Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации А.В. Кириллов, Д.П. Степанюк, Н.Д. Ясенев ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Курс лекций Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой Электропривод и автоматизация промышленных установок Изложены общие принципы теории автоматизированного электропривода. Рассмотрены основные электромеханические свойства электродвигателей постоянного и переменного тока, их механические и скоростные характеристики, основные режимы работы и способы регулирования скорости. Описано влияние переходных режимов на работу электроприводов. Проанализировано влияние тепловых режимов. Рассмотрены принципы выбора и проверки электродвигателей в различных режимах работы, построения разомкнутых и замкнутых систем управления электроприводами. Предназначено для студентов различных форм обучения по непрофильным специальностям. Екатеринбург, 2016 2 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................................... 4 ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ О МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ И РЕЖИМАХ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ....................................................................................................................................... 7 ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ............................................................................. 11 ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ..................................................................................................... 11 2.1. Принцип действия, устройство и параметры двигателей постоянного тока ............................. 11 2.2. Механическая и электромеханическая характеристики двигателей постоянного тока ......... 13 2.3. Построение характеристик двигателей постоянного тока ............................................................. 15 2.4. Пуск двигателя постоянного тока и расчет пускового реостата. 16 2.5. Тормозные режимы двигателей постоянного тока .......................................................................... 18 ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .............. 23 3.1. Принцип действия, устройство и параметры асинхронного двигателя ...................................... 23 3.2. Электромеханическая и механическая характеристики асинхронного двигателя .................. 26 3.3. Пуск асинхронного короткозамкнутого электродвигателя ........................................................... 29 3.4. Пуск асинхронного двигателя с контактными кольцами .............................................................. 30 3.5. Тормозные режимы асинхронных двигателей ................................................................................. 32 ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ................. 36 4.1. Устройство и принцип действия ......................................................................................................... 36 4.2. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя ............................................. 36 4.3. Пуски торможение синхронного двигателя ..................................................................................... 38 ГЛАВА 5. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ............................................... 40 5.1. Общие положения ................................................................................................................................... 40 5.2. Регулирование скорости двигателей постоянного тока ................................................................. 41 5.2.1. Регулирование скорости изменением сопротивления цепи якоря ........................................ 41 5.2.2. Регулирование скорости изменением магнитного потока ...................................................... 42 5.2.3. Регулирование скорости изменением напряжения питания якоря ....................................... 44 5.3. Регулирование скорости асинхронных электродвигателей ........................................................... 53 5.3.1. Регулирование скорости переключением числа полюсов ....................................................... 53 5.3.2. Регулирование скорости изменением частоты питающего статор напряжения ................ 55 5.3.3. Регулирование скорости изменением напряжения статора (фазовое ................................... 59 управление ................................................................................................................................................. 59 5.3.4. Регулирование скорости введением сопротивлений в цепь ротора ...................................... 61 5.3.5. Каскадное регулирование скорости ............................................................................................. 61 ГЛАВА 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИКЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ............................................ 63 6.1. Уравнение движения электропривода ............................................................................................... 63 6.2. Определение времени пуска и торможения ...................................................................................... 65 3 6.3. Многомассовые механические системы ............................................................................................ 66 6.4. Переходные процессы в электроприводах и их влияние на работу электропривода .............. 68 ГЛАВА 7. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ................................................................................................................... 71 7.1. Предварительный выбор двигателя ................................................................................................... 71 7.2. Проверка двигателя по перегрузке и нагреву .................................................................................. 72 7.3. Классификация режимов работы электропривода по условиям .................................................. 73 нагрева ............................................................................................................................................................. 73 7.4. Проверка двигателя по нагреву методом эквивалентного момента ............................................ 78 ГЛАВА 8. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ................................................................................................................................. 81 ГЛАВА 9. УПРАВЛЕНИЕ ОСНОВНЫМИ РЕЖИМАМИ ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ АППАРАТУРЫ ................................................................................................ 83 9.1. Типовые схемы управления асинхронным короткозамкнутым двигателем ............................. 83 9.1.1. Нереверсивный магнитный пускатель ....................................................................................... 84 9.1.2. Реверсивный магнитный пускатель ............................................................................................ 85 9.1.3. Управление динамическим торможением асинхронного короткозамкнутого двигателя .................................................................................................................................................... 86 9.2 Автоматическое управление асинхронным двигателем с контактными кольцами .................. 87 9.2.1. Управление пуском в функции тока статора ............................................................................. 87 9.2.2. Управление пуском в функции времени .................................................................................... 89 ГЛАВА 10. УПРАВЛЕНИЕ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ................................................................ 91 ГЛАВА 11. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ........................................................................................................................................... 93 ГЛАВА 12. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ........................................................................................... 95 ГЛАВА 13. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. 98 13.1. Принципы построения и оптимизации систем подчиненного регулирования ....................... 98 13.2. Тиристорный электропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости .......................................................................................................................................................... 99 13.3. Замкнутые системы управления асинхронными электроприводами ...................................... 102 13.4. Системы цифрового управления электроприводами ................................................................ 105 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................................................................... 108 ВВЕДЕНИЕ Электроприводом называется электромеханическое устройство, посредством которого осуществляется движение рабочих органов машины. Электрическая часть электропривода состоит из электродвигателя, являющегося преобразователем электрической энергии в механическую, и электроаппаратуры, включенной по той или иной схеме и образующей систему управления двигателем. Посредством электроаппаратуры осуществляется управление электродвигателем, а через него − движением рабочих органов машины. Механическая часть в зависимости от формы движения рабочих органов, их скорости и т.п. может включать в себя редукторные передачи, преобразователи движения, коробки скоростей, муфты и т. д. Сточки зрения схемы передачи энергии от электросети к рабочим органам электроприводы можно разделить натри группы групповой привод, индивидуальный привод, многодвигательный привод. Структурная схема группового электропривода приведена на рис. 1. Рис. 1. Схема группового электропривода Эта система наиболее несовершенна. Один двигатель приводит в движение сразу несколько машин. Путь передачи энергии от двигателя к машине наиболее длинный, что вызывает большие потери энергии, низкую надежность привода. Производительность машин наиболее низкая, условия труда тяжелые. При индивидуальной системе привода (рис. 2) каждый двигатель приводит одну рабочую машину. Механическое распределение энергии между машинами заменено электрическим. Возможно регулирование скорости каждой машины электрическими методами, уменьшены потери энергии, повышена надежность привода, улучшены условия труда. Подбор для каждой машины отдельного двигателя, наиболее отвечающего ее требованиям, позволяет упростить конструкцию машин и повысить производительность. Недостатком этой системы является наличие механического распределения энергии внутри машины между отдельными ее органами. Рис. 2. Схема индивидуального электропривода Этот недостаток устранен третьей системой привода (рис. 3). Многодвигательным называется электропривод, в котором два или несколько двигателей работают на один вал, либо совокупность индивидуальных электроприводов связаны между собой через исполнительный орган рабочей машины, либо эти электроприводы объединены общим технологическим назначением. Многодвигательный привод сильно упрощает кинематику машин, позволяет широко вводить автоматизацию, сокращает потери энергии и повышает производительность. Рис. 3. Схема многодвигательного электропривода В такой же последовательности развивался электрический приводи исторически. Электрический двигатель явился на смену паровой машины. Самый первый электродвигатель в 1834–1838 годах был применен ЭХ. Ленцем и Б.С. Якоби для привода прогулочного катера на Неве. Позднее, в 1890–1894 годах, электроприводы постоянного тока применялись на различных механизмах военных кораблей. В 1903–1907 годах появились трамваи. Далее внедрение электропривода пошло более бурно и широко − в транспорт и промышленность. Особенную роль в этом сыграло изобретение в 1889 году асинхронного двигателя и трансформатора М.О. Даливо-Добровольским. За прошедшие с тех пор десятилетия электродвигатель стал основным видом приводных машин. Сейчас на долю электрических двигателей приходится более 90 мощностей всех силовых установок. Бурно развивающаяся электропромышленность коренным образом изменила лицо современной промышленности. Сейчас в разных устройствах и установках работают миллиарды двигателей мощностью от долей ватта, когда размеры двигателя определяются в миллиметрах, до десятков тысяч киловатт, когда размеры двигателя превышают 2–3 человеческих роста. Одновременно с развитием электромашиностроения развивались и другие отрасли электротехнической промышленности, что привело к широкому применению новейших средств автоматизации. Основными задачами являлось создание регулируемых приводов на базе асинхронного двигателя с применением тиристоров и других средств бесконтактного управления, а также разработка надежных, экономичных и дешевых статических преобразователей энергии. В последние годы расширилось применение цифровых вычислительных и управляющих устройств для управления электроприводами. Широкое внедрение автоматизированного электропривода вовсе отрасли хозяйства и быстрое его развитие требует от всех инженеров знания основ электропривода и автоматики, поскольку это обеспечит лучшее использование и проектирование оборудования. ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ О МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ И РЕЖИМАХ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Свойства электродвигателей, имеющие значение для электропривода, полнее всего определяются по механическим характеристикам, представляющим собой зависимость частоты вращения электродвигателя от электромагнитного момента, развиваемого им (n = f(M)). В тех случаях, когда необходимо связать работу двигателя с питающей сетью, полезны характеристики, выражающие зависимость между скоростью двигателя и током в его обмотках (n = f(I)), которые называются электромеханическими. Характеристики могут быть статическими, если они показывают поведение двигателя в установившемся режиме, те. когда его скорость становится постоянной при равенстве моментов двигателя и приводимого механизма. В случае, когда характеристики показывают поведение двигателя в переходных режимах, они называются динамическими. Характеристики двигателя называются естественными, если они получены при номинальных значениях напряжения U N , частоты f N (для двигателей переменного тока, потока возбуждения Ф (для двигателей постоянного тока, а также при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Характеристики, полученные при изменении хотя бы одного из перечисленных выше параметров, называются искусственными. Рис. 1.1. Жесткость механической характеристики Качество характеристик оценивается жесткостью (tg α, рис. 1.1), или крутизной. Оба эти показателя относятся к числу качественных. Для количественной оценки пользуются относительным снижением скорости под нагрузкой, которое называется скольжением s = 𝑛 0 − 𝑛 𝑛 0 , где n 0 − скорость холостого хода n − рабочая скорость. Рис. 1.2. Сравнение характеристик по жесткости По величине жесткости характеристики делят натри группы (рис. 1.2): 1. Идеально жесткие − скорость под нагрузкой не меняется. 2. Жесткие − скорость при номинальном моменте снижается не более чем на 25 от n 0 3. Мягкие − скорость при номинальной нагрузке снижается более чем на 25. Для того чтобы судить о работе системы двигатель – рабочий механизм, нужно, помимо характеристик двигателя, знать характеристики рабочих механизмов. Механической характеристикой рабочего механизма называется зависимость между его частотой вращения и моментом сопротивления, который он создает при вращении (n = с. Обобщенная формула для механической характеристики рабочего механизма выглядит следующим образом Мс = М + (Мс − М 0 )∙(n/n N. ) х , где Мс – момент сопротивления рабочего механизма при номинальной частоте вращения ном М – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма Мс – момент сопротивления при номинальной частоте вращения n N. В зависимости от значения показателя степени х возможны следующие варианты х = 0 – момент нагрузки от частоты вращения не зависит (грузоподъемные машины, рис. 1.3, характеристиках нагрузка типа вязкого трения, в чистом виде на практике встречается редко (рис. 1.3, характеристиках вентиляторы, центробежные насосы (рис. 1.3, характеристиках центробежные насосы, работающие на противодавление более 10 метров; х = –1 – моталки, механизмы главного движения металлообрабатывающих станков. (рис. 1.3, характеристика 4). Рис. 1.3. Механические характеристики механизмов Механические характеристики изображаются в прямоугольных координатах. За положительное направление скорости принимают движение вверх и вперед, аза отрицательное − вниз и назад. Момент двигателя положителен, если обеспечивает положительное ускорение в положительном направлении скорости. Момент сопротивления положителен, если он направлен навстречу положительному моменту двигателя. Когда знаки момента двигателя и скорости совпадают, мощность, развиваемая двигателем, положительна и передается от двигателя к механизму. Такой режим называется двигательным. Когда момент и скорость двигателя имеют разные знаки, мощность отрицательна и предается от механизма к двигателю. Такой режим называется тормозным (генераторным. Эти соотношения показаны на рис. 1.4. Рис. 1.4. Режимы работы электродвигателя По характеру действия все нагрузки можно разделить на реактивные и активные. Реактивными моментами сопротивления называются моменты сопротивления движению рабочего органа возникающие как реакция на это движение (примеры сила терния, сила резания металла и т. д. Эти моменты меняют свой знак при изменении знака скорости и всегда препятствуют движению. Активными (или потенциальными называются моменты сопротивления, вызванные внешними по отношению к двигателю источниками энергии (сила тяжести, сила сжатой пружины, сила ветра. Направление их действия не зависит от направления движения электропривода, поэтому при одном направлении они будут оказывать тормозящее действие, при другом (например, при опускании груза) – будут помогать движению. ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА |