Электромеханические системы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Определение понятия “электропривод”

1.2. Функции электропривода и  задачи курса

1.3. Тенденции развития автоматизированного  электропривода станков и  промышленных роботов

1.4 Основные определения и классификация

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Уравнение движения

2.2. Приведение моментов и моментов  инерции

2.3. Механические характеристики

2.4. Регулирование координат электропривода

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1. Основные уравнения

3.2. Характеристики и режимы  при независимом возбуждении, U = const

3.3. Характеристики и режимы при  независимом возбуждении, I = const

3.4. Характеристики и режимы при  последовательном возбуждении

3.5. Номинальный режим. Допустимые  значения координат

3.6. Регулирование координат в  разомкнутых структурах

3.7. Регулирование координат в  замкнутых структурах

3.8. Технические реализации. Применения

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

4.1. Простые модели асинхронного  электропривода

4.2. Механические характеристики. Режимы

4.3. Номинальный режим

4.4. Двигатель с короткозамкнутым  ротором - регулирование координат

4.5. Двигатель с фазным ротором  - регулирование координат

4.6. Синхронный двигатель. Другие  виды электроприводов

4.7. Технические реализации. Применения

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

5.1. Общие сведения

5.2. Переходные процессы при L = 0 и быстрых изменениях воздействующего  фактора

5.3. Переходные процессы при L = 0 и “медленных” изменениях  воздействующего фактора

5.4. Переходные процессы при L ¹ 0

5.5. Переходные процессы в системах

ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1. Общие сведения

6.2. Способы оценки энергетической  эффективности

6.3. Анализ потерь в установившихся  режимах

6.4. Анализ потерь в переходных  режимах

6.5. Энергосбережение средствами  электропривода

ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

7.1. Общие сведения

7.2. Нагрузочные диаграммы. Стандартные  режимы

7.3. Тепловая модель двигателя

7.4. Выбор двигателя и преобразователя

7.5. Оценка надежности и экономичности  электропривода

Список литературы

 

 

 

 

 

 

Введение, общие сведения

 

1.1. Определение понятия “электропривод”

 

Электропривод - это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.

 

Электропривод имеет два канала - силовой и информационный (рис.1.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая структура электропривода

 

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.

 

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны, с технологической установкой или машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком - оператором, с третьей стороны (рис. 1.1).

Можно считать, что электропривод  как подсистема входит в указанные  системы, являясь их частью. Действительно, специалиста по электроснабжению электропривод обычно интересует как потребитель электроэнергии, технолога или конструктора машин - как источник механической энергии, инженера, разрабатывающего или эксплуатирующего АСУ, - как развитый интерфейс, связывающий его систему с технологическим процессом или системой электроснабжения.

Практически все процессы, связанные  с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже - пневмопривод.

Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено  особенностями электрической энергии - возможностью передвигать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии.

Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции - десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 10¹². Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где вытягиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150000 об/мин.

Но особенно широк - безгранично  широк - диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность - теснейшее взаимодействие с технологической сферой - оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементарной базы, его методологии. В свою очередь, развивающийся электропривод положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые, недоступные ранее возможности.

 

С энергетической точки зрения электропривод - главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

Специалисты считают, что сегодня  сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1т условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть. что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится всё труднее, а запасы его всё убывают.

 

 

1.2. Функции электропривода  и задачи курса

 

Рассмотрим подробнее силовой (энергетический) канал электропривода (рис. 1.2). Будем полагать, что мощность Р передается от сети (Р₁) к рабочему органу (Р₂), что этот процесс управляем и что передача и преобразование мощности сопровождается некоторыми ее потерями  Р в каждом элементе силового канала.

Рис. 1.2. Энергетический канал

 

Функция электрического преобразователя ЭП (если он используется) состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой источником (сетью) и характеризуемой напряжением U_с и током I_с сети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами U, I. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и чаще - управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты), они могут иметь одностороннюю (выпрямитель) или двухстороннюю (мотор-генератор, управляемый выпрямитель с двумя комплектами вентилей) проводимость. В случае односторонней проводимости преобразователя и обратном (от нагрузки) потоке энергии используется дополнительный резистор R для “слива” тормозной энергии.

