Файл: Рекус, Г. Г. Элементы автоматизированного электропривода учебное пособие.pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Г. Г. Рекус, А. И. Белоусов, Ю. А. Нартов

ЭЛЕМЕНТЫ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Утверждено Ученым советом в качестве учебного пособия

Москва 1974 г.

I

Ь г е & М *

Данное учебное пособие предназначено для студентов химико­ технологических специальностей. Пособие охватывает раздел авто­ матизации курса электротехники.

Авторы выражают признательность лаборантам А. В. Преснову и А. Л. Бабаяну, принимавшим участие в оформлении рукописи данного пособия.

Элементы автоматизированного электропривода, 1974

В В Е Д Е Н И Е

Решение поставленных XXIV съездом КПСС задач по даль­ нейшему развитию народного хозяйства страны базируется на широком внедрении автоматизированного электропривода произ­ водственных механизмов и автоматизации производственных про­ цессов. В этой связи изучение основных положений раздела элек­ трического привода курса электротехники становится совершенно необходимым для инженеров, специализирующихся в области химико-технологического производства.

Современные инженеры химики-технологи в своей практичес­ кой работе решают важные задачи не только по выбору способа химического производства, но и задачи, связанные с определе­ нием условий оптимальных технологических процессов, повыше­ нием производительности труда, улучшением качества выпускае­ мой продукции и т. д., которые не могут быть правильно решены без учета свойств электрического привода.

Автоматизированный электропривод, оказывая влияние на производительность рабочих машин и стоимость продукции, ко­ ренным образом изменяет условия работы производственного предприятия.

Внастоящее время, благодаря значительным преимуществам

всравнении с другими приводами, электрический привод является основным приводом рабочих машин и механизмов и основным средством автоматизации исполнительных механизмов и произ­ водственных процессов в целом.

Всоответствии с утвержденным планом подготовки инжене­ ров химиков-технологов в МХТИ им. Д. И. Менделеева преду­ смотрено изучение курса общей электротехники, в котором рас­ сматриваются вопросы, относящиеся к разделу электрического привода.

Данное пособие ставит своей задачей оказать помощь студен­ там при изучении соответствующих разделов курса общей электро­

техники.^

3

Часть I

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

Глава I

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

§1. Системы электроприводов и требования, предъявляемые

кэлектроприводу

Современные производственные исполнительные машины и механизмы, независимо от их назначения, состоят из собственно рабочей машины, устройства, приводящего ее в движение, (при­ водного двигателя вместе с системой управления) и промежуточ­ ного звена, осуществляющего связь между двигателем и данной рабочей машиной.

Электромеханическое устройство, предназначенное для пре­ образования электрической энергии в механическую, называется электроприводом.

Различают три основных типа электроприводов: групповой (трансмиссионный), одиночный и многодвигательный.

Всистеме группового электропривода несколько рабочих механизмов приводится в движение одним приводным электро­ двигателем с помощью одной или нескольких трансмиссий.

Подобная система электропривода обладает рядом сущест­ венных недостатков, к числу которых следует отнести сложность управления каждым исполнительным механизмом в отдельности, громоздкость, большие потери энергии, практически полное от­ сутствие возможности автоматизации.

Групповой электропривод в настоящее время находит при­ менение только в особых, чрезвычайно редких случаях.

Всистеме одиночного электропривода каждый электродвига­ тель приводит в движение отдельную машину. В сравнении с групповым электроприводом одиночный привод обладает огром­ ными преимуществами, вследствие чего в настоящее время оди­ ночный электропривод практически во всех областях народного

4

хозяйства полностью вытеснил групповой привод. Примером одиночного электропривода могут служить различного рода электроинструменты (электросверлильные машины, электродвигательные вибраторы и т. д.), различные электрошлифовальные и металлообрабатывающие станки. При этом в ряде случаев при­ водной электродвигатель в конструктивном отношении пред­ ставляет собой единое целое с исполнительным механизмом (встраивается непосредственно в корпус рабочей машины. На рис. 1-1 в качестве примера одиночного привода приведен инди­ видуальный привод ролика рольганга в металлургической про­ мышленности.

Рис. 1-1. Индивидуальный электропривод (двигатель-ролик).

Многодвигательная система электропривода состоит из нес­ кольких самостоятельных одиночных электроприводов. В данном случае каждый механизм исполнительной машины и отдельные

ееэлементы снабжаются самостоятельным электродвигателем. Подобные электроприводы встречаются в бумагоделательных

машинах, в прокатных станах, в мощных металлорежущих стан­ ках и т. д.

Обладая большими достоинствами, электрический привод в силу присущих ему свойств вместе с тем обеспечивает рациональ­ ное ведение соответствующего технологического процесса. В этом случае широко используется автоматизированный электропри­ вод, который позволяет получить высокую производительность производственных механизмов, точность операций, надежность в работе, простоту обслуживания и улучшение качества выпускае­ мой продукции.

Электрический привод характеризуется невысокой стоимостью, простотой монтажа и эксплуатации.

§ 2. Основы динамики электропривода

Высокая производительность и рациональное ведение техно­ логического процесса электрифицированных исполнительных ма-

5

шин и механизмов определяется правильным выбором соответ­ ствующего электрического привода.

При работе электропривода как при вращательном, так и при поступательном движении механизма, действуют силы и момен­ ты, способствующие движению, и силы и моменты, препятствую­ щие движению. В общем случае на валу системы электропривода будут действовать два момента: момент электродвигателя и мо­ мент статического сопротивления, обусловленный нагрузкой, например, весом груза, силами трения, резания, скручивания, сжатия, растяжения и т. д. При этом, если момент, развиваемый электродвигателем, направлен против направления вращения системы, то электродвигатель работает в тормозном режиме. Электродвигатель оказывает в этом случае тормозящее действие на систему.

При работе в двигательном режиме вращающий момент элек­ тродвигателя считается положительным, а при работе в тормоз­ ном режиме — отрицательным.

По разному могут быть направлены и моменты статического сопротивления исполнительного механизма по отношению к движению системы.

В соответствии с этим различают движущие и тормозящие моменты статическо'гб сопротивления. В том случае, когда дейст­ вие момента статического сопротивления совпадает по направле­ нию с моментом, развиваемым приводным электродвигателем, такой момент называется движущим, в противном случае момент статического сопротивления называется тормозящим.

При этом движущему моменту статического сопротивления приписывается знак плюс, а тормозящему — знак минус.

В зависимости от того, способствуют или препятствуют дви­ жению системы привода статические моменты, они разделяются на реактивные и активные (или потенциальные) моменты.

Креактивным относятся моменты от сил трения, резания, сжатия, растяжения, скручивания неупругих тел. Эти моменты всегда являются тормозящими моментами.

Кактивным относятся моменты статического сопротивления от веса, сил сжатия, растяжения, скручивания упругих тел. Их

действие всегда связано с изменением потенциальной энергии отдельных звеньев системы электропривода. Эти моменты могут быть как движущими, так и тормозящими.

Необходимо отметить, что в отличие от реактивного, актив­ ный статический момент сохраняет свой знак и при изменении направления вращения привода. Примером этого может служить момент, создаваемый грузом механизма подъема, который сохра-

6

няет свой знак, как при подъеме груза, когда он препятствует движению, так и при спуске, когда он способствует движению.

Наряду с указанными выше моментами при работе электро­ привода в переходных режимах в процессе перехода от одного установившегося режима к другому, вследствие изменения ско­ рости, возникает динамический (инерционный) момент.

При ускорении привода динамический момент препятствует движению системы, а при торможении поддерживает движение. В общем случае динамический момент как по величине, так и по знаку зависит от момента двигателя и момента статического сопротивления.

