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].