Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

Еще один пример приведем из области транспортной техники. Все

большее распространение, особенно в США и Японии, получают электромоби-

ли. Фирмой General Motors созданы легковые электромобили, по своим экс-

плуатационным характеристикам не уступающие традиционным автомобилям.

Основное достоинство электромобилей - экологическая безопасность - обеспе-

чит их широкое использование в ближайшие десятилетия. Существуют две

схемы электромобилей: гибридная

и с зарядными устройствами. В обеих схе-

мах колеса автомобиля приводятся во вращение электродвигателями. В гиб-

ридных схемах источником энергии служит двигатель внутреннего сгорания,

работающий в постоянном режиме, оптимальном с точки зрения расхода топ-

лива и минимизации токсичности выхлопных газов. Двигатель внутреннего

сгорания приводит во вращение электрический генератор, осуществляющий

подзарядку буферных

аккумуляторных батарей. Приводные электродвигатели

переменного тока получают питание от аккумуляторных батарей через полу-

проводниковый преобразователь частоты.

В схеме электромобилей с зарядными устройствами дизель-

генераторная установка отсутствует, и приводные электродвигатели получают

питание от аккумуляторных батарей, которые периодически заряжаются.

В состав электропривода входят электрические двигатели колес, источ-

ник электропитания, преобразователь частоты и

система управления, обеспечи-

вающая регулирование скорости электромобиля и электрическое рекуператив-

ное торможение с возвратом энергии на подзарядку аккумуляторов.

Приведенные примеры, а их число может быть многократно увеличено,

показывают, что электрический привод является одним из основных узлов ка-

ждой производственной машины или технологического комплекса. Это, как

правило, наиболее сложная и дорогая часть

рабочих машин. Конструирование,

изготовление и эксплуатация электроприводов требует высокой квалификации

и разнообразных технических знаний.

1.2. Роль электропривода в современных машинных технологиях

Современное промышленное и сельскохозяйственное производство,

транспорт, коммунальное хозяйство, сферы жизнеобеспечения и быта связаны

с использованием разнообразных технологических процессов, большинство из

которых основано на применении рабочих машин и механизмов. Разнообразие

и число рабочих машин огромно. Там, где применяются технологические ма-

шины - используется электропривод. Практически все

процессы, связанные с

движением с использованием механической энергии, осуществляются электро-

приводом. Исключение составляют лишь некоторые транспортные и сельско-

хозяйственные машины (автомобили, тракторы и др.), но и в этой области пер-

спективы использования электропривода стали вполне реальны.

Электропривод - главный потребитель электрической энергии. В разви-

тых странах на долю электропривода приходится свыше 60% всей

вырабаты-

ваемой электроэнергии.

Электроприводы различны по своим техническим характеристикам: по

мощности, скорости вращения, конструктивному исполнению и другим. Мощ-

ность электроприводов прокатных станов, компрессоров газоперекачивающих

станций и ряда других уникальных машин доходит до нескольких тысяч кило-

ватт. Мощность электроприводов, используемых в различных приборах и уст-

ройствах автоматики, составляет несколько ватт. Электропривод

бытовых при-

боров и машин обычно составляет от 10 до 1000 Вт, электропривод станков - от

0,25 кВт до 100 кВт и т.д. Диапазон мощности электроприводов очень широк.

Также велик диапазон электроприводов по скорости вращения. Так, скорость

вращения центрифуг доходит до 100000 об/мин. Есть механизмы, у которых

скорость вращения рабочего органа составляет менее одного

оборота в минуту.

Большинство производственных рабочих машин и механизмов приво-

дится в движение электрическими двигателями. Двигатель вместе с механиче-

скими устройствами (редукторы, трансмиссии, кривошипно-шатунные меха-

низмы и др.), служащими для передачи движения рабочему органу машины, а

также с устройствами управления и контроля образует электромеханическую

систему, которая является энергетической, кинематической и кибернетической

(в смысле управления) основой функционирования рабочих машин.

