Студопедия — Структура и задачи электромеханического устройства.
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Структура и задачи электромеханического устройства.






 

Совершенствование технологических процессов и производств, повышение производительности технологического оборудования и качества выпускаемой продукции определили возросшие требования к автоматизированным электроприводам. Это прежде всего относится к повышению точности регулирования выходных координат в установившихся и переходных режимах, а также к уровню энергосбережения. В автоматизированном электроприводе можно выделить две основные части - энергетическую и информационную [1,2,3]. Развитие микроэлектроники и микропроцессорной техники привели к тому, что в информационной части можно реализовать любые достаточно сложные алгоритмы управления. Поэтому реальные ограничения достижимых показателей качества электропривода (ЭП) определяются его энергетической частью, которая по отношению к информационной представляет собой объект управления. Следовательно, для реализации оптимальных алгоритмов управления, обеспечивающих формирование требуемых характеристик ЭП, необходимо прежде всего изучить свойства и степень управляемости электромеханических систем (ЭМС).

Что же собой представляет электрический привод?

В соответствии с ГОСТ 16593-79 электрическим приводом называется электромеханическая система (ЭМС), предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоящая из передаточного, исполнительного, преобразовательного и управляющего устройств. Основными выходными регулируемыми координатами привода являются электромагнитный момент М или усилие F,необходимые для нормального функционирования органов рабочей машины, и координаты движения: угловая скорость ω; или линейная v скорости или соответствующие отрезки пути ∆α, ∆s. Функциональная схема автоматизированного электропривода, как одной из наиболее распространенных разновидностей электромеханических систем автоматического управления (САУ) приведена на рис. 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема системы

Она позволяет более подробно рассмотреть назначение отдельных элементов привода и связей между ними, Здесь тонкими линиями изображены каналы передачи информации, двойными – каналы передачи электрической энергии, двойными пунктирными – каналы передачи механической энергии, а пунктирными линиями – каналы передачи информации об измеряемых координатах ЭП или исполнительного механизма.

И с т о ч н и к э н е р г и и (ИЭ) – промышленная сеть или автономный ИЭ в виде аккумуляторной батареи (или индивидуальный генератор).

Э л е к т р и ч е с к о е п р е о б р а з о в а т е л ь н о е у с т р о й с т в о (ЭПУ), получая от ИЭ электрическую энергию Wc c нерегулируемым напряжением Uc, Iс и fc, преобразует ее в электрическую энергию потребляемую двигателем Wд иного вида или формы с другими U, I и f, часть из которых управляема.

Ранее в качестве ЭПУ использовались электромашинные преобразовательные устройства. В настоящее время в основном применяют разнообразные силовые полупроводниковые преобразователи: тиристорные управляемые выпрямители (УВ), тиристорные и транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямленный), а такжетранзисторные и тиристорные инверторы и преобразователи частоты для изменения формы переменного тока.

С разработкой и освоением производства тиристоров и управляемых выпрямителей на их основе в ЭП постоянного тока машинные преобразователи стали заменять статическими. Однако первые попытки использовать в широкорегулируемых ЭП управляемые выпрямители (УВ) показали, что согласования режимов работы преобразователя и двигателя путем приведения внутренних сопротивлений преобразователя к цепям якоря двигателя недостаточно. Потребовались дополнительные исследования уже не отдельных элементов энергетического канала, а всей системы, включающей источник энергии, преобразователь, двигатель и механизм. Еще более сложную задачу совместимости элементов энергетического канала приходится решать в ЭП переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты, где влияние дискретности преобразователя проявляется не только в канале управления амплитудой напряжения, но и в канале управления частотой.

Д в и г а т е л ь н о е у с т р о й с т в о (ДУ) – преобразует электрическую энергию, потребляемую двигателем Wд, в механическую энергию Wэ вращающегося ротора (якоря). Пройдя механическое п е р е д а т о ч н о е у с т р о й с т в о (ПУ), поток механической энергии Wм преобразуется в поток такого же вида энергии Wрм, который воспринимается р а б о ч е й м а ш и н о й (РМ) или и с п о л н и т е л ь н ы м м е х а н и з м о м (ИМ).

У п р а в л я ю щ е е у с т р о й с т в о (УУ) предназначено для формирования заданных законов управления потоком энергии движения рабочих органов исполнительных механизмов.

З а д а ю щ е е у с т р о й с т в о (ЗУ) формирует законы управления УУ, вырабатывает необходимые управляющие воздействия в результате сопоставления задаваемой информации с поступающей от д а т ч и к о в – п р е о б р а з о в а т е л е й (ДПИ). Последние – представляют собой информационно - измерительные устройства, предназначенные для измерения различных физических координат ЭП (моментов, сил, угловых или линейных перемещений и скоростей, токов, напряжений и др.) и преобразования их в электрические сигналы одинакового вида.

Таким образом, автоматизированный электропривод является лишь частным случаем ЭМС и мехатронной (МС) систем. Последние представляют собой единый комплекс технических средств и принципов их организации, используемых для достижения конкретной научно-технической задачи. В дальнейшем повествовании будут рассмотрены отдельные технические (ТУ) и мехатронные (МУ) устройства, их взаимодействие и математическое описание.

Что же такое МЕХАТРОНИКА в общем виде?.

2) Мех-ка изучает особый методологический подход построения машин с качественно

новыми характеристиками. Этот подход является универсальным и может быть применен в машинных системах различного направления.

2) В определении подчеркивается синергетический характер интеграции, составляющих мехатронного объекта.

Синергия – это совместное действие, направленное на достижение единой цели. При этом важно, что составные части не просто дополняют друг друга, а объединяются таким образом, что вновь образованные системы обладают новыми свойствами.

3) Интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования машин, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации машин.

В этом отличие мехатронных машин от традиционных, когда пользователь зачастую был вынужден самостоятельно объединять в систему разрозненные механические, электронные, информационные и управляющие устройстваразличных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность.

4) Методологической основой разработки МС служат методы параметрического проектирования. При традиционном проектировании машин с компьютерным управлением проводится разработка механической, электронной, сенсорной и коммутационной частей системы, а затем выбор информационных блоков. Особенность параллельного проектирования заключается в одновременном и взаимосвязанном синтезе всех компонентов системы.

5) Базовыми объектами изучения мехатроники являются мехатронные модули, которые выполняют движение только по одной координате. Из таких модулей, как из функциональных кубиков, компануются сложные системы модульной архитектуры.

6) МС предназначены для реализации заданного движения. Критерий качества выполнения движения мехатронных систем – проблемное ориентирование, то есть определяется постановкой конкретной прикладной задачи. Специфика задачи автоматизированного машиностроения состоит в реализации перемещений выходных звеньев рабочего органа технологической машины (например, на станке), при этом необходимо координированное управление пространством перемещения МС с управлением различными внешними процессами. Примером таких процессов могут служить регулирование силового вращающегося рабочего органа.

7) Объектом работ при механической обработке, контроль и диагностика текущего состояния и элементов мехатронной системы, управление дополнительными технологическими воздействиями на объект, работ при комбинации методов обработки управления вспомогательным оборудованием, выдача и прием сигнала от электроавтоматики. Такие сложные координированные движения называются функциональными движениями. В современных МС для обеспечения высоких качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи, теории управления современными аппаратными и программными средствами вычислительной техники, перспективным подходом к синтезу управляемого движения МС.

Мехатроника как новая область науки и техники находится в стадии своего становления; ее терминология, границы и классификационные признаки еще строго не очерчены.

 

Глава 1. Механика привода.

.

Для улучшения технико-экономических показателей электропривода, а иногда и в силу технических ограничений часто оказывается целесообразным передавать механическую энергию Wм на рабочую машину не непосредственно, а через передающее устройство (ПУ) – механическую передачу. Однако, учитывая, что каждый элемент энергетического канала вносит дополнительные потери и искажения характеристик электроприводов, ведутся работы по созданию и внедрению ЭМП, позволяющих непосредственно передавать энергию РМ с требуемыми показателями. При этом ЭМП и РМ объединяются в единую конструкцию (электроприводы с линейными двигателями, электрошпиндели шлифовальных станков и т.д.). Управление процессом преобразования энергии осуществляется информационной частью системы, где по командам задающих управляющих устройств и с учетом состояния регулируемых переменных элементов энергетической части электропривода (обратные связи) формируются сигналы управления отдельными элементами энергетического канала и электропривода в целом (тонкие линии). Наличие и количество обратных связей определяется требованиями к электроприводу, его типом, и в простейших системах они могут вообще не использоваться (разомкнутые электроприводы).

Современный уровень развития микроэлектроники и микропроцессорной техники привел к тому, что информационная часть привода не накладывает реальных ограничений на достижимые показатели качества электропривода, и все эти ограничения определяются свойствами и характеристиками энергетической части электропривода.

Поэтому изучение автоматизированных электроприводов следует начинать с энергетической части электропривода.

 

1.1 Основные соотношения механики и энергетики.

 

Рассмотрим основные соотношения, известные из курсов физики и теоретической механики и используемые в дальнейшем при изложении основ теории ЭМС.

Энергия, отдаваемая ЭМП (Wд) определяется на основании уравнения энергетического баланса по выражению

Wд = Wс + ΔWк ,

где Wс - энергия статических сопротивлений, необходимая для компенсации потерь в ЭМС и совершения полезной работы;

ΔWк- изменение запаса кинетической энергии при изменении состояния движущихся масс ЭМС.

Энергия, совершаемая ИМ или рабочим органом определяется следующим образом: t

а) для поступательного движения W = ∫ F v dt;

t

б) для вращательного движения W = ∫ M ω dt;

 

Механическая же мощность, определяемая как производная работы по времени соответственно будет

а) для поступательного движения P = dW / dt = F v;

б) для вращательного движения P = dW / dt = M ω,

где F - сила, Н;

M - момент, Н.м;

v - линейная скорость, м/с;

ω - угловая скорость вращения, рад./с.

Величины усилия F и момента М, входящие в выражения содержат две составляющих: статическое усилие Fс и момент Мс, идущие на преодоление сил и сопротивлений объекта регулирования и передаточного устройства и динамические усилие Fдин и момент Мдин, действующие в периоды ускорений и замедлений. Используя второй закон Ньютона, можно записать для поступательного движения Fдин = ma = m dv/dt, а для вращательного движения Mдин =J ε = J dω/dt (J – момент инерции вращающейся массы).

Подобно массе m, являющейся мерой инерции при поступательном движении, момент инерции J является мерой инерции массы при вращательном движении.

 

1.2 Приведение параметров механических звеньев к одной скорости

вращения (к одному валу).

 

Всю систему электропривода, представленную на рисунке 1, можно разделить на две части: электрическую, состоящую из электромеханического преобразователя и СУ, и механическую, включающую в себя все связанные между собой движущиеся массы привода и механизма. Полное представление о механической части можно получить из кинематической схемы установки, которая может состоять как из поступательно, так и вращательно движущихся масс, механические связи между которыми обладают определенной жесткостью С. В пределах деформаций упругих механических связей, для которых выполняется закон Гука, жесткость их можно определить с помощью соотношений:

C = Mу / Δφ - для вращательного движения;

C = Fу / Δ S - для поступательного движения,

Где Mу и Fу-нагрузки упругой механической связи;

Δφ и ΔS - деформации упругого элемента.

Приведение всех величин производится обычно либо к скорости вала двигателя, либо механизма (особенно при поступательном движении). При приведении необходимо обеспечить сохранение запаса кинетической и потенциальной энергии системы, а также элементарной работы всех, действующих в системе сил и моментов на возможных перемещениях.

На основании баланса мощности в механической части привода осуществляется приведение моментов и сил сопротивления путем деления их на передаточное отношение от вала двигателя к валу механизма с учетом потерь в передачах:

Мпр = Мм / i ηпер, Fпр = Fм / i ηпер, где ηпер - КПД передающего устройства.

При приведении упругих моментов следует иметь в виду, что Δφпр = Δφi (при вращательном движении) и Δφпр = ΔS /ρ (при поступательном).

Условием приведения инерционных масс и моментов инерции является равенство кинетической энергии. В этом случае приведенный момент инерции определяется как отношение момента инерции или инерционных масс нагрузки к квадрату передаточного отношения от вала механизма к валу двигателя. Например: Jпр = Jм / i или Jпр = m ρ , где ρ = v/ω – радиус приведения. При приведении жесткостей механических связей должно выполняться условие равенства запаса потенциальной энергии деформации и тогда: спр = скр / i (при скручивании) или спр = ссж/ i2 (при сжатии или растяжении).

 

1.3 Уравнение движения электропривода и его анализ.

 

Уравнение движения в общем виде, записанное через функцию Лагранжа будет иметь вид:

, (1)

где L= Wк – Wп - функция Лагранжа, представляющая собой разность

кинетической Wк и потенциальной Wп энергий системы,

выраженных через обобщенную координату q;

Q = А/ q - обобщенная сила, определяемая суммой элементарных

работ А всех внешних сил на возможном перемещении q.

За обобщенную координату q могут быть различные как угловые, так и линейные перемещения. Так для вращающегося тела векторная сумма моментов, действующих относительно оси вращения, равна производной момента количества движения:

. (2)

где и - углы поворота вала на входе и выходе упругого элемента.

Для жесткой системы при постоянстве момента инерции выражение (2) превращается в уравнение вида М – Мс = J . (3)

Но в ряде механизмов (например: роботы, кривошипно-шатунный механизм, намоточные станки и моталки и т.п.) момент инерции является переменной величиной. При этом уравнение движения в дифференциальной форме примет вид: Мс = Мдин = J + (4)

Если же момент инерции является функцией угла поворота вала механизма, а не функции времени (в то время как угол и скорость суть временные зависимости), то левая часть уравнения Лагранжа запишется в виде

Мдин = + J(φ) (5)

Следует также помнить, что при прямом направлении передачи мощности движущие моменты должны иметь знак, совпадающий со знаком скорости, а моменты статической нагрузки – противоположный. В тормозных режимах все наоборот.

 

1.4 Механические характеристики типовых нагрузок электропривода.

Основной характеристикой, по которой сравниваются режимы движения механической части привода является статическая механическая характеристика, т.е. зависимость угловой скорости от момента нагрузки.

Для математического описания механической характеристики нагрузки можно воспользоваться эмпирической формулой:

Мс = Мс + (Мном - Мс)(ω / ωном)х (6)

Где Мном - момент сопротивления при номинальной скорости;

Мс - момент сопротивления трению в движущихся частях механизма;

х - показатель степени, характеризующий изменение момента

сопротивления при изменении скорости.

Согласно выражению (6) наиболее часто встречаемые механические характеристики производственных механизмов в зависимости от значения Х можно разделить на следующие типы:

1) Х=0 - механическая характеристика, не зависящая от скорости (кривая 1 на рис.7); такую характеристику имеют механизмы, преодолевающие силы Кулоновского трения (подъемные механизмы, механизмы перемещения).

2) Х=1 - линейно-возрастающая механическая характеристика (М ≡ ω); такие характеристики могут встречаться у механизмов, обладающих вязким трением (кривая 2 на рис.7).

3) Х = 2 - нелинейно-возрастающая механическая характеристика (М ≡ ω ); такую характеристику имеют вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и т.п (кривые 3 и 4 на рис.7).

4) Х = -1 - нелинейно-спадающая механическая характеристика (М ≡ ω ); такой характеристикой обладают некоторые механизмы токарных и других металлорежущих станков, намоточные станки и моталки (кривая 5 на рис.7)

ω 4   3 2   M 5 1 М  

1 – независимый от скорости;

2 – линейно-зависимый;

3 – пропорциональный квадрату

угловой скорости;

4 – то же, но с постоянной

составляющей;

5 – гиперболическая зависимость

 

Рисунок 7 – Зависимость статического момента от скорости

 

Существует целый ряд производственных механизмов, обладающих нелинейными зависимостями моментов сопротивления от скорости вращения, угла поворота вала или положения объекта

 

 

1 – оборотная нелинейность; 2 – кусочно-линейная упругая характеристика;

3 – Кулоновское (сухое)трение; 4 – нелинейность, обусловлена диссипативными силами.

Рисунок 8 – Нелинейные зависимости статических моментов.

 

 

ω
 
 
 
М
ω

Рисунок 9 – Зависимости статического Рисунок 10 – Зависимости

момента, обусловленного силами сухого реактивных (кривые 1 и 2) и

трения (кривая 1) и вязкого трения (кри- активного (кривая 3) статичес-

вая 2), суммарный статический момент М ких моментов от скорости

 

Нелинейности, присущие ножницам для резки металла, кривошипно-шатунным механизмам и т.п.(кривая 1 рис.8). Соединения с кусочно-линейными упругими характеристиками и соединения с зазором (шлицевые и шпоночные соединения, зубчатые передачи и муфты) представлены на рис.8 (кривая 2) и рис.10 (кривые 1 и 2). Нелинейности, обусловленные диссипативными силами неупругого внутреннего сопротивления при колебательных процессах, образуют гистерезесные петли (рис.8, кривая 3). Наконец, сухое трение характеризуется нелинейными зависимостями, имеющими различный характер (кривая 1 на рис. 9 и кривые 1 и 2 на рис. 10). Все перечисленные характеристики относятся к реактивным (пассивным) моментам, действующим всегда в направлении противоположном движению электропривода и изменяют свое направление на противоположное при изменении знака скорости.

В сложных ЭМС рассмотренные характеристики проявляются в совокупности и весьма затруднительно определить реальную нелинейную характеристику каждого элемента системы. В связи с этим возникает актуальная задача идентификации реальной ЭМС жесткой, 2-х, 3-х или многомассовой моделью, обладающей эквивалентными нелинейными характеристиками, достаточно достоверно отражающими влияние реальных характеристик.

 

1.5 О выборе передаточного отношения.

 

Для определения необходимого передаточного отношения уравнение (3) запишем в виде, приведенном к к скорости вала механизма:

М iр – Мс = (Jд+ Jм) , (7)

где iр - передаточное отношение редукторной передачи;

Jд - момент инерции двигателя;

Jм - момент инерции рабочего механизма (нагрузки);

Ωм - угловая скорость вращения механизма;

М - момент, развиваемый на выходном валу двигателя;

Мс - момент сопротивления нагрузки (на валу механизма).

В зависимости от требований, предъявляемых к механической части системы, можно определить основные соотношения для наивыгоднейшего передаточного числа.

Случай 1. В системе необходимо обеспечить наибольшее ускорение (для одного и того же электропривода). В этом случае решим уравнение (7) относительно ускорения рабочего органа:

 

=

Отсюда передаточное отношение, соответствующее максимуму величины ускорения: _____________

i = + (8)

Случай 2. Для механизмов грузо-подъемных кранов, станков, непрерывного транспорта и т.п. одним из условий нормального функционирования является ограничение ускорения допустимым значением. Величина i определяется из условия получения минимального момента при разгоне привода:

М = .

Дифференцируя полученное выражение по i и приравнивая его нулю, находим величину передаточного отношения

____

 

___________

i = √ , (9)

где ε = .

Случай 3. Пусть необходимо отработать требуемое перемещение (угол поворота) за минимальное время без ограничения величины ускорения.При этом переходный процесс будет состоять из двух участков: разгон и торможение (Рис.11). Время процесс, а также будет состоять из двух составляющих t и t :

t = t + t = = √ 4φ .

Дифференцируя величину t по i получаем биквадратное уравнение, решение которого имеет вид:

 

iр опт = (10)

 

Следует отметить, что при М = 0 наиболее быстрое перемещение рабочего органа имеет место при равенстве приведенных к одной скорости моментов инерции двигателя и механизма

 

Глава 2. Вопросы энергетики электроприводов.

 

Понятие «энергетика электроприводов» включает в себя вопросы потребления и расхода электроэнергии, потерь энергии при ее электромеханическом преобразовании, вопросы эффективности использования активной и реактивной энергии. Важность этих вопросов делает целесообразным выделить их в самостоятельную главу.

В данной главе основным является общий подход к анализу энергетических соотношений в системе электропривода при различных режимах работы, рассматриваются оценки потребляемых мощностей, потерь энергии как в статических, так и в динамических режимах работы привода, различные составляющие мощности определяются как через электрические, так и через механические координаты.

По существу, материал главы освещает два самостоятельных раздела: потери в электроприводах при различных режимах работы и выбор мощности приводного электродвигателя при различных характеристиках нагрузки. Однако эти разделы тесно взаимосвязаны между собой, что и позволяет их рассматривать в одной главе как единое целое.

Взаимосвязь энергий - потребляемой из сети (электрической) и расходуемой на валу (механической) - и значений потерь в электроприводе определяются двумя основными энергетическими показателями: КПД и коэффициентом мощности, которые зависят от режимов работы, нагрузки и других условий эксплуатации.

 







Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 1425. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Способы тактических действий при проведении специальных операций Специальные операции проводятся с применением следующих основных тактических способов действий: охрана...

Искусство подбора персонала. Как оценить человека за час Искусство подбора персонала. Как оценить человека за час...

Этапы творческого процесса в изобразительной деятельности По мнению многих авторов, возникновение творческого начала в детской художественной практике носит такой же поэтапный характер, как и процесс творчества у мастеров искусства...

Классификация холодных блюд и закусок. Урок №2 Тема: Холодные блюда и закуски. Значение холодных блюд и закусок. Классификация холодных блюд и закусок. Кулинарная обработка продуктов...

ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. 1. Особенности термодинамического метода изучения биологических систем. Основные понятия термодинамики. Термодинамикой называется раздел физики...

Травматическая окклюзия и ее клинические признаки При пародонтите и парадонтозе резистентность тканей пародонта падает...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия