Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 0.74 Mb.
|
Основы электропривода.Стремление человека заменить тяжёлый физический труд работой животных и механизмов обеспечил непрерывное развитие привода. По определению К.Маркса «Всякое развитое машинное устройство состоит из трёх существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия или рабочей машины». Первая и вторая части служат для приведения в движение рабочей машины и их объединяют общим названием привод. Групповой- обеспечивает движение нескольких рабочих машин через трансмиссии. Он широко применяется при распределении мощности от двигателя внутреннего сгорания. В электроприводе имеет ограниченное применение. Индивидуальный – обладает большим преимуществом: нет трансмиссий, значительные энергетические показатели, высокая надёжность, создаются условия для автоматизации электропривода. Взаимосвязанный – содержит несколько электрически и механически связанных электродвигателей. Основное применение имеет на электроподвижном составе, а также на тепловозах. По степени управляемости электропривод может быть: нерегулируемый (насос, вентилятор), регулируемый (станок), следящий (антенна), адаптивный, программно - управляемый (робот). По уровню автоматизации можно различать: неавтоматизированный, автоматизированный (ЭВМ – человек), автоматический. Диапазон современных электроприводов по мощности превышает 1012. В приборных системах используются электроприводы, мощность которых микроватты. А мощность привода компрессора на станции, перекачивающей газ, составляет десятки мегаватт. Такого же порядка и диапазон по частоте вращения. Вал двигателя установки вытягивающей кристаллы полупроводников должен делать оборот за несколько десятков часов. Частота же вращения шлифовального круга хорошего станка достигает 150 000 об/мин. Но особенно широк диапазон применений электроприводов. От искусственного сердца до шагового экскаватора, от простого вентилятора до гибкой производственной системы, от стиральной машины до спутниковой антенны. Электропривод – главный потребитель электрической энергии. В развитых странах он потребляет более 60% всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому в условиях дефицита энергетических ресурсов необходимо решать проблему энергосбережения. Это особенно важно, если исходить из того, что экономия энергоресурсов пропорциональных 1 т топлива вдвое дешевле, чем его добыть. Здесь важно как разрабатывать энергосберегающий электропривод, так и своевременно заменять действующий затратный электропривод. 1. Механика электропривода2.1 Приведение моментов, сил сопротивления и моментов инерции. Механическая часть электропривода представляет собой кинематическую цепь с большим числом движущихся с различной скоростью элементов. Каждый из элементов обладает упругостью, т.е. деформируется под нагрузкой, а в соединениях элементов имеются воздушные зазоры. Если учитывать эти факторы, то расчётная схема механической части привода будет вызывать большие трудности, а её разработка возможна только с применением ЭВМ. В большинстве практических случаев в инженерных расчётах для механических звеньев, обладающих небольшими зазорами и незначительной упругостью (большой жёсткостью), можно пренебречь ими, приняв механические связи абсолютно жёсткими. При этом допущении движение одного элемента даёт полную информацию о движении всех остальных элементов, т.е. движение электропривода можно задавать одним механическим элементом. Обычно в качестве такого элемента принимают вал двигателя. Следовательно, рабочую схему можно свести к одному обобщённому жёсткому механическому звену, имеющему эквивалентную массу с моментом инерции J, на которую воздействует электромагнитный момент M и суммарный, приведённый к валу, момент сопротивления (статический момент) Мс, включающий все механические потери системы, в том числе и механические потери двигателя. Момент сопротивления механизма Мс.м , возникающий на валу рабочей машины, состоит из двух слагаемых, соответствующих полезной работе и работе трения. Полезная работа, совершаемая механизмом, связана с выполнением определённой технологической операции. При совершении полезной работы происходит деформация материала (пресс, станок) или изменяется запас потенциальной энергии (тельфер). В некоторых машинах совершение полезной работы связано с небольшим превышением момента по сравнению моментом трения (тележка, электровоз). Работа трения, совершаемая в механизме, обычно учитывается КПД механических связей привода. Момент трения всегда направлен против движущего момента привода. Моменты сопротивления можно разделить на две категории: реактивные моменты и активные моменты или потенциальные моменты. В первую категорию включаются моменты сопротивления, возникающие только при движении и всегда направлены против движения (вентилятор, гребной винт, транспортные средства) . Во вторую категорию входят моменты от силы тяжести. Эти моменты могут тормозить движение или, наоборот, способствовать движению. Активный момент сохраняет свой знак при изменении направления вращения привода. Приведение момента сопротивления от одной оси вращения к другой может быть произведено на основании энергетического баланса системы. При этом потери мощности в промежуточных передачах учитываются введением в расчёты соответствующего КПД - п. Обозначим д – угловую скорость двигателя, а через м – угловую скорость механизма. На основании равенства мощностей получим: (Мс. мм) / = Мсд отсюда Мс = Мс. м / (i) (2.1) где i = д /м – передаточное число. В выражении (2.1) Мс. м – момент сопротивления механизма Нм; Мс – тот же момент сопротивления, приведённый к скорости вала двигателя Нм. При наличии нескольких передач между двигателем и механизмом приведённый момент сопротивления будет :  (2.2)Приведение сил сопротивления производится аналогично приведению моментов. Если скорость поступательного движения м/с, а угловая скорость двигателя д р/с, то (Fс. мм) / = Мсд где Fс. м – сила сопротивления механизма в Н. Приведённый к валу двигателя момент сопротивления равен : Мс = Fс. м / д (2.3) Приведение моментов инерции к одной оси вращения основано на том, что суммарный запас кинетической энергии, отнесённый к одной оси неизменен. Динамической действие нескольких вращающихся частей можно заменить действием одного момента инерции, приведённого к валу двигателя : J д2 / 2 = Jд д2 / 2 + J1 12 / 2 + J2 22 / 2 + . . . + Jn n2 / 2 откуда результирующий момент инерции, приведённый к валу двигателя: J = Jд+ J1 / i12 + J2/ i22 + . . . + Jn/ in2 (2.4) где Jд – момент инерции ротора, шестерни (муфты), установленных на валу двигателя. Если в каталоге для двигателей указывается значение махового момента GD2, кгсм2, то в системе СИ момент инерции вычисляется: Jр = GD2/4 Если сила тяжести выражена в ньютонах, то масса тела определятся как G=mg , где g = 9.81 м/с2. Момент инерции сплошного цилиндра относительно продольной оси вычисляется по формуле: J = mR 2 /2 , где R – радиус цилиндра, м. Рассмотренные выше приёмы приведения позволяют решать различные практические задачи. Часто нагрузка – технологическая машина бывает известна, т.е. известны Мс.м и м , а требуется подобрать двигатель и передачу при оговоренных ограничениях (доступное оборудование и др.). В конце главы будут рассмотрены примеры. 2.2 Механические характеристики механизмов и электродвигателей. Для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропривода необходимо изучить их характеристики. Зависимость между приведённым к валу двигателя скоросью и моментом сопротивления механизма = f(Mc) называется механической характеристикой механизма.  Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Однако можно сгруппировать их, воспользовавшись следующей эмпирической формулой: Мс = М0 + (Мс. ном – М0) ( / ном)X (2.5) где Мс – момент сопротивления механизма при скорости ; М0 – момент сопротивления трения ; Мс. ном – момент сопротивления при номинальной скорости ном; Х – показатель степени, характеризующий изменение момента при изменении скорости. Приведённая формула позволяет подразделить характеристики на следующие категории:
 Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента, т.е. = f(M). Скорость электродвигателя обладает тем свойством, что она является убывающей функцией момента. Однако степень изменения скорости с изменением момента различна и оценивается жёсткостью механических характеристик . Жёсткость механической характеристики – это отношение разности моментов, к соответствующей разности угловых скоростей электродвигателя, т.е. = (М2 – М1) / (2 - 1) = М / (2.6) Механические характеристики электродвигателей можно разделить на четыре основные категории:
2. Уравнение движения электропривода Выше были рассмотрены условия работы электропривода в установившемся режиме. Однако часто привод ускоряется или замедляется, и тогда возникает инерционная сила (момент), которую двигатель должен преодолевать, находясь в переходном режиме. Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с процессом производства, либо управление электроприводом: пуск, торможение, изменение скорости или направления вращения. Уравнение движения электропривода должно учитывать все силы и моменты, действующие в переходных режимах. При поступательном движении движущая сила F всегда уравновешивается силой сопротивления Fc и инерционной силой  , возникающей при изменении скорости. Если масса тела m выражена в килограммах, а скорость v – в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, измеряется в ньютонах (кгмс2).В соответствии с выше изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:F – Fc = Для вращательного движения уравнение равновесия моментов, Нм, ( для электропривода) имеет следующий вид: М – Мс =  (2.7)Уравнение (2.7) показывает, что развиваемый двигателем момент М уравновешивается моментом сопротивления Мс на его валу и динамическим моментом . Принято для большинства механизмов J – величина постоянная.Из анализа формулы (2.7) следует:
Если момент двигателя направлен в сторону движения, то он принимается положительным, если же момент направлен против движения, то он считается отрицательным. То же самое можно сказать и моменте сопротивления. При спуске груза, разжатия пружины и т.п. момент сопротивления направлен в сторону движения. А в основном он оказывает тормозящее действие. Динамический момент проявляется только в переходных режимах. Этот момент, как по значению, так и по знаку определяется алгебраической суммой моментов не имея самостоятельного знака. В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом : М Мс = (2.7а)Выбор знаков перед значениями моментов в (2.7а) зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления. 3. Переходные режимы Для решения уравнения (2.7) необходимо знать законы изменения моментов двигателя и нагрузки, а также моменты инерции и начальные значения переменных. В зависимости от формы характеристик двигателя и нагрузки решить уравнение (2.7) можно аналитическим, графическим и графо-аналитческим способом. Определение времени переходного процесса основано на интегрировании уравнения движения: dt = Jd / (M – Mc) Время, необходимое для изменения скорости привода от 1 до 2 ,  В простейшем случае, если M = Const, Mc = Const и J = Const получим:  Это уравнение можно использовать для расчёта времени пуска привода. Если значение пускового момента обозначить Мп , то время пуска от состояния покоя до конечной скорости ном будет: tп = Jном / (Мп – Мс) (2.8) Графический метод. Если невозможно аналитически решить уравнение движения электропривода (2.7), то его решают графически методом конечных приращений. Метод заключается в замене бесконечно малых приращений d и dt малыми конечными приращениями и t. Для каждого интервала подставляются средние значения величин. Эти средние значения находятся графически по механическим характеристикам двигателя и механизма. |
0, имеет место ускорение электропривода ;
