Калюжный В.В. Электропривод и электрооборудование горных машин. Конспект лекций - файл n1.doc

Калюжный В.В. Электропривод и электрооборудование горных машин. Конспект лекций
скачать (1618.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1619kb.19.11.2012 14:10скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5
ДОНБАССКИЙ государственный технический

университет


В.В. Калюжный

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
учебной дисциплины
Электропривод и электрооборудование

горных машин”

для студентов специальности 6.090216 «Горное оборудование»
Алчевск

2006

1.Введение
1.1. Краткий исторический обзор развития электропривода
Развитие промышленных предприятий стало возмож­ным лишь при переходе от ручного привода исполнительных механиз­мов к механическим приводам. Еще в глубокой древности применялись простейшие способы механизации работ с помощью водяных колес, приводимых в движение силой падающей или текущей воды. Известны водяные колеса, применявшиеся в Китае еще за 3000 лет до нашей эры.

С развитием капитализма в XVIII в. появились многочисленные фабрики, где широко применялись водяные двигатели, а затем и паро­вые машины. Вплоть до конца прошлого столетия единственным типом привода был чисто трансмиссионный, так как водяной двигатель или паровая машина соединялись с помощью канатов и ремней с главной трансмиссией, а все рабочие машины отдельного цеха или даже целой фабрики приводились в движение от этой трансмиссии.

Переход к более совершенным типам привода — индивидуальному и взаимосвязанному, которые полнее учитывают основные условия работы различных производственных механизмов, стал возможен лишь на базе широкой электрификации промышленности. Строи­тельство электрических станций, передача электрической энергии на большие расстояния и применение электропривода создали новую эпоху в развитии промышленности.

Возможность создания электрического двигателя была обуслов­лена успехами в области электромагнетизма. Вторая четверть XIX в. характеризуется разработкой разнообразных физических приборов, наглядно демонстрирующих превращение электрической энергии в ме­ханическую. Первый электродвигатель, с помощью которого осуще­ствлен электропривод, был построен в 1834—1838 гг. петербургским академиком Б. С. Якоби, в 1838 г. на Неве были проведены испыта­ния этого двигателя, установленного на небольшом катере, вмещав­шем 12—14 чел.; это было первое судно, приводившееся в движение электродвигателем. Однако отсутствие экономичных источников элек­трической энергии не позволило внедрить электропривод в промыш­ленность. Развитие электропривода совершалось в длительной борьбе со старыми, отживающими способами распределения механической энергии, и прошло более полувека, прежде чем окончательно победило передовое прогрессивное направление. До создания промышленного типа электрического генератора (3. Грамм, 1870 г.) встречались лишь отдельные случаи применения электропривода. Известно, например, что в 50—60-х годах XIX в. некоторое распространение получил электродвигатель французского электротехника Фромана, приво­дивший в движение типографские и ткацкие станки. Прогрессив­ную роль в развитии электропривода сыграло изобретение в 1860 г. итальянским ученым А. Пачинотти электродвигателя с кольцевым якорем.

И все же до конца прошлого столетия пар и вода оставались основ­ной силой, приводившей в движение станки и механизмы в промыш­ленности. Несмотря на успехи, достигнутые к 70-м годам XIX в. в об­ласти конструирования электродвигателей постоянного тока, элек­трическая энергия использовалась в основном лишь для освещения. Существовавшая тогда система постоянного тока не давала удовлетво­рительного решения задач передачи и распределения электроэнергии и тормозила развитие электропривода.

Появление переменного однофазного тока сыграло существенную рель в развитии электротехники вообще, однако попытки решения проблемы централизованного производства и распределения электро­энергии на переменном однофазном токе не привели к заметным сдви­гам в области электропривода вследствие того, что электродвигатели однофазного тока не имели пускового вращающего момента.

Открытие явления вращающегося магнитного поля в 80-х годах прошлого века (Г. Феррарис и Н. Тесла) положило начало конструи­рованию многофазных электродвигателей. Наиболее экономичной среди многофазных систем оказалась система трехфазного тока, основы которой были разработаны в 1889-1891 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Система трехфазного тока явилась тем но­вым техническим средством, с помощью которого разрешался весь комплекс проблемы производства, передачи, распределения и потреб­ления электроэнергии. Разработкой трехфазной системы были созданы предпосылки для развития электрификации.

Создание М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. трехфазного асинхронного двигателя ознаменовало новый этап в развитии электро­привода и открыло широкую дорогу промышленному применению электричества.

