Для чего выполняется операция приведения в электроприводе

Кинематические схемы электрического привода. Приведение масс и моментов в электроприводах.

Элементы, образующие электропривод, связаны между собой и оказывают друг на друга определенное влияние, поэтому, анализируя характер движения того или иного элемента, необходимо учитывать взаимное влияние элементов друг на друга. Для того чтобы учесть это влияние, все силы, действующие в структуре электрического привода, приводятся к одной точке. Теоретически можно приводить к любой точке электропривода, но в теории электрического привода принято приводить все силы к валу двигателя. Такая операция называется приведением сил и масс, действующих в приводе, к валу двигателя, а все параметры называются приведенными. В процессе приведения вся кинематическая схема приводится к одному валу двигателя и называется эквивалентной схемой электропривода.

Кинематическая схема механизма подъема крана.

Эквивалентная схема электропривода.

Рассмотрим методику приведения параметров электрического привода к валу двигателя на примере кинематической схемы механизма подъема крана электродвигателя 1, имеющего момент инерции J_д, развивающий момент M, благодаря чему совершается вращательное движение со скорость ω. Это движение через редуктор 4 поступает на вал барабана 8 подъемной лебедки. Редуктор имеет шестеренки 5 и 6. Барабан вращается со скоростью ωб. В зависимости от направления вращения барабана трос 9 наматывается или сматывается с него, то есть совершает возвратно-поступательное движение. Трос соединяется с крюком 10, на котором закрепляется груз 11 с массой m. Груз перемещается со скоростью v_ро. 3 и 7 – это соединительные муфты. Муфта 3 снабжена механическим тормозом 2. В местах крепления валов в корпус редуктора и муфтах 3 и 7 будут воздушные зазоры. Учет влияния этих зазоров создает определенные трудности при расчете, поэтому сделаем допущение, что все элементы жесткие без зазоров. Сущность операции приведения состоит в том, что реальная схема механической части электропривода заменяется расчетной или эквивалентной. Основой эквивалентной и реальной схемы является электродвигатель 1. Эквивалентная схема учитывает влияние всех элементов на работу двигателя и в электроприводе называется эквивалентным жестким механическим звеном.

Источник

Тема 1.10. Основы электропривода.

В общем случае электропривод состоит из 4-х устройств:

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования рода тока, напряжения и частоты тока питающей сети и передачи преобразованных параметров сети в электрическую часть электропривода. Поэтому оно включается между питающей сетью и электрической частью электропривода.

Структурная схема электропривода

В качестве преобразовательных устройств используются:

для преобразования частоты тока – преобразователи частоты, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой, регулируемой частоты.

Рассмотрим поочередно преобразовательные устройства.

Выпрямители

На судах выпрямители применяют в электроприводах, использующих в качестве источника механической энергии двигатель постоянного тока. К таким электроприводам относятся (в оснвном на судах старой постройки):

якорно – швартовные механизмы – брашпили;

грузоподъёмные – грузовые лебёдки и краны;

гребные электрические установки, предназначенные для движения судна.

Мощность этих электродвигателей составляет десятки и сотни кВт.

Трансформаторы

Трансформаторы в судовых электроприводах, как правило, не применяются. Однако они нашли применение на берегу. Здесь от высоковольтных линий электропередач с напряжениями в сотни киловольт питаются предприятия с электроприводами напряжением 380В и 660В.

Преобразователи частоты

На судах статические тиристорные преобразователи частоты применяются в электроприводах переменного тока. К таким электроприводам относятся, в основном, грузоподъёмные тяжеловесные устройства и гребные электрические установки.

Электродвигательное устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую или, в некоторых системах судовых электроприводов (система генератор – двигатель), механической энергии в электрическую.

К электродвигательным устройствам относят электродвигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные ( переменно-постоянного тока ). Последние нашли на судах ограниченное применение, в основном, в электроприводах вентиляторов мощностью до 250…300 Вт.

Передаточное устройство предназначено для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу механизма.

К передаточным устройствам относят механические, гидравлические и другие передачи. Передаточные устройства применяют в грузоподъёмных, якорно-швартовных и рулевых механизмах. Например, в электроприводе грузовой лебёдки передаточным устройством является редуктор, расположенный между электродвигателем и грузовым барабаном лебёдки.

Простейшие по устройству электроприводы, например, вентиляторы и центробежные насосы, не имеют передаточного устройства, т.к. у них крылатка насажена непосредственно на вал электродвигателя.

Управляющее устройство предназначено для управления преобразовательным электродвигательным и передаточным устройствами. При помощи управляющего устройства задают необходимый режим работы всего электропривода, например, пуск, остановку, реверс, изменение скорости и др. Например, в электроприводе грузовой лебёдки управляющее устройство состоит из командоконтроллера (с рукояткой управления) и

станции управления, внутри корпуса, которой находятся коммутационные и защитные электрические аппараты – контакторы, реле, предохранители и др.

В сложных современных судовых электроприводах составной частью управляющего устройства являются бортовые компьютеры, которые получают информацию от задатчиков и датчиков обратной связи и вырабатывают сигналы управления в соответствии с заданными алгоритмами (программами).

При этом, в качестве задатчиков используются рукоятки управления тремя механизмами крана (подъём, поворот, стрела), связанные с потенциометрами, в качестве датчиков – большое количество чувствительных элементов, измеряющих вес груза, давление в системе гидравлики величину тока, определяющих положение рабочих органов перечисленных механизмов и многое другое.

Источник

Приведение статических моментов и усилий

Одной из главных тенденций развития систем электроприводов есть ни что иное, как переход к непосредственному сочленению приводной электромашины с рабочими механизмами без всякого рода промежуточных звеньев в виде редукторов, ременных и зубчатых передач.

Однако большая часть производственных машин требует относительно небольших скоростей вращения от 100 до 300 об/мин, в то время как электродвигатели, в целях экономичности, конструируют на скорости вращения 750 – 3000 об/мин. Да, есть частотное регулирование для приводов переменного тока и регулирования постоянного тока с помощью тиристорных электроприводов, но работа на малых скоростях не совсем хороша для самих электромашин, а также иногда не оправдана с экономической точки зрения, поэтому эти способы не подходят для длительных режимов работы электропривода. Для решения этой проблемы используют промежуточные звенья, такие как редукторы или различного рода передачи (ременная, зубчатая). Примером такого устройства может послужить обычная лебедка, которая состоит с электродвигателя и барабана, который соединяется с электродвигателем с помощью зубчатой передачи как показано ниже:

Для решения уравнения движения данной системы необходимо было бы рассмотреть уравнения движения каждого механизма отдельно, а также учесть их взаимное влияние друг на друга. Такой подход существенно затруднил бы решение задачи. Для упрощенных математических вычислений систему, состоящую из электродвигателя, рабочей машины, передач, заменяют простейшей – приведенной системой. Приведенная система зависит от удобства рассмотрения вопроса и может состоять из одного элемента, который вращается со скоростью электромашины, либо какого – нибудь другого органа рабочей машины или, наоборот, состоять из элемента, который движется поступательно со скоростью соответствующего элемента машины. При приведении системы статические и движущиеся моменты и силы пересчитываются таким образом, чтобы полученные в ходе приведения системы сохранились динамические и кинетические свойства преобразуемой системы.

При приведении к простейшему виду возможны такие случаи:

В первую очередь приведение системы предусматривает приведение моментов и сил. Для упрощения потери, которые возникают в передаточных механизмах двигатель – рабочий механизм не учитываются.

Рассмотрим приведение момента механизмов М_м к валу электромашины на простейшем примере, состоящим из рабочего органа и электродвигателя, соединенных одноступенчатой передачей (см. рисунок выше). Пренебрегая потерями в передаточном звене получим:

Где: М_с и М_м – статические моменты механизма, приведенные к валу электродвигателя и на его валу соответственно;

ω_д, ω_м – соответствующие угловые скорости;

Отсюда получаем приведенный статический момент:

Где: — передаточное число от двигателя к машине.

Если между электрической машиной и рабочим механизмом находится несколько передач с передаточными числами , тогда получим:

В случае, когда приводится поступательное движение к поступательному, приведенное статическое усилие будет таким:

В случае необходимости определить приведенный к валу двигателя статический момент М_с в случае когда производится поступательное движение рабочего органа под воздействием силы F_м на основе равенства мощностей двух указанных движений получим:

Источник

Нефть, Газ и Энергетика

Блог о добычи нефти и газа, разработка и переработка и подготовка нефти и газа, тексты, статьи и литература, все посвящено углеводородам

Установившееся движение электропривода

УСТОЙЧИВОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ

Условием установившегося вращательного движения является равенство моментов двигателя и приведенного момента нагрузки М=М_С. Проверка выполнения этого условия обычно осуществляется графически с помощью механических характеристик двигателя и исполнительного органа.

Механической характеристикой двигателя вращательного движения называется зависимость угловой скорости его вала от развиваемого им момента w (М). Для двигателя поступательного движения механическая характеристика представляет собой зависимость скорости двигателя от развиваемого им усилия u ( F ). Различают естественную и искусственные характеристики двигателей.

Естественной называется механическая характеристика двигателя, которая соответствует основной схеме включения двигателя, номинальным параметрам питающего напряжения и отсутствию в электрических цепях двигателя дополнительных элементов. На рис. 1.3 показаны естественные характеристики наиболее распространенных двигателей

Рис. 1.3. Естественные механические характеристики двигателей

Рис. 1.4. Механические характеристики исполнительных органов

вращательного движения: 1 ‑ двигателя постоянного тока независимого возбуждения; 2 ‑ двигателя постоянного тока последовательного возбуждения; 3 ‑ асинхронного двигателя; 4 ‑ синхронного двигателя.

Искусственные или, как их еще часто называют, регулировочные характеристики получаются в том случае, когда изменяются параметры питающего двигатель напряжения или в цепи обмоток двигателя вводятся дополнительные элементы (резисторы, конденсаторы и т. д.), а также при включении двигателя по специальным схемам. Искусственных характеристик у двигателя может, быть много.

По аналогии с двигателем механической характеристикой исполнительного органа рабочей машины называется зависимость скорости его движения от момента или усилия, т. е. зависимость w _и,о (М_и,о) или u _и,о ( F _и,о )- На рис. 1.4 показаны приведенный к валу двигателя механические характеристики w ( М_с) некоторых исполнительных органов, полученные в результате выполнения операции приведения М_и,о или F _и,о (1.5)—(1.8).

Характеристика в виде вертикальной прямой линии 1 соответствует различным подъемным механизмам. Ее отличительной особенностью является неизменное направление момента нагрузки М_с. Такие моменты называют активными, они создаются за счет действия различных потенциальных сил ‑ силы тяжести, упругой деформации тел и т. д. Активные моменты при одном направлении движения (подъем груза) оказывают противодействие этому движению, а при другом (спуск груза) ‑ способствуют ему.

Кривая 3 характеризует момент нагрузки вентиляторов, центробежных компрессоров, дымососов, который обычно пропорционален квадрату скорости. Характеристики вида 3 часто называют вентиляторными.

Характеристикой вида 4, близкой к гиперболической зависимости, обладают механизмы главного движения токарных и фрезерных станков, различные наматывающие устройства.

Отметим, что показанные на рис. 1.3 характеристики представляют собой некоторые идеализированные, теоретические характеристики. Реальный момент нагрузки определяется, как правило, одновременно несколькими составляющими, в силу чего механические характеристики исполнительного органа имеют более сложный вид.

Для оценки крутизны механической характеристики двигателя вводится понятие жесткости, которое определяется как

Наряду с понятием механическая характеристика в теории электропривода широко используется понятие электромеханическая характеристика электропривода, под которой понимается зависимость скорости электропривода от тока электродвигательного устройства.

Для полного анализа установившегося движения необходимо определить, является ли это движение устойчивым. Устойчивым будет такое установившееся движение, которое, будучи выведенным из установившегося режима каким-то внешним возмущением, возвращается в этот режим после исчезновения возмущения. В остальных случаях движение будет неустойчивым. Иллюстрацией устойчивости движения может служить положение равновесия шарика на поверхности: устойчивое на рис. 1.6, а и неустойчивое на рис. 1.6, б.

Для определения устойчивости движения удобно вое пользоваться механическими характеристиками.

Оценим в качестве примера (рис. 1.7) устойчивость движения электропривода с асинхронным двигателем АД, приводящим в движение исполнительный орган с вертикальной механической характеристикой ИО. Установившееся движение возможно с двумя скоростями: w _уст1 в точке 1 и w _уст2 в точке 2, в которых М=М_с. Определим, устойчиво ли движение в обоих точках.

Для рассматриваемого примера b _с =0, поэтому устойчивость определяется знаком жесткости характеристики АД b : для точки b 2 b >0 и движение неустойчиво. Отметим, что в соответствии с (1.24) при определенной жесткости b _с устойчивая работа электропривода возможна и при положительной жесткости механической характеристики АД, в частности на так называемом нерабочем участке характеристики АД.

Источник

2 Операция приведения и схема замещения

Тема: Операция приведения и схема замещения. Режим и опыт холостого хода трансформатора

2.1. Операция приведения трансформатора

2.2. Схемы замещения трансформатора

2.3. Режим холостого хода однофазного трансформатора. Опыт холостого хода

Рекомендуемые файлы

2.1. Операция приведения трансформатора

Первичные и вторичные токи, напряжения и другие величины имеют в общем случае разный порядок, если у первичной и вторичной обмоток число витков не одинаково. Кроме того, между обмотками трансформатора нет электрической связи (за исключением автотрансформаторов), что затрудняет его расчет. Рассмотрим поэтому вместо реального трансформатора приведенный трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого имеют одинаковое число витков.

В этом случае реальная вторичная обмотка трансформатора с числом витков w₂ заменяется приведенной, обмоткой с числом витков . Таким образом, число витков вторичной обмотки изменится в k раз. Величина k называется коэффициентом приведения, очевидно, что он равен коэффициенту трансформации, а сама операция – операцией приведения.

В результате операции приведения ЭДС и напряжение приведенной обмотки также изменится в k раз.

(2.1)

Необходимо учитывать, что приведенный трансформатор должен иметь ту же мощность, что и реальный, т.е. , тогда:

, (2.2)

где — приведенный второй ток. Отсюда следует, что

. (2.3)

С учетом изложенного, МДС приведенной и реальной обмоток равны:

. (2.4)

Так как приведенная обмотка имеет в k раз больше витков, и из условия равенства потерь в реальной и приведенной обмотках, активное сопротивление в k 2 раз больше, чем реальной, т.е.:

. (2.5)

Из условия равенства реактивных мощностей реальной и приведенной вторичной обмотки найдем ее приведенное реактивное сопротивление.

. (2.6)

Приведенное полное сопротивление вторичной обмотки будит равно:

. (2.7)

Приведенное полное сопротивление нагрузки найдем как:

. (2.8)

Тогда уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора запишется следующим образом:

Все энергетические и электромагнитные соотношения в приведенном и реальном трансформаторах одинаковы. Таким образом, полученные уравнения позволяют осуществить аналитическую связь между параметрами трансформатора, что существенно облегчает расчеты.

2.2. Схемы замещения трансформатора

Для облегчения расчёт трансформатора и исследования, происходящих в нём электромагнитных процессов часто используют его электрическую схему замещения. Её получают из эквивалентной схемы трансформатора.

Рис. 2.1. Эквивалентная схема трансформатора

Действительно, в данном случае рассматривается приведённый трансформатор, поэтому точки и e, а также F и f на рис.2.1 можно объединить, т.к. = и эти точки будут иметь одинаковый потенциал. Кроме того, к электрической схеме замещения трансформатора можно прийти, решая совместно уравнения напряжений и токов для приведённого трансформатора, тогда

. (2.10)

В результате можно получить Т-образную схему замещения трансформатора.

Рис. 2.2. Т-образная схема замещения трансформатора

2.3. Режим холостого хода однофазного трансформатора. Опыт холостого хода

Изучение работы трансформатора под нагрузкой основывается на изучении двух предельных режимов его работы холостого хода и короткого замыкания.

Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводится напряжение, а вторичная обмотка разомкнута, т. е. вторичный ток равен нулю. Под коротким замыканием трансформатора понимают такой режим работы, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко и вторичное напряжение равно нулю.

Изучение режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора важно в двух отношениях. Во-первых, можно рассматри­вать любой нагрузочный режим трансформатора как промежуточный между двумя предельными режимами его работы и получить этот нагрузочный режим путем наложения одного предельного режима на другой, например режима короткого замыкания на режим холостого хода. В этом состоит теоретическая ценность этих режимов.

Во-вторых, холостой ход и короткое замыкание трансформатора позволяют определить ряд величин, имеющих весьма важное значе­ние для эксплуатации трансформатора. Так, например, чтобы опре­делить одну из важнейших эксплуатационных величин трансформа­тора – его к. п. д. – нужно располагать потерями при холостом ходе трансформатора и при его коротком замыкании. В этом состоит практическая ценность указанных предельных режимов.

Изучение режима холостого хода позволяет определить расчет­ным или опытным путем следующие характерные для трансформа­торов величины: потери холостого хода, ток холостого хода и коэффициент трансформации.

Рассмотрим уравнения напряжений и э.д.с. при холостом ходе трансформатора. Пусть к зажимам А-X первичной обмотки трансформатора (рис.2.3) приложено напряжение u₁, синусоидально изменяющееся во времени с частотой f. Зажимы вторичной обмотки а-х, согласно условию, разомкнуты. Под действием напряжения по первичной обмотке трансформатора течет ток i₀, называемый током холостого хода. Этот ток создает намагничивающую силу где — количество последовательно соединенных между собой витков первичной обмотки.

Намагничивающая сила вызывает появление магнитного потока, большая часть которого замыкается по стали сердечника (линия 1) и, будучи сцеплена с обоими обмотками трансформатора, обра­зует основной магнитный поток . Другая, значительно меньшая часть потока, замы­кается главным образом вне сердечника и сцепляется только с первичной обмот­кой. Эта часть потока образует первичный поток рассеяния: он показан на рис. 1 линиями 2 и 3; к этому же потоку могут быть отнесены и линии 4 и 5, частично сцепленные со вторичной обмоткой.

Рис. 2.3. Магнитный поток при холостом ходе

Основной поток наводит в первичной обмотке основную э. д. с. е₁ и во вторичной обмотке э. д. с. е₂. Поток рассеяния создает э. д. с. е рассеяния только в первичной обмотке. Первичная об­мотка имеет активное сопротивление r₁, при протекании по этой обмотке тока напряжение на активном сопротивлении равно .

При выяснении зависимости между величинами, определяю­щими режим холостого хода трансформатора, исходят из второго закона Кирхгофа, согласно которому сумма подведенного к первич­ной обмотке трансформатора напряжения и э. д. с. в ней в любой момент времени равны напряжению на активном сопротивлении этой обмотки, т. е.

. (2.11)

При переходе от мгновенных значений э. д. с. к действующим, необходимо полученное равенство записать в виде суммы векторов, т. е.

(2.12)

При холостом ходе силового трансформатора величина обычно не превышает 0,5% от . На этом основании ею можно пре небречь, и тогда

. (2.13)

т. е. при холостом ходе трансформатора подведенное к его обмотке напряжение u₁ уравновешивается практически только э.д.с. e₁, создаваемой в этой обмотке основным магнитным потоком.

Упрощенная векторная диаграмма напряжений и э.д.с. в соответствии с уравнением (2.13) представ­лена на рис.2.4, а. При необходимости может быть учтено напряжение на активном сопротивлении обмотки и э. д. с. е, вызванная потоком рассеяния первичной обмотки. Вектор совпадает по направлению с вектором , а вектор отстает от вектора на . Согласно уравнению (2.12), для того чтобы получить вектор необходимо произвести сложение векто­ров , и . Полная векторная диаграмма напряжений и э. д. с. трансформатора в режиме холостого хода приведена на рис.2.4, б.

При холостом ходе трансформатор не совершает полезной работы, поэтому подведенная мощность Р₀ затрачивается только на покры­тие потерь холостого хода, которые состоят из потерь в первичной обмотке Р_Э1, основных потерь в стали Р_с и добавочных потерь холостого хода Р_д. В силовых трансформаторах потерями Р_Э1 можно пренебречь, с этим видом потерь следует считаться только в трансформаторах малой мощности (до 100 В·А). Таким образом, мощность холостого хода практически равна только потерям в стали, т. е.

В последнее время широко применяется холоднокатаная трансформаторная сталь, обла­дающая, по сравнению с горячекатаной трансформаторной сталью, лучшими магнитными характеристиками в направлении проката стального листа, но худшими в направлении поперечном прокату. Поэтому при сборке сердечника применяются особые приемы, не­сколько более сложные и трудоемкие. Кроме того, холоднокатаная сталь дороже горячекатаной, но в целом она позволяет получить транс­форматор меньшего веса и меньших габаритов, что особенно ценно в трансформаторах большей мощности.

В трансформаторе частота перемагничивания сердечника равна частоте приложенного напряжения и является величиной неизмен­ной, поэтому потери в стали зависят только от амплитудного значения В_m индукции во второй степени. Так как в выполненном трансформаторе сечение Q сердечника не подвергается изменению, то В_m = Ф_0m/Q зависит только от Ф_0m.

Амплитуда магнитного потока про­порциональна действующему значению э. д. с.

; (2.15)

, (2.16)

т. е. основные потери в стали трансформатора пропорциональны э. д. с. во второй степени.

Добавочные потери холостого хода возникают:

— в стали, вслед­ствие изменения структуры листов при механической обработке;

— в местах стыков и в местах расположения шпилек вследствие нерав­номерного распределения индукции;

— в конструктивных деталях от потоков рассеяния и в изоляции трансформаторов высокого напря­жения.

Добавочные потери холостого хода не поддаются точному рас­чету. Исследования показывают, что в сердечниках трансформаторов из горячекатаной стали добавочные потери холостого хода зна­чительно возрастают при индукции свыше 1,5 Тл. При индукции 1,45÷1,47 Тл эти потери составляют 15÷20% от основных по­терь Р_ос.

По сравнению с номинальной мощностью трансформатора мощ­ность холостого хода Р₀ невелика, и тем не менее она имеет очень важное эксплуатационное значение. Это объясняется тем, что потери в стали почти не зависят от нагрузки трансформатора, т. е. они имеют место все время, пока трансформатор включен на сеть, независимо от того, нагружен трансформатор, или он работает вхолостую. Так как сило­вые трансформаторы отключаются от сети только в редких случаях и трансформация электроэнергии обычно происходит в несколько ступеней, то потери в стали, если не принять мер к их ограничению, могут существенно ухудшить работу энергосистемы.

Источник