Для проектирования электропривода необходимо знать кинематику и эксплуатационные условия рабочей машины. Нагрузка на валу электродвигателя слагается из статической и динамической нагрузок. Первая обусловливается полезными и вредными сопротивлениями движению (от сил трения, резания, веса и т. п.); вторая возникает применениях кинетической энергии в системе привода вследствие изменения скорости движения тех или иных частей устройства. В соответствии с этим момент, развиваемый двигателем,

В этом выражении М ст - статический момент, обусловленный силами полезных и вредных сопротивлений. Он может не зависеть от частоты вращения (рис. 16.2, прямая 1), если создается трением, силами сопротивления при резании металла и т. п., или может в какой-то степени зависеть от частоты вращения. Например, у центробежного насоса, питающего систему с постоянным напором, статический момент складывается из постоянной составляющей и составляющей, пропорциональной квадрату частоты вращения (рис. 16.2, кривая 2). Момент может зависеть от скорости линейно (3) и нелинейно (4).

Входящая в уравнение моментов (16.1) величина

называется динамическим моментом. Этот момент может быть как положительным, так и отрицательным.

Величина J, которой M ДИН пропорционален, называется моментом инерции. Это - взятая для всего тела сумма произведений масс m k отдельных частиц тела на квадрат расстояния R k соответствующей частицы от оси вращения:

Обычно момент инерции удобно выразить как произведение массы тела на квадрат радиуса инерции R ин т. е.

где R ин - расстояние от оси вращения, на котором нужно сосредоточить в одной точке всю массу тела, чтобы получить момент инерции, равный фактическому при распределенной массе. Радиусы инерции простейших тел указываются в справочных таблицах.

Вместо момента инерции в расчетах приводов применялось понятие махового момента - величины, связанной с моментом инерции простым соотношением:

где G - вес тела; D = 2R ин - диаметр инерции; g - ускорение силы тяжести; GD 2 - маховой момент.

Моменты инерции роторов и якорей электродвигателей обычно указываются в каталогах. Желательно, чтобы приводной электродвигатель был соединен с рабочим органом рабочей машины (например, с резцом) непосредственно, без каких-либо промежуточных зубчатых или ременных передач. Однако в большом числе случаев это неосуществимо из-за того, что рабочий орган должен иметь относительно небольшую частоту вращения (50-300 об/мин) при высокоскоростном электродвигателе. Изготовлять специальный тихоходный электродвигатель невыгодно. Он будет иметь слишком большие габариты и массу. Рациональнее с тихоходным приводом соединить через редуктор нормальный электродвигатель (750-3000 об/мин).

Но при расчетах сложной системы привода с вращательными или" поступательными движениями и различными скоростями отдельных ее элементов целесообразно заменить ее приведенной системой - упрощенной системой, состоящей из одного элемента, вращающегося с частотой электродвигателя. При переходе к приведенной системе от действительной моменты в системе пересчитываются таким образом, чтобы остались неизменными энергетические условия.

Например, двигатель, угловая скорость вала которого ω дв, соединен через одноступенчатую зубчатую передачу с рабочей машиной (рис. 16.3), угловая скорость которой ω р _ м. Если пренебречь потерями в передаче (они учитываются в приведенной системе), то из условия неизменности мощности следует:

где М ст - искомый статический момент рабочей машины, приведенный к валу двигателя (т. е. угловой скорости вала двигателя); М р м - действительный статический момент рабочей машины на ее валу; k пер = ω дв /ω р, м - передаточное число от двигателя к рабочей машине. Если рабочий орган под действием силы F p , M выполняет не вращательные, а поступательные движения со скоростью υ P , M , то на основании неизменности мощности

и, следовательно, искомый приведенный статический момент

В приведенной системе должны быть представлены и приведенные моменты инерции.

Приведенный момент инерции системы есть момент инерции системы, состоящей только из элементов, вращающихся с частотой вращения вала двигателя ω дв, но обладающих запасом кинетической энергии, равным запасу кинетической энергии действительной системы. Из условия неизменности кинетической энергии следует, что для системы, состоящей из соединенных через одну зубчатую передачу двигателя и вращающейся с угловой скоростью ω р, м рабочей машины, обладающей моментом инерции J P , м,

или искомый приведенный момент инерции системы

Таким образом, для сложного привода в уравнениях (16.1) и (16.4) подразумеваются приведенные значения статических моментов инерции. Если известен момент М, выраженный в Н-м, и частота вращения п, об/мин, то соответствующая мощность Р, кВт,

где коэффициент 9550 = 60-10 3 /2л не имеет размерности.

ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Механика электропривода

4.1.1. Приведение статических моментов и моментов инерции к валу двигателя

Механическая часть рабочих органов (РО) содержит элементы, вращающиеся с разными скоростями. Передаваемые моменты в связи с этим

также различны. Поэтому необходимо заменить реальную кинематическую

схему РО на расчетную схему, в которой все элементы вращаются со скоростью вала приведения. Чаще всего приведение осуществляют к валу

двигателя.

В задачах требуется по известной кинематической схеме РО составить

расчетную схему, в которой моменты сопротивления движению (статические моменты) и моменты инерции приводятся к валу двигателя. Для этого необходимо изучить кинематическую схему РО, разобраться с принципом работы механической части, выявить основную его технологическую работу и места выделения потерь мощности.

Критерием приведения статических моментов к валу двигателя является энергетический баланс механической части электропривода, обеспечивающий равенство мощностей реальной и расчетной схем электропривода.

Критерием приведения моментов инерции к валу двигателя является равенство запаса кинетической энергии механической части реальной и расчетной схем электропривода.

Критерием приведения жесткости упругой системы к валу двигателя

является равенство запаса потенциальной энергии упругого звена механической части в реальной и расчетной схемах электропривода.

Статические моменты, моменты инерции на валу РО рассчитываются по формулам .

на валу РО и на валу двигателя по заданным технологическим параметрам

механизма подачи (таблица 2.1.1.2, вариант 35).

Технологические данные механизма подачи станка:

F х =6 кН; m=2,4 т; v=42 мм/с; D хв =44 мм; m хв =100 кг; α=5,5°; φ=4°;

i 12 =5, J дв =0,2 кгм2; J1=0,03 кгм 2 ; J2=0,6 кгм 2 ; η 12 =0,9; μ с =0,08.

Решение

После изучения принципа работы механизма и его кинематической схемы определяем участки выделения потерь:

– в редукторе (потери учитываются кпд η 12);

– в передаче « винт – гайка » (потери рассчитываются углом трения φ в нарезке винта);

– в подшипниках ходового винта (потери рассчитываются через коэффициент трения в подшипниках, однако в рассмотренной литературе эти

потери не учитываются).

4.1.1.1. Угловая скорость ходового винта (рабочего органа)

ω ро = v/ρ ,

где ρ – радиус приведения передачи « винт – гайка » с шагом h, диаметром

d ср и углом нарезки резьбы α.

ρ = v/ω ро = h/ (2*π) = (π*d ср *tg α) / (2*π) = (d ср /2)*tg α.

ρ = (d ср /2)*tg α = (44/2)*tg 5,5° = 2,12 мм.

ω ро = v/ρ = 42/2,12 = 19,8 рад/с.

4.1.1.2. Момент на валу ходового винта (рабочего органа) с учетом потерь в

передаче «винт – гайка» углом трения φ:

М ро = F п *(d ср /2)* tg (α + φ),

где F п – суммарное усилие подачи.

F п = 1,2*F х + (F z + F y + 9,81*m)*μ с =

1,2*F x + (2,5*F x + 0,8*F x + 9,81*m)*μ с =

1,2*6 + (2,5*6 + 0,8*6 + 9,81*2,4)*0,08 = 10,67 кН.

М ро = F п *(d ср /2)* tg (α + φ) =

10,67*(0,044/2)*tg (5,5° + 4°) = 39,27 Нм.

4.1.1.3. Мощность на валу рабочего органа полезная:

– без учета потерь в передаче « винт – гайка »

Р ро = F х *v = 6*103 42*10-3= 252 Вт;

– с учетом потерь

Р ро = М ро *ω ро = 39,27*19,8 = 777,5 Вт.

4.1.1.4. Статический момент, приведенный к валу двигателя,

М рс = М ро / (i 12 *η 12) = 39,27 / (5*0,9) = 8,73 Н*м.

4.1.1.5. Угловая скорость вала двигателя

ω дв = ω ро *i 12 = 19,8*5 = 99 рад /c.

4.1.1.6 Мощность на валу двигателя

Р дв = М рс *ω дв = 8,73*99,1 = 864,3 Вт.

Находим элементы кинематической схемы, запасающие кинетическую энергию: суппорт массой m, ходовой винт массой m хв, шестерни редуктора J1

и J2 , ротор электродвигателя – J дв.

4.1.1.7. Момент инерции рабочего органа определяется массой m суппорта,

перемещающейся со скоростью v, и моментом инерции ходового винта J хв.

Момент инерции поступательно движущегося суппорта

J с = m*v 2 / ω ро 2 = m*ρ 2 = 2400*0,002122 = 0,0106 кгм 2 .

Момент инерции ходового винта

J хв = m хв *(d ср /2) 2 = 100*(0,044 /2) 2 = 0,0484 кгм 2 .

Момент инерции рабочего органа

J ро = J с + J хв = 0,0106 + 0,0484 = 0,059 кгм 2 .

4.1.1.8. Момент инерции рабочего органа, приведенный к валу двигателя,

J пр = J ро / i 12 2 = 0,059 / 52 =0,00236 кгм 2 .

4.1.1.9. Момент инерции передачи, приведенный к валу двигателя,

J пер = J1 + J2 / i 12 2 = 0,03 + 0,6 / 52 = 0,054 кгм 2 .

4.1.1.10. Коэффициент, учитывающий момент инерции передачи в моменте

инерции ротора двигателя,

δ = (J дв +J пер)/J дв = (0,2 + 0,054) / 0,2 = 1,27.

4.1.1.11.Суммарный момент инерции механической части электропривода

J = δ*J дв + J пр = 1,27*0,2 + 0,00236 = 0,256 кгм 2 .

Основное уравнение движения электропривода

При переменных статических моментах и моментах инерции, зависящих от скорости, времени, угла поворота вала двигателя (линейного перемещения РО), уравнение движения электропривода записывается в общем виде:

М(х) – М с (х) = J(х)*dω / dt + (ω/2)*dJ(x)/ dt.

При постоянном моменте инерции J = const уравнение упрощается

М(х) – М с (х) = J*dω / dt, и его называют основным уравнением движения .

Правую часть уравнения М(х) – М с (х) = М дин называют динамическим

моментом. Знак М дин определяет знак производной dω/dt и состояние электропривода:

– М дин = dω / dt > 0 – двигатель разгоняется;

– М дин = dω / dt < 0 – двигатель снижает скорость;

– М дин = dω / dt = 0 – установившийся режим работы двигателя, его скорость неизменна.

Темп разгона зависит от момента инерции J электропривода, определяющего способность механической части электропривода запасать

кинетическую энергию.

Для анализа режимов работы и решения задач удобнее записать основное уравнение движения в относительных единицах (о.е.). Приняв за базовые значения момента М б = М н – номинальный электромагнитный момент двигателя, скорости ω б = ω он – скорость идеального холостого хода при номинальном напряжении на якоре и номинальном токе возбуждения, основное уравнение движения в о.е. записывается в виде

М - М с = Т д * dω/dt,

где T д = J * ω он / М н – электропривода, учитывающая и приведенный момент инерции РО. Наличие в уравнении Т д

свидетельствует о записи уравнения в о.е.

Задача 4.1.2.1

Рассчитать для механизма с двигателем (Р н =8,1 кВт, ω н = 90 рад/с, U н = 100 В, I н = 100 А) и суммарным моментом инерции J = 1 кгм 2 динамический момент М дин, ускорение электропривода ε, конечное значение скорости ω кон, угол поворота вала двигателя α за промежуток времени Δt = t i / T д = 0,5, если М = 1,5, М с = 0,5, ω нач =0,2.

Решение

Основное уравнение движения в о.е.

М − М с = Т д dω / dt

Механическая постоянная времени двигателя

Т д = J*ω он /М н.

Значения ω он и М н рассчитаем по каталожным данным двигателя (см. задачу 4.2.1).

Скорость идеального холостого хода

ω он = U н / кФ н = 100/1 = 100 рад/с.

Номинальный электромагнитный момент

М н = кФ н *I н = 1*100 = 100 Нм.

Механическая постоянная времени

Т д = J*ω он /М н = 1*100 / 100 = 1 с.

4.1.2.1. Динамический момент

М дин = М – М с = 1,5 – 0,5 = 1.

4.1.2.2. Ускорение электропривода (при t б = Т д)

ε= dω / (dt / T д) = (М – М с) = М дин = 1.

Приращение скорости за промежуток времени Δt = t i / T д = 0,5:

Δω = (М – М с)*t i / T д = (1,5 – 0,5) * 0,5 = 0,5.

4.1.2.3. Конечное значение скорости на участке

ω кон = ω нач + Δω = 0,2 + 0,5 = 0,7.

4.1.2.4. Приращение угла поворота

Δα = ω нач *Δt + (ω кон + ω нач)*Δt / 2 =

0,2 * 0,5 +(0,7 + 0,2)*0,5 / 2 = 0,325.

Определим полученные значения в абсолютных единицах:

М дин = М дин * М н = 1* 100 = 100 Нм;

ε = ε* ω он / t б = 1 * 100 / 1 = 100 рад / с 2 ;

Δω = Δω* ω он = 0,5* 100 = 50 рад / с;

ω кон = ω кон *ω он = 0,7*100 = 70 рад / с;

Δα = Δα * ω он *t б = 0,325*100 *1 = 32,5 рад.

4.1.3. Переходные процессы механической части электропривода

Для расчета и построения нагрузочных диаграмм М(t) и ω(t) используется решение основного уравнения движения

М − М с = Т д d ω / dt ,

из которого для конечных приращений при М = const и М c = const для заданного t i получим приращение скорости

Δω = (М – М с)*t i / Т д

и значение скорости в конце участка

ω = ω нач + Δω

Задача 4.1.3.1

Для двигателя (ω он =100 рад/с, M н =100 Нм, J=1кгм 2) рассчитать ускорение и построить переходный процесс ω(t), если М = 2, ω нач = 0, М с = 0.

Решение

Механическая постоянная времени

Т д = J * ω он / М н = 1 * 100 / 100 = 1 с.

Приращение скорости Δω = (М – М с)*t i / Т д = (2 – 0)*t i /Т д,

и при t i = Т д получаем Δω = 2.

Скорость за это время достигнет значения

ω = ω нач + Δω = 0+2 = 2.

Значения ω = 1 скорость достигнет за Δt = 0,5, в этот момент времени разгон прекращают, снижая момент двигателя до величины статического момента М = М с (см. рис. 4.1.3.1).

Рис. 4.1.3.1. Механический переходный процесс при М=const

Задача 4.1.3.2

Для двигателя (ω он =100 рад/с, M н =100 Нм, J=1кгм 2) рассчитать ускорение и построить переходный процесс реверса ω(t), если М = – 2, ω нач =

Решение

Приращение скорости

Δω = (М – М с)*t i / Т д = (–2 –1)* t i / Т д.

За базовое время t б =Т д приращение скорости Δω = –3, конечная скорость

ω кон = ω нач + Δω = 1–3 = – 2.

Двигатель остановится (ω кон = 0) при Δω = – 1 за время t i = Т д / 3. Реверс закончится при ω кон = – 1, при этом Δω = –2, t i = 2* Т д /3. В этот момент времени следует снизить момент двигателя до М = М с. Рассмотренный переходный процесс справедлив для активного статического момента (см.

рис. 4.1.3.2,а).

При реактивном статическом моменте, который изменяет свой знак при изменении направления движения, переходный процесс распадается на два

этапа. До остановки двигателя переходный процесс протекает также, как и при активном М с. Двигатель остановится, ω кон = 0, тогда Δω = – 1, время торможения t i = Т д / 3.

При изменении направления движения меняются начальные условия:

М с = – 1; ω нач = 0; М = – 2, начальное время Δt нач = Т д /3.

Тогда приращение скорости составит

Δω = (М – М с)*t i / Т д = (–2 – (–1))* t i / Т д = – t i / Т д.

При t i =Т д приращение скорости Δω = – 1, ω кон = –1, разгон в обратную сторону произойдет за Δt = Т д, реверс закончится за Δt = 4*Т д /3. В этот момент времени следует снизить момент двигателя до М = М с (см. рис. 4.1.3.2,б). Таким образом, при реактивном М с время реверса увеличилось

Механическая часть эл. привода представляет собой систему твердых тел, движущихся с различными скоростями. Уравнение движения ее можно определить на основе анализа запасов энергии в системе двигатель – рабочая машина, или на основе анализа второго закона Ньютона. Но наиблее общей формой записи диф. уравнений, определяющих движение системы, в которой число независимых переменных равно числу степеней свободы системы, является уравнение Лагранжа:

Wk – запас кинетической энергии; – обобщенная скорость; qi – обобщенная координата; Qi – обобщенная сила, определенная суммой элементарных работ DAi всех действующих сил на возможных перемещениях Dqi:

При наличии в системе потенциальных сил формула Лагранжа принимает вид:

2) , где

L=Wk-Wn функция Лагранжа, равная разности запасов кинетической Wk и потенциальной энергии Wn.

В качестве обобщенных координат, т. е. не зависимых переменных, могут быть приняты как различные угловые, так и линейные перемещения в системе. В трехмассовой упругой системе за обобщение координаты целесообразно принять угловое перемещение масс j1,j2,j3 и соответствующие им угловые скорости w1, w2, w3.

Запас кинетической энергии в системе:

Запас потенциальной энергии деформации упругих элементов, подвергающихся скручиванию:

Здесь М12 и М23 – моменты упругого взаимодействия между инерционными массами J1 и J2, J2 и J3, зависящие от величины деформации j1-j2 и j2-j3.

На инерционную массу J1 действуют моменты М и Мс1. Элементарная работа приложенных к J1 моментов на возможном перемещении Dj1.

Следовательно, обобщенная сила .

Аналогично элементарная работа всех приложений ко 2-й и 3-й массам моментам на возможных перемещениях Dj2 и Dj3: , откуда

, откуда

Т. к. ко 2-й и 3-й массам электромагнитный момент двигателя не приложен. Функция Лагранжа L=Wk-Wn.

Учитывая значения Q1`,Q2`и Q3` и подставив их в уравнение Лагранжа, получим уравнения движения трехмассовой упругой системы

Здесь 1-е уравнение определяет движение инерционной массы J1, 2-е и 3-е движение инерционных масс J2 и J3.

В случае двухмассовой системы Мс3=0; J3=0 уравнения движения имеют вид:

В случае жесткого приведенного механического звена ;

Уравнение движения имеет вид

Это уравнение является основным уравнением движения эл. привода.

В системе эл. привода некоторых механизмов содержится кривошипно – шатунные, кулисные, карданные передачи. Для таких механизмов радиус приведения “r” непостоянен, зависит от положения механизма, так для кривошипно шатунного механизма, изображенного на рис.

Получить уравнение движения в этом случае можно также на основе формулы Лагранжа или на основе составления энергетического баланса системы двигатель – рабочая машина. Воспользуемся последним условием.

Пусть J –суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции всех жестко и линейно связанных вращающихся элементов, а m – суммарная масса элементов жестко и линейно связанных с рабочим органом механизма, движущаяся со скоростью V. Связь между w и V нелинейна, причем . Запас кинетической энергии в системе:

Т. к. , и .

Здесь - суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции системы.

Динамическая мощность:

Динамический момент:

Или т. к. , то

Полученные уравнения движения позволяют анализировать возможные режимы движения эл. привода как динамической системы.

Возможны 2 режима (движения) электропривода: установившийся и переходный, причем установившийся режим может быть статическим или динамическим.

Установившийся статический режим эл. привода с жесткими связями имеет место в случае, когда , , . Для механизмов, у которых Мс зависит от угла поворота (например, кривошипно-шатунных), даже при и статический режим отсутствует, а имеет место установившийся динамический режим.

Во всех остальных случаях, т. е. при и имеет место переходный режим.

Переходным процессом эл. привода как динамической системы называют режим его работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяется ток, момент и скорость двигателя.

Переходные процессы всегда связаны с изменением скорости движения масс электропривода, поэтому всегда являются динамическими процессами.

Без переходного режима не совершается работа ни одного эл. привода. Эл. привод работает в переходных режимах при пуске, торможении, изменении скорости, реверсе, свободном выбеге (отключение от сети и движении по инерции).

Причинами возникновения переходных режимов являются или воздействия на двигатель с целью управления им изменением подводимого напряжения или его частоты, изменением сопротивления в цепях двигателя, изменение нагрузки на валу, изменение момента инерции.

Переходные режимы (процессы) возникают также в результате аварии или др. случайных причин, например, при изменении величины напряжения или его частоты, обрыве фаз, возникновении не симметрии питающего напряжения и т. п. Внешняя причина (возмущающее воздействие) является только внешним толчком, побуждающим эл. привод к переходным процессам.

Передаточные функции, структурные схемы и частотные характеристики механической части электропривода как объекта управления.

Сначала рассмотрим механическую часть как абсолютно жесткую механическую систему. Уравнение движения такой системы:

Передаточная функция

Структурная схема механической части в этом случае, как следует из уравнения движения, имеет вид, изображенный на рис.

Изобразим ЛАЧХ и ЛФЧХ этой системы. Т. к. звено с передаточной функцией является интегрирующим, то наклон ЛАЧХ – 20 дб/дек. При приложении нагрузки Mc=const скорость в такой системе нарастает по линейному закону и если М=Мс не ограничить, то она возрастает до ¥. Сдвиг между колебаниями М и w, т. е. между выходной и входной величиной постоянен и равен .

Расчетная схема двухмассовой упругой механической системы, как было показано ранее, имеет вид, изображенный на рис.

Структурная схема этой системы может быть получена на основе уравнений движения ; ;

Передаточные функции

.

Структурная схема, соответствующая этим управлениям, имеет вид:

Для исследования свойств этой системы как объекта управления принимаем МС1=МС2=0 и выполним синтез по управляющему воздействию. Используя правила эквивалентного преобразования структурных схем, можно получить передаточную функцию ,связывающую выходную координату w2 , с входной, которой является w1 и передаточную функцию при выходной координате w1.

;

Характеристическое уравнение системы: .

Корни уравнения: .

Здесь W12 – резонансная частота свободных колебаний системы.

Наличие мнимых корней свидетельствует о том, что система находится на грани устойчивости и если ее толкнуть, то она затухать не будет и на частоте W12 возникает резонансный пик.

Обозначив ; , где

W02 – резонансная частота 2-й инерционной массы при J1 ®¥.

С учетом этого передаточные функции , и будут иметь вид:

Ей соответствует структурная схема:

Для анализа поведения системы построим ЛАХЧ и ЛФЧХ механической части как объекта управления, сначала при выходной координате w2, заменив в выражении Ww2(r) R на jW. Они изображены на рис.

Из него следует, что в системе возникают механические колебания, причем число колебаний доходят до 10-30. При этом колебательность инерционной массы J2 выше, чем Массы J1. При W>W12 наклон высокочастотной асимптоты L(w2) равен – 60 дб./дек. И нет факторов, которые ослабляли бы развитие резонансных явлений при любом . Следовательно, когда важно получить требуемое качество движения инерционной массы J2, а также при регулировании координат системы, пренебрегать влиянием упругости механических связей без предварительной проверки нельзя.

В реальных системах имеется естественное демпфирование колебаний, которое, правда существенно не сказывается на форме ЛАХЧ и ЛФЧХ, однако ограничивает резонансный пик конечным значением, как показано пунктиром на рис.

Для анализа поведения системы при выходной координате w1 также построим ЛАХЧ и ЛФХЧ механической части как объекта управления. Структурная схема, вытекающая из передаточной

функции имеет вид:

Частотные характеристики приведены ниже:

Движение инерционной массы J1, как следует из характеристики и структурной схемы, при небольших частотах колебаний упругого взаимодействия определяется суммарным моментом инерции , причем механическая часть ведет себя как интегрирующее звено, т. к. характеристика L(w1) асимптотически приближается к асимптоте, имеющий наклон – 20 дб/дек. При M=const скорость w1 изменяется по линейному закону, на который накладываются колебания, обусловленные упругой связью. При приближении частоты колебаний момента М к W12 амплитуда колебаний скорости w1 возрастает и при W=W12 стремиться к бесконечности. Отсюда следует, что чем ближе к 1, т. е. при J2< можно считать как функцию интегрирующего звена (в структурной схеме во втором звене числитель и знаменатель выражения сократятся) и механическую часть эл. привода можно рассматривать как абсолютно жесткое механическое звено.

При g>>1, т. е. J2>J1 и если частота среза , механическую часть эл. привода также можно считать абсолютно жесткой (С12=бесконечности).

Как уже сказано выше, обычно g=1,2¸1,6, но вообще то g=1,2¸100. Величина 100 характерна для редукторных тихоходных электроприводов, например, для механизма поворота стрелы шагающего экскаватора с емкостью ковша 100м3 и длиной стрелы 100м.

Если все элементы механической системы во всех движениях имеют равную или пропорциональную скорость (вращения или линейную), то такая механическая система может рассматриваться как жесткая, которая может быть приведена к жесткому механическому звену с суммарным приведенным моментом инерции В такой одномассовой системе на тело вращения, например на ротор электродвигателя, действуют следующие моменты:

• ? М - электромагнитный момент, создаваемый электродвигателем;
• ? М с - момент сопротивления движению активный, прикладываемый к РО машины. Этот момент создают силы тяжести (например, в электроприводах грузоподъемных лебедок, лифтов и др.), силы ветра (например, электропривод поворота башенных кранов), давление сжатого воздуха (электропривод компрессоров) и др. Моменты активного сопротивления движению могут, как препятствовать движению, так и создавать движение;
• ? М с - реактивные моменты сопротивления движению, прикладываемые к РО машины. Эти моменты возникают, как реакция на движение РО и всегда препятствуют движению (например, момент от сил резания в приводах главного движения металлорежущих станков, момент от аэродинамических сил в электроприводах вентиляторов и др.), при со = О М г _ = 0. К реактивным моментам относится

с.р момент от сил трения в подшипниках и других элементах кинематической цепи рабочей машины. Момент трения всегда препятствует движению, его отличие от реактивного момента сопротивления состоит в том, что М тр присутствует и при скорости, равной нулю. Более того, М при покое обычно значительно превышает момент трения при движении.

Полный момент сопротивления движения с (его также называют статический момент) равен сумме активного и реактивного моментов сопротивления:

Знаки всех моментов определяет знак скорости вращения: если момент способствует движению - он положителен, если препятствует - он отрицателен. Знак с р всегда отрицательный, знак са может быть отрицательным, если активный момент препятствует движению (например, подъем груза) или положительным, если момент способствует движению (например, спуск груза). Алгебраическая сумма всех моментов определяет результирующий момент сопротивления М , прикладываемый к валу электродвигателя.