2.МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
2.1. Приведение моментов и сил сопротивления, инерционных масс и

моментов инерции
Обычно двигатель приводит в действие производственный механизм через систему передач, отдель­ные элементы которой движутся с различными скоростями. Примерная кинематическая схема электропривода с вра­щательным движением исполнительного механизма пред­ставлена на рис. 2.1.

Часто в рабочих механизмах один из элементов совер­шает вращательное движение, другие поступательное, например в таких машинах, как подъемник (рис. 2.2), кран, строгальный станок и т. п.

Механическая часть электропривода может представ­лять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов. Каждый из элементов реальной кинематической цепи обладает упругостью, т. е. деформируется под нагрузкой, а в соединениях элементов имеются воздушные зазоры. Если учитывать эти факторы, то расчетная схема механической части привода будет представлена многомассовой механической системой с упру­гими связями и зазорами, расчет динамики которой состав­ляет большие трудности и возможен только посредством ЭВМ. Однако основные закономерности движения таких систем определяются наибольшими массами и зазорами и наименьшими жесткостями связей системы, что позво­ляет свести расчетную схему механической части привода либо к трехмассовой, либо к двухмассовой механической системе с эквивалентными упругими связями и с суммар­ным зазором (или без него), приведенным к угловой ско­рости вала двигателя. Но и эти расчетные схемы исполь­зуются в тех ответственных случаях, где пренебрежение

Механизм




упругостью и зазором приведет к большим ошибкам рас­чета (точные следящие системы радиотелескопов и метал­лорежущих станков; механизмы с гибкими связями, длин­ными валами, канатами; резкие изменения состояния системы и т. п.). Методика расчета электроприводов, меха­ническая часть которых содержит упругие связи и зазоры, рассмотрена в [42].

В большинстве практических случаев в инженерных расчетах при решении задач, не требующих большой точ­ности, и для механических звеньев, обладающих неболь­шими зазорами и незначительной упругостью (большой жесткостью), можно пренебречь зазорами и упругостью, приняв механические связи абсолютно жесткими. При этом допущении движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных элементов, по­этому движение электропривода можно рассматривать на каком-либо одном механическом элементе. Обычно в качестве такого элемента принимают вал двигателя.

Расчетную схему механической части привода, следова­тельно, можно свести к одному обобщенному жесткому механическому звену, имеющему эквивалентную массу с моментом инерции I, на которую воздействует электро­магнитный момент двигателя М и суммарный приведенный к валу двигателя момент сопротивления (статический мо­мент) Мс, включающий все механические потери в си­стеме, в том числе механические потери в двигателе.

Момент сопротивления механизма Мсм ,(рис. 2.1), возникающий на валу рабочей машины, состоит из двух слагаемых, соответствующих полезной работе и работе трения.

П
Рис. 2.3. Циклический график работы станка.

олезная работа, совершаемая производст­венным механизмом, связана с выполнением соответствующей технологической операции. График полезной работы может быть построен на основании ана­литических расчетов или по экспериментальным данным. Такой график, например, для станка, работающего по циклическому закону, представлен на рис. 2.3. Заштрихованная область графика соответствует полезной работе; не заштрихованная часть графика соот­ветствует работе трения. При совершении полезной ра­боты происходит деформация материала или изменяется запас потенциальной энергии тел, например в подъем­ных устройствах. В некоторых машинах совершение по­лезной работы связано с незначительным превышением момента по сравнению с моментом трения (например, печатная машина, размольная шаровая мельница, кран, передвигающийся по горизонтальным направляющим, и т. п.).

Работа трения, совершаемая в производствен­ном механизме, учитывается обычно КПД механических связей привода. Работу трения можно иногда учесть, пользуясь данными, полученными на основании опыта. Например, при подъеме груза G1 на высоту h можно счи­тать, что силы трения как бы увеличивают вес груза на некоторое дополнительное значение G0. Тогда работа подъема, Дж, записывается следующим образом:
(2.1)
В насосах потери могут учитываться некоторой фиктив­ной дополнительной высотой подачи h0. Момент трения всегда направлен против движущего момента привода.

Моменты сопротивления можно разделить на две кате­гории, а именно: 1) реактивные моменты и 2) активные или потенциальные мо­менты.

В первую категорию включаются моменты сопротивления от сжатия, резания, моменты трения и т. п., препятствую­щие движению привода и изменяющие свой знак при изме­нении направления вращения.

