя равно

амплитудному значению напряжения питающей сети. Проблемы

электромагнитной совместимости преобразователя с сетью решаются

при весьма незначительных затратах.

При питании асинхронного электродвигателя от преобразователя

частоты напряжение на двигателе и ток двигателя имеют

несинусоидальный характер и изменяются по амплитуде и частоте в

широком диапазоне. В результате пульсации момента двигателя также

имеют переменные значения амплитуды и частоты, которые сильно

зависят от принципа функционирования преобразователя и режима

работы устройства. Это существенно увеличивает вероятность

возникновения резонансных колебаний в механической части

электропривода. Выходное напряжение преобразователя содержит в

себе высоковольтные пульсации, пики которых при большой длине

кабеля могут превышать удвоенное номинальное напряжение

двигателя. Ввиду этого недостатка необходимо повышать класс

изоляции двигателя и кабеля или использовать дроссель при

подключении двигателя. Появляющиеся при работе преобразователя

частоты электромагнитные излучения и связанные с ними помехи

125

требуют применения дополнительных средств для решения проблемы

электромагнитной совместимости.

Потребляемая реактивная мощность

Обе системы электропривода потребляют реактивную мощность

из сети. В электроприводе переменного тока это значение

пренебрежимо мало, а в электроприводе постоянного тока зависит от

скорости вращения двигателя при регулировании вниз от основной.

Практические значения коэффициента мощности:

 для приводов постоянного тока (

9.00 

) при работе в 1-м

квадранте и (

85.00 

) при работе в 4-м квадранте;

 для электропривода переменного тока 0.99 при работе в 1-м

квадранте с использованием неуправляемого диодного выпрямителя и

0.9 при работе в 4-м квадранте с использованием транзисторного

управляемого выпрямителя и возвратом энергии в сеть.

С этой точки зрения выгоднее использовать привод переменного

тока.

Стоимость систем электропривода постоянного

и переменного тока

При современном уровне развития техники для каждого

конкретного случая можно выбрать практически равнозначные по

техническим характеристикам варианты электроприводов постоянного

и переменного тока, поэтому об их стоимости можно говорить, как об

оптимальном критерии оценки:

 для работы в 1-м квадранте без длительной работы на малой

скорости и мощности не более 40…80 кВт экономически более выгодно

применение электропривода переменного тока;

 для работы в 4-х квадрантах без требования возврата энергии в

сеть и мощности более 40…60 кВт экономически более выгодно

применение электропривода постоянного тока;

 для работы в 4-х квадрантах с возвратом энергии в сеть и

мощности более 15 кВт экономически более выгодно применение

электропривода постоянного тока.

5.4. Выводы

Ещё раз подчеркнём, что практически всегда можно выбрать

электропривод постоянного или переменного тока, который будет

удовлетворять предъявленным техническим требованиям. Но есть ряд

126

требований, при решении которых электропривод постоянного тока

имеет явные преимущества или явные недостатки в сравнении с

электроприводом переменного тока. В табл. 5.4 приведены результаты

сравнительной оценки электроприводов постоянного и переменного

тока, в которой знаком «+» отмечено преимущество той или иной

системы.

В последние десятилетия наблюдается устойчивый рост

применения регулируемых электроприводов (примерно 6 – 8 % в год).

Прирост обеспечивается практически за счёт электроприводов

переменного тока и определяется, главным образом, ростом применения

массового асинхронного электропривода с невысокими техническими

характеристиками. Доля электроприводов постоянного тока остаётся

практически постоянной. В будущем ведущие производители ожидают

некоторого увеличения спроса на электроприводы постоянного тока.

Электропривод постоянного тока благодаря своим высоким

техническим характеристикам прочно удерживается в области

широкорегулируемых, реверсивных электроприводов, работающих с

независимой от скорости постоянной и переменной нагрузкой и

высокими требованиями по перегрузочной способности.

Таблица 5.4

Технические требования ЭП =I ЭП ~ I

Работа в 4-х квадрантах с возвратом энергии в сеть +

Длительный режим работы с малой скоростью

вращения

Ограниченное выделение тепла в

распределительном шкафу

Частая смена режимов ускорения и торможения +

Большой диапазон регулирования скорости

вращения с постоянной мощностью (> 1:1.5)

Защита электродвигателя от неблагоприятных

воздействий окружающей среды

Удобство расположения электродвигателя для

проведения обслуживающих мероприятий

Свободное пространство для размещения

электродвигателя и преобразователя

127

Приложение 1

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗМОВ

Большинство современных машин, производственных

механизмов и установок создается по системе двигатель–передача–

рабочий орган. При передаче полезной мощности во всех звеньях этой

цепи возникают потери. Мощность потерь в значительной степени

зависит от нагрузки, и их расчет является весьма сложным. Поэтому на

практике для учета механических потерь используются средние

значения коэффициентов полезного действия. КПД некоторых

производственных механизмов приведены в табл. 1, КПД механических

передач без учета потерь трения в подшипниках даны в табл. 2. При

определении полного КПД передачи необходимо учитывать помимо

КПД каждой кинематической пары, КПД других звеньев привода, где

имеются потери мощности и, в частности, КПД опор (табл. 3).

Механические приводы многих машин и автоматических систем

обычно состоят из нескольких простых механизмов, которые

соединяются для передачи энергии и движения последовательным,

параллельным или смешанным способом. Общий КПД привода,

состоящего из n отдельных механизмов, определяется по выражениям:

– при последовательном соединении механизмов







21о



;

– при параллельном соединении механизмов







iinm

2211о



где



– КПД отдельных механизмов;



– коэффициенты, характеризующие долю энергии,

потребляемой каждым из механизмов



















Таблица 1

Среднее значение КПД некоторых производственных механизмов

128

Тип механизма Значение КПД

Центробежные насосы, вентиляторы, компрессоры

– малой и средней мощности

– большой мощности

75.06.0 

92.075.0 

Осевые насосы и вентиляторы

9.07.0 

Осевые компрессоры

9.08.0 

Вихревые насосы

5.03.0 

Окончание табл. 1

Тип механизма Значение КПД

Поршневые насосы

85.065.0 

Роторные насосы

9.06.0 

Роторные компрессоры

7.05.0 

Таблица 2

Средние значения КПД механических передач при номинальной

нагрузке (без учета потерь трения в подшипниках)

Тип передачи

Значение КПД

Закрытая Открытая

Зубчатая:

– цилиндрическая

– степень точности 6, 7

– степень точности 8, 9

– коническая

– степень точности 6, 7

– степень точности 8, 9

98.099.0 

97.0975.0 

96.098.0 

95.096.0 

94.095.0 

Червячная:

– самотормозящаяся

– несамотормозящаяся при числе

заходов червяка:

– k=1

– k=2

– k=3

– k=4

4.03.0 

715.07.0 

82.075.0 

87.082.0 

92.087.0 

3.02.0 

Шарико-винтовая:

– без натяга

– с предварительным натягом

0.95

9.085.0 

Цепная

97.095.0 

93.09.0 

Ременная:

– плоскоременная

– клиноременная

– клиноременный вариатор

98.097.0 

97.092.0 

92.085.0 

Фрикционная

96.09.0 

8.07.0 

Полиспасты

98.092.0 

Блоки

97.096.0 

129

Таблица 3

Средние значения КПД опор

Тип опоры Значение КПД

Подшипники скольжения (1 пара):

– с вкладышами из чугуна

– с вкладышами из бронзы

– с бабитовой заливкой

96.095.0 

98.097.0 

99.098.0 

Подшипники качения (1 пара)

995.099.0 

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

В общем случае потери работы на трение складываются из потерь

в передаточном механизме, опорах и высших кинематических парах.

Потери на трение в механической передаче обычно учитываются через

коэффициент полезного действия.

В зависимости от относительного движения в узлах трения

различают опоры для вращательного движения и опоры для

прямолинейного движения (направляющие). Если вращательную пару

составляют цапфа вала и подшипник, то момент от сил трения

определяют по выражению [24],

мН 

rPM 

тр

где P – нагрузка цапфы на подшипник, Н;



– коэффициент трения подшипников (табл. 4);

r – радиус цапфы, м.

Сила трения в направляющих рассчитывается по формуле [8], Н,

 gmF

тр

где m – масса, кг;

см819.g 

– ускорение свободного падения;



– коэффициент трения направляющих.

Момент трения в направляющих,

мН 

– для передачи винт – гайка







втр

тр

2 i

;

– для передачи шестерня–рейка







тр

2 i

где

– шаг винта, м;

– передаточное число редуктора;



– КПД передачи;

D – диаметр шестерни, м.

Численные значения коэффициентов трения в направляющих

приведены в табл. 4.

130

Момент от сил трения качения (на оси цилиндра, катящегося по

плоскости) определяется по формуле [24],

мН 

fPM 

тр

где P – усилие прижатия цилиндра к плоскости, Н;

f – коэффициент трения качения, м (табл. 5).

Таблица 4

Коэффициент трения некоторых материалов

Трущиеся материалы



при

трогании



при

движении

Подшипники скольжения:

– бронза по бронзе

– железо по железу

– сталь по бронзе

– чугун по бронзе

0.11

0.105

2.015.0 

0.06

08.003.0 

0.09

08.007.0 

Подшипники качения:

– редукторов

– крановых ходовых колес

– роликов рольгангов для горячего металла

– роликов рольгангов для холодного металла

0.005

0.008

0.015

0.01

Направляющие:

– скольжения

– качения с танкетками

0.1

01.0005.0 

Передача винт–гайка скольжения

13.01.0 

Таблица 5

Коэффициент трения качения

Вид роликов, катков или колес f, м

Ходовые колеса крановых мостов и тележек

- хорошо обработанные и обкатанные

- плохо обработанные и не обкатанные

0005.00008.0 

0.001

Железнодорожные колесные пары

00015.000025.0 

Ролики рольгангов при транспортировании:

– слитков, нагретых до

 1200900

, покрытых толстым

слоем окалины

– стальных холодных болванок, покрытых окалиной

– стального проката при температуре

 1000500

– стального холодного проката

0.0025

0.002

0.0015

0.001

131

Приложение 2

ШАРИКОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ ВИНТ – ГАЙКА КАЧЕНИЯ

Типовая шариковая передача винт – гайка качения содержит винт,

гайку, комплект шариков, расположенных во впадинах резьбы и канал

возврата, соединяющий витки гайки и обеспечивающий непрерывную

циркуляцию шариков при относительном вращении винта и гайки.

Передача винт – гайка качения предназначена для применения в

механизмах, преобразующих вращательное движение в поступательное,

металлорежущих станков, промышленных роботов и других

производственных машин и агрегатов. Их широкое применение

обусловлено рядом несомненных достоинств: беззазорность, что

снижает ошибку при реверсе; высокая осевая жесткость, что снижает

динамическую ошибку привода; высокая стабильность момента трения,

что позволяет осуществлять точное перемещение при малой скорости;

высокий КПД; высокое передаточное отношение; компактность,

простота и удобство эксплуатации. Погрешность передачи винт – гайка

определяется ее классом точности. Для исключения зазора и повышения

жесткости соединения винт – гайка применяется предварительный натяг

между винтом и гайкой, что, увеличивает момент сил трения.

Жесткость, точность и величина момента сил трения передачи винт –

гайка качения в значительной степени зависит от схемы расположения

опор винта, их конструкции и типа подшипников [5]. В табл. 1

приведены технические параметры передач винт – гайка качения.

Расчетные параметры передачи винт – гайка качения:

– приводной момент

мН,

85.02









;

– приводная мощность







 nМР

, кВт;

– момент инерции винта длиной

ввв

мкг,  ljJ

;

– максимальное допустимое ускорение

доп

рад



132

Осевая жесткость механизма на базе шариковой передачи винт –

гайка качения определяется по номограмме рис. 1.10.

133