Основы механики электропривода
В настоящее время более 60% вырабатываемой электроэнергии потребляется различными электрическими приводами. Электрический привод (электропривод) – это управляемая электромеханическая система, которая преобразует электрическую энергию в механическую и обратно, а также управляет этом процессом. Основой электропривода является электромеханический преобразователь энергии (электрическая машина), связанный с системой электроснабжения, механической частью и системой управления. Изменения в сопряженных системах непосредственно сказываются на работе электрической машины и на ее характеристиках. Влияние системы электроснабжения связано с режимами ее работы. Действие системы управления зависит от настроек ее параметров или заданной программы. Изменения в электрической части привода (регулирование величин напряжения питания, его частоты, тока возбуждения и т.д.) позволяют сформировать семейства характеристик электрической машины, которые в силу конструктивных особенностей и принципа действия имеют различные количественные и качественные показатели. Воздействия на электрические машины возмущающих факторов со стороны механического агрегата в целом проявляется одинаково и зависит от назначения механизма. Электрические машины с вращающимися частями, на базе которых строится большинство электроприводов обладают целям рядом преимуществ по отношению к машинам с другими видами движения рабочих органов [20].
Чтобы оценить свойства конкретного электропривода требуется описать его уравнение движения. Для этой цели рассмотрим самую простую механическую систему, представленную на рис. 3.1. Она состоит из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки – рабочего органа машины. Такая система отражает реальную механическую часть многих промышленных механизмов. При рассмотрении режимов работы привода удобно относить все моменты к валу электрической машины. Состояние приводного агрегата зависит от действия вращающего момента машины
, возникающего в результате действия электромагнитных сил, и статического момента
, который характеризует противодействие механизма (нагрузки), а также потери в механической части на трение. Обычно между электрической машиной и нагрузкой находится какая-либо механическая передача, т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и скоростями. Для сведения любой реальной системы к модели рис. 3.1 следует выполнить приведение моментов механизма
к валу электрической машины, заменить реальную механическую систему на эквивалентную ей [20].
Каждый из моментов и
может быть как движущим, так и тормозящим. Например, при вращении вентилятора или движении конвейера
– движущий,
– тормозящий; при опускании краном груза при генераторном режиме
– тормозящий,
– движущий; при силовом спуске груза оба момента являются движущими; при электрическом торможение прокатного стана оба момента – тормозящие. Двигательный режим электрической машины характеризуется тем, что вращение привода происходит в направлении действия ее момента
. В генераторном режиме электрической машины ее момент
направлен против вращения. В результате изложенного можно прийти к выводу, что уравнение движения системы рис. 3.1 имеет вид:
, (3.1)
где – угловая скорость вращения, с-1;
– суммарный момент инерции привода, приведенный к валу электрической машины, кг
м2.
Правая часть уравнения (3.1) представляет собой динамический момент . Он возникает, когда алгебраическая сумма моментов
и
отлична от нуля. Знак и значение динамического момента определяют ускорение (замедление) электропривода. Режим работы с неизменной скоростью вращения, при котором моменты машины и нагрузки равны и противоположно направлены (
), называют установившимся или статическим. Режим, при котором
, называется переходным или динамическим (разгон, торможение, смена нагрузки и т.д.) [21].
Моменты и
могут зависеть от времени, от параметров электрической машины или механизма, от скорости. Зависимости моментов от скорости представляют собой механические характеристики, которые достаточно удобны при анализе статических и динамических режимов электроприводов. Моменты и скорости могут иметь различные знаки, механические характеристики располагаются в четырех квадрантах системы координат
. Квадранты номеруют римскими цифрами I – IV [22].
Знаки величин определяют, принимая одно из направлений за положительное, например, по часовой стрелке или вверх, или вправо и т.п. Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости. Моменты, направленные против движения (тормозящие) имеют знак, противоположный знаку скорости. Знаки в уравнении движения (3.1) с учетом этих правил можно записывать следующим образом [22]:
- при совпадении направления и
ставится знак «+»;
- при встречном направлении и
ставится знак «
».
Моменты рабочих механизмов, представленные на рис. 3.2, принято делить на активные и реактивные. Активные (потенциальные) статические моменты действуют неизменно в одном направлении, независимо от направления движения механизма (рис. 3.2, а). Такой момент остается неизменным даже при неподвижном механизме, так как он вызывается постоянно действующими внешними силами (момент сопротивления подъемного механизма типа «лебед
ка», создаваемый грузом, подвешенным на тросе).
Реактивные статические моменты действуют только в движущихся механизмах. Они направлены всегда противоположно этому движению, т.е. противоположно вращающему моменту двигателя. При изменении направления движения также изменится направление реактивного статического момента. На рис. 3.2, б представлена механическая характеристика реактивного статического момента сопротивления, вызванного силами трения, резания, пластической деформации в движущихся частях любого механизма [21].
Реактивные статические моменты большинства производственных механизмов зависят не только от направления, но и от скорости движения. Механические характеристики реактивных статических моментов могут иметь разную форму. Например, у центробежных вентиляторов, насосов и других аналогичных механизмов статический момент сопротивления пропорционален квадрату частоты вращения ( ). Механическая характеристика таких механизмов показана на рис. 3.2,в.
Рассмотренные механические характеристики механизмов имеют приближенный вид. Характеристики реальных механизмов с учетом особенностей их конструкции и условий эксплуатации имеют более разнообразную форму [22].
Установившийся режим электрической машины и рабочего механизма характеризуется их совместной работой при неизменных значениях частоты вращения и электромагнитного момента. Этому режиму соответствует точка на механической характеристики, для определения координат которой следует воспользоваться механическими характеристиками электрической машины и рабочего механизма, построив их в одних осях координат, но в разных квадрантах, как показано на рис. 3.3, а. Для упрощения построений обе характеристики изображают в первом квадранте, т.е. вместо характеристики в первом квадранте строят ее зеркальное изображение
. Точка пересечения этой характеристики с механической характеристикой машины (точка А) с координатами
и
будет точкой установившегося режима [22].
Характеристику оценивают по ее жесткости [20] (рис. 3.3, б):
. (3.2)
Для прямолинейной механической характеристики жесткость определяется тангенсом угла наклона характеристики к оси ординат. При криволинейной механической характеристике ее жесткость
определяется в рабочей точке, как тангенс угла
наклона касательной, проведенной в этой точке, к оси ординат. Чем больше угол
, тем жестче характеристика. При
механическая характеристика расположена параллельно оси абсцисс и называется абсолютно жесткой. В случае
механическая характеристика расположена параллельно оси ординат. Она называется абсолютно мягкой характеристикой.
Электрическая машина в режимах двигателя и генератора должна обладать устойчивостью, т.е. автоматически поддерживать заданную частоту вращения при воздействии каких-либо возмущающих факторов со стороны сети или приводных механизмов [2].