В более сложных технологических машинных комплексах (прокатные

станы, экскаваторы, обрабатывающие центры и другие), где имеется несколько

рабочих органов или технологически сопряженных рабочих машин, использу-

ется несколько электромеханических систем (электроприводов), которые в со-

четании с электрическими системами

распределения электроэнергии и общей

системой управления образуют электромеханический комплекс.

Большие скорости обработки, высокая и стабильная точность выполне-

ния технологических операций потребовали создания высокодинамичных элек-

троприводов с автоматическим управлением. Стремление снизить материаль-

ные и энергетические затраты на выполнение технологических процессов обу-

словило необходимость технологической и энергетической оптимизации про-

цессов; эта задача также

легла на электропривод. На этапе технического разви-

тия машинного производства, достигнутого к концу XX века, электромехани-

ческие комплексы и системы стали определять технологические возможности и

технический уровень рабочих машин, механизмов и технологических устано-

вок.

Создание современных электроприводов базируется на использовании

новейших достижений силовой электротехники, механики, автоматики, микро-

электроники и компьютерной техники.

Это быстро развивающиеся области

науки, что определяет высокую динамичность развития электромеханических

систем.

Автоматизированный электропривод получил в последние десятилетия

интенсивное ускоренное развитие. Это определяется, в первую очередь, общим

прогрессом машиностроения, направленным на интенсификацию производст-

венных процессов, их автоматизацию, повышение точностных характеристик и

других технических требований, связанных с обеспечением стабильности каче-

ства производимой

продукции.

Вторым обстоятельством, обусловившим развитие электропривода, яви-

лось распространение его применения не только на промышленное производ-

ство, но и на другие сферы, определяющие жизнедеятельность человека: сель-

ское хозяйство, транспорт, медицину, электробытовые установки и др.

Третья причина связана с наметившимся переходом от экстенсивного

развития производства электрической энергии к более эффективному ее ис-

пользованию

. Повышение эффективности электромеханического использова-

ния электроэнергии всецело связано с развитием электропривода. Речь идет не

только об уменьшении потерь энергии при ее электромеханическом преоб-

разовании, но, главным образом, о том, что использование авто-

матизированного регулируемого электропривода позволяет оптимизировать

сами технологическое процессы с целью сокращения их энергоемкости.

Ускорение темпов технического прогресса в

машиностроении и других

областях, сокращение сроков морального устаревания поколений технических

средств постоянно ставят новые задачи по дальнейшему развитию элементов и

систем автоматизированного электропривода. Новые технологии, связанные с

механическим движением, стали базироваться исключительно на ис-

пользовании регулируемого автоматизированного электропривода.

1.3. Структура электропривода

Электропривод - это техническая система, предназначенная для приве-

дения в движение

рабочих органов машины и целенаправленного управления

рабочими процессами, состоящая из электродвигательного, передаточного,

преобразовательного и информационно-управляющего устройств [1].

Электродвигательное устройство - это электрический двигатель, преоб-

разующий электрическую энергию в механическую - электромеханический

преобразователь энергии. Двигатели могут быть различными по виду создавае-

мого ими движения: вращательного, линейного, шагового, вибрационные и др.

Большинство используемых электродвигателей -

это машины вращательного

движения. Для передачи движения от электродвигателя к рабочему органу ма-

шины служит механическое передаточное устройство: редуктор, трансмиссия,

ременная передача, канатная передача, кривошипно-шатунный механизм, пе-

редача винт-гайка и др. (см. рис. 1.5). Передаточный механизм характеризуется

коэффициентом передачи, представляющим собой отношение скорости на вхо-

де к скорости на выходе механизма. В некоторых рабочих машинах (например,

насосы, вентиляторы, центрифуги) механическое передаточное устройство, как

правило, отсутствует.

Преобразовательное устройство - это преобразователь электрической

энергии. Эти устройства применяются в регулируемом электроприводе для це-

ленаправленного и экономичного изменения параметров движения электропри-

вода: скорости, развиваемого момента и др. Поскольку электроприводы полу-

чают электрическую энергию, как правило, от промышленной электрической

сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц со стандартным значением

напряжения: 220, 380, 660, 6000, 10000

В, то для питания двигателей (напри-

мер, постоянного тока) и для их регулирования необходимо преобразование

электрической энергии, поступающей из сети, в электрическую энергию того

вида, который необходим данному электродвигателю. К электрическим преоб-

разовательным устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразо-

ватели частоты и другие. В нерегулируемых электроприводах преобразова-

тельное устройство, как

правило, отсутствует

Электрическое

преобразовательное

устройство обычно

представляет собой

преобразователь, вы-

полненный на силовых

полупроводниковых

приборах: неуправляе-

мых (диоды) и управляемых (тиристоры, запираемые тиристоры, биполярные

транзисторы с изолированным входом - IGBT, и другие).

Электродвигательное, передаточное и преобразовательное устройства

образуют силовой канал электропривода (см. рис. 1.6), содержащий электриче-

скую часть (сеть, преобразователь электрической энергии, электродвигатель) и

механическую часть (подвижный элемент, например, ротор и вал электродви-

гателя, механическая передача, рабочий орган машины).

При работе электропривода в двигательном режиме электрическая энер-

гия, поступающая из сети, преобразуется электродвигателем в механическую

энергию, которая передается рабочему органу машины и расходуется на вы-

полнение технологического процесса (резание в металлорежущих станках, по-

дача воды насосами, подъем груза краном и т.п.). Во всех звеньях силового ка-

нала часть

энергии теряется. Следует стремиться сокращать потери энергии

при ее преобразовании и передаче. Энергетическую эффективность электро-

привода обычно оценивают посредством кпд, который при однонаправленном

потоке энергии определяют как отношение полезной мощности на рабочем ор-

гане к потребляемой мощности

мпэмппр

потр

пол

эп

ηηηη

Кпд электропривода равен произведению кпд электрического, электро-

механического преобразователей и механической передачи. Для того чтобы

оценить кпд рабочей машины в целом, кпд электропривода нужно умножить на

кпд самой рабочей машины η

рм

(например, насоса)

рмэп

потр

техн

ηηη

Здесь Р

техн

- технологически необходимая мощность для выполнения

данного производственного процесса.

Электроприводы могут работать не только в двигательном, но и в тор-

мозном режиме (например, спуск груза, принудительное торможение машины

при останове и т.п.). В этом случае энергия торможения - потенциальная энер-

гия спускаемого груза или кинетическая энергия движущихся масс, - поступает

в электромеханический

преобразователь, который работает в режиме генерато-

ра. Эта энергия за вычетом потерь и совершаемой рабочим органом в процессе

торможения работы отдается в питающую сеть, если система допускает реку-

перацию энергии. Если не допускает - избыток энергии рассеивается в балласт-

ном сопротивлении R. Направление потока энергии в режиме торможения по-

казано на рис. 1.6 пунктиром

Важнейшей функцией электропривода является управление преобразо-

ванной механической энергией, т.е. управление технологическим процессом.

Его реализует входящее в состав электропривода информационно - управляю-

щее устройство. Общая структура электропривода показана на рис. 1.7. Здесь

пунктирной линией обведены элементы системы, входящие в состав электро-

привода и образующие силовой и информационный каналы электропривода.

Информационно-управляющее

устройство состоит из аппаратов управ-

ления и защиты, осуществляющих включение, пуск, останов электропривода и

защиту от аварийных и аномальных режимов работы, а также из электронных и

микропроцессорных устройств управления и датчиков технологических, меха-

нических и электрических параметров, характеризующих работу электропри-

вода. Совокупность информационных и управляющих устройств образует ин-

формационный канал электропривода, предназначенный для управления пара-

метрами (координатами) электропривода в соответствии с требованиями тех-

нологического процесса. Важной функцией системы управления является так-

же осуществление технологического процесса с минимальными затратами

электрической энергии.

В последние годы информационный

канал электропривода все в боль-

шей степени реализуется с использованием устройств управляющей вычисли-

тельной техники: промышленных компьютеров, программируемых контролле-

ров, микропроцессорных средств и систем. Это позволяет, в частности, управ-

лять отдельными электроприводами от управляющих устройств более высокого

уровня (АСУТП), объединяющих управление всеми производственными ма-

шинами, обслуживающими данный технологический процесс.

1.4.

Классификация электроприводов

Электроприводы, используемые в различных технологических установ-

ках, разнообразны по своим функциональным возможностям, схемному и кон-

структивному исполнению, степени автоматизации, что связано с большим

разнообразием рабочих машин. Классификация электроприводов по отдельным

признакам дана в таблице 1.1.

Электроприводы бывают индивидуальными и групповыми. Если каж-

дый рабочий орган машины приводится в действие

своим электроприводом, то

он называется индивидуальным. Такой привод может быть однодвигательным,

либо многодвигательным. При групповом электроприводе один двигатель при-

водит в движение несколько рабочих органов. При этом усложняется кинема-

тическая цепь рабочей машины и затрудняется управление рабочими органами,

т.к. для раздельного управления рабочими органами необходимо применять

специальные механические устройства: управляемые

муфты, коробки передач,

фрикционы и др. По мере развития техники групповой электропривод все

больше вытесняется индивидуальным.

Классификация по виду движения электродвигателя. Наибольшее, а до

недавнего времени исключительное применение получили электроприводы

вращательного движения. В последнее время значительное внимание уделяется

линейным двигателям. В тех механизмах, где рабочий орган совершает посту-

пательное или возвратно-поступательное движение применение

линейных дви-

гателей конструктивно гораздо удобнее, чем использование специальных ки-

нематических пар: винт-гайка, шарико-винтовые передачи, кривошипно-

шатунный механизм и др. Из-за низких энергетических и массогабаритных по-

казателей линейные электродвигатели не находили применения. Создание но-

вых эффективных конструкций линейных двигателей с питанием их от полу-

проводниковых преобразователей частоты

открывает новые возможности ис-

пользования линейных электроприводов для ряда производственных машин, в

первую очередь, для металлорежущих станков.

Таблица 1.1

Классификация автоматизированных электроприводов

Классификационный признак Классификационные градации

По числу рабочих органов, при-

водимых электроприводом

1. Индивидуальный

2. Многодвигательный

3. Групповой

По виду движения электродвига-

теля

1. Вращательного движения

2. Линейный

3. Многокоординатного движения

По способу соединения двигателя

с рабочим органом

1. Редукторный

2. Безредукторный

3. Конструктивно - интегрированный

По регулируемости 1. Нерегулируемый

2. Регулируемый

По основному контролируемому 1. Регулируемый по моменту

параметру 2. Регулируемый по скорости

3. Регулируемый по положению

По виду управления 1. С ручным управлением

2. С полуавтоматическим управлением

3. С замкнутой САР скорости с ручным

заданием или с заданием от системы

управления технологическим про-

цессом

4. С замкнутой САР положения, обес-

печивающей точное позиционирова-

ние

5. С программным управлением

6. Следящий

Многокоординатные электроприводы на основе специальных шаговых

электродвигателей являются отечественной разработкой и находят применение

в высокоточных робототехнических установках, сборочных автоматах и для

других целей. Многокоординатные электроприводы позволяют осуществлять

пространственные движения рабочего органа по нескольким координатам.

Электродвигатели соединяются с рабочим органом машины либо непо-

средственно, либо через редуктор или другую кинематическую передачу.

Не-

посредственное соединение двигателя с рабочим органом характерно для высо-

коскоростных рабочих машин, например, насосов и вентиляторов. В других ра-

бочих машинах, где скорость вращения рабочего органа меньше номинальной

скорости электродвигателя, применяют редукторы, которые снижают скорость

и увеличивают момент на валу рабочего органа.

Для высокоточных механизмов и для машин, работающих в

динамич-

ных режимах, стремятся исключать механические передачи между валом дви-

гателя и рабочим органом. Такие электроприводы называют безредукторными.

При этом, однако, возрастают габариты и масса приводного двигателя, по-