Регулирование координат электропривода

Как отмечалось выше, основная функция электропривода состоит в управлении его координатами — скоростью и моментом, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса.

Очень важный случай управления координатами — регулирование скорости или момента, т.е. принудительное изменение этих величин в установившемся режиме в соответствии с требованиями технологического процесса посредством воздействия на механическую характеристику двигателя. Частным случаем регулирования является поддержание одной из координат на требуемом уровне при независимом изменении другой координаты.

Чаще всего регулируемой координатой служит скорость: необходимо изменять скорость транспортного средства в зависимости от условий движения, состояния дороги и т.п., нужно регулировать скорость насоса, чтобы обеспечивать нужный напор в системе водоснабжения, требуется поддерживать на заданном уровне скорость движения жилы кабеля в процессе наложения на нее изоляции и т.д.

Понятие регулирование скорости, когда используются разные характеристики (рис. 2.8, а), не следует смешивать с изменением скорости, даже значительным, которое вызывается ростом или снижением нагрузки и происходит в соответствии с формой данной механической характеристики (рис. 2.8, 6).

В ряде случаев оказывается необходимым регулирование момента. Оно потребуется, например, если нужно качественно укладывать на катушку проволоку, получаемую с волочильного стана, если при буксировке судна на больших волнах надо не допустить обрыва троса и т.п. Далее мы будем, в основном, рассматривать регулирование скорости.

Поскольку регулирование скорости связано с направленным формированием механических характеристик, выделим одну из возможных характеристик в качестве основной. Обычно в качестве основной харак-

теристики принимают естественную характеристику двигателя, соответствующую номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т.п.). Далее мы будем конкретизировать условия получения естественной характеристики для каждого типа двигателя.

Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования скорости, будем называть искусственными. Они могут формироваться разными способами, различающимися как по техническим, так и по экономическим показателям, рассматриваемым ниже.

1. Направление регулирования.Если искусственные характеристики могут располагаться только ниже естественной — это однозонное регулирование вниз от основной скорости; если только выше естественной— однозонное регулирование вверх от основной скорости; если как выше,так и ниже естественной — двухзонное регулирование.

2. Диапазон регулирования— отношение максимальной возможнойскорости к минимальной при заданных изменениях момента нагрузки (рис. 2.9). Легко видеть, что одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента могут соответствовать сильноразличающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик. С жесткостью характеристик связан такжееще один показатель — стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая (рис. 2.9, а) и высокая (рис. 2.9, 6);иногда требуются абсолютно жесткие характеристики иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).

3. Плавность регулирования:возможность получать искусственныехарактеристики, расположенные как угодно близко друг к другу, — плавное регулирование и, наоборот, возможность иметь лишь несколько фиксированных характеристик — ступенчатое регулирование.

4. Допустимая нагрузка на искусственных характеристиках—очень важный показатель, определяющий надежность электропривода.

Рассмотрим здесь лишь длительно допустимую нагрузку, которая определяется допустимым нагревом двигателя.

Допустимая нагрузка на естественной характеристике известна по определению — это номинальный момент двигателя Для упрощения задачи будем считать, пренебрегая изменением теплоотдачи, допустимым током в силовых цепях при любой скорости номинальный ток двигателя Тогда допустимый момент для принудительно охлаждаемого двигателя

будет зависеть от магнитного потока двигателя Ф на соответствующей искусственной характеристике. При регулировании с

Грубая оценка (2.11) дает лишь общее представление о допустимых нагрузках и должна уточняться в каждом конкретном случае.

5. Экономичность регулирования оценивается потерями энергии,сопровождающими тот или иной способ регулирования. Иногда экономичность удается грубо оценить, сравнив полезную мощность

с потребляемой из сети т.е. определив потери или вычислив КПД в некоторой характерной точке:

Значительно более серьезные и убедительные оценки экономичности регулирования при сравнении различных способов могут основываться на цикловом КПД

определяемом с учетом конкретных условий работы привода за время цикла

6. Затраты на регулирование можно определить как стоимостьдополнительного оборудования используемого для осуществления

регулирования. Эффективность затрат в первом приближении удобно оценить сроком их окупаемости

где — цена годового эффекта от использования регулирования.

