Динамо-машины  Электрические машины, экономичность 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

частоты / = 6,25 Гц. Такая схема вносит в привод элемент laquo;электронного редуктора raquo;, стоимостные и массогабаритные показатели которого также должны быть учтены при оценке показателей электропривода в целом. В определенной мере такая оценка для близких по типу схем будет дана ниже, а здесь нам хотелось отметить определенную тенденцию создания электропривода действительно безредукторного с использованием традиционного типа электродвигателя - синхронного, многополюсного, с довольно высокими показателями самого двигателя (t] = 0,92; cos ц = 0,975; допустимая статическая перегрузка 1,65).

Приведенные материалы, по-видимому, позволяют считать, что массогабаритные показатели безредукторного электропривода для низкоскоростных устройств вполне сравнимы с массогабарит-ными показателями редукторного электропривода, если учитывать массу и габаритные размеры не только двигателя, но и всего редуктора. Как видно из табл. 1.6 [49], и для серийных редукторов велико отношение массы к моменту.

Оптимизировать по целевой функции laquo;минимум приведенных затрат для народного хозяйства raquo; следует при рассмотрении привода в целом; оптимизация параметров приводного двигателя, в частности его частоты вращения, без учета всех устройств, необходимых для заданной частоты вращения приводимого в движение механизма, может привести к ложным результатам.

Таблица 1.6. Характеристики редукторов

Примечание. Для быстроходного вала п= 1500 об/мин (ш - 157

1.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Существенными параметрами электропривода, в основном определяющими его динамические свойства, являются электромеханическая Г и электромагнитная Г, постоянные времени; большое влияние на качество переходного процесса оказывают люфты в редукторе, упругость сочленения его элементов и др. Переходные процессы в электроприводах (особенно в следящих) детально исследовались, например, в [36], [57], 193], [98]. Рассмотрим относительно подробно лишь Т , ограничившись в отношении других указанных параметров практически очевидным замечанием, что наличие редуктора ухудшает условия переходного процесса и проведем приближенную оценку влияния редуктора на электромеханическую постоянную времени.

Рассмотрим имеющий принципиальное значение вопрос о сравнительном быстродействии привода с высокоскоростным электродвигателем, связанным с рабочим валом через редуктор с передаточным числом /, и привода с низкоскоростным электродвигателем, вал которого непосредственно связан с рабочим валом. Индекс laquo;В gt; gt; относится к первому электродвигателю, индекс laquo;Н raquo; - ко второму.

Для приближенной оценки примем, что удельная плотность касательного усилия F на поверхности якоря у этих двигателей одинакова: Fi = F = F; F = FDJ; F = FnDjB, где D ~ диаметр, a / - рабочая длина якоря. Примем также, что отношение t/D у этих машин одинаково (l=aD). Так как Р = цР, где 1] - КПД редуктора, Р = Fv, линейная скорость на поверхности якоря V = mD/2, где w - угловая скорость якоря, и о% = iojh; PHFnDjHVH = FnaDliO)yiDtf/2=FanDiMa/2i=r]Fa:xDMB/2, откуда

1 gt;н = Г gt;вл/л- (114)

Заметим также, что поскольку Р = Mw, то = Лнон =

Можно также принять, что момент инерции цилиндра якоря Ju пропорционален ОЧ, т. е. при I = aD Ja - caD, где с - коэффициент пропорциональности. Тогда

Ун. = саОи = caDlni\[0]i) = Js.nJ(цП. (LIS)

Электромеханическая постоянная времени Г == (aJ/M, где -- установившаяся скорость; У - приведенный момент инерции; действующий момент (обычна значение пускового момента двигателя). Тогда

Так как г lt;1, а / :э gt; 1; то Th lt;C;Tb, даже если учитывать в Ува только момент инерции двигателя и не учитывать приведенный момент инерции редуктора. Так, например, при тред = 0,7 и / = 27 пригИенение безредукторного привода в соответствии с приведенным выше выводом в 3-4 раза снизит значение Г . Существенно повышает надежность безредукторного привода еще и то обстоятельство, что при принятых соотношениях резко снижается линейная скорость на поверхности ротора. Действительно,

v = (Он gt; /2 = gt;вУ (J2i = v/jT ; (1.17)

в нашем примере =

0,89

0,1vb (при Ti = 0,7 и / = 27).

Напомним, что при выводе Г обычно исходят из предположения пуска ненагруженного привода. Намного реальней предположить пуск двигателя под нагрузкой хотя бы в нашем приближенном рассмотрении - при неизменяющемся со скоростью моменте сопротивления М. Тогда, сохраняя предположение о линейности механической характеристики двигателя, имеем при К,

П = ш laquo;

(1.18)

Для двигателей с кратностью пускового момента К =1,1 и 1,2 это означает соответственно увеличение в 11 и 6 раз реального значения в сравнении с обычно принимаемым, и снижение Г , которое дает безредукторный привод, становится особо ощутимым. В уже упоминавшихся выше моментных двигателях это обстоятельство учтено: К уск относительно велико. Причем здесь возникает интересное обстоятельство, связанное с уменьшением линейной скорости v на поверхности якоря, так как значительное повышение М (и соответственно пускового тока) у рассматриваемых машин постоянного тока ограничивалось условиями приемлемой коммутации, а реактивная ЭДС lt;? определяющая собой в основном характер коммутации, как известно, пропорциональна V и току якоря / (или линейной нагрузке А). При меньших скоростях и прочих равных условиях допустимо, таким образом, применять форсированный по току (и, следовательно, моменту) пуск практически до номинального значения скорости; в реальных условиях переменной форсировки это означает еще большее снижение времени пуска. На рис. 1.2 показан характерный график изменения тока / по условиям предельно допустимой коммутации моментного двигателя с номинальной частотой вращения 500 об/мин, добротность этого двигателя (отношение пускового момента к моменту инерции) составляет 4500 с .

Рассмотрим влияние электромеханической постоянной времени на регулирование скорости исполнительных электродвигателей.

Рис. 1.2- Зависимость тока от частоты вращения моментного двигателя

Рис. 1.3. Схема широтно-импульсного управления двигателем постоянного тока

ioo гоо 300 ч-оо 50о

п,о5/ман

В системах автоматического регулирования достаточно широкое распространение получил импульсный способ регулирования скорости электродвигателей. Положительными качествами такого способа являются простота управляющей аппаратуры, ее малый вес и габаритные размеры, довольно высокий КПД, достаточно широкий диапазон регулирования скорости. При импульсном способе управления частотой вращения изменение скорости достигается не за счет изменения мощности, непрерывно подводимой к электродвигателю, а за счет изменения времени, в течение которого к электродвигателю подается номинальная электрическая мощность. Иными словами, при импульсном регулировании электродвигатель питается последовательностью импульсов неизменного напряжения f/ , в результате чего его работа состоит из чередования процессов разгона и торможения.

На рис. 1.3 изображена [21] схема широтно-импульсного управления двигателем постоянного тока, диаграммы напряжения а якоре и тока якоря 4 при переключении транзисторов

2-3118

Т\, Ti и То, Тз попарно и в противофазе. Если периоды переклю чения транзисторов Г, как показано на графике U=f(t), малы по сравнению с электромеханической постоянной времени Г частота вращения двигателя п не успевает к концу каждого перио да достигать установившихся значений, то установится некоторое среднее значение п, которое при постоянных моменте нагрузки и напряжении питания будет однозначно определяться относи тельной продолжительностью включения т = г /Г, где t -дли тельность импульса.

Мгновенное значение частоты вращения при импульсном управлении будет непрерывно колебаться в определенных преде лах. При этом размах колебаний будет прямо пропорционален периоду следования импульсов Г и обратно пропорционален электромеханической постоянной времени Г . Среднее значение скорости изменяется примерно пропорционально относительной продолжительности импульсов, но для того, чтобы скорость вращения однозначно определялась величиной т, необходимо, чтобы в период отключения (т. е. в паузы длительностью Т-1 ) двига тель тормозился. Если это условие не будет выполняться, то скорость двигателя при любом значении т будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет максимального значения - скорости холостого хода, так как за время 4 скорость будет возрастать, а за время паузы оставаться неизменной. Среди электрических методов торможения наибольшее распространение получило динамическое торможение.

В принципе импульсный способ регулирования применим как для двигателей постоянного, так и для двигателей переменного тока. Но предпочтительным для двигателей переменного тока является частотное регулирование. Питание при этом осуществля ется от автономных инверторов напряжения или тока. Для реверсивных приводов с диапазоном регулирования скорости свыше 20:1 и для следящих приводов целесообразно применение инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, что позволяет обеспечить работу привода и в зоне низких скоростей, На рис. 1.4 [21] изображена схема транзисторного инвертора Применение полупроводниковых приборов как в управляющей ча сти схемы, так и в силовой, позволяет получить быстрое измене ние частоты на выходе инвертора. Но достаточно быстрое изменение скорости привода будет обеспечено лишь при малой электромеханической постоянной времени. Длительность переходного процесса при резком изменении частоты примерно пропорциональна Г - преимущества безредукторного электропривода с мень- шим значением Г здесь очевидны.

Представим приближенно привод в виде инерционного звен raquo; с постоянной времени Г .

Рассмотрим процесс нарастания скорости привода для режима, когда имеют место кратковременные импульсы (длительность*!

-9 1 t I

Ва 1

г, V

Рис. 1.4. Схема транзисторного инвертора

IB cf

о с д

f 9

Рис. 1.5. Зависимость скорости привода от времени

t lt;TJ, следующие друг за другом со значительным интервалом Тогда для режима разгона имеем-

(1.19)

При разложении в ряд выражения (1 - е У = t/T - - ( Г ) -j-... уже при / /Г :0,05 можно ограничиться

первым членом разложения с погрешностью примерно 2%. Тогда

(о,= ш Г/Т = (Оо-- lt;=Ш, (1.20)

где D = M/J - добротность привода.

Возможно, что принимаемые обычно значения добротнорти D 5000 с для приводных двигателей исполнительных механизмов, работающих в основном в режиме воздействия кратковременных импульсов, объясняются приведенным выше подходом.

В решении вопроса выбора частоты вращения электродвигателя для относительно низкоскоростного электропривода существенное значение имеет выбор режима работы, который часто рассматривают в общем контексте проблемы управления приводом.

Вопросы управления электроприводом широко освещены в научных и научно-технических изданиях в области следящих (Систем, включающих электропривод. Как уже указывалось выше, мы будем рассматривать лишь влияние некоторых, практически распространенных способов управления на определение типа электродвигателя, особенно с точки зрения его скоростных свойств, и воздействие выбора способа управления на всю систему в целом.