Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

Г.Б.Онищенко

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в ка-

честве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по

направлению 654500 «Электротехника, электромеханика и электротехнология».

Москва 2003г.

ББК31.291

УДК 62.83:621.314

Рецензенты:

профессор О.Д.Гольдберг профессор С.К.Козырев

Редактор

канд.техн.наук, доцент О.М.

Соснин

ОнищенкоГ.Б.

Электрический привод. Учебник для вузов - М. РАСХН

2003.-320.: ил.

ISBN 5-85941-045-Х

Излагаются общие представления об автоматизированном электропри-

воде, его месте и роли в современном машинном производстве, сведения о со-

ставе и принципах построения электроприводов, свойствах и характеристиках

электроприводов с двигателями постоянного и переменного тока, принципах

управления электроприводами, об элементной

базе и современных системах

регулируемого электропривода, приводятся общие подходы к выбору и проек-

тированию электроприводов.

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Электро-

техника, электромеханика и электротехнология» и «Электроэнергетика» (спе-

циальность «Электроснабжение»)

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Электрический привод» входит в цикл обще-

профессиональных дисциплин для направлений подготовки дипломированных

специалистов:

654500 - Электротехника, электромеханика и электротехнология;

650900 - Электроэнергетика

и изучается всеми студентами электротехнических специальностей.

Содержание учебника отвечает требованиям Государственных образо-

вательных стандартов по указанным направлениям.

Развитие автоматизированного электропривода, повышение его роли во

всех областях машинного производства, в коммунальном хозяйстве

, медицине

и других сферах деятельности человека делает необходимым для инженера-

электрика любой специальности знание основ автоматизированного электро-

привода. Данный курс является введением в сложную область техники, кото-

рой является автоматизированный электропривод.

Учебник может быть также полезен студентам машиностроительных

специальностей при выполнении электрической части курсовых и дипломных

проектов.

Задача данной дисциплины -

дать студентам общее представление об

автоматизированном электроприводе, его месте и роли в современном машин-

ном производстве, дать необходимые сведения о составе автоматизированных

электроприводов, принципах построения и физических основах их работы, об

основных системах электропривода, используемых в настоящее время, научить

студента решать относительно простые технические задачи, связанные с выбо-

ром, проектированием и

использованием электроприводов в различных облас-

тях техники.

В учебнике излагаются основы электромеханического преобразования

энергии, механики рабочих машин, физические процессы, свойства и характе-

ристики электроприводов с двигателями постоянного и переменного тока,

принципы управления электроприводами, общие подходы к выбору и проекти-

рованию электроприводов, а также даются сведения об элементной базе совре-

менных электроприводов, и о наиболее распространенных системах автомати-

зированного электропривода.

Более углубленно вопросы теории и технической реализации современ-

ных электроприводов рассматриваются при изучении специальных дисциплин.

Одна из особенностей данного учебника состоит в том, что в нем дана

иная, чем в ранее изданной учебной литературе по электроприводу, трактовка

понятия регулируемый электропривод, что

нашло отражение в структуре изло-

жения материала.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить А.И. Нитиев-

скую, без чьего непосредственного участия в работе настоящий учебник не мог

бы выйти в свет.

Улучшению содержания учебника, несомненно, способствовали заме-

чания, сделанные при просмотре и рецензировании рукописи профессорами О.

Д. Гольдбергом, С. К.

Козыревым, В.В. Москаленко и доцентом

О.М.Сосниным, которым автор выражает свою искреннюю признательность.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

1.1. Назначение и функции электропривода

Электропривод является технической системой, служащей для преобра-

зования электрической энергии в механическую, которая необходима для осу-

ществления различных технологических процессов в промышленности, сель-

ском хозяйстве, на

транспорте, в коммунальной сфере, в быту, медицине и дру-

гих областях жизнедеятельности человека. Большинство рабочих машин, агре-

гатов, технологических линий и комплексов приводится в движение электриче-

ским приводом.

Однако функции электропривода не ограничиваются только преобразо-

ванием энергии - они существенно шире. Каждая рабочая машина нуждается в

управлении: нужно включать и выключать

двигатели, приводящие в движение

рабочие органы машины, изменять скорость и усилие на рабочих органах в со-

ответствии с условиями ведения технологического процесса, осуществлять не-

обходимые защиты и блокировки, обеспечивающие безаварийную работу ма-

шин.

В тех случаях, когда рабочая машина или технологический комплекс

имеет несколько рабочих органов, каждый из которых приводится в движение

своим электроприводом, в задачу управления входит согласование движений

рабочих органов в соответствии с требованиями технологического процесса.

Управление рабочей машиной может осуществляться оператором вруч

ную или автоматически посредством устройств автоматического или про-

граммного управления. Даже если рабочие машины управляются вручную, ряд

функций управления обычно автоматизирован для облегчения работы операто-

ра и более точного выполнения технологического процесса.

Вторую функцию электропривода можно определить как управление

движением исполнительных органов рабочей машины, причем это управление

может осуществляться вручную

с элементами автоматики или автоматически.

Итак, современный электрический привод представляет собой техниче-

скую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа

машины и управления ее технологическим процессом.

Сочетание двух функций электропривода: преобразование электриче-

ской энергии в механическую и управление параметрами механической энер-

гии (мощность, усилие, крутящий момент, скорость, ускорение, путь

и угол пе-

ремещения) с целью рационального выполнения технологического процесса,

выполняемого рабочей машиной, определяет назначение и роль электроприво-

да в машинном производстве.

Рассмотрим некоторые примеры

электроприводов и выполняемых ими функций.

На рис. 1.1 показана электрическая схема

электропривода вентилятора, служащего для

обмена воздуха в помещении. Преобразование

электрической энергии в механическую, необ-

ходимую для

приведения рабочего колеса вен-

тилятора во вращение, осуществляется асинхронным двигателем М. Однако со-

став электропривода вентилятора не ограничивается только двигателем. Чтобы

вентиляторная установка могла работать, двигатель нужно включать и отклю-

чать. Эта функция управления реализуется с помощью магнитного пускателя

КМ и кнопок управления. При нажатии кнопки SB1 «пуск» катушка пускателя

получает питание, и пускатель замыкает свои

главные контакты, подключая

двигатель к сети. Своим нормально открытым (н.о.) блок-контактом КМ пуска-

тель шунтирует кнопку «пуск», вследствие чего после отпускания кнопки пус-

катель остается включенным. Отключение двигателя производится нажатием

кнопки «стоп» SB2, разрывающей цепь катушки пускателя.

Схема, показанная на рис. 1.1, содержит также защитные устройства:

защиту от токов короткого

замыкания (к.з.) в проводниках или в обмотке ста-

тора двигателя. Эта защита обеспечивается автоматическим выключателем QF,

имеющим максимальный расцепитель. Защита двигателя от перегрузок реали-

зуется посредством тепловых реле КК, входящих в состав магнитного пус-

кателя.

В качестве второго примера рассмотрим электропривод лифтов. Лифт -

автоматизированное средство пассажирского вертикального транспорта - хо-

рошо всем

знакомое электромеханическое устройство. Пассажир, войдя в ка-

бину лифта, нажимает кнопку нужного ему этажа, после чего автоматически

закрываются двери кабины и лифтовой шахты. Кабина лифта движется в нуж-

ном направлении и точно останавливается на уровне заданного этажа, двери

открываются. Электродвигатель через редуктор, канатоведущий шкив и канат-

ную передачу приводит кабину

лифта в движение, выполняя преобразование

электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления дви-

жения механической системы. Второй электромеханической системой является

устройство открывания и закрывания дверей, состоящее из электродвигателя и

кинематических механических звеньев.

Система управления лифтом осуществляет управление дверями, выбор

направления движения кабины, обеспечивает плавный пуск, движение с уста-

новившейся скоростью, торможение и точную остановку кабины. Для обеспе-

чения точности остановки и комфортности пассажиров в кабине нужно регули-

ровать скорость движения по определенному закону. Для этого в лифтах со

скоростью движения до 1,4 м/с применяют двухскоростные асинхронные дви-

гатели, а в более быстроходных лифтах - электроприводы с плавным регулиро-

ванием скорости

. Кроме управления движением система управления лифтом

содержит необходимые защиты и блокировки, обеспечивающие безопасность

пассажиров и безаварийную работу оборудования, а также информацию о по-

ложении кабины.

В качестве третьего примера рассмотрим электромеханическую систему

бытового аппарата - автоматической стиральной машины активаторного типа.

Машина представляет собой электромеханическое устройство, содержащее

многоскоростной электродвигатель вращения барабана, электронасос,

электри-

ческие клапаны и аппаратуру программного управления. В соответствии с ус-

танавливаемой программой машина автоматически производит стирку, полос-

кание и отжим белья, налив и слив воды. Работа различных электрических и

механических элементов функционально объединена устройством программно-

го управления. Работу отдельных элементов нельзя рассматривать порознь, т.к.

совместно они образуют автоматическую электромеханическую

систему, вы-

полняющую требуемый технологический процесс причем в состав этой элек-

тромеханической системы входят электродвигатели, осуществляющие преобра-

зование электрической энергии в механическую, необходимую для осуществ-

ления данного технологического процесса, и устройство управления, обес-

печивающее управление этим процессом.

Важная роль принадлежит электроприводу в создании энергосберегаю-

щих технологий. Многие технологические процессы связаны

с большими за-

тратами электрической энергии, однако не всегда эти затраты носят производи-

тельный характер. Характерным примером такого положения являются систе-

мы тепло и водоснабжения. Насосные установки, подающие горячую и холод-

ную воду потребителям, ранее оборудовались нерегулируемым электроприво-

дом. Производительность насосов при этом не регулировалась или изменялась

дросселированием на нагнетательном трубопроводе насоса. В то же время тре-

буемая производительность насосных установок не остается постоянной, а су-

щественно изменяется по времени суток и временам года. Регулирование про-

изводительности дросселированием связано с непроизводительными потерями

энергии и не может осуществляться в автоматическом

режиме.

В последние годы с появлением доступных технических средств для ре-

гулирования скорости асинхронных двигателей для привода насосов в системах

тепло- и водоснабжения стали применяться регулируемые электроприводы.

Регулируемый электропривод насоса выполняет две функции: преобра-

зует электрическую энергию в механическую, необходимую для подачи воды

потребителю, и управляет работой установки таким образом,

чтобы поддержи-

вать требуемую величину напора и расхода воды. Это дает экономию электро-

энергии около 30%, воды - до 25%, тепла - до 10% [6]. Рассмотренный пример

показывает, что электропривод, позволяющий регулировать скорость рабочего

органа механизма, обладает более широкими возможностями оптимального ве-

дения технологического процесса, в частности, обеспечивает экономное расхо-

дование электрической энергии.

Регулирование скорости рабочих органов

машины является непременным условием

работы многих рабочих машин и механизмов.

Рассмотрим в этой связи работу

электропривода механизмов горного экскаватора

типа механической лопаты (рис. 1.2).

Рабочим органом экскаватора является ковш 1, размещенный на кон-

це рукояти 2, которая шарнирно закреплена на стреле 3. Разрушение породы и

наполнение ковша производится при поступательном движении рукояти с по

мощью механизма напора и одновременном движении ковша вверх, осуществ-

ляемым механизмом подъема. После наполнения ковша и подъема его на тре-

буемую высоту включается механизм поворота, который вращает платформу 4

экскаватора с тем, чтобы подвести поднятый ковш экскаватора к месту выгруз-

ки. После этого ковш возвращается к забою, и цикл экскавации повторяется

снова.

Структурная схема электромеханического комплекса экскаватора пред-

ставлена на рис. 1.3.

Электропитание экскаватора как подвижной машины, осуществляется

при напряжении 6(10) кВ по гибкому кабелю. Кабель подсоединяется к при-

ключательному пункту

. Для подачи электроэнергии на борт экскаватора слу-

жит кольцевой

токоприемник. Для

коммутации и защиты

высоковольтных цепей

служит высоковольтное

распределительное уст-

ройство (РУ), от которого

питается синхронный

двигатель элек-

тромашинного

преобразовательного агре-

гата.

Электропривод основных движений экскаватора: подъема, напора ков-

ша, поворота и передвижения, - осуществляется двигателями постоянного тока,

которые получают питание

от индивидуальных генераторов постоянного тока.

Для управления электроприводами служат устройства управления и пульт-

кресло машиниста. Механическая часть электроприводов экскаватора включает

в себя редукторы, барабанно-канатную передачу, зубчатую рейку привода на-

пора и другие элементы. Общая схема управления, объединяющая электроме-

ханические системы отдельных механизмов экскаватора, строится из условий

обеспечения наилучших условий ведения

процесса экскавации. Главным усло-

вием является обеспечение высокой динамичности работы электроприводов.

Цикл экскавации для обеспечения его высокой производительности составляет

всего 20-З0сек. Экскаватор с ковшом емкостью 5-20м

имеет общую массу в

несколько сотен тонн; велика масса ковша и других подвижных элементов ма-

шины. В то же время движение ковша экскаватора должно точно соответство-

вать движению рукоятей управления, производимых машинистом. Во избежа-

ние поломки механических частей должно контролироваться усилие на ковше

при разрушении породы. Быстродействующее управление скоростью требует

преодоления механической инерции элементов экскаватора, что вызывает не-

обходимость применения достаточно сложных автоматических систем управ-

ления электроприводами.

Особо сложные электроприводы имеют метал-

лорежущие станки с числовым программным управ-

лением. Такой станок служит для автоматической об-

работки деталей по заданной программе с высокой

точностью. Станок включает в себя блок главного

движения, осуществляющий

резание металла, и один

или несколько механизмов подач, производящих по-

зиционирование детали и точное движение режущего инструмента или обраба-

тываемого изделия по заданной программе. Для электроприводов главного дви-

жения и подачи характерна высокая точность выполнения задания по скорости,

а для приводов подачи - задания по положению. Диапазон регулирования ско-

рости составляет

для приводов главного движения 1000:1, а для приводов по-

дач -10000:1. При этом необходимы высокая точность поддержания заданной

скорости. Требуемая точность позиционирования для механизмов подачи мо-

жет достигать нескольких микрон. Таким образом, современный металлорежу-

щий станок (рис. 1.4) представляет собой совокупность электромеханических

устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные

электроприводы, работа которых объединена единой технологической

задачей

и управляется вычислительным устройством - системой числового программ-

ного управления.