Электромеханический преобразователь  ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (М, ) и обратно.

Механический преобразователь (передача) - редуктор, пара винт-гайка, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование момента М и скорости двигателя с моментом М_м (усилием F_м) и скоростью w_м  рабочего органа технологической машины.

Величины, характеризующие преобразуемую  энергию, - напряжения, токи, моменты (силы), скорости называют координатами электропривода.

Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса.

Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование.

В правильно организованной системе при управлении координатами (потоком энергии) должны минимизироваться потери Р во всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность.

Эти вопросы - свойства и характеристики различных электроприводов, как правильно управлять их координатами в установившихся - статических - и переходных - динамических - режимах, как оценивать энергетические свойства и, наконец, как правильно проектировать силовую часть электропривода - будут основным предметом курса.

В курсе практически не будут  затрагиваться интересные и непростые  задачи, относящиеся к информационным каналам электропривода: мы будем полагать, что современные технические средства смогут обеспечить любые нужные воздействия, и будем акцентировать внимание на том, что должна делать система управления электропривода, а не на том как это может быть практически осуществлено.

Даже беглого взгляда на структуру  силовой части электропривода (рис. 1.2) достаточно, чтобы понять, что  объект изучения весьма сложен: разнородные элементы - электрические и электронные, электромеханические, механические, совсем непростые процессы, которыми нужно управлять, и т.п. Очевидно, что эффект при изучении предмета - глубокое понимание основных явлений и умение решать простые, но важные для практики задачи - может быть достигнут лишь при выполнении ряда условий.

Во-первых, надо научиться работать с моделями реальных, как правило, очень сложных объектов, т.е. с  искусственными простыми объектами, отражающими тем не менее именно те свойства реального объекта, которые изучаются.

Во-вторых, надо стараться использовать лишь хорошие модели, отражающие то, что нужно, и так, как нужно, не избыточные, но и не примитивные. Это совсем не просто, и этому будет уделено значительное внимание.

В-третьих, нужно строго оговаривать  условия, при которых получена та или иная модель. Если этого не сделать, результаты могут просто не иметь смысла.

И, наконец, надо уметь выделять главное  и отбрасывать второстепенное, частное. Именно глубокое понимание основных принципов, соразмерностей, главных соотношений, закономерностей и умение применять их на практике - основная цель курса.   

 

1.3. Тенденции развития автоматизированного электропривода станков и промышленных роботов

В настоящее время существуют устойчивые тенденции развития электропривода, которые отражают как общие направления развития электротехники и электроники, так и особенности развития станкостроения. Рассмотрим наиболее характерные тенденции развития автоматизированного электропривода.

I. Приближение источника движения к исполнительному органу (рис. В.2). Эта тенденция и в приводе подачи станка и в приводе главного движения приводит к упрощению конструкции механической части привода, увеличению ее жесткости, улучшению динамических качеств и повышению кинематической точности промежуточных передач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В приводе подач механические передачи сведены к минимуму и часто  вал двигателя непосредственно  может быть соединен с ходовым винтом, который является единственным механическим устройством преобразования вращательного движения в поступательное. Применение линейных двигателей позволяет устранить и этот рудиментарный элемент и приложить электромеханические усилия к поступательно движущемуся узлу станка.

Аналогичные тенденции наблюдаются и в приводе главного движения. Однако полное исключение механических передач ограничивается малым диапазоном регулирования электропривода с постоянной мощностью.

Исключение механических передач (коробок скоростей и  коробок подач станков) возможно только при широком диапазоне регулирования скорости.

Механические передачи задерживают  и существенно сглаживают низкие частоты, возникающие в приводе, поэтому редуктор с небольшим передаточным отношением по этой причине может быть полезным. В приводе роботов редуктор сохраняется, поскольку исключение механических передач и применение тихоходных двигателей, как правило, увеличивает его размеры и массу. В электромеханических ПР двигатель и редуктор встраивают в сочленение звеньев.