Электромеханические системы

1.4. Основные определения   и классификация

Автоматизированный электропривод (АЭ) станков и ПР представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электрического (силового) преобразователя (П) (рис. В. 3), электродвигателя (М), механической системы (МС) и системы управления (СУ).

В электроприводе электрическая энергия  преобразуется в механическую, а также происходит преобразование информации, которая с помощью датчиков обратной связи от силового преобразователя, двигателя и механической системы поступает в систему управления, вырабатывающую управляющее воздействие. Преобразование информации в электроприводе имеет не меньшее значение, чем преобразование энергии.

В простейшем разомкнутом  электроприводе силовой преобразователь может отсутствовать. В этом случае электродвигатель получает энергию непосредственно от сети. Как правило, упрощение или исключение электрических элементов привода приводит к усложнению механических элементов. И, наоборот, развитая система управления, быстродействующий силовой преобразователь позволяют упростить и удешевить систему механических передач.

Электропривод состоит из нескольких разнородных элементов, которые должны быть энергетически, динамически и информационно согласованы между собой.   Чтобы   создать   совершенный металлорежущий станок или ПР, невозможно расчленять привод на отдельные элементы. Нельзя выделять механическую передачу и говорить только о механическом приводе, а также рассматривать отдельно силовой преобразователь и систему управления.

При работе электропривода все элементы взаимосвязаны. Внутренние обратные связи  связывают электродвигатель с силовым преобразователем, а механические передачи с электродвигателем. Внешние обратные связи объединяют эти элементы между собой. Все это позволяет говорить об электромеханической системе привода, которую нужно изучать и анализировать только целиком, не расчленяя на части.

Обычно все электрические элементы привода объединяют в один узел, который называют комплектным электроприводом или просто электроприводом. Электромеханическая система электропривода состоит из двух взаимосвязанных частей: электропривода и механической системы (передачи).

Классификацию автоматизированного  электропривода станков и ПР проводят по нескольким признакам. По назначению электропривод разделяют на привод главного движения, привод подачи и привод вспомогательных перемещений. Отдельную группу составляет электропривод ПР. По роду тока выделяют электропривод постоянного и переменного тока.

Иногда проводят классификацию  электропривода по виду силового преобразовательного устройства. Тогда говорят об электроприводе с электромашинным преобразователем, электроприводе с полупроводниковыми преобразователями.

Существует также классификация  электропривода по виду электрического двигателя: электропривод с двигателем постоянного тока, асинхронный электропривод, синхронный электропривод. 

По виду управления различают: 1. Нерегулируемый электропривод, используемый для привода станков с постоянной скоростью (скорость механизмов с таким приводом не регулируется или регулируется механическим способом). 2. Регулируемый электропривод, который позволяет электрическим способом регулировать скорость механизмов станков в широком диапазоне независимо от изменения нагрузки. 3. Следящий электропривод обеспечивает движение механизмов по определенной программе. Нужно отметить, что термин этот не совсем точен. Следящим называют электропривод, который воспроизводит управляющее воздействие, изменяющееся по заранее неизвестному закону. При числовом программном управлении станками и ПР закон изменения управляющего воздействия заранее известен, поэтому правильнее было бы говорить о программно-управляемом приводе. Однако термин, следящий так широко распространен в станкостроении, что он сохранен и в этой книге.

Следящий электропривод  может работать в режиме точного  позиционирования, который обеспечивает перемещение механизмов станка в некоторые фиксированные точки, выделенные на траектории их движения. Закон изменения скорости привода между этими точками выбирается исходя из требований производительности и точности позиционирования и на форму обрабатываемой детали влияния не оказывает.

4. Адаптивный АЭ, автоматически  изменяющий структуру и параметры системы управления. Адаптация позволяет повысить производительность и точность металлообработки.

Существует также классификация  электропривода по характеру взаимодействия между электродвигателем и механической системой станка и ПР.

1. Групповой электропривод имеет один электродвигатель, который с помощью механических передач обеспечивает движения рабочих элементов станка или робота. Станки с групповым электроприводом обладают сложной кинематической схемой.
2. При индивидуальном электроприводе каждое автономное рабочее или вспомогательное движение станка осуществляется отдельным двигателем, что расширяет функциональные возможности станка, делает его управление более гибким. При этом упрощается кинематическая схема и повышается коэффициент полезного действия.
3. Взаимосвязанный электропривод исполнительных элементов станка осуществляется несколькими двигателями, движения которых должны быть точно связаны между собой. Примером такого электропривода могут служить движения стола станка с ЧПУ в двух ортогональных направлениях при контурной обработке, системы «электрического вала», используемые при нарезании резьбы, и т. п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

 

2.1 Уравнение движения

 

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя  и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 2.1.). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. Далее в п. 2.2  показано, что к такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов, рассматриваемых в курсе.

Рис. 2.1. Модель механической части

 

Будем считать, что к системе  на рис. 2.1 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент М_с, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

,     (2.1)

где - угловая скорость,

      J- суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (2.1) - динамический момент . Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и М_с отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

 

Режимы, при которых  , т.е.  моменты М и М_с равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует , в том числе .

Режимы, когда  , называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).

В уравнении (2.1) момент М_с практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная; определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

.

 

 

2.2 Приведение моментов  и моментов инерции

 

Обычно между двигателем и нагрузкой находится какая-либо механическая передача (рис. 1.1, 1.2), т.е. имеется несколько различных валов со своими моментами и скоростями. Для сведения любой реальной системы к простейшей модели на рис. 2.1 нужно выполнить ряд операций, называемых приведением моментов и моментов инерции к некоторому выбранному в качестве основного валу, обычно - к валу двигателя. Иными словами, некоторую реальную механическую систему, например, показанную на рис. 2.2,а, нужно заметить эквивалентной системой (рис. 2.2,б), такой, чтобы эта замена не отразилась на поведении части системы, оставленной неизменной (двигателя).

a)

б)

Рис. 2.2. К приведению М_см и J_нагр к валу двигателя

 

Примем следующие допущения: система  жесткая, без зазоров; моменты инерции, относящиеся к основным валам, неизменны, относящиеся к промежуточным валам, если такие есть, равны нулю; отношение и КПД передачи - постоянны.

В реальной и приведенной системах должны остаться неизменной мощность, развиваемая двигателем , т.е. в нашем случае, когда потери покрываются двигателем (М и направлены согласно):

,

откуда 

.       (2.2)

Потери всегда покрываются той частью системы, которая создает движение, поэтому при обратном потоке мощности - от нагрузки к двигателю

.     (2.2,а)

В реальной и приведенной системах должны быть одинаковы запасы кинетической энергии, т.е.

,

или

.     (2.3)

Здесь в целях упрощения мы не учли потери в передачах; это обычно не приводит к большим погрешностям, если динамические режимы не играют определяющую роль в работе привода.

 

 

2.3. Механические характеристики

 

Моменты М и М_с могут зависеть от времени, от положения, от скорости. Наиболее интересна и важна связь моментов М и М_с со скоростью . Зависимости и называют механическими характеристиками соответственно двигателя и нагрузки (механизма). Механические характеристики будут служить очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Поскольку как моменты, так и  скорость могут иметь различные знаки, механические характеристики могут располагаться в четырех квадрантах плоскости . На рис. 2.3 в качестве примера показаны характеристики асинхронного двигателя (М) и центробежной машины (М_с). Знаки величин определяют, приняв одно из  направлений движения за положительное, например: по часовой стрелке- + или вверх- + и т.п. Моменты, направленные по движению (движущие), имеют знак, совпадающий со знаком скорости (участок w₀ - М_к.з  характеристики двигателя); моменты, направленные против движения (тормозящие), имеют знак, противоположный знаку скорости (остальные участки характеристик).

Рис. 2.3. Пример механических характеристик

 

Моменты принято делить на активные и реактивные.

Активные моменты могут быть как движущими, так и тормозящими, их направление не зависит от направления движения: момент, созданный электрической машиной (М на рис. 2.3), момент, созданный грузом, пружиной и т.п. Соответствующие механические характеристики могут располагаться в любом из четырех квадрантов.

Реактивные моменты - реакция на движение, они всегда направлены против движения, т.е. всегда тормозящие: момент от сил трения, момент, создаваемый центробежной машиной (М_с на рис. 2.3) и т.п. Механические характеристики всегда располагаются во втором и четвертом квадрантах.

Механические характеристики принято  оценивать их жесткостью . Они бывают (рис. 2.4) абсолютно жесткими (1), абсолютно мягкими (2) могут иметь отрицательную <0(3) или положительную (4) жесткость.

Рис. 2.4. Механические характеристики с различной жесткостью

 

Механические характеристики двигателя и нагрузки, рассматриваемые  совместно, позволяют очень просто определить координаты - скорость и моменты - в установившемся (статическом) режиме w_уст и М_уст. Действительно, если отразить зеркально относительно оси скорости характеристику М_с (рис. 2.5,а), то точка А пересечения отраженной кривой - М_с с характеристикой двигателя М определит установившийся режим, поскольку выполнится условие М+(-М_с)= 0 или  , отрезки АВ и ВС  будут равными.

             

а)                                                  б)

Рис. 2.5. К определению установившегося  режима

 

Легко видеть, что здесь  мы выполнили одну операцию - перенесли М_с из второго квадранта в первый. Эту операцию можно исключить, если записывать уравнение движения (2.1) в виде:

,     (2.4)

где знак “-” перед  и означает зеркальный перенос характеристики нагрузки (рис. 2.5,б). Этот прием традиционно используется в электроприводе, т.е. вместо общей и, конечно, правильной общей записи (2.1) используют измененную форму (2.4), помня, что это лишь удобный прием, при котором установившийся режим получается при простом пересечении характеристики М и -М_с

Механические характеристики двигателя  и нагрузки позволяют определить, будет ли статически устойчив установившийся режим, т.е. вернется ли система после действия любого случайного возмущения к исходному статическому состоянию - рис. 2.6,а, или не вернется - рис. 2.6,б.

а)                                   б)

Рис. 2.6. К определению статической  устойчивости

 

В первом случае (рис. 2.6,а) показано, что любое случайное, например снижение скорости (w₁ < w_уст) сопровождается преобладанием движущего момента М над тормозящим М_с, и равновесие восстанавливается, система возвращается в исходное состояние. Во втором случае (рис. 2.6,б) такое же случайное изменение скорости приводит к преобладанию тормозящего момента, и равновесие не восстанавливается - система статически неустойчива.