Исследование динамических характеристик электроприводов постоянного тока при различных способах возбуждения (стр. 2 из 6)

Следует оговорить некоторые особенности терминологии, касающиеся электрических машин. Электрической машиной будем называть обобщенный электромеханический преобразователь, обеспечивающий преобразование электрической энергии в механическую при работе в двигательном режиме, механической – в электрическую при работе в генераторном режиме, а также обеспечивающий преобразование электрической и механической энергии в тепловую при работе в режиме электромагнитного тормоза. В электроприводах в переходных и квазиустановившихся режимах все эти процессы преобразования имеют место. Однако, отдавая дань традиции, часто для электропривода будет использоваться термин электрический двигатель. При этом читатель должен понимать, что речь идет об электрической машине.

Электроприводы делятся:

· по характеру движения – на вращательный электропривод и линейный электропривод;

· по направлению движения – на реверсивный электропривод, обеспечивающий вращение (движение) в обоих направлениях, и нереверсивный, обеспечивающий движение только в одном направлении;

· по электрическим параметрам электрической машины – на электропривод постоянного тока и электропривод переменного тока;

· по электрическим параметрам источника электрической энергии – на электропривод, питающийся от промышленной сети 50 Гц и электропривод, питающийся от автономного источника питания (аккумулятор, солнечная батарея, дизель-генератор и т.д.);

· по принципу действия – на электроприводы непрерывного действия, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии непрерывного движения, и дискретный электропривод, подвижные части которого находятся в состоянии дискретного движения в установившемся режиме;

· по соотношению между числом электрических машин и рабочих механизмов – на групповой электропривод, обеспечивающий движение нескольких рабочих механизмов от одной электрической машины, и индивидуальный, обеспечивающий движение одного рабочего механизма от одной электрической машины.

Наиболее совершенным электроприводом является автоматизированный электропривод – регулируемый электропривод с автоматическим регулированием переменных состояния (момента и скорости).

Автоматизированные электроприводы делятся на:

· стабилизированный по скорости или моменту электропривод;

· программно управляемый электропривод, осуществляющий перемещение рабочего механизма в соответствии с программой, заложенной в сигнал задания;

· следящий электропривод, осуществляющий перемещение рабочего механизма в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом;

· позиционный электропривод, предназначенный для регулирования положения рабочего механизма.


1.1 Приведение переменных и параметров рабочего механизма к валуисполнительного двигателя

Исполнительный двигатель электропривода связан с рабочим механизмом через механическую передачу. На рис. 1.2 представлено несколько типов механических передач.

Рисунок 1.2. Типы механических передач в электроприводе

Механическая часть электропривода в дальнейшем рассматривается в качестве «жесткой» механической модели. Это значит, что все звенья модели в процессе передачи момента не деформируются, кинематические пары не имеют люфтов и зазоров, а потери в механической передаче учитываются только её коэффициентом полезного действия.

Рисунок 1.3. Функциональная схема «жесткой» механической передачи


В этом случае динамические и статические моменты рабочего механизма могут быть пересчитаны и приведены к валу исполнительного двигателя. На рис. 1.3 представлена функциональная схема «жесткой» механической части электропривода. Уравнение движения в этом случае имеет известный вид:

(1.1)

где

– момент сопротивления нагрузки, приведенный к валу двигателя,

угловая скорость вращения вала двигателя,

– момент инерции, приведенный к валу двигателя,

М’ – собственный момент сопротивления двигателя,

МР – момент сопротивления редуктора,

МРМ – момент сопротивления рабочего механизма,

J’, JP, JPM– моменты инерции двигателя, редуктора и рабочего механизма,

– передаточное число и коэффициент полезного действия редуктора.

При этом

в случае вращающегося рабочего механизма, и
в случае линейно перемещающегося рабочего механизма.

Часто при расчетах моментами сопротивления двигателя и редуктора пренебрегают и учитывают только приведенный момент рабочего механизма. Как правило, нагрузочный момент является случайной величиной. Точное его определение возможно лишь при статистической обработке результатов измерений на реальном объекте. Тем не менее все разнообразие нагрузок можно систематизировать по характеру изменения момента от скорости либо от угла поворота рабочего механизма и представить в виде типовых зависимостей.

Рисунок 1.4. Типовые зависимости нагрузочного момента

Типовые зависимости МРМ = f (wРМ) представлены на рис. 1.4.

При этом нагрузочный момент

имеет тот же вид, что и момент рабочего механизма.

а) Наиболее простым видом нагрузочного момента, удобным для аналитического решения задачи выбора двигателя, является постоянный момент, не зависящий от параметров ни по значению, ни по знаку: Мн = const. Классическим примером такого вида нагрузки является подъём или спуск груза. Близок к этому момент, создаваемый в системе регулирования скорости движения лентопротяжных механизмов и намоточных устройств с постоянным натягом ленты, провода и т.п.

б) Другим видом нагрузочного момента является момент сухого трения, неизменный по значению, но приложенный навстречу направлению вращения (скорости) Мн= МHsign(wm). В следящих системах и в станочных электроприводах подачи этот вид нагрузки является основным.

Кроме того, приводы вентилей, дросселей, клапанов в системах автоматического регулирования температуры, расхода газа и жидкости, винтов кареток некоторых станков, щеток потенциометров и т.п. устройств характеризуется прежде всего моментом сухого трения.

В общем случае момент сухого трения не остаётся постоянным, а сложным образом зависит от скорости перемещения. Кроме того, в механизмах, длительно находящихся в покое или в особых средах (например, в вакууме), наблюдается эффект залипания, при котором сопротивление начальному движению возрастает в несколько раз.

с) Моментом вязкого трения называют нагрузочный момент

.

d) Зависимость нагрузочного момента от угловой скорости, например, вентилятора, центробежного насоса, гребного и воздушного винта, имеет вид, показанный на рис. 5, d. Такой нагрузочный момент описывают формулой

, где n= 1,72÷ 2,5, и называют вентиляторным.

e) Часто нагрузочный момент зависит от угла поворота механизма а и его положения. Такой момент называют позиционным. Характерной нагрузкой является радиолокационная антенна, момент сопротивления которой зависит от её положения относительно направления ветра. Поэтому в некотором диапазоне углов поворота механизма позиционный момент может принимать отрицательные значения, то есть помогать двигателю вращать антенну. К этому же типу механизмов относятся приводы рулей летательных аппаратов, момент сопротивления которых зависит от угла отклонения руля в шарнире и называется шарнирным.

f) В системах автоматики, где определяющую роль играют переходные процессы (разгон, торможение), основным моментом, нагружающим двигатель, является динамический момент

.Характерными динамическими нагрузками являются различного вида следящие системы (стрелково-пушечные турели, приводы копировально-фрезерных станков, приводы радиолокационных антенн и т.п.).

1.2 Основные характеристики и параметры электропривода

Различают три вида основных характеристик электропривода:

· статические характеристики;

· энергетические характеристики;

· динамические характеристики.

Статические характеристики

Это характеристики при установившемся режиме работы ЭП, когда скорость на выходе постоянна. В этом случае, как это следует из основного закона движения (1.1), момент, развиваемый двигателем на валу (M), равен приведенному моменту нагрузки н).

В качестве статических характеристик в основном рассматриваются механические характеристики – зависимость скорости на выходе от момента при различных напряжениях Uз (Uз выступает в качестве параметра) и регулировочные характеристики – зависимости скорости вращения от напряжения на входе при различных значениях момента нагрузки Н ыступает в качестве пара метра). На рис. 1.5 в качестве примера показаны механические регулировочные характеристики ЭП постоянного тока.