Во вторую категорию входят моменты от силы тяжести, а также от растяжения, сжатия и скручивания упругих тел. Эти моменты могут быть названы потенциальными, поскольку они связаны с изменением потенциальной энер­гии отдельных элементов привода. Потенциальные моменты могут тормозить движение привода или, наоборот, способ­ствовать его движению. Следует отметить, что в отличие от реактивного статического момента активный момент сохраняет свой знак при изменении направления вращения привода. Например, момент, создаваемый грузом подъем­ного механизма, сохраняет свой знак как при подъеме его, так и при опускании. Следовательно, в данном случае активный статический момент при подъеме препятствует движению, а при опускании способствует ему.

Приведение моментов сопротивления от одной оси вра­щения к другой может быть произведено на основании энергетического баланса системы. При этом потери мощ­ности в промежуточных передачах учитываются введением в расчеты соответствующего КПД -.Обозначим через угловую скорость вала двигателя, а - угловую ско­рость вала производственного механизма. На основании равенства мощностей получим:
,

Откуда
, (2.2)

где Mс— момент сопротивления производственного ме­ханизма, Нм;

Мс — тот же момент сопротивления, приведенный к скорости вала двигателя, Нм; i = /— передаточное число.

При наличии нескольких передач между двигателем и механизмом (см. рис. 2.1) с передаточными числами и соответствующими КПД мо­мент сопротивления, приведенный к скорости вала двига­теля, определяется формулой
(2.3)



Приведение сил сопротивления производится анало­гично приведению моментов. Если скорость поступатель­ного движения V, м/с, а угловая скорость вала двига­теля , рад/с, то




(2.4)

где — сила сопротивления производственного меха­низма, Н.

Отсюда приведенный к скорости вала двигателя момент сопротивления равен:
(2.5)
В случае приведения вращательного движения к посту­пательному приведенное усилие
(2.6)
Приведение моментов инерции к одной оси вращения основано на том, что суммарный запас кинетической энер­гии движущихся частей привода, отнесенный к одной оси, остается неизменным. При наличии вращающихся частей, обладающих моментами инерции и угло­выми скоростями (см. рис. 2.1), можно заменить их динамическое действие действием одного момента инерции, приведенного например, к скорости вала двигателя. В таком случае можно написать:




(2.7)

откуда результирующий или суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя:



(2.8)
где момент инерции ротора двигателя и других элементов (муфты, шестерни и т. п.), установленных на валу двигателя.

Иногда в каталогах для двигателей указывается зна­чение махового момента GD2, кгс*м2. В этом случае моменты инерции ротора двигателя, кг-м2, в си­стеме СИ вычисляются по формуле
(2.9)
где D — диаметр инерции, м; G — сила тяжести (вес), кгс. Это соотношение следует из формулы, определяющей момент инерции тела массой ,m кг,
(2.10)
где — радиус инерции, м.

Если сила тяжести выражена в ньютонах, то масса тела определяется из равенства
, (2.11)
где g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.

Момент инерции сплошного цилиндра относительно продольной оси вычисляется по формуле
(2.12)
где R— радиус цилиндра, м.

Приведение масс, движущихся поступательно, осуще­ствляется также на основании равенства запаса кинети­ческой энергии

Отсюда момент инерции, приведенный к валу двигателя,
. (2.13)
Если механизм имеет вращающиеся и поступательно движущиеся элементы, то суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции определяется на основании (2.8) и (2.13)
... (2.14)
Для приведения момента инерции к поступательному движению нужно момент инерции заменить приведенной массой, т. е.
. (2.15)

2.2 Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей. Установившиеся режимы
При рассмотрении работы электродвига­теля, приводящего в действие производственный меха­низм, необходимо прежде всего выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электро­привода необходимо изучить эти характеристики.

Зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью и моментом сопротивления механизма = f с) называют механической характери стикой производственно г о механизма.

Различные производственные механизмы обладают раз­личными механическими характеристиками. Однако можно получить некоторые обобщающие выводы, если воспользо­ваться следующей эмпирической формулой для механиче­ской характеристики производственного механизма:
(2.16)
где Мс - момент сопротивления производственного меха­низма при скорости ; М0 - момент сопротивления тре­ния в движущихся частях механизма;

М- момент сопротивления при номинальной скорости ном; х – пока­затель степени, характеризующий изменение момента сопро­тивления при изменении скорости.

Приведенная формула позволяет классифицировать ме­ханические характеристики производственных механизмов ориентировочно на следующие основные категории:

1. Не зависящая от скорости меха­ническая характеристика (прямая 1 на рис. 2.4). При этом х = 0 и момент сопротивления не зави­сит от скорости. Такой характеристикой обладают, напри­мер, подъемные краны, лебедки, механизмы подач метал­лорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой передвигае­мого материала. Сюда же могут быть отнесены с известным приближением все механизмы, у которых основным момен­том сопротивления является момент трения, так как обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало.

2. Лиинейн о возрастающая механиче­ск а я характеристика (прямая 2 на рис. 2.4).В этом случае х = 1 и момент сопротивления линейно за­висит от скорости , увеличиваясь с ее возрастанием (для упрощения принято М0 = 0).

Такая характеристика получится, например, в приводе генератора постоянного тока с независимым возбуждением, если последний будет работать на постоянный внешний резистор.

3. Нелинейно возрастающая (параболическая) механическая характеристик а (кривая 3 на рис. 2.4). Этой характеристике соответствует х = 2; момент сопротивления Мс здесь зависит от квадрата скорости. Механизмы, обладающие такой характеристикой, назы­вают иногда механизмами с вентиля­ торным моментом, поскольку у вен­тиляторов момент сопротивления за­висит от квадрата скорости. К механизмам, обладающим параболической механической харак­теристикой, относятся также центробежные насосы, греб­ные винты и т. п.
Рис. 2.4 Механические характеристики производственных механизмов.
4. Нелинейно-спадающаямеханиче­ская характеристика (кривая 4 на рис. 2.4). При этом х = -1 и момент сопротивления Мс изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность, потреб­ляемая механизмом, остается постоянной. Такой харак­теристикой обладают, например, некоторые токарные, рас­точные, фрезерные и другие металлорежущие станки, мо­талки в металлургической промышленности и т. п. Эти характеристики не исчерпывают всех практически воз­можных случаев, но дают представление о характеристиках некоторых типичных производственных механизмов.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависи­мость его угловой скорости от вращающего момента, т.е. . Почти все электродвигатели обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя.

Это относится почти ко всем обычным электродвигателям, применяемым в промышленности, т.е. к двигателям постоянного тока независимого, последовательного и сме­шанного возбуждения, а также к асинхронным бесколлекторным и коллекторным двигателям переменного тока. Однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью их механических характеристик. Жесткость механической характе­ристики электропривода — это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых элек­тродвигательным устройством, к соответствующей разности угловых скоростей электропривода, т. е.
. (2.17)
Обычно на рабочих участках механические характери­стики двигателей имеют отрицательную жесткость . Линейные механические характеристики обладают постоян­ной жесткостью. В случае нелинейных характеристик их жесткость не постоянна и определяется в каждой точке как производная момента по угловой скорости
(2.18)
Понятие жесткости может быть применено и к механи­ческим характеристикам производственных механизмов. Эти характеристики можно оценивать жесткостью

(2.19)
Механические характеристики электродвигателей можно разделить на четыре основные категории:

1. Абсолютно жесткая механическая характеристика - это характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (прямая 1 на рис. 2.5).

2. Жесткая механическая характери­стика — это характеристика, при которой скорость с изменением момента хотя и уменьшается, но в малой степени. Жесткой механической характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения, а также асинхронные двигатели в пределах рабочей части механической характеристики (кривая 2 на рис. 2.5).

Для асинхронного двигателя жесткость в различных точках механической характеристики различна (рис. 2.6).

Между максимальными (критическими) значениями момен­тов в двигательном и генераторном режимах характеристика асинхронного двигателя имеет сравнительно большую жесткость.

3. Мягкая механическая характери­стика — это характеристика, при которой с изменением момента скорость значительно изменяется. Такой харак­теристикой обладают двигатели постоянного тока после­довательного возбуждения, особенно в зоне малых моментов (кривая 3 на рис. 2.5). Для этих двигателей жесткость не остается постоянной для всех точек характеристик.







Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения могут быть отнесены ко второй или третьей группе в зависимости от значения жесткости механической характери­стики.




4. Абсолютно мягкая механическая характеристика - это характеристика, при которой момент двигателя с изменением угловой ско­рости остается неизменным. Такой характеристикой обла­дают, например, двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании их от источника тока или при работе в замкнутых системах электропривода в режиме стабилизации тока якоря (прямая 4 на рис. 2.5).

Работе электрического двигателя и производственного механизма в установившемся режиме соответствует равно­весие момента сопротивления механизма и вращающего момента двигателя при определенной скорости, т. е. М=МС.

Изменение момента сопротивления на валу двигателя приводит к тому, что скорость двигателя и момент, который он развивает, могут автоматически изменяться и привод будет продолжать устойчиво работать при другой скорости с новым значением момента.

Для восстановления равновесия между изменившимся моментом сопротивления и моментом двигателя во всех неэлектрических двигателях требуется участие специаль­ных регуляторов, которые воздействуют на источник энергии, увеличивая или соответственно уменьшая подачу воды, топлива или пара. В электрических двигателях роль автоматического регулятора может выполнять ЭДС двига­теля. Эта особенность электродвигателей автоматически поддерживать равновесие системы при изменяющемся мо­менте сопротивления является весьма ценным свойством, так как во многих случаях момент может изменяться в той или иной степени.

Изложенное иллюстрируется рис. 2.7, где приведены механическая характеристика 3 двигателя постоянного тока независимого возбуждения и две характеристики 1 и 2 производственного механизма, например конвейера, приводимого в движение этим двигателем.

Характеристика 1 соответствует моменту сопротивле­ния Мг при холостом ходе конвейера. Характеристика 2 получается при большом моменте сопротивления М2 после того, как на конвейер положены транспортируемые им детали. Вначале при холостом ходе конвейера М = М1 двигатель работает со скоростью . С увеличением на­грузки двигатель тормозится, скорость его снижается, благодаря чему уменьшается ЭДС. При уменьшении ЭДС возрастают ток в якорной цепи двигателя и момент, раз­виваемый двигателем. Рост момента двигателя продол­жается до тех пор, пока не наступит равновесие моментов М = М(точка 2). Эта новая точка также является общей для механической характеристики конвейера (2) и механической характеристики электродвигателя (3).

Рассмотренные условия работы электропривода в уста­новившемся режиме характеризуют статическую устойчивость привода, когда изменение во вре­мени скорости и момента происходит относительно медленно в отличие от динамической устойчивости, имеющей место при переходных режимах.

Под статической устойчивостью по­нимается такое состояние установившегося режима работы привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от установившегося значения привод возвратится в точку установившегося режима. При неустойчи­вом движении любое, даже самое малое, отклонение ско­рости от установившегося значения приводит к изменению состояния привода — он не возвращается в точку устано­вившегося режима.

Привод статически устойчив, если в точке установив­шегося режима выполняется условие
(2.20)
или

. (2.21)



Рис.2.5 Механические характеристики двигателей

Рис.2.6 Механическая характеристика асинхронного двигателя

Условие

Условие (2.20) означает, что привод статически устойчив ,если при положительном приращении угловой скорости момент двигателя окажется меньше статического момента (момента сопротивления) и привод вследствие этого затормозится до прежнего значения скорости. При отрицательном приращении угловой скорости момент дви­гателя окажется больше момента сопротивления и привод вследствие этого разгонится до прежнего значения ско­рости.

При постоянном моменте нагрузки (прямая 1на рис. 2.4) статическая устойчивость,будет определяться только жест­костью механической характеристики двигателя, так как . Если она отрицательна, то работа в установившемся режиме устойчива < 0, как это имело место в рассмотренном слу­чае (рис. 2.7).

Если же использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и нагрузить его постоянным моментом, то в точке а дМ/д= =-А /В - 0 < 0, т.е. устойчивый режим, а в точке б = А /С , т.е. режим неустой­чивый. При работе того же двигателя на механизм с вен­тиляторной характеристикой легко доказать, что во всех точках работа будет устойчивой.

Обычно при проектировании электропривода механиче­ская характеристика производственного механизма явля­ется уже заданной. Поэтому для получения устойчивой работы в установившемся режиме для определенных ско­ростей и моментов сопротивления производственных меха­низмов необходимо подбирать механическую характери­стику электродвигателя соответствующей формы. Это мо­жет быть достигнуто подбором электродвигателя соответ­ствующего типа и изменением электрических параметров его цепей. Иногда для получения требуемых механических характеристик приходится применять специальные схемы включения электрических машин и аппаратов.
  1   2   3   4   5


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации