Развернутое понятие о построении анализа естественных и искусственных механических характеристик электропривода и нагрузки: интерпретация жесткости, устойчивости качественных показателей и поддержания требуемых значений координат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки России

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

“Казанский национальный исследовательский технологический университет”

РЕФЕРАТ

на тему:

«Развернутое понятие о построении анализа естественных и искусственных механических характеристик электропривода и нагрузки: интерпретация жесткости, устойчивости качественных показателей и поддержания требуемых значений координат»

Нижнекамск, 2014.



Введение

Электрический привод (сокращённо -- электропривод) -- это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса. Современный электропривод -- это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

Определение по ГОСТу Р 50369-92: Электропривод - электромеханическая система, состоящая из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Как видно из определения, исполнительный орган в состав привода не входит. Однако авторы учебников включают исполнительный орган в состав электропривода. Это противоречие объясняется тем, что при проектировании электропривода необходимо учитывать величину и характер изменения механической нагрузки на валу электродвигателя, которые определяются параметрами исполнительного органа. При невозможности реализации прямого привода электродвигатель приводит исполнительный орган в движение через кинематическую передачу. КПД, передаточное число и пульсации, вносимые кинематической передачей также учитываются при проектировании электропривода.



Характеристики привода

Статические характеристики. Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика.

Механические характеристики. Одной из важнейших характеристик электродвигателей постоянного и переменного тока является механическая характеристика n(М), представляющая собой зависимость частоты вращения двигателя от развиваемого им момента. Учитывая, что при установившемся режиме работы момент двигателя ра-вен моменту сопротивления на его валу (М = М_с), можно сказать, что механическая характеристика дает представление о характере и степени изменения частоты вращения двигателя от его механической нагрузки. Поскольку к характеру и степени изменения частоты вращения двигателя предъявляются со стороны различных производственных машин и механизмов разные требования, механические характеристики двигателей представляют большой практический интерес. Кроме механических характеристик значительный интерес представляют элек-тромеханические характеристики. Применительно к двигателям постоянного тока -- это зависимость частоты вращения от тока якоря n(I_я). Электромеханическая характеристика дает возможность производить ряд расчетов, связанных с выбором двигателя и других элементов его электрической цепи по нагреванию.

Момент двигателя зависит от его скорости. Взаимосвязь момента, развиваемого двигателем, и скорости вращения M=f(щ) определяет механические характеристики электропривода (электродвигателя). Механические характеристики изображаются в поле координат M-щ.

Оси координат разделяют поле на четыре квандранта. В первом квандранте изображаются механические характеристик при работе двигателя в двигательном режиме и положительном направлении скорости его вращения, во втором - при работе в тормозных режимах. В третьем квандранте будут размещаться механические характеристики двигателя при работе в двигательном режиме, но с отрицательным направлением скорости вращения. В четвертом квандранте- механические характеристики двигателя при работе в тормозном режиме и отрицательном направлении скорости вращения. Обычно пользуются представлением механических характеристик в первых двух квадрантах.

Рис.1 Поле квадранта M-щ

Механические характеристики принято оценивать их жесткостью . где dМ - изменение момента двигателя; dщд - соответствующее изменение угловой скорости. Они бывают (рис. 4) абсолютно жесткими (1), абсолютно мягкими (2) могут иметь отрицательную <0(3) или положительную (4) жесткость.

Рис.2

Жесткость искусственных механических характеристик двигателей постоянного и переменного токов отличается от жесткости естественных характеристик и зависит от способа регулирования скорости. Это существенно влияет на стабильность скорости при работе привода с переменной нагрузкой.

Рис. 3 Определение жесткости механических характеристик

Если механическая характеристика прямолинейна (1), то ее жесткость- величина постоянная и равная тангенсу угла наклона характеристики к оси ординат; если характеристика криволинейна (2), то жесткость определяется тангенсом угла наклона касательной к механической характеристике в данной точке (например, в точке А). Жесткость характеризует способность двигателя воспринимать приложение нагрузки (момента) на его валу. Из уравнения следует, что

Поскольку обычно с увеличением момента нагрузки скорость уменьшается, то жесткость в является величиной отрицательной.

Если при приложении нагрузки ?M скорость ?щ уменьшается незначительно, то механическая характеристика считается жесткой. Если при том же значении прикладываемой нагрузки скорость изменяется значительно, то такую характеристику называют мягкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Естественные механические характеристики двигателей

На рисунке показаны естественные механические характеристики основных видов электродвигателей вращательного движения:

1-двигателя постоянного тока независимого возбуждения; его механическая характеристика имеет высокую жесткость.

2-двигателя постоянного тока последовательного возбуждения; жесткость его механической характеристики не постоянна, она мала при малых нагрузках и повышается по мере возрастания момента;

3-асинхронного двигателя; его механическая характеристика имеет две явно выраженные части: рабочую- с высокой постоянной отрицательной жесткость и криволинейную часть с переменной положительной жесткостью; вторая часть характеристики используется только во время пуска двигателя;

4-синхронного двигателя; он имеет абсолютную жесткую механическую характеристику, параллельную оси абсцисс.

Приведенные на рисунке характеристики называют естественными механическими характеристиками. Такие характеристики соответствуют типовой схеме включения, номинальному напряжении. И частоте питания и отсутствию в цепях обмоток двигателя дополнительных элементов.

Искусственные (или регулировочные) механические характеристики получаются, когда с целью регулирования изменяются параметры питающего напряжения или в цепи обмоток вводятся дополнительные элементы (активные или индуктивные сопротивления, резисторы, реакторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы и др.) При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Рис. 5 Механическая характеристика асинхронного двигателя

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.



Рис. 6 Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения: а - при изменениях сопротивления резистора R_доб; б - при изменениях основного магнитного потока возбуждения Ф; в - при изменениях напряжения U, подводимого к обмотке якоря

Электромеханическая характеристика двигателя. Электромеханическая характеристика -- это зависимость угловой скорости вращения вала щ от тока I.

Рис.7



Рис. 8

Динамическая характеристика. Динамическая характеристика электропривода -- это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы.

Расчет и построение механических характеристик асинхронных двигателей

Скорость всех электродвигателей (кроме синхронного) является функцией электромагнитного момента и, следовательно, момента нагрузки на валу, которое в установившемся режиме работы привода уравновешивают друг друга. Поэтому заданная скорость рабочего органа электрифицируемого механизма используется лишь на первых порах проектирования для предварительного выбора двигателя. В дальнейшем для каждого режима скорость электропривода должна быть взята из механической характеристики выбранного двигателя.

Таким образом, вслед за выбором двигателя необходимо сразу же рассчитать и построить естественную механическую характеристику этого двигателя (если она не приведена в каталоге).

Построение естественной механической характеристики асинхронного двигателя

Рис. 9 Механическая характеристика асинхронного двигателя

Как известно, механическая характеристика выражает зависимость между скоростью двигателя и развиваемым им электромагнитным моментом: щ = f (M). В асинхронных машинах скорость щ однозначно связана со скольжением s:

поэтому механическую характеристику асинхронных двигателей часто выражают в виде зависимости между моментом и скольжением, т.е. M = f (s), которая является более удобной при выполнении многих расчетов (рис.7).

Естественную механическую характеристику строят по так называемой формуле Клосса:

где M и S - текущие значения момента и скольжения;

S_КР - критическое скольжение, соответствующее значению критического (максимального) момента M_КР

- коэффициент, выражающий отношение активного сопротивления фазы статора r1 и приведенному значению активного сопротивления фазы ротора .

Для большинства асинхронных двигателей с фазным ротором , для многих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

В каталогах на асинхронные двигатели обычно приводится перегрузочная способность

пользуясь которой можно определить критический момент двигателя:

В уравнениях механической характеристики используется электромагнитный момент двигателя, который через момент на валу при номинальном режиме МВ.Н. можно выразить как

или

где РЭ.Н. - электромагнитная номинальная мощность двигателя;

ДММЕХ.Н - момент, обусловленный механическими потерями в двигателе ДРМЕХ.Н при номинальном режиме.

Если принять механические потери в роторе ДРМЕХ.Н равными 1% от номинальной мощности двигателя, то электромагнитный номинальный момент двигателя можно выразить уравнением

где РН - номинальная мощность (на валу) двигателя.

Необходимое для использования формулы Клосса критическое скольжение Sкр можно определить из выражения

где - индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя. Знак "плюс" (+) - для двигательного режима, "минус" (-) - для генераторного.

Однако в каталогах на асинхронные двигатели часто не приводятся сопротивления обмоток. В этих случаях критическое скольжение Sкр определяется в результате решения уравнения (42), записанного для номинального режима работы двигателя, т.е. при М = МН; S = SH:

где - номинальное скольжение;



- синхронная угловая скорость, для определения которой p берется из обозначения типа выбранного двигателя.

Для двигателей значительной мощности

В этих случаях, а также во многих инженерных расчетах, к результатам которых не предъявляют повышенных требований в отношении точности, пренебрегают значением активного сопротивления обмотки статора (r1 ? 0). Тогда электродвигатель механическая характеристика координата

и получают так называемую упрощенную формулу Клосса

где SКР находится аналогичным путем и имеет следующее выражение:

В уравнениях (49) и (51) знак "минус" (-) отбрасывается, как не соответствующий физическому смыслу.

Построенные по уравнениям (42) ж (50) механические характеристики близки к экспериментальным на участке, соответствующем скольжениям от S = 0 до S = SКР. При скольжениях от SKP до SП = 1 формула Клосса дает недопустимые погрешности. Поэтому для асинхронных короткозамкнутых двигателей небольшой и средней (несколько десятков киловатт) мощности при расчете укатанного участка механической характеристики рекомендуется использовать Формулу предложенную автором,

которая получена из формулы Клосса введением расчетного коэффициента

где - соотношение пускового и максимального моментов двигателя;

- кратность пускового момента

Значение SКР определяется из выражения (51).



Рис. 10 Естественные электромеханическая и механическая характеристики двигателя с независимым возбуждением

Построение механических характеристик двигателей постоянного тока

Построение естественной механической характеристики двигателя с независимым (параллельным) возбуждением

Уравнения естественных электромеханической характеристики

и механической характеристики

выражают линейную зависимость скорости двигателя от тока в якоре или электромагнитного момента двигателя (рис.8). Как и всякие прямые, они могут быть построены по двум точкам. Каждая точка механической характеристики определяет тот или иной режим работы двигателя. Наиболее полную информацию мы обычно имеем о режимах идеального холостого хода и номинальном режиме, которые определяются соответственно точками 1 (М = 0; щ = щ0) и 2 (М = МН; щ = щ0).

В каталоге на выбранный двигатель, очевидно, будет указана частота вращения n, об/мин, по которой возможно определить необходимую для расчетов номинальную угловую скорость двигателя.

Для определения скорости идеального холостого хода щ0 и номинального момента МН необходимо знать коэффициент постоянного потока к = сФ, который можно найти в результате решения уравнения электромеханической характеристики, записанного для номинального режима работы двигателя:

где ток якоря Ia предполагается равным потребляемому двигателем из сети току I (Iaн ? IH) и в дальнейшем индекс а поэтому будем опускать (т. к. ток возбуждения іВ = 0,01 - 0,05 Iа).

Сопротивление цепи якоря (если оно не дано в каталоге) можно найти, предположив, что двигатель имеет максимальный к.п.д. при номинальной нагрузке. Тогда, исходя из равенства постоянных и переменных потерь:

После этого легко определяются координаты



Следует иметь в виду, что для построения механической характеристики используется электромагнитный момент М, а не момент на валу

который отличается от электромагнитного М на величину момента потерь в двигателе ДМ:

где знак "минус" (-) берется для двигательного режима, "плюс" (+) - для тормозного.

Особенностью промышленного предприятия как потребителя электроэнергии является то, что для осуществления технологического процесса используется большое число разнообразных электроприемников различных мощностей и номинальных напряжений, однофазного и трехфазного переменного тока различной частоты, а также электроприемников постоянного тока.

Пример.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosцн= 0,85, зн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8.

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.

Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети

P1н =Pн / зн = 14 / 0,88 = 16 кВт.

Номинальный ток, потребляемый из сети

Число пар полюсов

p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3,

где n1 = 1000 - синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 960 об/мин.

Номинальное скольжение

sн = (n1 - nн) / n1 = (1000 - 960 ) / 1000 = 0,04

Номинальный момент на валу двигателя

Критический момент



Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н*м.

Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.

Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 - s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0, n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н*м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н*м.

Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим

По полученным данным строят механическую характеристику двигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

Регулирование координат электропривода

Как отмечалось выше, основная функция электропривода состоит в управлении его координатами - скоростью и моментом, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического обслуживаемого процесса.

Очень важный частный случай управления координатами - регулирование скорости или момента, т.е. принудительное изменение этих величин в установившемся режиме в соответствии с требованиями технологического процесса посредством воздействия на механическую характеристику двигателя. Частным случаем регулирования является поддержание одной из координат на требуемом уровне при независимом изменении другой координаты.

Чаще всего регулируемой координатой служит скорость: необходимо изменять скорость транспортного средства в зависимости от условий движения, состояния дороги и т.п., нужно регулировать скорость насоса, чтобы обеспечивать нужный напор в системе водоснабжения, требуется поддерживать на заданном уровне скорость движения жилы кабеля в процессе наложения на нее изоляции и т.п.

Понятие “регулирование скорости”, когда используются разные характеристики (рис. 7,а), не следует смешивать с изменением скорости, даже значительным, которое вызывается ростом или снижением нагрузки и происходит в соответствии с формой данной механической характеристики (рис. 7,б).

а) б)

Рис. 7. Регулирование (а) и изменение (б) скорости

В ряде случаев оказывается необходимым регулирование момента. Оно потребуется, например, если нужно качественно укладывать на катушку проволоку, получаемую с волочильного стана, если при буксировке судна на больших волнах надо не допустить обрыва троса и т.п. Далее мы будем, в основном, рассматривать регулирование скорости.

Поскольку регулирование скорости связано с направленным формированием механических характеристик, выделим одну из возможных характеристик в качестве основной. Обычно в качестве основной характеристики принимают естественную характеристику двигателя, соответствующую номинальным значениям определяющих ее величин (напряжение, частота, магнитный поток и т.п.). Далее мы будем конкретизировать условия получения естественной характеристики для каждого типа двигателя.

Все другие характеристики, создаваемые в целях регулирования скорости, будем называть искусственными. Они могут формироваться разными способами, отличающимися как по техническим, так и по экономическим показателям, рассматриваемым ниже.

1.Направление регулирования. Искусственные характеристики, могут располагаться только ниже естественной - однозонное регулирование вниз от основной скорости, только выше естественной - однозонное регулирование вверх от основной скорости, как выше, так и ниже естественной - двухзонное регулирование.

2.Диапазон регулирования - отношение максимальной возможной скорости к минимальной при заданных изменениях момента нагрузки - рис. 8. Легко видеть, что одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента могут соответствовать сильно различающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик.



а) б)

Рис. 8. К определению диапазона регулирования скорости

С жесткостью характеристик связан также еще один показатель - стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая - рис. 8,а и высокая рис. 8,б; иногда требуется абсолютно жесткие характеристики (), иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).

3.Плавность регулирования - возможность получать искусственные характеристики, расположенные как угодно близко друг к другу, - плавное регулирование или, наоборот, возможность иметь лишь несколько фиксированных характеристик - ступенчатое регулирование.

4.Допустимая нагрузка на искусственных характеристиках - очень важный показатель, определяющий надежность электропривода. Рассмотрим здесь лишь длительно допустимую нагрузку, которая определяется допустимым нагревом двигателя.

Допустимая нагрузка на естественной характеристике известна по определению - это номинальный момент двигателя М_н. Для упрощения задачи будем считать, пренебрегая изменением теплоотдачи, допустимым током в силовых целях при любой скорости номинальный ток двигателя I_н. Тогда допустимый момент для принудительно охлаждаемого двигателя

(5)

будет зависеть от магнитного потока двигателя Ф на соответствующей искусственной характеристике. При регулировании с Ф = Ф_н = const М_доп є I_нФ_н = М_н. Грубая оценка (5) дает лишь общее представление о допустимых нагрузках и должна уточняться в каждом конкретном случае.

5.Экономичность регулирования оценивается потерями энергии, сопровождающими тот или иной способ регулирования. Иногда экономичность удается грубо оценить, сравнивая полезную мощность с потребляемой из сети Р₁, т.е. определяя потери или вычисляя КПД в некоторой характерной точке:

. (6)

Значительно более серьезные и убедительные оценки экономичности регулирования при сравнении различных способов могут основываться на цикловом КПД

, (7)

определяемом с учетом конкретных условий работы привода за время цикла t_ц.

6.Затраты на регулирование можно определить как стоимость дополнительного оборудования Ст. Обор., используемого для осуществления регулирования. Эффективность затрат удобно оценивать сроком их окупаемости Т_ок



(8)

где Год.эфф.- цена годового эффекта от использования регулирования.

Так, если взамен нерегулируемого электропривода насоса используется частотно-регулируемый, и стоимость дополнительного оборудования - преобразователя частоты 1500 USD, а экономический эффект за счет сбережения электроэнергии, воды и тепла составляет 2100 USD/год, срок окупаемости составит

года.

Приведенные шесть показателей регулирования позволяют сравнивать в главных чертах и сопоставлять различные способы. Очевидно, что идеальным был бы способ, осуществляющий плавное двухзонное регулирование в широком диапазоне с примерно постоянной допустимой нагрузкой М_доп» М_н, с малыми потерями, при низкой стоимости дополнительного оборудования. Очевидно, что такого идеального способа нет, и инженеру всегда приходится искать некоторый разумный компромисс. Здесь в последнее время широко используется неформализуемый, но удобный показатель “качество/цена”. В понятие “качество” входит некоторая определенным образом организованная и согласованная с пользователем совокупность перечисленных выше показателей, дополненная такими общетехническими показателями как надежность, ремонтопригодность, помехозащищённость, взаимодействие с сетью и т.п.

Правильно организованный и хорошо обоснованный интегральный показатель “качество-цена”- удобное средство продвижения нового товара на рынок.

Размещено на Allbest.ru