Электрический привод: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Электрический привод Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины Задание на контрольную работу

Факультет энергетический Направления и специальности подготовки дипломированного специалиста: 654500 - электротехника, электромеханика и электротехнологии 180100 - электромеханика 180200 - электрические и электронные аппараты 650900 - электроэнергетика 100400 - электроснабжение Специализация 100401 - электроснабжение промышленных предприятий Направление подготовки бакалавра 551300 - электротехника, электромеханика и электротехнологии

Санкт-Петербург 2005

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 62-83(07) Электрический привод: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины, задание на контрольную работу.- СПб.: СЗТУ, 2005.25с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированного специалиста 654500 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (специальности 180100 – «Электромеханика», 180200 – «Электрические и электронные аппараты»), 650900 – «Электроэнергетика» (специальность 100400 - «Электроснабжение», специализация 100401 - «Электроснабжение промышленных предприятий») и направлению подготовки бакалавра 551300 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Методический сборник содержит рабочую программу, методические указания к изучению дисциплины, тематический план лекций и практических занятий, задание на контрольную работу. В рабочей программе рассмотрены вопросы механики электропривода, электромеханических свойств электроприводов постоянного и переменного токов, выбора мощности двигателей, а также электроприводы механизмов различного назначения. Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации производственных процессов 16 февраля 2005 г., одобрено методической комиссией факультета технологий и автоматизации управления в машиностроении 28 февраля 2005 г. Рецензенты: кафедра автоматизации производственных процессов СЗТУ (зав. кафедрой А.А. Сарвин, д-р техн. наук, проф.); В.М.Шестаков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой электротехники, вычислительной техники и автоматизации Санкт-Петербургского института машиностроения (завод ВТУЗ) Составитель В.В. Иванов, канд. техн. наук, доц. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005 2

Предисловие Целью данной дисциплины является получение студентами навыков создания и эксплуатации систем автоматизированного электропривода, электрической части систем комплексной механизации и автоматизации промышленных установок. Студенты должны овладеть знаниями основ автоматизированного электропривода, его свойств, основных направлений развития, автоматического управления электроприводами. Задачи изучения данной дисциплины: овладение конкретными методическими расчетами параметров цепей электропривода, выбора мощности электродвигателей схем и устройств управления режимами работы, принципами построения систем управления электроприводами. В результате изучения дисциплины студенты должны приобрести навыки расчета и проектирования систем электроприводов для различных промышленных механизмов, подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин. Дисциплина базируется на курсах: «Высшая математика», «Физика», «Электротехника», «Электромеханика», «Электрические машины», «Электрические и электронные аппараты".

1. Содержание дисциплины 1.1. Рабочая программа (объем дисциплины спец. 180100, 180200 - 150 часов, спец. 100400 - 110 часов.) Введение [1], с. 5…15; [2], с. 5…26 Определение электропривода. Функции электропривода и требования к нему. Классификация электроприводов. Краткий исторический обзор развития электропривода. Современное состояние теории и практики автоматизированного электропривода.

3

1.1.1. Механика и принципы построения автоматизированного электропривода [1], с. 16…58; [2], с. 93…102; [3], с. 14…21 Параметры элементов кинематических цепей подъемно-транспортных механизмов. Жесткость и податливость элементов привода. Уравнение движения электропривода. Понятие об установившемся режиме и переходных процессах. Определение приведенного к валу двигателя момента статического сопротивления и момента инерции. Приведение моментов от вращательного движения к поступательному и от поступательного к вращательному. Механические характеристики и энергетические режимы. Оптимизация передаточного числа редуктора. Регулирование скорости электроприводов. Регулирование тока и момента двигателей. Регулирование положения электроприводов. Режим работы электроприводов. Общие принципы построения систем управления электроприводами. 1.1.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока независимого, последовательного и смешанного возбуждения [1], с. 59…148, 175…193; [2], с. 48…132; [3], с. 47…104 Естественная и искусственные характеристики. Пуск и реверсирование двигателя. Пуск непосредственным включением в сеть, с сопротивлением в цепи якоря. Потери энергии при пуске. Реверсирование двигателя на ходу и с остановкой. Регулирование скорости вращения двигателя изменением подводимого напряжения, введением сопротивления в цепь якоря, изменением магнитного потока. Методы изменения подводимого напряжения. Импульсный режим работы двигателя. Потенциометрический метод включения двигателя. Механические характеристики при шунтировании якоря. Электрическое торможение: торможение противовключением, динамическое торможение, торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное). 1.1.3. Электроприводы переменного тока с асинхронными и с синхронными двигателями [1], с. 193…296; [2], с. 74…93, с. 141…206; [3], с. 106…189 Механические характеристики асинхронного двигателя. Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором. Пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей путем переключения со звезды на треугольник. Автотрансформаторный способ 4

пуска, пуск введением в цепь статора активного и индуктивного сопротивлений. Регулирование скорости асинхронных двигателей изменением числа пар полюсов, изменением частоты тока, введением резисторов в цепь ротора, при помощи дросселей насыщения в цепи статора. Асинхронный электропривод для получения низких скоростей. Электрическое торможение: генераторное торможение, с отдачей энергии в сеть, торможение противотоком или противовключением, динамическое торможение. Сельсины, схемы включения, режимы работы. Механическая характеристика синхронного двигателя. Привод с магнитными усилителями. Каскадные схемы. Тиристорный привод переменного тока. 1.1.4. Энергетические характеристики и выбор мощности привода [1], с. 350…407; [2], с. 325…387; [3], с. 197…243 Режимы работы приводов. Особенности режимов. Воспроизведение заданного скачкообразного управляющего воздействия. Режим воспроизведения заданной траектории при ограничениях: ускорения, ускорения и производной от ускорения, скорости и ускорения. Уравнение кривой нагрева и охлаждения двигателей, постоянная времени нагрева, нагрев и охлаждение двигателя при различных режимах работы. Выбор мощности двигателя для различных режимов работы.

1.1.5. Аппаратура управления и защиты электроприводов [2], с. 394…424; [3], с. 244…306 Общие сведения и требования к аппаратуре. Назначение и классификация. Особенности процессов коммутации в цепях переменного и постоянного токов, включение и отключение двигателей, износостойкость контактных систем, работа их в повторно-кратковременном режиме, основные параметры электрических аппаратов. Рубильники, пакетные выключатели, кнопочные ручные пускатели. Силовые кулачковые контроллеры. Назначение, конструкция и особенности выбора. Командоконтроллеры: назначение и классификация. Контактные и сельсиновые командоконтроллеры. Пульты управления, электромагнитные пускатели. Выбор контакторов. Реле. Классификация и назначение. Электромагнитные реле тока и напряжения, промежуточные реле, герконы. Электромагнитные и пневматические реле времени с часовым механизмом, моторные и полупроводниковые. 5

Основные рекомендации по использованию, эксплуатации и расположению электрооборудования. Питание электроприводов и обеспечение электробезопасности. Общие условия защиты электрооборудования от аварийных ситуаций. Плавкие предохранители. Реле защиты от перегрузок. Автоматы. Максимальная защита, минимальная защита. Защитные панели. Максимальные реле и схемы их включения в защитные панели. Ограничение предельных положений перемещения. Блокировочные цепи в схемах управления приводами. 1.1.6. Автоматическое управление электроприводами [2], с. 462…505, 522…544; [3], с. 307…401 Принципы управления пуском и торможением двигателей постоянного тока. Управление двигателями постоянного тока в функции времени и в функции пути. Принципы управления пуском и торможением двигателей переменного тока. Управление двигателями переменного тока в функции времени и функции пути. Управление двигателями в системе Г — Д и ТП — Д. Структура с суммирующим усилителем, многоконтурные системы подчиненного регулирования. Микропроцессорное управление электроприводами. 1.1.7. Электропривод общепромышленных механизмов [4], с. 5…128 , с. 150…175 Общие сведения о режимах циклического действия. Требования, предъявляемые к электродвигателям машин циклического действия. Электропривод крановых механизмов. Характеристика и параметры электродвигателей. Особенности расчета статических режимов крановых механизмов горизонтального, вертикального и наклонного перемещения грузов. Расчет мощности электроприводов перемещения тележки, перемещения механизмов поворота и подъема крана. Электромагнитные приводы тормозных устройств. Тормозные электромагниты постоянного и переменного токов, выбор тормозных электромагнитов. Электропривод подъемников. Особенности расчета мощности двигателей лифтов с учетом противовеса. Системы электроприводов лифтов, влияние скорости, ускорения и производной от ускорения на выбор системы электропривода лифта.

6

Основные требования, предъявляемые к электроприводам подъемнотранспортных машин непрерывного транспорта и ПТС. Системы электропривода машин непрерывного транспорта: конвейеров, элеваторов, канатных монорельсовых дорог, эскалаторов, перегрузочных устройств. Особенности расчета и выбора систем электроприводов.

1.2. Объем аудиторной нагрузки и виды контроля Специальность 100400

Формы Лекции Практ. Лаб. Контр. обучен. занятия работы работы Очнозаочная 16 12 1 100400 Заочная 16 8 1 180100, Очнозаочная 180200 16 12 12 1 180100,180200 Заочная 12 4 12 1

Зачёт Экзамен

-

1 1

1 1

1 1

-

1.3. Тематический план лекций N п/п 1 2 3 4

5

Объём, часов 180100,180200 100400 ОчноЗаочн. ОчноЗаочн. заочн. заочн.

Темы лекций Механика электропривода Электроприводы постоянного тока Электроприводы переменного тока Принципы автоматического управления электроприводами Электроприводы промышленных механизмов

7

2

-

2

2

4

4

4

4

4

4

4

4

2

2

2

2

4

2

4

4

1.4. Темы практических занятий (спец. 180100, 180200) Объем, часов № п/п

1

2

Темы практических занятий

Очнозаочн.

Заочн.

Расчет и построение механических характеристик двигателей постоянного и переменного токов

6

2

Выбор мощности электродвигателей для разных режимов работы (продолжительный, повторно-кратковременный)

6

2

1.5. Перечень лабораторных работ N п/п

1

2 3 4

Объём, часов Темы лабораторных работ

Спец. 180100,180200

Исследование механических характеристик электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения Исследование электромеханических свойств асинхронного электропривода Исследование вентильного электропривода постоянного тока Исследование схемы управления пассажирским лифтом

8

Спец. 100400

Очнозаочн.

Заочн.

Очнозаочн.

Заочн.

4

4

4

2

4

4

4

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2. Библиографический список 1. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод.- М.: Электропривод, 1986. 2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода.- М.: Энергоатомиздат, 1981. 3. Москаленко В.В. Электрический привод. – М.: Высш. школа, 1991. 4. Есаков В.П. Электрооборудование и электропривод промышленных установок. – Киев: Вища школа, 1981.

3. Методические указания к изучению дисциплины Введение Начиная проработку этого материала, необходимо усвоить, что понимается под современным электроприводом, и изучить историю его развития. При этом рекомендуется обратить внимание на исторический переход от группового электропривода к одиночному и, наконец, к современному многодвигательному и автоматизированному электроприводу, всесторонне оценив преимущества последнего. Важно также уяснить, как сказывается влияние электропривода на производительность труда и себестоимость выпускаемой продукции. В этой связи целесообразно рассмотреть и перспективы, которые намечаются в процессе развития современного автоматизированного электропривода.

3.1. Механика и принципы построения автоматизированного электропривода Элементы механической части привода механически связаны друг с другом и образуют единую кинематическую цепь от двигателя к исполнительному органу. Каждый элемент имеет свою скорость движения и характеризуется моментом инерции или массой, а также действующими на него моментами или силами. Механическое движение элементов электропривода описывается с помощью законов механики. При изучении этой темы следует обратить внимание на то, что поведение электропривода в различных режимах его работы может быть охарактеризовано основным уравнением движения, при изучении которого необходимо усвоить принципы приведения статических моментов и сил сопротивления, масс и 9

моментов инерции к одному элементу, например к валу двигателя. При этом надо помнить, что в большинстве случаев привод работает с практически постоянным моментом инерции. Однако иногда момент инерции в значительной степени зависит от угла поворота вала двигателя. При этом уравнение движения привода усложняется. Основное уравнение движения позволяет решить широкий круг вопросов, связанных с поведением электропривода в переходных режимах, поэтому следует обратить внимание на методы решения этого уравнения. Сначала надо остановиться на случае постоянного динамического момента. При изучении более сложных случаев необходимо усвоить основные графические и графоаналитические методы (пропорций или площадей) определения зависимости скорости от времени. При проектировании электроприводов часто приходится решать задачу выбора оптимального передаточного числа редуктора, связывающего двигатель с производственным механизмом. Изучая данный вопрос, следует учесть, что в учебниках для определения оптимального передаточного числа приведена формула, полученная из условия независимости момента инерции от номинальной скорости двигателя. В действительности же при определенной мощности двигателя момент инерции изменяется в зависимости от скорости. При изучении данной темы важное значение имеет вопрос о механических характеристиках электродвигателей и производственных механизмов. Вид механической характеристики электродвигателя, в особенности в нерегулируемом приводе, где работа осуществляется на его естественной характеристике, имеет важное значение при проектировании электропривода. При заданной механической характеристике производственного агрегата правильный выбор механической характеристики двигателя в основном определяет рациональность выбранной конструкции электропривода. При рассмотрении вопроса об установившемся движении электропривода необходимо определить, является ли это движение устойчивым. При этом надо помнить, что 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. При рассмотрении принципов построения автоматизированного электропривода необходимо усвоить, каким образом электропривод обеспечивает требуемый характер движения различных исполнительных органов. Для этого целесообразно рассмотреть структуру механической части привода, включающую в себя двигатель и механическое передаточное устройство и исполнительный орган. Анализируя структуру, можно назвать два возможных способа регулирования скорости: механический и электрический. Следует помнить, что проблема регулирования скорости электроприводов имеет большое значение. Применение регулируемых электроприводов позволяет наиболее полно удовлетворять требованиям технологического процесса и тем самым обеспечивать высокое качество выпускаемой продукции. 10

Изучая данный материал, необходимо уяснить, что регулирование скорости — это принудительное изменение скорости электропривода в соответствии с требованиями технологического процесса. Понятие регулирования скорости нельзя смешивать с естественными изменениями скорости привода, происходящими под влиянием изменения величины момента сопротивления нагрузки, которое обусловлено электромеханическими свойствами электропривода. Основными показателями, характеризующими различные способы регулирования скорости электроприводов, являются: диапазон регулирования, направление, плавность, стабильность работы при заданной скорости, предельно допустимая нагрузка при различных скоростях. Рассматривая эти показатели, особое внимание следует обратить на экономичность регулирования скорости, которая характеризуется капитальными затратами на создание электропривода и его эксплуатацию. Важно знать, что наряду с регулированием основной выходной координаты электропривода — скорости — очень часто требуется регулировать и момент двигателя. Такая необходимость возникает при регулировании ускорения исполнительного органа (например, лифтов, экскаваторов, конвейеров), ограничения тока и момента двигателя (например, в режиме стопорения), регулировании натяжения обрабатываемого материала. Основным показателем регулирования тока и момента является точность. Типовая характеристика при регулировании тока и момента в замкнутой системе часто называется экскаваторной, поскольку именно такой вид характеристики необходим для экскаватора, рабочие механизмы которого часто работают на упор. Необходимость регулирования положения исполнительных органов в пространстве или, как говорят, их позиционирования возникает для многих рабочих машин и механизмов. К ним относятся подъемно-транспортные машины, механизмы подач станков, роботы и манипуляторы и т. д. При рассмотрении режимов работы электроприводов необходимо изучить два — установившийся и переходный. Установившийся режим характеризуется тем, что все механические координаты (переменные) электропривода не изменяются во времени. Математическим условием этого режима является равенство нулю всех производных механических координат. Переходный (или динамический) режим имеет место, когда хотя бы одна из производных механических координат электропривода отлична от нуля. Переходные процессы возникают в результате воздействия на электропривод различных возмущений. Типовыми переходными процессами являются пуск, реверс, торможение, сброс, наброс нагрузки, регулирование скорости. Необходимо усвоить основные принципы построения систем управления электроприводами: разомкнутые системы; замкнутые системы, построенные по принципу обратной связи; замкнутые системы, построенные по принципу компенсации возмущения; комбинированные замкнутые системы.

11

3.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока независимого (ДПТ НВ), последовательного (ДПТ ПВ) и смешанного (ДПТ СВ) возбуждения При проработке этой темы особое внимание необходимо уделить графическому построению естественной механической характеристики по каталожным данным. При изучении механических характеристик следует знать их аналитическое выражение и представлять себе, какие параметры влияют на скорость ДПТ НВ и как это объясняется физически. Важно изучить режимы работы ДПТ НВ—двигательный и генераторный (тормозные), научиться правильно их определять, строить соответствующие им механические характеристики. Изучение способов регулирования скорости ДПТ НВ обычно не вызывает особых затруднений. Основное внимание следует уделить регулированию скорости при помощи резисторов в цепи якоря, изменению магнитного потока и подводимому к якорю двигателя напряжению. При изучении электроприводов с ДПТ НВ, питание которых осуществляется от преобразовательных установок (системы преобразователь— двигатель, источник тока— двигатель), следует обратить внимание на общность выражений механических характеристик и на особенности этих характеристик при питании двигателей от различных преобразователей. При этом важно помнить, что широкое применение различных обратных связей — характерная особенность современных автоматизированных электроприводов различного назначения — является необходимым для дальнейшего понимания принципов формирования разнообразных искусственных характеристик. Изучая способы пуска и торможения ДПТ НВ, необходимо усвоить методы расчета пусковых и тормозных сопротивлений. Наиболее простым и наглядным является графический метод расчета, согласно которому величины пусковых и тормозных сопротивлений определяются по отрезкам, лежащим на вертикали соответствующего момента. Помимо графического метода расчета существуют аналитические методы, в ряде случаев успешно дополняющие первый. Рассматривая переходные процессы в электроприводах с ДПТ НВ в системе преобразователь—двигатель, надо отметить основную особенность этих процессов — широкие возможности для их формирования, т.е. для получения заданных (оптимальных) законов изменения во времени тока, момента, скорости и угла поворота вала ДПТ. При изучении ДПТ ПВ следует помнить, что основной особенностью ДПТ ПВ является включение его обмотки возбуждения последовательно, поэтому ток якоря является и током возбуждения. Зависимости скорости от тока якоря и момента имеют гиперболический характер. Важно усвоить, что особенностью электроприводов с ДПТ ПВ является то, что у них отсутствует генераторный режим работы параллельно с сетью (режим рекуперативного торможения). Механические характеристики не пересекают ось скорости и не переходят 12

во второй квадрант. Кроме этого, для ДПТ ПВ не может быть однозначно определена скорость идеального холостого хода. Остальные режимы работы ДПТ ПВ аналогичны ДПТ НВ. Необходимо знать, что регулирование скорости ДПТ ПВ может осуществляться теми же способами, что и ДПТ НВ. Кроме основных способов практическое распространение получили импульсные способы, а также регулирование в схеме с шунтированием якоря. В процессе изучения материала надо обратить внимание на метод расчета и построения пусковой диаграммы ДПТ ПВ, на основании которой определяют величины сопротивлений пусковых ступеней, так как это имеет практическое значение. Знакомясь с ДПТ СВ, необходимо усвоить, что этот двигатель имеет две обмотки возбуждения — последовательную, включенную последовательно с якорем, и независимую, поэтому магнитный поток вследствие этого представляет сумму двух составляющих. Двигатель этого типа, имея две обмотки возбуждения, сочетает в себе свойства ДПТ НВ и ДПТ ПВ, может работать во всех возможных режимах, а именно в режимах двигательном и генераторном, параллельно, последовательно и независимо от сети, в режимах холостого хода и короткого замыкания. Необходимо также отметить, что из-за относительно невысоких технико-экономических показателей ДПТ СВ (высокая стоимость, повышенные масса, габариты и расход материалов) электропривод с ДПТ СВ применяется сравнительно редко.

3.3. Электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными двигателями Асинхронным двигателям надо уделить особое внимание, так как они нашли наиболее широкое применение в современной промышленности. Для асинхронных двигателей обычно в качестве уравнения механической характеристики используется зависимость М(S), где М—момент двигателя; S — скольжение. Уравнение М(S), приведенное в рекомендуемой литературе, выводится на основе приближенной эквивалентной Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя. Надо четко представлять себе области практического применения этого уравнения. При изучении качественной стороны механических характеристик асинхронных двигателей удобнее пользоваться выведенными без учета сопротивления обмотки статора уравнениями, которые в этом случае более просты и наглядны. Построение механической характеристики для асинхронных двигателей с фазным ротором может быть легко произведено на основании каталожных данных по упрощенной формуле Клосса.

13

При изучении режимов работы АД следует помнить, что, помимо двигательного, он может работать в следующих генераторных режимах: рекуперативном, противовключения, динамического торможения. При рассмотрении многочисленных способов регулирования скорости АД необходимо помнить, что все они имеют существенные недостатки. Наиболее перспективным является регулирование скорости изменением частоты питающего напряжения, этот способ в связи с разработкой полупроводниковых преобразователей частоты на базе тиристоров находит широкое применение в промышленности. Особое внимание при изучении этой темы необходимо уделить статическим преобразователям частоты (ПЧ), которые могут быть разделены на две группы: 1) ПЧ без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и нагрузки (непосредственный ПЧ); 2) ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (двухзвенные ПЧ). Важно помнить достоинства статических ПЧ: высокий КПД системы регулирования (0,85—0,9), высокое быстродействие, отсутствие шума при работе. Изучая регулирование скорости АД в каскадных системах включения, необходимо в первую очередь четко усвоить физические принципы регулирования. Особо надо обратить внимание на каскадные схемы с вентильными преобразователями, имеющими наибольшие перспективы в практическом применении. Важно помнить, что электроприводы с АД являются в основном главными потребителями электрической энергии. Во многих случаях при их работе имеет место недоиспользование установленной мощности АД или необоснованные завышения их мощности. Это приводит к резкому снижению энергетических показателей АД и к большим экономическим потерям. Стремление уменьшить потери электроэнергии в асинхронных электроприводах привело к разработке систем управления, которые автоматически обеспечивают минимизацию потерь энергии или пропорционального им тока АД. При ознакомлении со способами пуска и торможения АД сначала надо обратить внимание на физическую картину процессов, а затем уже рассмотреть выражения и характеристики, им соответствующие. Необходимо также усвоить, что АД—это сложное электрическое устройство, состоящее из магнитно-связанных обмоток статора и ротора, непрерывно меняющих свое взаимное расположение в пространстве. Вследствие этого возникающие электромагнитные переходные процессы отличаются большой сложностью. Изучение механических свойств СД надо начинать со знакомства с упрощенной векторной диаграммой неявно-полюсной синхронной машины, на основании которой выводится уравнение для электромагнитного момента СД и строится угловая характеристика. При этом следует обратить внимание на зависимость электромагнитного момента М от угла между осью ротора и статора и отличие угловых характеристик двигателей с явно и неявно выраженными 14

полюсами, а также на возможность выпадения двигателя из синхронизма при перегрузках. Надо также знать, что пуск СД, как правило, производится так же, как и асинхронного. Здесь надо рассмотреть системы легкого и тяжелого пуска и четко представить себе, в чем заключается их различие. Кроме основных способов пуска в последнее время широко применяется пуск СД с возбудителем, который наглухо присоединен к обмотке возбуждения. Необходимо разобраться в достоинствах и недостатках этого способа.

3.4. Энергетические характеристики и выбор мощности привода При изучении данной темы следует уяснить, что электрический привод в настоящее время является основным потребителем электрической энергии. Поэтому определение основных электрических показателей работы электроприводов и нахождение способов их повышения имеет большое практическое значение. Важно знать, что к основным энергетическим показателям работы электроприводов относятся потери мощности, энергии, КПД и коэффициент мощности. Энергетические показатели существенно зависят от режима работы электропривода, характера изменения момента нагрузки и способов регулирования координат. Надо знать два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: 1) уменьшение момента инерции электропривода; 2) регулирование скорости идеального холостого хода двигателя. При изучении вопросов выбора мощности двигателей необходимо помнить, что двигатель должен удовлетворять двум основным требованиям: не нагреваться выше допустимой температуры и обеспечивать создание требуемых моментов. При изучении методов выбора электродвигателя по мощности необходимо прежде всего ознакомиться с общим уравнением нагревания и классификацией режимов работы (длительный с постоянной и переменной нагрузками, кратковременный и повторно-кратковременный). Следует отметить, что в целях упрощения выбора двигателя он рассматривается как однородное тело, обладающее бесконечно большой теплопроводностью. В действительности же различные части машины нагреваются не одинаково, и реальный процесс нагревания, особенно в начальной стадии, отклоняется от расчетного. При изучении методов эквивалентных потерь, эквивалентного тока, момента и мощности надо оценить степень их точности и допущения, которые используются при переходе от первого метода к последующим, и знать, в каких случаях оправдано применение того или иного метода.

15

Решение задачи правильного выбора мощности электродвигателя требует расчета нагрузки привода как в установившемся, так и в переходных режимах работы. Для решения данного вопроса используют нагрузочные диаграммы. Изучая методы выбора мощности при кратковременном и повторнократковременном режимах работы, следует усвоить понятие термического и механического коэффициентов перегрузок, их взаимосвязь. Необходимо различать механический коэффициент, получаемый из условия нагревания, и допустимую механическую перегрузку, обусловленную максимальным моментом, определяемым для двигателей постоянного тока из условий безыскровой коммутации, для асинхронных двигателей — механической характеристикой и для синхронных — угловой характеристикой. При выборе мощности двигателей для привода с ударной нагрузкой (прокатных станов, ножниц, молотов, прессов и т. д.) большое значение имеет установка маховика, выравнивающего график нагрузки. Применение маховика не может уменьшить расход энергии, но может снизить среднеквадратичное (эквивалентное) значение нагрузки двигателя. Момент инерции маховика должен быть согласован с мощностью выбираемого двигателя и временем паузы между пиковыми нагрузками и обоснован технико-экономическим расчетом. Однако совместный выбор двигателей и маховика на практике производится достаточно простым методом последовательного приближения, так как шкала мощностей двигателей довольно грубая и для данного графика нагрузки редко можно рассматривать более двух вариантов двигателя. Таким образом, ориентировочно установив подходящие двигатели, можно выбрать для них маховик, исходя из положений, указанных в рекомендованной литературе.

3.5. Автоматическое управление электроприводами Изучая принципы управления электроприводами, надо стремиться приобрести навыки чтения электрических схем. Особое внимание следует уделить системам управления электроприводами с обратными связями (по скорости, напряжению, току).

3.6. Электропривод общепромышленных механизмов В данном разделе необходимо обратить внимание на требования, предъявляемые к электроприводам кранов, усвоить особенности выбора мощности электродвигателей для крановых механизмов, изучить современные схемы управления ими, уяснить, в каких случаях та или иная система наиболее целесообразна, а также разобраться в порядке расчета и выбора троллей и принципах телеуправления крановыми механизмами. При изучении электропривода подъемников необходимо обратить внимание на то, что расчет необходимой мощности и выбор электродвигателей производится с учетом вероятностных факторов. При выборе электропривода для лифтов с частыми пусками лучше взять тихоходные двигатели. Кроме того, 16

нужно знать специфические требования к электроприводам лифтов и обратить внимание на современные схемы управления лифтами, где используются специальные аппараты.

4. Задание на контрольную работу и методические указания к её выполнению Общие указания В процессе изучения курса «Электропривод подъемно-транспортных машин» этапом самостоятельной работы студентов должно быть выполнение контрольной работы, которая состоит из двух задач. Оформляется контрольная работа в отдельной тетради, на обложке которой указывается: - название дисциплины; - Ф.И.О.; - шифр; - дата представления работы. В тексте контрольного задания указываются численные значения параметров того варианта, который выполняет студент. Исходные данные для задач выбираются из таблиц по трем последним цифрам шифра студента. Ход вычислений студент записывает подробно с приведением всех необходимых формул. Графическую часть работы следует выполнять аккуратно с расшифровкой всех вводимых обозначений. Выполненная контрольная работа сдается преподавателю на рецензирование. Завершающим этапом выполнения контрольной работы является их устная защита. Контрольная работа

Задача 1 Выбрать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А для графиков нагрузки, приведенных на рис. 1 и 2. Пуск привода производится под нагрузкой. Для привода грузоподъемного механизма (см. рис. 1) данные для расчетов в продолжительном режиме и выбора двигателя приведены в табл. 1 и 2.

17

18

Таблица1 Параметры М1, Н⋅м М2 , Н⋅м М3, Н⋅м М4, Н⋅м t1, c

Варианты и исходные данные 4 5 6 7 110 120 130 140 100 140 160 180 180 200 220 240 160 180 200 220

1 80 60 120 100

2 90 80 140 120

3 100 180 160 140

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

Цифры шифра студента Последняя Последняя Последняя Последняя

8 150 200 260 240

9 160 220 280 260

0 70 40 100 80

1,5

1,6

1,7

1,8

Предпоследняя

t2 , c t3 , c

1,1

1,3

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

Предпоследняя

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

Предпоследняя

t4 , c

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

Предпоследняя

Частота вращения механизма n M , об/мин

2550

1420

970

730

980

1440

2750

1390

940

740

Третья от конца

Таблица2 Тип двигателя

Рном,кВт

n ном,об/мин Мпуск/Мном

Ммах/Мном

4А 130 S2 УЗ

22,0

2945

1,4

2.5

4А 180 М2 УЗ

30,0

2945

1,4

2.5

4А 200 M2 Y3

37,0

2945

1.4

2.5

4А 200 L2 Y3

45,0

2945

1.4

2,5

4А 225 М2 Y3

55.0

2945

1.4

2.5

4А 250 S2 Y3

75,0

2945

1,2

2.5

4А 270 M2 Y3

90,0

2960

1.2

2.5

4А 132 M4Y3

11,0

1460

2,2

3.0

4А I60 S4 Y3

15,0

1465

1.4

2.3

4А 160 М4 Y3

18,5

1465

1,4

2.3

4А I80 S4 Y3

22,0

1470

1,4

2,3

4А 180 М4 Y3

30,0

1470

1.4

2.5

4А 200 М4 Y3

37,0

1475

1.4

2.5

4А 200 L4 Y3

45,0

1475

1.4

2.5

4А 132 М8 УЗ

5.5

720.

1.9

2.6

4А 160 S8 Y3

7,5

730

1.4

2.2

4А 160 M8 Y3 4А 180 M8 Y3

11,0 15.0

730 730

1.4 1,2

2.2 2.0

4А 200 М8 Y3

13,5

735

1.2

4A 200 L8 Y3

22,0

730

1.2

2,0

4А 225 M8 Y3

30,0

735

1.3

2.1

19

2.2

Для механизма, работающего в повторно-кратковременном режиме (см. рис. 2), данные для расчета и выбора двигателя указаны в табл. 3 и 4.

Указания к задаче 1 В продолжительном режиме надо выбрать двигатель методами эквиваленых величин ([1], с. 385.. .392; [ 2], с. 371... 376). В повторно-кратковременном режиме выбор двигателя следует произвести по статической нагрузке ([1], с. 391...400; [2], с. 380...385), определив предварительно термический ρ Τ и механический ρ Μ коэффициенты перегрузки по формулам:

ρΤ =

1− e

− tΡ t0 − ΤН Τ0

ρ Μ = ρ Τ + α(ρ Τ − 1) ,

и

−t p

1 − e ΤΗ Таблица3 Параметры

Варианты и исходные данные 4 5 6 7 8

9

0

Цифры шифра студента

90

95

50

Последняя

70

75

80

35

Последняя

120

130

140

150

60

Последняя

1,05

1,15

1,25

1,35

1,40

0,55

Предпоследняя

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

3,00

Предпоследняя

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

0,50

Предпоследняя

6,40

6,60

6,80

7,00

7,20

7,40

7,60

8,80

6,00

Предпоследняя

0,50

0,60

0,40

0,50

0,60

0,40

0,50

0,60

0,50

0,40

Третья от конца

Коэффициент ухудшения теплоотдачи β 0

0,30

0,35

0,25

0,30

0,35

0,25

0,30

0,35

0,25

0,25

Третья от конца

Постоянная нагревания Τ Η , мин

45

50

55

60

40

45

50

55

60

40

Третья от конца

Частота вращения механизма n M , об/мин

1410

940

680

890

1350

2790

1420

920

710

2840

Третья от конца

1

2

3

55

60

65

70

75

80

85

40

45

50

55

60

65

70

80

90

100

110

0,65

0,75

0,85

0,95

3,50

4,00

4,50

0,55

0,60

t0 , с

6,20

Коэффициент потерь α

Ρ1 , кВт Ρ2 , кВт Ρ3 , кВт

t1, с t2 , с t3 , с

20

Таблица 4 Тип двигателя Рном,кВт

n ном, об/мин Мпуск/Мном Ммах/Мном

4АН 160 М2 Y3

30,0

2915

1.3

2,2

4АН 180 S2 УЗ

37.0

2945

1.2

2.2

4АН 100 М2 УЗ

45,0

2915

1,3

2.2

4АН 200 M2Y3

55.0

2940

1.3

2.5

4АН 200 L2 Y3

75.0

2940

1.3.

2,5

4АН 225 М2 Y3

90,0

2945

1.2

2.2

4АИ 250 S2 Y3

110,0

2960

1.2

2,2

4АН 250 M2 Y3

132.0

2945

1.2

2,2

4АН I80 S4 Y3

30.0

1465

1.2

2,2

4АН 180 M4 Y3

37,0

T470

1.2

2,2

4АН 200 М4 Y3

45.0

1475

1.3

2,5

4АН 200 L 4 Y3

55.0

1475

1,3

2,5

4АН 225 M4 Y3

75,0

1475

1.2

2,2

4АП 250S4 Y3

90.0

1480

1.2

2.2

4АН 250 M4 YS

110.0

1475

1.2

2,2

4АН 250S4 Y3

132.0

1470

1.2

2,0

4АН 200 A16 Y3

30.0

975

1.3

2,1

4АН 200L6 Y3

37,0

980

1,3

2.1

4АН 220 М6 У3

45,0

980

1.2

2,0

4АН 250 S6 Y3

55,0

985

1.2

2.0

4АН 250 М6 УЗ

75,0

985

1.2

2,0

4АН 280 S6 Y3

90,0

980

1.2

2,0

4АН 280 М6 Y3

110,0

980

1.2

2.0

4АН 3I5 S6 Y3

132.0

985

1.2

2.0

4AH 200 L8 Y3

30.0

730

1.3

2,0

4AH 220 M8 Y3

37.0

735

1.2

1.9

4АН 250 S8 Y3

45.0

730

1.2

1.9

4АН 250 M8 Y3

55,0

735

1,2

1.9

4АН 280 S8 Y3

75.0

735

1.2

1.9

4АН 280 M8 Y3

90,0

735

1.2

1.9

4АН 3I5 S8 Y3

110,0

735

I,2

1.9

где t p - время работы двигателя; t 0 - время паузы; Τ 0 - постоянная охлаждения; Τ Η - постоянная нагревания; α - коэффициент потерь. Результат проверить по формуле

21

Ρэ =

Ρ12t1 + Ρ12t 2 + Ρ12t3

[

]

t1 + t 2 1 +β 0 −α(1 − β 0 ) + t 3 + t 0β 0 (1 + α) 2

;

Ρэ < Ρном . Правильность выбора двигателя необходимо проверить по пусковым условиям и перегрузочной способности:

М1 < М пуск; М3 < М мах . Задача 2 Для асинхронного двигателя с фазным ротором кранового механизма построить естественную механическую характеристику по упрощенной формуле Клосса, рассчитать пусковые сопротивления и определить полное сопротивление пускового реостата. Считать максимальный момент переключения Μ 1 = (2,0...2,5) Μ ном , минимальный Μ 2 = (1,1...1,2) Μ с . Данные для расчетов приведены в табл. 5.

Указания к задаче 2 Для решения задачи необходимо изучить материалы, изложенные в [1], с. 196…199, 203…206. При расчете пусковых сопротивлений можно использовать аналитический или графический методы. При определении сопротивления роторной цепи на естественной характеристике следует воспользоваться формулой

Ε2Η

R2 ест =

3I 2 Η

S ном

. Таблица5

Параметры

Ρном , кВт nном , об/мин Ε 2Η , В I 2Η , А Μ мах / Μ ном

Μ с / Μ ном Число ступеней

1

2

45

55

Варианты и исходные данные 3 4 5 6 7 55

75

75

90

90

8

9

110

110

0

Цифры шифра студента

45 Последняя

965

720 1440 1410

950 1420

940 1460

970 1440 Последняя

155

190

170

180

250

220

202

230

230

170 Последняя

200

185

200

250

200

260

277

260

297

200 Последняя

2,3

2,2

2,5

2,3

2,5

2,5

1,9

2,5

1,9

2,5 Последняя

0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 0,82 Предпоследняя 4 5 3 4 5 3 4 5 3 3 Предпоследняя

22

5. Тестовые задания 1. По каким признакам производится классификация электроприводов? 2. Что называется основным уравнением движения электропривода? 3. Что такое активный и пассивный моменты сопротивления производственных механизмов? 4. Что называется механической и электромеханической характеристиками двигателя? 5. Что называется механической характеристикой производственного механизма? 6. Перечислите основные критерии оценки механических характеристик. 7. Перечислите и охарактеризуйте основные способы регулирования скоростей двигателей постоянного тока независимого и последовательного возбуждения. 8. В чем особенности работы вентильного электропривода? 9. Как осуществляются основные способы пуска и торможения электроприводов постоянного тока? 10. В каких режимах может работать асинхронный двигатель? 11. В чем основные преимущества электроприводов переменного тока перед постоянным? 12. В чем состоит различие между упрощенной и уточненной формулами Клосса? 13. В чем заключается особенность торможения асинхронных и синхронных двигателей? 14. Перечислите основные способы регулирования скорости асинхронного двигателя? 15. Что называется угловой характеристикой синхронного двигателя? 16. Нарисуйте упрощенную векторную диаграмму синхронного двигателя. 17. Как классифицируются режимы работы электропривода по условиям нагрева? 18. Что характеризуют постоянные временные нагревания и охлаждения двигателя? 19. Как производится выбор двигателя по мощности? 20. Какие существуют аппараты управления электроприводами? 21. Для чего применяются обратные связи в электроприводах? 22. По каким признакам можно классифицировать системы управления электроприводами? 23. Как производится расчет мощности двигателей крановых механизмов? 24. В чем особенность схем управления грузоподъемными механизмами? 25. В чем особенность выбора мощности приводов лифтов? 26. Перечислите основные требования к электроприводам механизмов непрерывного транспорта.

23

Содержание Предисловие…………………….……………………………………………..3 1.Содержание дисциплины………………………………………………….3 1.1. Рабочая программа…………………………………..……………….……………..…3 1.2. Объем аудиторной нагрузки и виды контроля……………………………..……...7 1.3. Тематический план лекций………………..………………………………………....7 1.4. Темы практических занятий………………………………………………………....8 1.5. Перечень лабораторных работ…………………………………………………….....8

2. Библиографический список………………………………………………9 3. Методические указания к изучению дисциплины…………………….9 3.1. Механика и принципы построения автоматизированного электропривода………………………………………………………………………......….9 3.2. Электроприводы с двигателями постоянного тока независимого (ДПТ НВ), последовательного (ДПТ ПВ) и смешанного (ДПТ СВ) возбуждения………………………………………………………………...………………12 3.3. Электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными двигателями……………………………………………………………...………………...13 3.4. Энергетические характеристики и выбор мощности привода………………….15 3.5. Автоматическое управление электроприводами………………………………....16 3.6. Электропривод общепромышленных механизмов ……………………………...16

4. Задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению…………..……………………………………………………...17 5. Тестовые задания……………...………………………………………….23

24

Редактор А.В.Алехина Сводный темплан 2005 г. Лицензия ЛР №020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение№78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Б. кн.-журн.П.л. 1,75. Б.л. 0,875. РПТ РИО СЗТУ. Тираж 150 Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации университетов России 191186,Санкт-Петербург, ул.Миллионная,

25