Протекания переходных процессов в приводе постоянного тока реферат
Обновлено: 02.07.2024
Переходным процессом или переходным режимом электропривода называется режим его работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяется скорость, ток, момент, ускорение. Причинами возникновения переходных режимов является либо изменение нагрузки, либо воздействие на электропривод при управлении им, т.е. пуск, торможение, реверс и т.п. Они могут возникнуть в результате аварии или других случайных причин, например, при изменении величины напряжения или частоты сети, несимметрии напряжения по фазам, изменении порядка следования фаз, полном исчезновении напряжения, обрыве проводов и т.п. У некоторых механизмов, таких как кривошипно-шатунные прессы, ножницы, подъемно-качающиеся столы некоторых прокатных станов, установившихся режимов вообще нет, а их рабочие режимы представляют собой периодические переходные процессы.
Переходные режимы играют огромную роль в работе электропривода и механизма, и часто их характер предопределяет производительность механизма и качество выпускаемой продукции. Поэтому их изучение имеет большое практическое значение. Анализ этих режимов дает возможность правильно рассчитать мощность электродвигателя и выбрать его, уменьшить расход энергии при пуске и торможении, позволяет выявить предельно допустимое с точки зрения нагрева число включений в час двигателя электропривода, работающего большую часть времени в переходных режимах.
Лишь ограниченное число механизмов допускает возможность проектирования их электропривода без учета характера протекания переходных процессов. К ним относятся некоторые редко пускаемые и длительно работающие механизмы с простейшими пусковыми устройствами, например, вентиляторы, насосы, а также механизмы, в которых производственный процесс настолько груб, что к их электроприводу вообще не предъявляется каких-либо особых требований, кроме обеспечения заданной мощности (бетономешалки, камнедробилки и т.п.).
Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа электродвигателя и его режима работы, передачи. Теоретическое рассмотрение переходных процессов с учетом всех влияющих факторов часто затруднителен, ибо не всегда можно аналитически выразить законы изменения отдельных параметров, или же поведение электропривода в переходных режимах описывается системой уравнений высоких порядков. К счастью, далеко не во всех случаях требуется детальный учет всех факторов. Второстепенные факторы могут не приниматься во внимание.
На протекание переходных процессов значительное влияние оказывает механическая, электромагнитная и тепловая инерция. Механическая инерция, характеризуемая электромеханической постоянной Тм, зависит как от инерционных масс и характера нагрузки Мс, так и от электромеханических свойств двигателя. Электромагнитная инерция характеризуется электромагнитной постоянной Тэ, зависящей от L и R электрической цепи. Тепловая инерция характеризуется постоянной времени нагрева Тн, зависит от теплоемкости машины и ее теплоотдачи. Поскольку тепловые процессы протекают значительно медленнее электромагнитных и механических, их при анализе переходных процессов электропривода не принимают во внимание.
Если механическая инерция практически всегда ощутима и сказывается на переходных процессах, то электромагнитная инерция может быть и несущественной и практически не влиять на характер протекания процесса. В связи с этим, когда не требуется очень большой точности, учитывается только механическая инерция. Переходные процессы в этом случае называются механическими.
Если учитывается только электромагнитная инерция (например, в цепях возбуждения), переходные процессы называются электромагнитными, а если учитывается механическая и электромагнитная инерция – электромеханическими.
Переход из одного установившегося состояния в другое может совершаться по различным траекториям. При управлении электроприводом стремятся выбирать такие, которые обеспечивают максимальное быстродействие, минимум потерь энергии и динамических нагрузок, максимум полезной работы и оптимальные значения других показателей.
Наиболее часто требуется обеспечить изменение скорости электропривода за минимальное время при ограничении момента двигателя. Такие переходные процессы называются оптимальными по быстродействию при ограничении момента. Этому условию при Мс=const соответствует равномерно ускоренный характер изменения скорости при М=Мдоп=const (см. кривые 1 и 2 на рис. 4.1.1).
Если Мс=f(ω), то скорость при реверсе в процессе торможения и пуска должна изменяться с различными ускорениями в случае реактивного Мс, как показано на рисунке.
Для некоторых механизмов, например, пассажирских лифтов, переходные процессы должны протекать при строго ограниченном ускорении. Условием минимальной длительности переходного процесса является поддержание постоянства ускорения при различных нагрузках. Такие переходные процессы называются оптимальными по быстродействию при ограничении ускорения ε.
В этом случае зависимость ω=f(t) должна оставаться неизменной при разных Мс, а момент двигателя при этих разных Мс будет изменяться.
Однако, в ряде случаев момент двигателя не реагирует на изменение нагрузки. В этом случае для ограничения ε при любых Мс допустимый пусковой момент двигателя необходимо выбрать из условия:
Так вот, если Мпуск выбран в соответствии с данным выражением и при различных нагрузках остается неизменным, ускорение электропривода при возрастании нагрузки будет уменьшаться и при Мс=Мс макс примет значение
© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.029)
Переходные процессы в электроприводе возникают при переходе из одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, ток, момент, температура двигателя. В переходном режиме величины, характеризующие работу привода, непрерывно меняются. Когда длительность механических и электромагнитных переходных процессов соизмерима, то они оказывают влияние друг на друга и их приходится… Читать ещё >
Переходные процессы в электроприводе ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
Переходные процессы в электроприводе возникают при переходе из одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, ток, момент, температура двигателя. В переходном режиме величины, характеризующие работу привода, непрерывно меняются.
Переходные процессы возникают в любой системе электропривода при его пуске, торможении, реверсировании и регулировании скорости, изменении нагрузки на рабочем органе, колебании напряжения или частоты питающей сети, то есть под воздействием внешнего возмущающего фактора. Реакция привода на возмущающее воздействие составляет существо переходных процессов.
Неучст переходных процессов может отрицательно отразиться на правильности выбора мощности электродвигателя, производительности и надежности рабочего механизма, соблюдении требований технологического режима.
Причина переходных процессов в электроприводах — механическая, электромагнитная и тепловая инерционность. В движущихся частях накапливается кинетическая энергия, в упругих элементах — потенциальная, в индуктивностях — электромагнитная, в массе двигателя — тепловая. Отсутствие инерционностей исключило бы протекание переходных процессов. При скачкообразном возмущающем воздействии происходило бы мгновенное изменение скорости, момента двигателя, тока и других величин.
В зависимости от вида энергии, обусловливающей переходные процессы, различают механические, электромагнитные и тепловые процессы.
Практически в электроприводе существуют три вида переходных процессов одновременно, но длительность и влияние их на работу электропривода различны ("https://referat.bookap.info", 15).
Механические переходные процессы связаны с изменением кинетической энергии.
Электромагнитные переходные процессы возникают при изменении электромагнитной энергии в обмотках электрических машин.
Когда длительность механических и электромагнитных переходных процессов соизмерима, то они оказывают влияние друг на друга и их приходится рассматривать одновременно. В этом случае происходит электромеханический переходный процесс.
Тепловые переходные процессы обусловлены изменением тепловой энергии в электрической машине. Поскольку длительность тепловых переходных процессов значительно превосходит (более чем на три порядка) продолжительность механических и электромагнитных процессов, то при рассмотрении последних влияние на них тепловых процессов в большинстве случаев не учитывают.
Для исследования переходного процесса необходимо составить дифференциальное уравнение, решение которого опишет поведение сисгемы как в переходном, так и в установившемся режимах работы при заданных начальных условиях.
Переходным процессом называется процесс перехода электропривода от одного установившегося состояния к другому, когда одновременно изменяются скорость, момент и ток двигателя, а также скорость и моменты всех звеньев кинематической цепи, соединяющей двигатель с рабочим органом механизма.
К переходным процессам относятся пуск, торможение и реверс электропривода, переход с одной скорости на другую, а также процессы, вызванные изменениями момента на валу двигателя, изменением напряжения сети. Характер протекания и длительность переходного процесса в ряде производственных механизмов определяют производительность, особенно когда длительность рабочего цикла соизмерима с временем разгона и торможения.
Кроме того, потери энергии в двигателе при пуске и торможении могут оказаться соизмеримыми с потерями в установившихся режимах. Поэтому при определении мощности двигателя необходимо учитывать потери при пуске и торможении, особенно когда число пусков и торможений в час относительно велико.
Характер и длительность переходного процесса определяются моментом двигателя, моментами сил сопротивления (трения, резания, деформации и т. д.), массами и моментами инерции движущихся тел. Зависимости n, М, I от времени и продолжительность переходного процесса можно определить с помощью известного из механики уравнения движения. Для поступательного движущегося тела
F - Fc = mdv/dt. (12,1)
Для вращающегося тела
М - Mc = J dω/dt. (12,2)
В формулах (12.1) и (12.2) приняты следующие обозначения: F, М — движущая сила и движущий момент, Н, Н•м; Fc, Мс — сила и момент сопротивления, Н, Н•м; т, J — масса и момент инерции тела, кг, кг•м 2 ; v, ω, t — скорость, угловая скорость и время, м/с, рад/с, с.
Уравнения движения соответствуют одному поступательно движущемуся или вращающемуся телу. Любой, даже самый простейший производственный механизм, например изображенный на рис. 12.1, состоит не из одного, а из нескольких движущихся или вращающихся с различными частотами тел (шестерен, валов, шкивов и т. д.). Поэтому при расчете переходных процессов электроприводов потребовалось бы составить и совместно решить столько уравнений, сколько звеньев с различными скоростями имеет механизм. Для упрощения задачи все моменты инерции, моменты сил сопротивления и движущие моменты приводят к одной скорости — обычно к скорости вала двигателя; в результате этого все звенья механизма заменяют одним эквивалентным звеном, для которого составляют и затем решают одно уравнение движения. Динамические свойства эквивалентного звена будут такими же, как и механизма, если:
а) кинетическая энергия эквивалентного звена равна кинетической энергии всех звеньев механизма;
б) мощности на валу эквивалентного звена, обусловленные движущим моментом и моментами сил сопротивлений, те же, что и соответствующие мощности, передаваемые звеньями механизма.
На основании этих условий для системы, состоящей из k звеньев, можно написать
| Jэкω 2 эк | = Jд | ωд 2 | + J1 | ω1 2 | + . + Jk | ωk 2 | . |
Рис. 12.1. Кинематическая схема механизма (а); пояснения к графо-
аналитическому методу расчета времени переходного процесса (б)
Разделив почленно на ωэ, получим
| Jэк = Jд( | ωд | ) 2 + J1( | ω1 | ) 2 + . + Jk( | ωk | ) 2 , |
| ωэк | ωэк | ωэк |
где Jэк, ωэк — момент инерции и угловая скорость вращения эквивалентного звена; Jд, ωд — момент инерции и угловая скорость двигателя; J1, J2, . Jk—моменты инерции звеньев механизма, вращающихся соответственно с угловыми скоростями ω1, ω2, . ωk.
Если скорость эквивалентного звена равна скорости двигателя, то
| Jэк = Jд+ J1( | ω1 | ) 2 +. + Jk( | ωk | ) 2 , |
| ωд | ωд |
Эквивалентный момент инерции Jэк обычно обозначают Jи называют моментом инерции всех звеньев механизма, включая и момент инерции двигателя.
Момент сил сопротивления, приведенный к валу двигателя, с учетом КПД механизма для случая передачи энергии от двигателя к механизму определяется из соотношения
| Мс,пр = М'с | ωс | = Мс, |
| ωд | η |
где Мс,пр — момент сил сопротивления, приведенный к валу двигателя, имеющего угловую скорость ωд; М'с — момент сил сопротивления звена, имеющего угловую скорость ω'с; η— КПД передачи.
Уравнение движения эквивалентного звена для двигательного режима работы и реактивного момента сил сопротивления (момент трения, резания и т. п.) будет иметь вид (12.2), где М — момент, развиваемый двигателем; J— момент инерции всех звеньев; Мс — момент сил сопротивления на валу двигателя.
Пример 12.1. Двигатель через систему шестерен приводит в движение барабан (рис. 12.1, а). Частота вращения двигателя n= 1000 об/мин, частота вращения барабана n = 100 об/мин. Момент сил сопротивления на валу барабана Мс = 400 Н • м, момент инерции барабана Jб = 250 кг • м 2 .
Определить приведенные к валу двигателя момент инерции барабана и момент сил сопротивления, если КПД передачи η = 0,8.
Переходные процессы возникают при переходе любого технического устройства из одного состояния в другое. Теория автоматического регулирования определяет динамические свойства звеньев в переходных процессах при помощи переходной характеристики h(t). Под переходной характеристикой понимают реакцию звена на единичное ступенчатое воздействие 1(t).
Такое воздействие соответствует мгновенной подаче напряжения на двигатель или его отключение. Кроме того, по такому закону может изменяться момент сопротивления.
Переходная характеристика рассчитывается по дифференциальному уравнению движения электропривода при известном Xвх.
h (t) определяется, например, при напряжении на якоре двигателя
Uя = 1 (t) Uя1 ; Uя1 = const. Типовым переходным процессом привода является апериодический. Экспериментально переходные процессы определяются при подаче на вход привода ступенчато изменяющегося напряжения. Работа электропривода определяется взаимосвязанными переходными механическими, электромагнитными и тепловым процессами. При этом
Можно назвать следующие причины возникновения переходных процессов:
-изменение Мс;
-изменение М, то есть переход привода с одной характеристики на другую, имеющий место при пуске, торможении, реверсе, регулировании скорости, изменении какого-либо параметра привода.
Объектом исследования служит идеализированная модель привода
Характер и длительность переходного процесса определяются моментом двигателя, моментами сил сопротивления (трения, резания, деформации и т. д.), массами и моментами инерции движущихся тел. Зависимости n, М, I от времени и продолжительность переходного процесса можно определить с помощью известного из механики уравнения движения. Для поступательного движущегося тела
F - Fc = mdv/dt.
Для вращающегося тела
М - Mc = J dω/dt. Основная задача при изучении переходных процессов сводится к определению зависимостей w (t), M(t) и i(t) для любых конкретных приводов в любых условиях.
При изучении переходных процессов мы будем полагать известными следующие исходные данные:
- конечное состояние: w кон, Мкон, iкон и соответствующая ему характеристика w (М);
- характер изменения во времени фактора, вызвавшего переходный процесс;
Все возникающие на практике задачи в целях их упорядоченного изучения разделим на четыре большие группы.
1. Преобладающей инерционностью в приводе является механическая инерционность (J); электрические инерционности (L) малы или не проявляются. Фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется скачкообразно (мгновенно) то есть много быстрее, чем скорость.
Примеры задач, относящихся к этой группе: мгновенное учеличение и сброс нагрузки, пуск, реверс, торможение, регулирование скорости асинхронных двигателей при питании от сети, если не учитывать индуктивности обмоток; то же для двигателей постоянного тока независимого возбуждения если Ф = const, а Lя = 0, то же для двигателей последовательного или смешанного возбуждения, если Lя= Lв =0.
2. Преобладающая инерционность - механическая (J); индуктивности электрических цепей малы или не проявляются. Фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется не мгновенно, то есть темп его изменения соизмерим с темпом изменения скорости w (“медленное” изменение воздействующего фактора).
Примеры: переходные процессы в системах управляемый преобразователь - двигатель постоянного тока, преобразователь частоты - асинхронный двигатель, если L = 0.
3. Механическая и электрическая инерционность соизмеримы; фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется мгновенно.
4. Учитываются несколько инерционностей, фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется не мгновенно. Эти наиболее сложные задачи, относящиеся к замкнутым системам регулирования, мы рассмотрим очень кратко - они будут детально изучаться в других курсах.
Рис 8.3.1. Схема КМОП логического элемента И–НЕ и его таблица истинности
Чтобы открыть оба нижних транзистора надо, чтобы на входе A и входе B была логическая единица, при этом оба верхних транзистора закроются и на выходе Q будет логический ноль. Если хотя бы на одном или на обоих входах будет логический ноль, то хотя бы один из нижних транзисторов закроется, один из верхних откроется, при этом на выходе будет логическая единица.
Рис 8.3.1. Схема КМОП логического элемента ИЛИ–НЕ и его
Если на входах A или B (или на обоих) логическая единица, то откроется один или оба из нижних транзисторов, при этом закроется один или оба верхних транзистора, тогда на выходе логический ноль. Если на обоих входах логический ноль, то закроются оба нижних и откроются оба верхних транзистора, при этом на выходе логическая единица.
При пуске и останове электродвигателя, при его реверсе, изменении задания на скорость в регулируемом электроприводе, при приложении (или снятии) к валу двигателя механической нагрузки изменяются параметры электропривода: ток, момент, скорость и другие. При этом привод переходит из одного установившегося режима работы с одними параметрами движения в другой установившийся режим с другими параметрами. Однако этот переход не может быть мгновенным, т.к. ток в двигателе из-за электромагнитной инерционности его цепей не может изменяться мгновенно, также не может изменяться мгновенно скорость двигателя из-за механической инерционности движущихся масс электропривода.
Переходным процессом (переходным режимом) электропривода называется протекающий во времени процесс перехода от одного установившегося режима работы (или отключенного состояния) к другому установившемуся состоянию.
Причиной возникновения переходных процессов могут быть:
управляющие воздействия (включение – отключение электропривода, изменение задания на скорость привода и др.);
возмущающие воздействия, главным из которых является изменение нагрузки на валу двигателя (изменение Мс).
Необходимость изучения, а затем и формирования переходных процессов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных динамических режимах, в которых происходит резкое приложение нагрузки, необходимо быстрое изменение скорости и т.д. Таковы электроприводы металлорежущих станков, горных экскаваторов, прокатных станов и других машин. Для этих машин возникает задача сокращения длительности переходных процессов, т.е. повышение быстродействия электропривода.
Есть рабочие машины, для которых важнейшим требованием является стабильность скорости вращения (например, машины для производства бумаги, пленки и т.п.). Здесь при приложении возмущающих воздействий важна минимизация величины отклонения от заданных параметров движения.
Рис.8.1. Динамическая (переходная) характеристика системы регулирования
Большое значение имеет анализ переходных процессов для следящих электроприводов, которые работают, как правило, в переходных режимах, отрабатывая изменяющееся задание скорости и положения.
Переходные процессы могут быть колебательными или апериодическими, как показано на рис.8.1, и характеризуются следующими показателями.
Время переходного процесса (tnn - время, начиная с которого регулируемый параметр Y входит и остается в зоне допустимых отклонений от заданного значения Yзад. Обычно в системах электропривода эта зона принимается равной ±2% или ±5% от заданной величины регулируемого параметра.
Время нарастания до заданного значения tн - время, когда регулируемый параметр Y первый раз достигает заданного значения.
Перерегулирование – это выраженное в процентах относительное превышение максимального значения регулируемого параметра над заданным значением.
Эти показатели качества переходных процессов приводятся для случая, когда на систему регулирования действует ступенчатое (единичное) управляющее или возмущающее воздействие.
Для расчета и анализа переходных процессов необходимо найти переходную функцию – зависимость параметров электропривода (скорости, тока, момента и др.) от времени.
Переходные функции описываются дифференциальными уравнениями. Порядок дифференциального уравнения будет определяться числом инерционностей, которые учитываются при рассмотрении данного переходного процесса. Ниже перечислены основные инерционности, характерные для электроприводов.
Механическая инерционность, связанная с накоплением и отдачей кинетической энергии; величина механической инерционности определяется для вращательного движения моментом инерции J∑, приведенным к валу электродвигателя; при анализе переходных процессов механическая инерционность оценивается электромеханической постоянной времени
(8.1)
где β – абсолютная величина (без учета знака) жесткости механической характеристики электропривода.
Электромагнитная инерционность, связанная с накоплением (отдачей) энергии электромагнитного поля; эта инерционность оценивается электромагнитной постоянной времени
(8.2)
где L и R - индуктивность и активное сопротивление электромагнитного устройства (например, обмотки двигателя).
Электростатическая инерционность, связанная с накоплением (отдачей) энергии электростатического поля; эта инерционность оценивается постоянной времени
Тс = RС (8.3)
где С – емкость конденсатора, R – сопротивление цепи его заряда-разряда.
Существуют инерционности и другой физической природы, которые иногда следует учитывать при анализе переходных процессов.
Если предположить, что инерционности отсутствуют или они пренебрежимо малы, то переходные процессы будут протекать мгновенно. Наличие в реальных системах инерционностей различной физической природы обуславливает затягивание переходных процессов, связанное с тем, что в процессе перехода системы из одного состояния в другое происходит накопление (запасание) или отдача энергии, которые не могут происходить мгновенно.
Если потоки энергии однонаправлены, то переходный процесс при приложении постоянного по величине воздействия носит монотонный характер. Таков, например, процесс нарастания тока в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока при подаче напряжения на эту обмотку (рис.8.2,а).
Процесс изменения тока во времени при подаче напряжения на обмотку описывается дифференциальным уравнением
приводя который к нормализованному виду с учетом (8.2), получим:
(8.4)
где Iуст – установившееся значение тока возбуждения, или в операторной форме, заменяя символ дифференцирования d/dt на оператор р
i(Тэр+1) = Iуст (8.5)
Решение этого уравнения будет
(8.6)
(8.7)
Рис.8.2. Переходные характеристики при включении обмотки возбуждения
Переходная характеристика i = f(t) носит экспоненциальный характер (рис.8.2,б). За время, равное Тэ, ток в обмотке возбуждения возрастает до значения 0,63Iуст; за время 5Тэ – до значения 0,95Iуст; за время 5Тэ – до значения 0,996Iуст. Практически можно считать, что время переходного процесса при экспоненциальном характере составляет 3-5 постоянных времени. Если нужно ускорить нарастание тока в обмотке возбуждения, то это можно сделать единственным способом - увеличить напряжение, подводимое к индуктивности (обмотке возбуждения) на время протекания переходного процесса. Если, например, мы увеличим напряжение в а раз до значения Uф = aIустR, то ток в обмотке возбуждения будет нарастать быстрее, как это следует из характеристики 2 на рис.8.2,6. По достижении током значения Iуст напряжение на обмотке возбуждения следует уменьшить до значения U = IустR.
Таким образом, для уменьшения времени переходного процесса нужно применить форсировку напряжения, которая затем снимается. Отношение a= Uф/ U называется коэффициентом форсировки.
Читайте также: