Механическая часть электропривода как объект управления

Полученные уравнения движения позволяют проанализировать динамические особенности механической части электропривода как объекта управления. Основой для анализа являются структурные схемы, вид которых определяется принятой расчетной схемой механической части. Для примера получим структурную схему для двухмассовой системы.

Для получения структурной схемы двухмассовой упругой механической системы продифференцируем третье уравнение системы (2.24)

(2.26)

Далее положим d/dt = р в уравнениях (2.24), описывающих двухмассовую упругую механическую систему, тогда

(2.27)

Данной системе уравнений соответствует структурная схема, представленная ниже.

Структурная схема двухмассовой упругой механической системы

Рис. 2.9. Структурная схема двухмассовой упругой механической системы

Структурная схема, приведенная на рис. 2.9, дает представление о механической части электропривода в виде двухмассовой упругой системы как объекте управления. Управляющим воздействием здесь является электромагнитный момент двигателя Л/, а возмущениями – моменты нагрузки Л/, и Л/„. Регулируемыми переменными могут быть скорости <у, и й)2, перемещения <р, и <р2, а также нагрузки упругой связи Л/12. Детальный анализ свойств двухмассовой механической упругой системы как объекта управления производится по передаточной функции системы, например частотным методом теории автоматического управления.

Свойства сил и моментов. Механические характеристики

Рассмотрим подробнее свойства сил и моментов, действующих на подвижные элементы. По характеру действия силы и моменты делят на активные и реактивные [7].

Активными называют силы или моменты, обусловленные внешними по отношению к элементу источниками механической энергии и действующие независимо от направления движения элемента. Так, активными будут силы или моменты, создаваемые в двигателе и прикладываемые к его подвижному элементу, входящему в механическую часть привода. В дальнейшем будем выделять эту группу активных сил или моментов, поскольку их формирование – важная функция электропривода. Активными могут быть силы и моменты статических нагрузок, обусловленные потенциальной энергией грузов, если при их перемещении есть вертикальная составляющая, энергией сжатых пружин, ветра, потока воды и т. л. Характерная особенность активных сил и моментов – независимость направления их действия от направления движения. Так, статический момент (Л/с), обусловленный весом груза, всегда, и при подъеме, и при спуске, направлен в одну сторону (характеристика 1' на рис. 2.10).

Реактивными называют силы и моменты, возникающие как реакция на движение и всегда направленные против движения. Характерным примером могут служить силы и моменты трения (характеристика в виде ломаной линии 1 на рис. 2.10): они всегда сопровождают движение и всегда противодействуют ему. Характеристика 1 относится к исполнительному органу производственного механизма, сопротивление при движении которого, создается, главным образом, силами трения. Поэтому такую характеристику' также называют характеристикой сухого трения.

Механические характеристики производственных механизмов

Рис. 2.10. Механические характеристики производственных механизмов

Реактивными являются силы и моменты, обусловленные неупругой деформацией или каким-либо разрушением материалов: резанием металла, деформацией слитка валками прокатного стана, разрушением горной породы ковшом экскаватора и т. п.

Силы и моменты, приложенные к рассматриваемым элементам, могут зависеть от времени, пространственной координаты, ее производных. При рассмотрении работы электрического двигателя, приводящего в действие производственный механизм, прежде всего, необходимо выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропривода необходимо изучить эти характеристики.

Зависимость между приведенными к валу двигателя угловой скоростью вращения и моментом сопротивления механизма называют механической характеристикой производственного механизма со =f(Mc). Рабочие машины и производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Аналитическое выражение, устанавливающее изменение статического момента сопротивления от угловой скорости, для большинства рабочих машин и механизмов может быть представлено следующей эмпирической зависимостью:

(2.28)

где Л/с – момент сопротивления производственного механизма при скорости со; М„ – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; Мсмт – момент сопротивления при номинальной угловой скорости вращения х – показатель, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении скорости.

Приведенное выражение позволяет классифицировать механические характеристики производственных механизмов ориентировочно па следующие основные категории [7]:

  • 1. Не зависящая от скорости механическая характеристика прямая (характеристики 1 и 1' рис. 2.10). При этом х = 0 и момент сопротивления не зависит от скорости. Такой характеристикой обладают, например, подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой перемещаемого груза, а также механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения, так как обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало.
  • 2. Линейно-возрастаюшая механическая характеристика (прямая 2 на рис. 2.10). В этом случае при х = 1 момент сопротивления изменяется прямо пропорционально угловой скорости. Такую характеристику имеют, например, следующие механизмы: пастоизготовите- ли, корнерезки, различные зерноочистительные машины, привод генератора постоянного тока с независимым возбуждением и др.
  • 3. Нелинейно-возрастающая (параболическая) механическая характеристика (кривая 3 на рис. 2.10). При х = 2 механическая характеристика имеет параболический характер, и момент сопротивления зависит от квадрата скорости. Механизмы, обладающие такой характеристикой, называют иногда механизмами с вентиляторным моментом, поскольку у вентиляторов момент сопротивления зависит от квадрата скорости. К механизмам, обладающим параболической механической характеристикой, относятся также центробежные насосы, гребные винты, сепараторы, молотильные барабаны при пуске их вхолостую.
  • 4. Нелинейно-спадающая механическая характеристика (кривая 4 на рис. 2.10). При этом х = – 1 и момент сопротивления Мс изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной. Такой характеристикой обладают, например, некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие металлорежущие станки, моталки в металлургическом производстве и т. п.

Эти характеристики не исчерпывают всех практически возможных случаев, но дают представление о характеристиках некоторых типичных производственных механизмов.

Механической характеристикой электрического двигателя называется зависимость его частоты вращения или угловой скорости от вращающего момента п =ДМ) или со =f(M).

Степень изменения скорости вращения с изменением момента у различных типов электродвигателей неодинакова. Величина, характеризующая это изменение, называется жесткостью механической характеристики (/?)

Понятие жесткости может быть применено и к механическим характеристикам производственных механизмов. Эти характеристики можно оценивать жесткостью

(2.30)

В случае нелинейной характеристики электродвигателя величина жесткости непостоянна и определяется в каждой точке как производная момента по угловой скорости. Линейные механические характеристики имеют постоянную жесткость.

Обычно на рабочих участках механические характеристики двигателей имеют отрицательную жесткость р < 0.

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на три основные категории в зависимости от жесткости (/3).

  • 1. Абсолютно жесткая характеристика (характеристика, у которой угловая скорость с изменением момента остается неизменной). Например, приведенная на рис. 2.11, механическая характеристика 1 синхронного двигателя.
  • 2. Жесткая механическая характеристика (характеристика, у которой угловая скорость с изменением момента хотя и падает, но в малой степени). Например, приведенные на рис. 2.11, естественная характеристика 2 двигателя постоянного тока независимого возбуждения и рабочая часть естественной механической характеристики 3 асинхронного двигателя.

Естественные механические характеристики двигателей

Рис. 2.11. Естественные механические характеристики двигателей

3. Мягкая механическая характеристика (характеристика, у которой с изменением момента угловая скорость значительно меняется). Например, приведенные на рис. 2.11, характеристика 4 двигателя постоянного тока последовательного и характеристика 5 двигателя постоянного тока смешанного возбуждения.

Механические характеристики, рассматриваемые в совокупности, определяют динамические силу или момент при любой скорости, т. е. ускорение. Благодаря этому легко найти зависимости скорости от времени в динамических режимах. Важное свойство механических характеристик состоит в том, что они связывают переменные, произведение которых определяет мощность: Р = Fv или Р = Мы.

Каждая точка механической характеристики однозначно определяет как интенсивность, так и направление передачи энергии. Из всех приведенных примеров следует, что положительный знак мощности характеризует поступление в элемент энергии от какого-либо внешнего источника, а отрицательный – ее расходование элементом на совершение работы, обусловленной влиянием внешних сил.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >