Состав и назначение систем автоматизированного электропривода

Электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую и управления преобразуемой энергией называется электроприводом. Система электропривода состоит из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движе­нием. На рисунке 1.1 представлена полная функциональная схема автоматизированного электропривода производственного механизма. Система управления СУ привода, включающая в себя силовую (ССУ) и информационную (ИСУ) составляющие (ИСУ осущ-ет текущий контроль состояния технологич. процесса и ЭП и формирует сигнал управления для ССУ), получает питание от сети с параметрами U_c,I_c,f_c и преобразует их для питания двигателя ЭД в соответствии с режимом работы последнего. Передаточный механизм ПМ служит для преобразования механических параметров на валу ЭД – момента М_В и частоты вращения ω_В и передачи их исполнительному механизму ИМ. ССУ, ЭМП, РД, ПМ и ИМ – составляют силовой канал ЭД, т.е. канал по кот. транспортируется преобразуемая энергия. Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь. В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии. Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

 

 

 

В замкнутых системах АЭП сигнал управления формируется при сравнении сигналов задающего устройства (ЗУ) и датчиков обратных связей (ДОС). В конкретных агрегатах могут отсутствовать отдельные элементы схемы. ЭМП – электромеханический преобразователь, РД- ротор двигателя.

2. Уравнение движения электропривода, вывод и анализ

Рассмотрим простейшую механическую систему, состоящую из вращающейся части двигателя (ротора или статора - РД) и рабочего органа (РО) механизма, имеющего вращательное движение, присоединенного непосредственно к валу двигателя. В системе действуют два момента – момент, развиваемый двигателем М_Д и момент статической нагрузки М_С, в который входят момент, создаваемый рабочим органом механизма и моменты трения. Эти моменты характеризуются величиной и направлением действия.

Если М_Д и М_С действуют в направлении движения, их называют движущими, если их знаки противоположны знаку скорости, моменты называют тормозящими. В соответствии с принципом Деламбера, совместное действие М_Д и М_С определит величину и знак динамического момента , определяющего ускорение системы. Таким образом, уравнение движения системы в общем случае имеет вид

. (1.1)

 

Проведем простейший анализ уравнения (1) для двигательного режима работы ЭП, когда

. (1.2)

При М_Д > М_С dω/dt > 0 и имеет место режим ускорения привода, при М_Д < М_С dω/dt < 0 и имеет место режим замедления привода, а при М_Д = М_С динамический момент и ускорение равны нулю. Первые два режима называют переходными, а последний – установившимся (стационарным). Инерционный (динамич.) момент проявляется только во время переходных режимов, когда изменяется скорость привода.

 

3. Приведение моментов статической нагрузки к валу двигателя. Обычно между ЭД и РО находится одно или несколько передаточных устройств (ПУ). Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов, каждый из кот. совершает различные вращательные или поступательные движения. Все элементы схемы движутся с различными скоростями и ускорениями и имеют свои моменты инерции, что затрудняет составление и анализ уравнения движения всей системы. Поэтому на практике все моменты статической нагрузки и моменты инерции приводятся к какому – либо одному валу, обычно к валу двигателя и относительно этого вала решают уравнение движения. При приведении моментов статической нагрузки исходим из равенства мощности в реальной и приведенной схемах: , откуда . где i- хар-ет реальную схему (т.е. это передаточное число ПМ или редуктора).При возвратно – поступательном движении , .Суммарный приведенный к валу двигателя момент сопротивления .

4. Приведение моментов инерции к валу двигателя. Обычно между ЭД и РО находится одно или несколько передаточных устройств (ПУ). Механическая часть электропривода может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов, каждый из кот. совершает различные вращательные или поступательные движения. Все элементы схемы движутся с различными скоростями и ускорениями и имеют свои моменты инерции, что затрудняет составление и анализ уравнения движения всей системы. Поэтому на практике все моменты статической нагрузки и моменты инерции приводятся к какому – либо одному валу, обычно к валу двигателя и относительно этого вала решают уравнение движения.При приведении моментов инерции исходим из равенства запасов кинетической энергии в реальной и приведенной схемах. Суммарный запас кинетич. энергии движущихся частей привода, отнесенный к одной оси, остается неизменным. При вращательном движении . При возвратно – поступательном движении где , где ; .

 

Суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции

 

5. Типовые статические нагрузки ЭП. Активные и реактивные силы и моменты нагрузки. Статический момент Мс или момент сопротивления включает все механические потери в системе. Моменты сопротивления можно разделить на две категории: реактивные моменты – моменты сопротивления от сжатия, моменты трения и т.д., и активные (потенциальные) моменты – моменты силы тяжести, сжатия, растяжения, скручивания упругих тел. Активные силы и моменты – это силы и моменты, создаваемые внешними по отношению к двигателю источниками механической энергии независимо от движения электропривода. Пример – момент, создаваемый весом опускаемого или поднимаемого груза (рисунок 1). Момент сопротивления при этом равен , и направлен вниз, независимо от направления вращения вала двигателя. Величина М_С не зависит от скорости перемещения груза. Реактивными силами и моментами называются силы и моменты сопротивления движению, возникающие как реакция на активный движущий момент, развиваемый двигателем. Реактивные силы и моменты зависят от скорости и подразделяются на силы и моменты сухого трения, вязкого трения и силы и моменты вентиляторного типа. Силы и моменты сухого трения (рисунок 2.2) неизменны по модулю, но скачком меняют свой знак при изменении знака скорости: . Они характерны для станочных приводов подачи, вентилей, дросселей и т.д. На рисунке 2.3 изображен нагрузочный момент вязкого трения, характеризующийся линейной (или близкой к ней) зависимостью величины от скорости - Зависимость нагрузочного момента от угловой скорости вентилятора, центробежного насоса, центрифуги имеет вид, показанный на рисунке 2.4, называется вентиляторным и описывается формулой , где n = 1,5…2.5.

 

 

 

6. Понятие о статической устойчивости работы привода Движение привода в установившемся режиме может быть устойчивым или неустойчивым. Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от уст-шегося значения привод возвратится в точку установив-ся режима. При неустойчивом движении любое, даже самое малое отклонение ω от ω_УСТ приводит к изменению состояния: привод не вернется в точку установившегося режима. привод статически устойчив если в точке установившегося режима выполняется условие dM/dw-dMc/dw<0. (при положительном приращении угловой скорости момент двигателя меньше статического момента, т.е. привод вследствие этого затормозится до прежнего значения скорости; при отрицательном приращении угловой скорости момент двигателя окажется больше момента сопротивления и привод разгонится до прежнего значения скорости).

В качестве примера рассмотрим работу АЭП на механизм с моментом сопротивления М_С. Пусть при работе в точке «а» по какой – либо причине ω < ω_УСТ. Тогда в соответствии с механическими характеристиками М > М_С возникает положительный динамический момент М_ДИН = М – М_С > 0, которому соответствует положительное ускорение dω/dt > 0 и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво. Если при работе в точке «а» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво. Если при работе в точке «b» ω > ω_УСТ, М > М_С, М_ДИН = М – М_С > 0, ускорение dω/dt > 0 и скорость становится еще выше. Если при работе в точке «b» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и скорость становится еще ниже. Таким образом, работа системы в точке «b» статически неустойчива.

 

7. Естественные электромех. и мех. хар-ки ДПТ НВ. Схема включ. ДПТ НВ предствлена на рис. 2.7. Якорь двигателя М и обмотка воз-ния получают питание от разных независимых источников, что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре Д и обмотке возб-ния и выполнять их на разные номин. напр-ия. Электромеханические и электромагнитные процессы в ДПТ НВ описываются уравнениями электрического равновесия (Кирхгофа) цепей якоря и обмотки возбуждения, а также уравнением электромагнитного момента:

2.1

	Из совместного решения системы уравнений (2.1) получаем уравнение электромеханической характеристики ω = f(I) (2.2)

 

 

и уравнение механической характеристики ω = f(M)

(2.3). В установившемся режиме работы привода ,

и уравнения 2,3 приобретают вид (2.4) и (2.5).

Характеристики, построенные при номинальных значениях напряжения и потока и R_доб = 0, называются естественными, при U_Я ≠ U_Н, Ф ≠ Ф_Н или R_доб ≠ 0 – искусственными электромех. или мех. хар-ми. Хаар-ными точками электромех. хар-ки (рисунок 2) являются точки идеального холостого хода (I = 0, ω = ω₀ = U_Н/kФ_Н), короткого замыкания (I = I_К = U_Н/R_ЯΣ, ω = 0) и номинального режима (I_Я = I_Н, ω = ω_Н). По любой паре из этих координат можно построить хар-ку. Используя введенные значения жесткости характеристик ; (2.6),

можно записать следующие выражения для электромех. и мех. хар-к: ; ; (2.7).Жесткость ест. хар-ки зависит от внутр. сопр-ия якорной цепи двигателя, кот. включ. собственное сопр-ие якорной обмотки, сопр-ие обмотки доп-ых полюсов, компенсационной обмотки и щеток.

 

8. Искусственные мех. и элмех хар-ки ДПТ НВ при изменении магнитного потока Уравнение: представляет собой зависимость скорости двигателя от тока якоря. Такая зависимость наз-тся электромех. хар-кой двигателя. Для получения Ур-ия мех. хар-ки необходимо найти зависимость скорости двигателя от момента. Т.к. М=кФI тогда Магнитный поток машины можно изменять только в сторону уменьшения. При этом скорость холостого хода ω0 = UН/kФН возрастает при неизменном значении тока короткого замыкания IК = UН/RЯΣ Момент короткого замыкания МК = kФIК при Ф - var снижается.

9. Искусственные мех. и элмех. хар-ки ДПТ НВ при изменении напряжения якоря. Уравнение: представляет собой зависимость скорости двигателя от тока якоря. Такая зависимость наз-тся электромех. хар-кой двигателя. Для получения Ур-ия мех. хар-ки необходимо найти зависимость скорости двигателя от момента. Т.к. М=кФI тогда Напряжение, подаваемое на якорьмашины можно изменять только в сторону уменьшения от номинального значения. При этом пропорционально напряжению снижаются и скорость холостого хода ω₀ = U_Н/kФ_Н и значение тока короткого замыкания I_К = U_Н/R_ЯΣ (рисунок 3.4 – электромеханическая характеристика при U - var). Момент машины М = kФI при Ф - const пропорционален току якоря и механическая характеристика имеет аналогичный вид.

 

10. Реостатные искусственные мех. и элмех. Хар-ки ДПТ НВ Уравнение: представляет собой зависимость скорости двигателя от тока якоря. Такая зависимость наз-тся электромех. хар-кой двигателя. Для получения Ур-ия мех. хар-ки необходимо найти зависимость скорости двигателя от момента. Т.к. М=кФI тогда ПриR_доб ≠ 0 получаем искусственные реостатные электромеханичеcкие характеристики. Увеличение в уравнениях R_ЯΣ приводит к уменьшению величины тока короткого замыкания (I_К = U_Н/R_ЯΣ) при неизменной скорости холостого хода ω₀ = U_Н/kФ_Н (рисунок 3.1). При неизменном магнитном потоке Ф = Ф_Н, механические характеристики будут аналогичны электромеханическим.

11. Режимы торможения ДПТ НВ. Рекуперативное торможение. В современных электроприводах часто требуется быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Во время торможения или перемены направления двигатель работает в тормозном режиме. Сущ. три возможных способа торможения: рекуперативное (с отдачей энергии в сеть), электродинамическое, торможение противовключением. Любой из тормозных режимов явл. генераторным, т.к. энергия поступает в машину с вала, преобразуется в электрическую или отдается в сеть. Рекуперативное торможение (с отдачей энергии в сеть)

Мех. хар-ки данного способа торможения графически можно изобразить путем продолжения хар-к двигательного режима в область квадранта II.Данный способ торможения возможен, например, в приводах транспортных и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых спообах регулирования скорости, когда двигатель, переходя к низшим скоростям, проходит значение ω> ω0. Чем больше сопротивление в якорной цепи двигателя, тем выше его угловая скорость в генераторном режиме работы. На рисунке 3.5 представлены механические характеристики ДПТ НВ грузоподъемного механизма, работающего в режиме рекуперативного торможения.

Направление действия электромагнитного момента электрической машины определяется направлением тока якоря ДПТ и магнитного потока В соответствии с 1.1, ток якоря и его знак зависит от соотношения ЭДС якоря и питающего напряжения. При момент положителен и машина работает в двигательном режиме. При - холостой ход, и при машина работает в генераторном режиме (режим рекуперации мощности в сеть). Для обеспечения рекуперативного торможения необходимо, чтобы частота вращения вала ω была больше скорости холостого хода при данной схеме включения и параметрах питания двигателя.

 

 

12. Режимы торможения ДПТ НВ. Электродинамическое торможение. В современных электроприводах часто требуется быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Во время торможения или перемены направления двигатель работает в тормозном режиме. Сущ. три возможных способа торможения: рекуперативное (с отдачей энергии в сеть), электродинамическое, торможение противовключением. Любой из тормозных режимов явл. генераторным, т.к. энергия поступает в машину с вала, преобразуется в электрическую или отдается в сеть. Электродинамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор, поэтому иногда его называют реостатным торможением. На рисунке 3.6 представлена схема электродинамического торможения ДПТ НВ. Якорь двигателя отключен от сети и замкнут на дополнительное тормозное сопротивление R_Т, обмотка возбуждения подключена к источнику питания. Вследствие того, что ЭДС двигателя сохраняет при торможении такой же знак, как и в двигат. режиме, а ток якоря меняет знак на обратный, то получим выражение:

.

Взаимодействуя с потоком возбуждения, ток якоря образует момент, направленный против скорости вращения якоря двигателя. Уравнения электромеханической и механической характеристик принимают вид

; .

Механическая характеристика в режиме динамического торможения (рисунок 3.7) проходит через начало координат. Помере снижения скорости тормозной момент уменьшается и в случаях необходимости повысить его величину при сниженных скоростях прибегают к двух- или даже трехступенчатому торможению, уменьшая ступенями сопротивление якорной цепи двигателя по мере снижения его скорости.

 

13. Режимы торможения ДПТ НВ. Торможение противовключением. В современных электроприводах часто требуется быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Во время торможения или перемены направления двигатель работает в тормозном режиме. Сущ. три возможных способа торможения: рекуперативное (с отдачей энергии в сеть), электродинамическое, торможение противовключением. Любой из тормозных режимов явл. генераторным, т.к. энергия поступает в машину с вала, преобразуется в электрическую или отдается в сеть. Торможение противовключением осущ-тся в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону. В режиме противовключения изменяет знак скорость двигателя при сохранении знака момента или знак момента двигателя при сохранении знака скорости. Первый случай имеет место при воздействии активного момента статической нагрузки, превышающего момент короткого замыкания на данной характеристике (рисунки 3.7, 3.8).

 

 

 

В результате изменения знака скорости ЭДС двигателя будет совпадать с приложенным напряжением и ток в якоре определится, как

.

Этот режим используется в подъемных установках для спуска груза с малыми скоростями («силовой спуск»).Режим противовключения чаще используется для остановки или изменения направления вращения двигателя путем перемены полярности напряжения, подводимого к якорю (рисунки 3.9, 3.10). При этом ток якоря изменит направление на обратное, изменится соответственно и знак момента двигателя, который будет направлен, до остановки двигателя, в сторону, противоположную скорости:

.

 

 

14. Естественные мех. и элмех хар-ки ДПТ ПВ Схема включения ДПТ последовательного возбуждения приведена рис. Основной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является включение его обмотки возбуждения ОВ последовательно с обмоткой якоря, вследствие чего ток якоря одновременно является и током воз­буждения. При получении выражений для статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения используем те же допущения, что и для ДПТ независимого возбуждения, и исходные формулы в которых принято R=R_а+R_о,в+R_д. Электромеха­ническая и механическая характеристики ДПТ последовательного возбуждения, выражаются формулами Магнитный поток Ф и ток I якоря связаны между собой кривой намагничивания, которая показана на рис.сплошной линией. В общем случае эта кривая не имеет точного аналитического выраже­ния, поэтому нельзя получить и точных выражений для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. Тем не менее можно представить эту кривую с помощью какого-либо приближенного аналитического вы­ражения, что позволит проанализировать вид характеристик ДПТ по­следовательного возбуждения. В простейшем случае можно представить кривую намагничивания прямой линией, как это показано штриховой линией на рис.Та­кая аппроксимация означает пренебрежение насыщением магнитной си­стемы ДПТ последовательного возбуждения и позволяет выразить за­висимость потока от тока следующим образом: (3) где α =tg φ (см. рис.)

При принятой аппроксимации момент ДПТ является квадратичной функцией тока (4) Подстановка (3) в (1) приводит к следующему выражению для электромеханической характеристики ДПТ последовательного воз­буждения: (5) Если теперь в (5) с помощью выражения (4) выразить ток через момент, то получится следующее выражение для механической характеристики: (6) Для графического изображения характеристик ДПТ последователь­ного возбуждения отметим следующие положения, вытекающие из ана­лиза выражений (5) и (6)

1. При I→0, M→0, ω→ , т. е. ось скорости является вертикальной

асимптотой для характеристик ДПТ последовательного возбуждения.

2. При I→ , M→ , ω→ т. е. прямая с ординатой ω_а= является горизонтальной асимптотой характеристик ДПТ.

3. Зависимости ω(I) и ω(M)имеют гиперболический характер.

Выполненный анализ позволяет представить характеристики ДПТ в виде кривых, показанных на рис. Рассмотрим с их помощью энергетические режимы работы ДПТ последовательного возбуждения. Особенностью такого ДПТ является отсутствие у него генератор­ного режима работы параллельно с сетью (режима рекуперативного торможения). Характеристики ДПТ не пересекают ось скорости и не переходят во второй квадрант. Для ДПТ последовательного возбужде­ния не может быть однозначно определена скорость идеального холос­того хода ω₀, так как теоретически при I→0, M→0, Ф→0, ω→ . От­метим, что из-за наличия потока остаточного намагничивания Ф_ост практически такая скорость может существовать. В этом случае она определяется выражением

15. Искусственные мех. и элмех. хар-ки ДПТ ПВ при изменении сопротивления двигателя. Если посмотреть на формулы, кот. выражены для естественных мех. и электромех. характеристик ДПТ НВ . Очевидно, что при увеличении сопротивления скорость двигателя при постоянном моменте уменьшается и хар-ка сместится вниз. Жесткость хар-ки уменьшится с ростом доб. сопр-ия в якорной цепи, т.е. стабильность угловой скорости невысока. Диапазон регулирования угловой скорости на превышает 2-2,5 и зависит от нагрузки.

Реостатные характеристики двигателя (схема на рисунке 5) можно построить, используя естественную характеристику.

 

 

Если скорость двигателя на естественной характеристике при некоторой нагрузке ω_е, а на искусственной – ω_и, то

 

. (4.3)

Если задана величина скорости на реостатной характеристике при определенном значении нагрузки, то соотношение (3) позволяет решить обратную задачу: найти величину добавочного сопротивления, которое нужно включить, чтобы характеристика прошла через заданную точку. Несмотря на большие потери в резисторах этот способ находит применение в крановых и тяговых установках, поскольку он явл. одним из простейших для ДПВ и работа данных установок происходит с перерывами.