|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
В.1. Краткая история развития электромеханикиСтр 1 из 14Следующая ⇒
ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Магнитогорск, 2010 УДК 621.3
Рецензенты: кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники и электротехнических систем ГОУ ВПО “Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова” К.Э. Одинцов; кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой прикладной информатики и управляющих систем автоматики Новотроицкого филиала ФГОУ ВПО “Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)” С.Н. Басков
Авторы: Радионов А.А., Сарапулов О.А
Радионов А.А., Сарапулов О.А. Введение в электромеханику: Учебное пособие; под ред. А.А. Радионова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ”, 2010. – 92 с.
Рассмотрены основы теории и принципы построения промышленных электромеханических систем. Представлены физические основы функционирования их элементов – исполнительных электроприводов, силовых электронных преобразователей и различных передач преобразователей движения. Изложены основы теории автоматизированного электропривода. Приведено общее представление об управлении электромеханическими системами. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров “Электротехника, электромеханика и электротехнологии”. Может быть полезно для студентов других технических направлений, интересующихся проблемами электромеханических систем и систем автоматизированного электропривода.
УДК 621.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие представляет собой конспект лекций, разработанный в соответствии с Государственным образовательным стандартом Российской Федерации направления подготовки бакалавров 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии и Рабочей программой по дисциплине “Введение в электромеханику” для студентов Магнитогорского государственного технического университета. Поскольку учебное пособие написано в виде конспекта лекций, материал тематически объединен и изложен в объеме, позволяющем рассматривать его в течение двух академических часов. Количество лекций рассчитано на изучение дисциплины в течение одного семестра (18 недель). Материал лекций разбит на введение и на шесть глав. Во введении дается понятие электромеханической системы, приведено описание ее структуры. Сформулированы задачи подготовки бакалавров-электромехаников, дано описание учебного плана, реализуемого в Магнитогорском государственном техническом университете. В первой главе приводятся основные понятии и законы электротехники, в объеме, минимальном для дальнейшего понимания материала лекций. Во второй и третьей главах приведено описание исполнительных двигателей электромеханических систем. Достаточно подробно рассмотрены устройство, принцип действия и статические характеристики электрических двигателей углового движения (постоянного тока, асинхронных и синхронные двигателей). Приведены общие принципы работы силовых преобразователей электрической энергии. В четвертой главе дано описание кинематики различных преобразователей движения (зубчатых, червячных, передач с гибкими связями, винт-гайка). В пятой главе к рассмотрению предлагаются некоторые вопросы теории электропривода – механики, энергетики и регулирования координат. Шестая глава посвящена рассмотрению общих вопросов управления современным автоматизированным электроприводом промышленных электромеханических систем. Вопросы курса изложены с учетом наличия знаний у студентов дисциплин “Физика” и “Математика” программы средней общеобразовательной школы и не требует специальной подготовки. Лекции не содержат ссылок на литературу, однако все литературные источники, которые авторы использовали при написании пособия, приведены в конце книги. Поэтому при возникновении каких-либо вопросов в процессе изучения курса студентам необходимо пользоваться указанной литературой. Авторы надеются, что настоящее учебное пособие окажет достойную помощь студентам при изучении соответствующего курса, а также будет полезно в их дальнейшей профессиональной деятельности. Понимая, что материал пособия может быть изложен в более доступной форме, авторы с благодарностью примут все замечания по его содержанию, которые следует направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, кафедра “Автоматизированного электропривода и мехатроники” или на e-mail: [email protected]. ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть энергии передается и используется в виде электрической энергии. Большинство машин и механизмов в промышленности, на транспорте, в быту используют электрические устройства. Даже там, где применяются другие источники энергии (двигатели внутреннего сгорания, паровые или газовые турбины, ядерная энергия), электроэнергия применяется либо для управления установками, либо как элемент силовой цепи. В этом случае выполняется преобразование механической или тепловой энергии в электрическую и передача ее для дальнейшего использования в электротехнических устройствах. Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века, когда электротехнические устройства стали находить коммерческое применение. История развития науки и практики в области электротехники знает много знаменитых имен, вошедших не только в исторические документы, но и в нашу повседневность в виде электрических единиц. В области электричества – это Кулон, Ампер, Ом, Вольта, Сименс, Фарадей, Генри; в области магнетизма – Гаусс, Вебер, Максвелл, Эрстед, Тесла, Гильберт; в области электромеханики – Ленц, Якоби, Доливо-Добровольский и др.
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Магнитные цепи Магнети́ зм – форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм – одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовой частицей, носящей название фотон. Магнитные поля возникают как вокруг всех намагниченных материалов, так и вокруг проводников с электрическим током (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Магнитное поле прямого проводника (а), катушки с током (б) и постоянного магнита (в)
Если по проводнику протекает переменный электрический ток, то он создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в катушке электродвижущую силу самоиндукции. Это явление называется явлением электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1931 году. Значение э.д.с. самоиндукции определяется скоростью изменения потокосцепления катушки с магнитным полем
где
Основной силовой характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции B, измеряемым в теслах (Тл) и показывающей с какой силой F магнитное поле действует на электрический заряд q, движущийся со скоростью V
или, c какой силой магнитное поле действует на элемент проводника длиной dl с током I находящимся в этом поле
где α – угол между векторами Выражение (1.25) носит название закона Ампера (1820 г.). В целом магнитное состояние любой точки изотропной (обладающей во всех направлениях одинаковыми свойствами) среды однозначно характеризуется вектором магнитной индукции В и вектором напряженности магнитного поля Н, совпадающими друг с другом по направлению. В вакууме модули векторов индукции и напряженности магнитного поля связаны простым соотношением
где Для ферромагнитных материалов зависимость индукции от напряженности магнитного поля B(H) в общем случае нелинейная. Ферромагнетизм – способность ряда веществ (железа, кобальта, никеля и др., их сплавов, а также соединений марганца и хрома) обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Свойства ферромагнетиков во внешнем магнитном поле характеризуются гистерезисными кривыми намагничивания – зависимостями намагниченности J и индукции B от напряженности магнитного поля H (см. рис. 1.8). Эти величины связаны соотношениями
Под гистерезисом понимается неоднозначность кривой намагничивания при перемагничивании, характерная для ферромагнетиков. Последовательность перемещения рабочей точки по диаграмме B(H) при перемагничивании, если исходной является точка 1 следующая: 1→ 2→ 3→ 4→ 5→ 6→ 1. При этом вводятся понятия: - точка 1 с координатами - точка 2 с координатами - точка 3 с координатами - точка 4 аналогична точке 1, точка 5 – точке 2, а точка 6 – точке 3. Таким образом, гистерезис приводит к неоднозначности намагниченности J(H) и индукции B(H). При заданной напряженности H индукция В зависит от предистории, т.е. в каких полях ферромагнетик побывал раньше. Модуль вектора магнитной индукции (индукция магнитного поля) создаваемого прямым бесконечно длинным проводником длиной L с током I в точке пространства (в вакууме) на расстоянии r определяется законом Био-Савара (1820 г.)
В среде отличной от вакуума, магнитное поле, созданное токами проводников или контуров, усиливается на величину собственного поля намагниченной среды
Магнитной цепью (магнитопроводом) называется совокупность различных ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, предназначенных для создания магнитных полей необходимой конфигурации и интенсивности. Конструкции магнитопроводов и их функциональное назначение в электротехнических устройствах (электрические машины, трансформаторы и др.) весьма разнообразны. На рис. 1.9 показан пример простейшей магнитной цепи, применяемой в трансформаторах. На тороидальный сердечник намотана обмотка, по которой протекает переменный электрический ток, возбуждающий в магнитопроводе и вокруг него переменное магнитное поле.
Суммарный ток
Электромагнитная аналогия Указанная выше аналогия между э.д.с. и м.д.с. не единственная. Между другими электрическими и магнитными величинами также существует аналогия. Например, для линейного электрического контура (имеющее сопротивление R = const), второй закон Кирхгофа можно записать в виде
где k – номер участка электрической цепи; Е – суммарная э.д.с. в контуре. Для линейной магнитной цепи (имеющей постоянную магнитную проницаемость μ = const), по которой замыкаются линии магнитного поля, можно записать по закону полного тока
где i – номер участка магнитной цепи; l – длина магнитной линии; F – полный ток, или м.д.с. Нетрудно заметить, что выражения (1.32) и (1.33) схожи: слагаемые
где S – площадь поверхности, через которую замыкается магнитный поток; Тогда выражение (1.33) можно переписать в виде, подобном выражению (1.32)
Из сказанного следует, что аналогичны следующие параметры величин
Рассмотренная электромагнитная аналогия широко используется в электромеханике и электротехнике. Контрольные вопросы 1. Сформулируйте определения для электрического тока, электрической цепи. 2. Какие элементы электрической цепи Вы знаете? Дайте им определение. 3. Перечислите известные Вам компоненты электрических цепей. Нарисуйте и поясните их вольт-амперные характеристики. 4. Нарисуйте трехфазную систему напряжений и охарактеризуйте ее. Чему равно действующее значение напряжения (тока) в такой электрической цепи? Поясните физическую сущность понятия “действующее значение”. 5. Какие законы для электрической цепи Вы знаете? Поясните их. 6. Сформулируйте определения для магнетизма. 7. Какими величинами характеризуется магнитное поле? 8. Какие законы для магнитной цепи Вы знаете? Поясните их. Двигатель постоянного тока Принцип действия двигателя постоянного тока может быть пояснен на примере работы простейшей одновитковой машины (рис. 2.3). При подключении обмотки якоря к источнику постоянного напряжения
Конструкция машины такова, что обмотка якоря находится в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами. Согласно закону Ампера (1.25) на проводник с током, размещенным в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, действует электромагнитная сила
направление которой определяется по правилу “левой руки” (см. рис. 2.4). Эти силы создают механический момент, называемый электромагнитным моментом
или с учетом (1.25)
В выражениях (2.2)-(2.4): Электромагнитный момент приведет вращающуюся часть двигателя в движение. При этом проводники обмотки будут также вращаться в магнитном поле, а следовательно в них будет индуцироваться электродвижущая сила (э.д.с.). Направление э.д.с. определяется по правилу “правой руки” (см. рис. 2.4). Мгновенное значение индуцируемой в проводнике обмотки э.д.с определится по закону электромагнитной индукции в виде
где
При повороте обмотки якоря более чем на 90° от исходного положения его верхний проводник окажется под южным полюсом. Одновременно с этим из-за действия коллектора направление тока в нем также изменится, а следовательно направление электромагнитного момента, вызывающее вращение двигателя останется неизменным. Двигатель продолжит вращаться в прежнюю сторону. Исходя из вышесказанного, напряжение на зажимах двигателя уравновешивается э.д.с. и падением напряжения на обмотке якоря
Развиваемый двигателем электромагнитный момент расходуется на преодоление механических потерь в подшипниках якоря двигателя и рабочего органа
Динамический момент может быть определен по выражению
где Анализ зависимости (2.9) показывает, что
Приняв, что
Подставив (2.11) и (2.12) в (2.7) получим уравнение электромеханической характеристики ДПТ
и уравнение его механической характеристики
На рис. 2.5 приведены механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, построенные в соответствии с выражением (2.14). Механическая характеристика двигателя, запитанного номинальным напряжением при номинальной величине магнитного потока называется естественной. Для управления скоростным режимом работы двигателя в электро Синхронный двигатель Синхронным двигателем называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, на одну из обмоток которой подается переменное напряжение частотой f, а на другую – постоянное напряжение. Статор (неподвижная часть) синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Подвижная часть, состоящая из сердечника с уложенной в нем токопроводящей обмоткой, носит название якоря. Конструкция якоря синхронной машины может быть как явнополюсная (рис. 2.11, а), так и неявнополюсная (рис. 2.11, б). Как и в асинхронном двигателе, обмотка статора синхронной
С учетом, что,
Благодаря именно этому факту машина и получила название синхронного двигателя. Регулирование скорости синхронного двигателя также как и асинхронного осуществляют путем изменения частоты питающего обмотки статора напряжения. Чем ниже частота, тем меньше скорость вращения якоря.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В настоящее время для питания электродвигателей промышленных электромеханических модулей применяют специальные устройства – силовые электронные преобразователи, преобразующие переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц в постоянное регулируемое по величине напряжение (тиристорные преобразователи постоянного тока) или в переменное напряжение регулируемой частоты и амплитуды (преобразователи частоты).
Зубчатые передачи Наиболее распространенными преобразователями движения являются зубчатые передачи – механизмы, передающие или преобразующие движение с помощью зацепления с изменением угловых скоростей и моментов. Такие передачи применяют для преобразования вращательного движения между валами с параллельными (рис. 4.2, а-г), пересекающимися (рис. 4.2, е-з) осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот (рис. 4.2, д).
Рис. 4.2. Основные виды зубчатых передач: а – цилиндрическая с прямыми зубьями; б – цилиндрическая с косыми зубьями; в – цилиндрическая с шевронными зубьями; г – цилиндрическая внутреннего зацепления с прямыми зубьями; д - реечная передача; е – коническая с прямыми зубьями; ж – коническая с тангенциальными зубьями; з – коническая с круговыми зубьями;
Кинематическая схема цилиндрической и конической передач приведены на рис. 4.3. Передаточное соотношение может быть найдено из соотношения числа зубьев входной z1 и выходной z2 шестерен
Основными характеристиками механических передач являются мощности на валах
или
или при выделении момента потерь в передаче в виде
Также следует отметить, что приведение моментов инерции элемента электромеханического модуля, вращающегося со скоростью
в соответствии с выражением
где
Для реечной передачи, при преобразовании вращательного движения в поступательное, линейная скорость рейки определится как
передаточное соотношение
где Передаточное соотношение реечной передачи может находиться в диапазоне 10…200 м-1. К.п.д. цилиндрических передач составляет 0, 95…0, 99.
- солнечная шестерня 1 (находится в центре); - водило 2, жёстко фиксирующее друг относительно друга оси нескольких планетарных шестерён одинакового размера 3 (сателлитов), находящихся в зацеплении с солнечной шестерней; - кольцевая шестерня 4 (эпицикл), имеющая внутреннее зацепление с планетарными шестернями. При использовании планетарной передачи в качестве редуктора один из трёх её основных элементов фиксируется неподвижно, другой элемент используется как ведущий, а третий – в качестве ведомого. В случае, когда водило 2 зафиксировано ( Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-29; Просмотров: 1370; Нарушение авторского права страницы
Без использования энергии невозможно существование современного индустриального общества. Потребление энергии человечеством постоянно возрастает и за последние 50 лет увеличилось практически в 6 раз (см. рис. В.1). По некоторым подсчетам за свою историю человечество израсходовало приблизительно около 1000 терраватт-часов (1 ТВт = 1012 Вт) всех видов энергии. Причем из них более половины за последние полвека.
, 
, (1.24)
– потокосцепление; Ф – магнитный поток, равный потоку магнитной индукции В через поверхность S, ограниченную контуром витка проводника с током.
Суть явления электромагнитной индукции состоит в сохранении магнитного потока проходящего через контур. Пусть магнитное поле, направленное как показано на рис. 1.7, возрастает, то есть возрастает магнитный поток через контур. Появляющийся в контуре индукционный ток i направлен таким образом, чтобы его собственное магнитное поле (красные стрелки на рис. 1.7) ослабляло внешнее поле B.
или 
, (1.25)
или 
, (1.26)
и 
или 
и 
, 
, (1.27)
- магнитная проницаемость вакуума, 
Гн/м.
, откуда 
и 
.
, 
– индукция насыщения; 
, 
– остаточная индукция, 
– остаточная намагниченность; 
– коэрцитивная сила, т.е. напряженность внешнего магнитного поля, противоположного по знаку полю вызвавшему намагничивание 
, т.е. когда 
; 
. (1.28)
. (1.29)
Закономерности, происходящие в такой, как и в любой другой магнитной системе, описываются законом полного тока для магнитной цепи. Этот закон устанавливает, что интеграл от напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов проводников, пронизывающих поверхность, ограниченную эти контуром
. (1.30)
В общем случае, если токи разнонаправлены, как это показано на рис. 1.10, то положительными следует считать те токи, направление которых соответствует обходу контура по направлению движения часовой стрелки (правило буравчика). В частности, для контура на рис. 1.10 закон полного тока может быть записан в виде
. (1.31)
, 
, создающей магнитное поле, называется магнитодвижущей силой (м.д.с.) по аналогии с электродвижущей силой (э.д.с), вызывающей ток в замкнутой электрической цепи.
, (1.32)
, (1.33)
в выражении (1.33) можно рассматривать как падение магнитного напряжения на i-ых участках магнитной цепи. Действительно в случае однородного магнитного поля
, (1.34)
– магнитное сопротивление потоку, аналогичное электрическому сопротивлению 
участка проводника длиной l, сечением S и удельным сопротивлением 
.
. (1.35)
и 
; 
и 
; 
и 
; 
и 
; 
. (1.36)
в ней будет протекать электрический ток, величина которого согласно закону Ома обратно пропорциональна сопротивлению этой обмотки 
. (2.1)
, (2.2)
(2.3)
. (2.4)
– магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; 
– активная длина проводника; 
– диаметр якоря.
, (2.5)
– линейная скорость движения проводника.
Поскольку верхняя (см. рис. 2.3) часть обмотки якоря находится под северным полюсом магнита, а нижняя часть – под его южным полюсам, а также при условии разнонаправленности тока в них, полная э.д.с. одновитковой машины определится как
. (2.6)
. (2.7)
, на создание полезного момента нагрузки 
и на создание динамического момента, необходимого для разгона или торможения 
. (2.8)
, (2.9)
– суммарный момент инерции всех вращающихся частей электромеханической системы, приведенный к валу двигателя.
при разгоне и 
при торможении. Также следует отметить, что в установившемся режиме работы 
, а момент двигателя равен статическому моменту 
. (2.10)
, где 
– конструктивная постоянная двигателя, а 
, (2.11)
. (2.12)
(2.13)
. (2.14)
механических системах, как правило, изменяют напряжение вниз от номинального значения. При этом согласно выражению (2.14) скорость двигателя уменьшается пропорционально снижению напряжения вплоть до нуля. В случае если полярность питающего напряжения будет изменена, то двигатель начнет вращаться в дру гую сторону. Таким образом, возможно задавать вращение двигателя в любом необходимом направлении. 
машины создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки якоря возникает электромагнитный момент, под действием которого якорь и приводится во вращение.
Механические характеристики синхронного двигателя приведены на рис. 2.12. Вращение якоря происходит синхронно со скоростью вращения потока статора во всем диапазоне допустимых нагрузок на валу двигателя
, 
. (2.20)
уравнение механической характеристики синхронного двигателя имеет вид
. (2.21)
. (4.1)
и 
в Вт, угловые скорости 
и 
в с-1, (или частота вращения 
и 
в мин-1), моменты сил 
и 
в 
, передаточное соотношение 
и к.п.д. 
. Выражения, описывающие взаимосвязи основных характеристик зубчатых передач имеют вид 
и 
, (4.2)
, (4.3)
или 
, (4.4)
и 
, (4.5)
. (4.6)
или 
(4.7)
или 
, (4.8)
– масса поступательно движущегося тела; 
– радиус приведения к валу со скоростью 
. (4.9)
, 
, (4.10)
, 
, (4.11)
– диаметр шестерни в мм.
На рис. 4.4 приведена схема планетарной передачи. Планетарными называют зубчатые передачи, в которых геометрическая ось хотя бы одной шестерни подвижна. Основными элементами планетарной передачи являются: 
), а мощность подводится через солнечную шестерню 1, планетарные шестерни 3 будут вращаться на месте со скоростью, определяемой отношением числа их зубьев 
относительно солнечной шестерни 