Моменты, действующие в системе электрического привода, связаны между собой уравнением движения.

В общем виде уравнение движения привода с учетом знаков моментов может быть представлено в следующем виде:

± М ± Мс = Мди,- [нм] ( U )

где М = М3 — М0— момент на валу электродвигателя, равный электромагнитному моменту М3 за вычетом момента холостого хода М 0;

Мс— статический момент на валу электродвига­

теля;

du>

= J ' -----приведенный к валу системы динамический

со = — — угловая скорость электродвигателя в рад/сек;

п— скорость вращения электродвигателя в

об/мин;

j — момент инерции частей, вращающихся со скоростью со.

В уравнении (1,1) принято, что j является постоянной величи­ ной, что справедливо для многих производственных машин и механизмов. (Значения радиусов инерции j приводятся в различ­ ного рода справочниках).

Момент инерции может быть представлен в следующем виде:

ИЛИ

7

каталогах. Размерность махового момента, приведенная в ката­ логах, дана в кгм2. Если значение CD2 разделить на 4, получим j в международных единицах системы СИ.

Выражая j и ш через CD2 и п, уравнение моментов можно при­ вести к виду, наиболее широко используемому на практике:

В приведенной выше формуле момент электродвигателя является движущим, а момент статического сопротивления — тормозя­ щим. Выражение (1,4) относится к простейшему случаю непосред­ ственного соединения электродвигателя с исполнительным меха­ низмом, без промежуточных передач.

В большинстве случаев приводной электродвигатель соеди­ няется с исполнительным механизмом с помощью различного рода промежуточных передач (например, редукторов и др.). По­ этому в общем случае система приводной электродвигатель — исполнительный механизм имеет более сложную кинематичес­ кую схему.

При этом маховые моменты и массы всех вращающихся и совершающих поступательное движение частей рабочей машины электродвигателя и передаточного механизма приводятся к звену, для которого целесообразно составлять уравнение движения электропривода. Обычно таким звеном является вал электро­ двигателя, для которого составляется уравнение движения электро­ привода. Поэтому в этом случае статический момент Мс и махо­ вой момент GD2 рабочей машины и передаточного механизма приводятся к валу электродвигателя.

При поступательном движении сила F, под действием кото­ рой происходит движение, уравновешивается силой сопротивле-

8

В реальных условиях работа электропривода в силу технолог гических требований сопровождается чередованием установив­ шихся режимов с торможением, реверсированием, с изменением нагрузки и т. д.

Вследствие этого возможны два режима работы электропри­ вода: установившийся и неустановившийся (переходной). Устано­ вившийся режим характеризуется заданным постоянным значе­ нием момента и соответствующей ему скорости вращения электро­ двигателя.

После окончания процесса пуска при достижении заданной скорости, соответствующей заданной постоянной нагрузке на валу, электропривод продолжает работать в установившемся ре­ жиме. При этом скорость, момент, ток и мощность являются величинами постоянными. Примером установившегося режима являются работа насоса, вентилятора, подъем груза или переме­

В этом случае система совершает равномерное движение или на­ ходится в состоянии покоя. Переход системы электропривода от одного установившегося состояния к другому установившемуся состоянию, сопровождающийся изменением скорости, момента, тока, мощности, называется неусгановившимся или переходным режимом. Примером неустановившихся процессов являются пуск и остановка двигателя, реверсирование, торможение, изме­ нение нагрузки электродвигателя. В неустановившемся режиме М ф Мс, при этом, если система электропривод — рабочая ма­

ши

шина ускоряется (— > 0), то М > Мс.

dt do)

Если система замедляется (— < 0), то М < Мс. В этом спу­ да

чае вращающий момент электродвигателя и статистический мо­ мент нагрузки на валу действуют против направления движения и стремятся затормозить систему.

Переходные процессы в электрическом приводе оказывают большое влияние на правильный выбор мощности электродвига­ теля, выбор системы управления и аппаратуры управления.

"~9