Так, если взамен нерегулируемого электропривода насоса используется частотно-регулируемый и стоимость дополнительного оборудования — преобразователя частоты 45 000 руб., а экономический эффект за счет сбережения электроэнергии, воды и тепла составляет 63 000 руб/год, срок окупаемости составит

Приведенные шесть показателей регулирования позволяют сравнивать в главных чертах и сопоставлять различные способы. Очевидно, что идеальным был бы способ, осуществляющий плавное двухзонное регулирование в широком диапазоне с примерно постоянной допустимой нагрузкой с малыми потерями, при низкой стоимости дополнительного оборудования, но такого идеального способа нет, и инженеру всегда приходится искать некоторый разумный компромисс. В последнее время широко используется не формализуемый, но удобный показатель «качество/цена». В понятие «качество» входит некоторая определенным образом организованная и согласованная с пользователем совокупность перечисленных выше показателей, дополненная такими общетехническими показателями, как надежность, ремонтопригодность, помехозащищенность, удовлетворительное взаимодействие с сетью и т.п.

Правильно организованный и хорошо обоснованный интегральный показатель «качество/цена» — удобное средство продвижения нового товара на рынок.

Упражнения

2.5.1. Запишите и проанализируйте уравнение движения для линейныхперемещений.

2.5.2. Определите допустимую нагрузку если

2.5.3. Определите приведенные к валу двигателя

2.5.4. Определите приведенные к валу двигателя

2.5.5. В задачах 2.5.3 и 2.5.4 определите приведенные к валумеханизма.

2.5.6*. Каким должно быть передаточное отношение редуктора, чтобы двигатель мог поднимать груз со скоростью 0,5 м/с?

С каким грузом может непрерывно работать подъемник (подъем—спуск груза), если КПД передач 85 %?

2.5.7*. Определите передаточное число редуктора обеспечивающее центрифуге максимальное ускорение, если используется

двигатель Al 12M2, а

Оцените время разгона и ускорения центрифуги ес-

ли

2.5.8. Разметьте моменты: «активный», «реактивный», «мало данных»(используется общее правило знаков,

2.5.9. Что значит знак «-» в принятой в электроприводе записи уравнениядвижения

2.5.10. Строго ли утверждение «механическая характеристика асинхронного двигателя имеет две ветви — устойчивую и неустойчивую»?Как оно может быть уточнено?

2.5.11. Устойчиво ли движение

Резюме

Основная модель механической части электропривода — соединенные общим валом ротор двигателя, к которому приложен момент и эквивалентная нагрузка (рабочий орган машины) с моментом Система, имеющая общий момент инерции вращается со скоростью

Уравнение движения определяет два основных режи-

ма: установившийся (статический), когда и и переход-

ный (динамический), когда и

Зависимости и называются механическими характеристи-

ками двигателя и нагрузки; жесткость характеристик

Правило знаков: знак скорости назначается, знак движущего момента совпадает со знаком скорости, знак тормозящего момента противоположен знаку скорости.

Активные моменты могут вызывать движение (движущие)

и препятствовать движению (тормозящие) — моменты двигателя, груза, пружины и т.п.; они располагаются в четырех квадрантах плоскости

Реактивные моменты всегда препятствуют движению и располагаются во II и IV квадрантах плоскости — моменты трения, деформации неупругого материала и т.п.

Механические характеристики определяют координаты установившегося режима — это точка пересечения отраженной от оси ординат характеристики и характеристики Операцию отражения учитывают знаком в основном уравнении движения:

или обычно

Вид механических характеристик определяет статическую устойчивость движения: если при случайном отклонении от точки установившегося режима и преобладает момент, возвращающий систему в установившееся состояние, — система устойчива.

Если нагрузка связана с ротором через механическую передачу, то для получения основной модели используется операция приведения момента нагрузки и момента инерции нагрузки к валу двигателя. В исходной и приведенной системах должны остаться неизменными

мощность и кинетическая энергия Мощность потерь покрыва-

ется элементом, создающим движение. Приведение моментов и моментов инерции может быть осуществлено к любому валу исходной системы.

Скорость, момент, ток — координаты электропривода. Регулирование — принудительное изменение координат; не следует смешивать с естественным изменением в соответствии с видом механической или электромеханической характеристики.

Основные показатели регулирования координат: направление по отношению к естественной характеристике, диапазон, плавность, допустимая нагрузка, экономичность, затраты на регулирование.

***

Не рассматривались более сложные модели механической части, когда отдельные элементы соединены упругими связями (длинные упругие валы, груз, подвешенный на канате, и т.п.), когда в передаче проявляются зазоры, когда кинематическая цепь содержит несколько параллельных ветвей, когда момент инерции не постоянен (рука робота). Не рассматривались двигатели с линейным перемещением подвижного элемента, многокоординатные механические системы.

Глава третья