Рассмотрим движение электродвигателя, к валу которого приложены: электромагнитный момент, развиваемый электродвигателем М, и момент сопротивления движению с. В соответствии со вторым законом Ньютона (2.3):

где М дин - динамический момент; - суммарный момент инерции.

Уравнение (2.5) называют уравнением движения электропривода. Отметим, что в этом уравнении все моменты приложены к валу двигателя, а момент инерции отражает инерционности всех масс, связанных с валом электродвигателя и совершающих вместе с ним механическое движение.

Для поступательного движения уравнение движения электропривода соответственно принимает вид:

где F - усилие, развиваемое двигателем; F - усилие сопротивления движению на штоке этого двигателя; т - массы подвижных элементов, связанные со штоком двигателя; v - линейная скорость штока двигателя.

Момент М, развиваемый двигателем, зависит от его скорости. Взаимосвязь момента, развиваемого двигателем, и скорости = (со) определяет механические характеристики электропривода (электродвигателя).

Основным параметром, определяющим вид механической характеристики, является жесткость (рис. 2.4)

где Д - приращение момента; Дсо - приращение скорости.

Жесткость Р характеризует способность двигателя воспринимать приложение нагрузки - момента с на его валу. Поскольку обычно с увеличением момента нагрузки скорость уменьшается, то жесткость Р является величиной отрицательной. Если при приложении нагрузки Д скорость Дсо уменьшается незначительно, то механическая характеристика считается жесткой. Если при том же значении прикладываемого момента сопротивления скорость изменяется значительно, то такую характеристику называют мягкой.

Жесткость Р механических характеристик электропривода (двигателя) является важной величиной, характеризующей статические и динамические характеристики электропривода. Если механическая характеристика прямолинейна - 1 на рис. 2.4, то ее жесткость постоянная, равная тангенсу угла наклона характеристики к оси ординат. Если механическая характеристика криволинейна - 2 на рис. 2.4, то жесткость в каждой точке характеристики переменная и определяется тангенсом угла наклона касательной к данной точке характеристики.

Рис. 2.4.

1 - прямолинейная; 2 - криволинейная

Рис. 2.5.

На рис. 2.5 показаны естественные механические характеристики основных видов электродвигателей: 1 - двигатель постоянного тока независимого возбуждения, механическая характеристика прямолинейна, имеет постоянную высокую жесткость; 2 - двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, характеристика криволинейна, ее жесткость мала при малых нагрузках и повышается по мере возрастания момента; 3 - асинхронный двигатель, механическая характеристика имеет две части - рабочую с высокой постоянной отрицательной жесткостью и криволинейную с переменной положительной жесткостью; 4 - синхронный двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику, при которой скорость не зависит от нагрузки.

Приведенные на рис. 2.5 механические характеристики двигателей называют естественными, так как они соответствуют типовой схеме включения двигателей, номинальному напряжению и частоте питания и отсутствию в цепях обмоток двигателя дополнительных сопротивлений.

Искусственные (или регулировочные) механические характеристики получают, когда для пуска двигателя или регулирования его скорости изменяют параметры питающего напряжения или в цепи обмоток двигателя вводят дополнительные элементы.

Рис. 2.В. Зависимость моментов сопротивления движению от скорости для некоторых рабочих машин

Момент сопротивления движению с, создаваемый на РО машины, также может зависеть от скорости. Эта зависимость - механическая характеристика рабочей машины (мъхантма) с = (со) - индивидуальна для различных типов технологических машин. На рис. 2.6 показаны типичные характеристики для основных типов рабочих машин: 1 - машины с рабочим органом резания, если толщина снимаемого режущим органом слоя постоянна, то момент сопротивления не зависит от скорости; 2 - машины, для которых момент сопротивления определяют главным образом силы трения (например, конвейеры), момент сопротивления постоянный, но при пуске силы трения покоя могут превышать силы трения при движении; 3 - грузоподъемные механизмы, статический момент носит активный характер и не зависит от скорости, особенностью данной характеристики является то, что момент при подъеме груза несколько превышает момент сопротивления при спуске груза, что связано с учетом механических потерь в передачах; 4 - турбомеханизмы (центробежных и осевых вентиляторов и насосов), момент сопротивления этих машин существенно зависит от скорости, для вентиляторов пропорционален квадрату скорости М с = ко) ; 5 - намоточные устройства и другие машины, для которых технологически необходима работа с постоянной мощностью.

Следует отметить, что моменты на валу рабочей машины, определяемые ее механической характеристикой, не учитывают динамической составляющей момента, которая возникает при изменении скорости.

Когда момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления движения, то из (2.5) следует, что М = М с, М тш = и

т.е. жесткая механическая система будет работать с постоянной скоростью. Такой режим работы является установившимся. Момент сопротивления движению называют статическим моментом , так как он характеризует установившийся режим работы электропривода.

Рис. 2.7.

Графически условие установившегося режима работы (2.8) определяется точкой пересечения механической характеристики двигателя о)= () с механической характеристикой механизма

с = (со) (рис. 2.7). Выполнение этого условия является обязательным для установившегося режима, но нужно произвести проверку на устойчивость этого режима.

Рассмотрим механическую характеристику асинхронного двигателя (см. рис. 2.7). Момент сопротивления движению - статический момент М с не зависит от скорости - жесткость этой характеристики (З с = . Характеристики двигателя и статического момента пересекаются в двух точках А и В. Если при работе в точке А скорость по какой-либо причине возрастет, то станет меньше с, дин А. Если скорость при работе в точке А уменьшится, то момент двигателя станет больше с и скорость вернется в точку А. Работа в установившемся режиме в точке А будет устойчивой.

При работе в точке В картина обратная. Если скорость меняется в сторону увеличения, то момент двигателя будет больше с, и ускорение будет продолжаться. Если скорость отклоняется в сторону уменьшения, то момент двигателя станет меньше с, и двигатель остановится. Установившийся режим в точке В неустойчив. Условие устойчивости установившегося режима может быть сформулировано как р А это условие выполняется, в точке В не выполняется.

При проектировании и исследовании электропривода возникает задача в округлении различных механических величин (скорости, ускорения, пути, угла поворота, моментов усилий), чтобы сделать математическое описание электропривода определенным, принимают одно из 2-х возможных направлений вращения привода за положительное направление, а второе за отрицательное. Принятое за положительное направление отсчета - сохраняется единым для всех величин характеристик движения привода (скорости, момента, ускорения, угла поворота). Это понимается т.о., что если направление момента и скорости в рассмотренном интервале времени совпадают, т.е. скорость и момент имеют одинаковые знаки, то работа совершается двигателем, который создает данный момент. В случае, когда знаки момента и скорости разные, то двигатели, создающие данный момент потребляют энергию.

Понятие о реактивном и активном моментах сопротивления.

Движение электроприводов определяется действием 2-х моментов - момента развиваемого движением и момента сопротивления. Различают два типа момента сопротивления - реактивный и активный. Реактивный момент сопротивления появляется только вследствие движения привода. Это противоречит реакции механического звена на движение.

К реактивным моментам относят: момент трения, момент на рабочем органе, на металлорежущих станках, вентиляторах и т.д.

Реактивный момент сопротивления всегда направлен против движения, т.е. имеет противоположный знак направления скорости. При изменении направления вращения меняется и знак реактивного момента. Элемент, создающий реактивный момент всегда является потребителем энергии.

реактивная хар-ка;активная механическая хар-ка.

Активный момент сопротивления появляется независимо от движения электропривода и создается посторонним источником механической энергии.

Например: момент отвеса падающего груза. Момент создается потоком воды и т.д.

Направление активного момента не зависит от направления движения привода, т.е. при изменении направления вращения привода знак активного момента привода не меняется. Элемент, создающий активный момент, может быть как источником, так и потребителем механической энергии.

Уравнение движения и его анализ.

Для анализа движения ротора или движения якоря используют основной закон динамики, который говорит о том, что для вращения тела векторная сумма моментов, действующая относительно оси вращения, равна производной момента количества движения.

В электроприводе составляющими результативного момента является момент двигателя и момент сопротивления. Оба момента могут быть направлены как в сторону движения ротора двигателя, так и против него. Чаще всего в электроприводе используют двигательный режим работы. Электрические машины при этом моменте сопротивления имеют тормозной характер по отношению к ротору и направлены на встречу момента двигателя. Поэтому за положительное направление момента сопротивления принимают направление противоположное направлению положительного момента двигателя. В результате уравнение движения записывается так:

В этом выражении оба момента являются алгебраическими величинами, поскольку они действуют относительно одной и той же оси.

М-М с – динамический момент.

Направление динамического момента всегда совпадает с направлением ускорения dw / dt . Последнее выражение справедливо для постоянного радиуса инерции вращения массы.

В зависимости от знака динамического момента различают следующие работы привода:

М дин  0 ,dw / dt  0 ,w  0 – разбег или торможение приw  0 .

М дин  0 ,dw / dt  0 ,w  0 – торможение, приw  0 - разбег.

М дин =0 ,dw / dt =0 – установившийся режимw = const .

Или частный случай w =0 – покой.