1.5. Обобщенная структура электропривода
Электропривод – электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.
Обобщенная структура электропривода (ЭП) включает: электродвигательное устройство1, преобразовательное устройство2(усилитель мощности, инвертор), передаточное устройство3(редуктор), измерительное устройство4(датчики углового положения, скорости и т.п.), управляющее устройство5, рабочий механизм с нагрузкойНи источник питанияИП
|
|
|
|
ИП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электропривод |
|
| ||
|
|
5 |
|
2 |
|
1 |
|
3 |
y |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
v
Обобщенная структура электропривода
Принято разделять ЭП на неизменяемую часть, выбираемую в соответствии с энергетическими, функциональными и конструктивными требованиями, а также изменяемую, структура и параметры которой выбираются в соответствии с требованиями к качеству регулирования. К неизменяемой части относятся 1, 2, 3, а к изменяемой – 5. Условно неизменяемой частью можно считать 4, состав которой выбирается при выборе структуры 5, но параметры затем не меняются.
1.6. Электродвигатели для эмс
Тип исполнительного двигателя и способ управления им в значительной мере определяют как структуру управления эмс, так и достигаемые при этом показатели.
Некоторые особые требования к исполнительным двигателям:
низкие значение номинальной угловой скорости при повышенных значениях вращающего момента (так называемые низкоскоростные моментные двигатели);
возможность реверса;
способность длительной работы в непрерывных динамических режимах;
высокие удельные показатели (отношение вращающего момента к массе и т.п.);
совместимость с автономными источниками питания по роду электрической энергии и параметрам напряжения;
бесконтактность (при работе в агрессивных средах);
функциональные специальные возможности;
длительный срок службы;
невысокая стоимость.
Традиционно в ЭМС используются двигатели постоянного тока (ДПТ), двухфазные асинхронные двигатели (ДАД), трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД), шаговые двигатели (ШД), синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ).
Двигатели постоянного тока используются в ЭМС несколько десятков лет. Основными достоинствами ДПТ принято считать принципиальную устойчивость в переходных режимах, удобство управления изменением питающего напряжения, хорошие массогабаритные показатели (особенно при возбуждении от постоянных магнитов), широкую номенклатуру типов, мощностей, размеров, детально развитую теорию.
Недостатком в данном случае является пониженная надежность вследствие износа и искрения коллекторного узла и неприменимость в некоторых установках, работающих во взрывоопасных и пожароопасных средах, в вакууме. Гарантированное время наработки на отказ у большинства современных типов ДПТ составляет не более 2000 часов, что на порядок меньше того, что требуется во многих автономных установках, не предполагающих ремонта и обслуживания.
Поэтому, наряду с дальнейшим совершенствованием ДПТ, наблюдается тенденция перехода в соответствующих ЭМС к двигателям переменного тока. Статистические данные говорят о том, что в последние годы в мире снижалось потребление ДПТ почти на 10% в год, и увеличивались продажи электродвигателей и ЭМС переменного тока на 8% в год.
Двухфазные асинхронные двигатели (короткозамкнутые и с полым ротором) являются вторыми по применяемости в ЭМС, так как долгое время были единственной альтернативой ДПТ. Достоинствами ДАД являются их бесконтактность, малоинерционность (особенно двигателей с полым ротором), способность работать на больших скоростях, совместимость с индукционными датчиками углового положения на основе сельсинов, вращающихся трансформаторов и т.п. электрических микромашин.
В классических следящих системах ДАД управляются изменением амплитуды напряжения обмотки управления. Однако высокие номинальные скорости осложняют применение ДАД в низкоскоростных ЭМС ввиду необходимости использовать редукторы с большим передаточным числом, т.е. низким КПД и ощутимыми погрешностями.
Высокие номинальные скорости приводят к малым срокам службы подшипников самих ДАД, которые в результате, даже при отсутствии скользящих электрических контактов, имеют гарантированное время безотказной работы немногим большее, чем ДПТ – порядка 5000 час. В бытовых и частично общепромышленных установках, получающих питание от однофазной сети, используются двух- и трехфазные конденсаторные асинхронные двигатели.
Трехфазные асинхронные двигатели, обладая такими же преимуществами, что и ДАД, также применяются в ЭМС, сравнительно часто, но существуют дополнительные сложности управления ими, в частности, обеспечение реверса.
Шаговые двигатели находят широкое применение в современных ЭМС, обладая многими достоинствами: отсутствие скользящих контактов, способность работать в разомкнутых системах, удобство сопряжения с цифровыми управляющими устройствами.
ШД – единственные электромеханические преобразователи энергии, обеспечивающие непосредственное цифроаналоговое преобразование кода в угловое положение. Недостатком ШД является их неспособность к плавному вращению на малых скоростях из-за импульсного характера работы, худшие, по сравнению с другими типами двигателей, удельные показатели (момент на единицу массы и т.п.).
Синхронные двигатели с постоянными магнитами получили значительное распространение в ЭМС как альтернатива одновременно ДПТ, ДАД и ШД. Наибольшее распространение находят СДПМ в режиме бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), что приближает их характеристики к таковым у ДПТ, которые считаются эталонными. Многие СД могут работать также в режиме ШД, что расширяет область их применения.
Достоинствами их являются хорошие массогабаритные показатели и низкие номинальные скорости, что позволяет уменьшить передаточное отношение редуктора. Недостатком является невысокая равномерность вращения при работе на малых (ползучих) скоростях, сравнительно высокая стоимость, возможность размагничивания постоянных магнитов с соответствующим ухудшением характеристик.
Индукторные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения получили распространение в последние 20-25 лет. Обладают всеми достоинствами СДПМ и существенно более низкими скоростями при высокой равномерности вращения. Недостаток – высокая стоимость.
Сравнение различных двигателей осуществляется по следующим показателям:
Масса и габариты
Минимальная скорость
Способность работать в управляемых системах
Срок службы