§ 10.1. Визначення та основні поняття електропривода. Класифікація електроприводів

Понад У₃ всієї електричної енергії, що виробляється електро­станціями, перетворюється в механічну енергію, яка приводить у дію виконавчі органи машин та механізмів. Це перетворення здійснюється електроприводами.

Електропривод — електромеханічна система (сукупність еле­ментів), що складається з електродвигунного, перетворювального, передавального та керуючого пристроїв. Електропривод виконує дві основні функції: перетворює електричну енергію в механічну та інформаційно керує процесом використання енергії для потреб робочого механізму (технологічного процесу).

Функціональне призначення елементів електропривода:

електродвигунний пристрій забезпечує перетворення електрич­ної енергії в механічну. Здебільшого, це електричний двигун змінного або постійного струму, обертального або поступального руху. В електроприводах можливе також використання різних електромагнітних пристроїв, наприклад, соленоїдних приводів пе­реміщення стрілок на транспорті;

перетворювальний пристрій забезпечує перетворення (зміну) параметрів електричної енергії — напруги, струму, частоти тощо. Найпоширенішими перетворювальними пристроями є трансфор­матори, транзисторні та тиристорні перетворювачі тощо;

передавальний пристрій забезпечує передачу механічної енергії від двигуна до виконавчого органу механізму, необхідний характер руху і співвідношення швидкостей. Прикладами таких пристроїв можуть бути редуктори, з'єднувальні муфти, пасові та зубчасті передачі, розподільні вали тощо;

керуючий пристрій використовується для керування елементами електропривода (або їхніми частинами), забезпечує потрібні ре­жими функціонування робочого механізму. До таких пристроїв належать підсилювачі, вимірювальні елементи, блоки порівняння дійсних та заданих значень параметрів тощо.

У промисловості електропривод найпоширеніший порівняно з іншими видами приводів (паровим, пневматичним, тепловим, гідравлічним), завдяки його економічності, простоті автоматизації, гігієнічності, можливості одержання будь-яких механічних харак­теристик, а також роботі як у рушійному, так і гальмівному режимах, швидкодії, безпечності в обслуговуванні. Велика роль електропривода у механізації та автоматизації виробничих про­цесів, у підвищенні продуктивності праці, поліпшенні якості продукції, полегшенні праці робітника.

Електроприводи класифікують за певними ознаками. Так, за родом електричної енергії, якою живиться електродвигун, їх по­діляють на електроприводи з двигунами постійного та змінного

струму (асинхронні, синхронні), за напрямком обертання елек­тродвигуна — реверсивні, що забезпечують рух двигуна в обох протилежних напрямках, і нереверсивні — з одним напрямком руху; за характером зв'язку електродвигуна з робочим механіз­мом — редукторні та безредукторні.

Якщо електропривод приводить в дію декілька виконавчих органів одного механізму або декілька робочих механізмів, то його називають груповим, при приведенні у дію лише одного виконавчого органа робочого механізму — індивідуальним, і вза­ємозв'язаним електроприводом, якщо два або кілька механічно чи електрично зв'язаних приводи під час їх роботи забезпечують потрібне співвідношення швидкостей руху, навантажень, поло­ження виконавчих органів робочих механізмів. Зв'язаний елек­тропривод називають багатодвигунним, якщо його електродвигунні пристрої працюють на один вал, і електричним валом, якщо забезпечується синхронне обертання двох або кількох електро­двигунів, які не зв'язані механічно.

За характером зміни параметрів розрізняють два види елек­троприводів — регульовані та нерегульовані. Основними регульо­ваними електроприводами є системи: керований перетворювач — двигун постійного струму (КП — ДПС), перетворювач частоти — двигун (ПЧ — Д), генератор — двигун постійного струму (Г — ДПС), магнітний підсилювач — двигун постійного струму (МП — ДПС) тощо.

За рівнем автоматизації розрізняють неавтоматизований, ав­томатизований та автоматичний приводи. У неавтоматизованому передбачено участь людини у виробленні початкової керуючої дії та наступній компенсації дії збурення, в автоматизованому — тільки вироблення початкової керуючої дії, в автоматичному передбачено тільки нагляд за електромеханічною системою, яка включається в роботу автоматично діючими пристроями, що визначають програму її функціонування.

Електропривод перетворює електричну енергію на механічну і передає її робочому органу механізму, який, у свою чергу, перетворює механічну енергію на роботу, що пов'язана з пере­міщенням матеріалів або виробів. Для її виконання у кожному циклі роботи електропривода відбуваються: розгін, рух із уста­леною швидкістю, зменшення швидкості або зупинка, якщо вста­новлений шлях переміщення закінчився. Отже, час, Який витра­чається на розгін, гальмування, зміну напрямку руху, значно впливає на продуктивність механізмів та машин, особливо тих, у яких ці процеси переважають.

Залежно від співвідношення між обертальним моментом елек­тродвигуна і моментом навантаження механізму М_с двигун може перебувати в одному з двох режимів: усталеному або перехідному. Умови цих режимів визначаються рівнянням руху

де М — обертальний момент двигуна; М_с — момент наванта­ження механізму, приведений до валу двигуна (М_с = М_н/іn|_мех; М„ — момент навантаження на валу механізму; / — передаточне число від двигуна до механізму; n._мех — коефіцієнт корисної дії механічних передач); J — момент інерції всіх рухомих дви­гуном мас, приведений до валу електродвигуна; є — кутове прискорення.

Праву частину рівняння руху називають динамічним моментом

Напрямок дії динамічного моменту завжди відповідає напрямку прискорення електропривода. Тому, залежно від знака М_тн, мають місце такі режими електропривода:

M_дин > 0, є > 0 — розгін при швидкості о) > 0 і гальмування при w < 0;

M_дин < 0, є < 0 — гальмування при швидкості ш > 0, розгін при w < 0;

M_дин = 0, є = 0 — режим усталеного руху при швидкості w = const.

Аналіз рівняння руху дає можливість зробити висновок, що при розгоні двигун повинен розвивати обертальний момент, біль­ший за момент навантаження для того, щоб забезпечити розгін із достатнім прискоренням. Звичайно пускові моменти двигунів знаходяться в межах 2 — 2,5 від номінального обертального моменту.

Умовою усталеного обертального руху електропривода є рів­ність моменту двигуна і приведеного моменту навантаження М = М_с. Ці моменти в загальному випадку залежать від швидкості. Залежності швидкості від обертального моменту w =f(M) і моменту навантаження w=f(M_c) називають механічними характеристиками відповідно електродвигуна і робочого органа механізму.

Механічні характеристики різних промислових механізмів на­ведено на рис. 10.1. їхній зовнішній вигляд залежить від сил опору руху. Так, для характеристики 1 напрямок руху не впливає на напрямок моменту. Таку особливість мають сили гравітації, сили пружної деформації. У різних підйомних механізмах такий момент під час піднімання вантажу протидіє рухові, а при опусканні — навпаки, сприяє йому. Характеристику 2 мають відцентрові вентилятори, компресори. Момент навантаження цих механізмів пропорційний квадрату швидкості, а сама характери­стика називається вентиляторною. Характеристику З мають ме­ханізми головного руху токарних, фрезерних, свердлильних вер­статів, різні намотувальні та розмотувальні пристрої та інші механізми.

Неусталений рух електропривода виникає тоді, коли момент двигуна відрізняється від приведеного моменту навантаження М_с. Характер руху визначається законом зміни динамічного моменту,

Рис. 10.1. Механічні харак­теристики робочих органів промислових механізмів.

кий є функцією моменту двигуна і мо­менту навантаження, може залежати від швидкості, часу або положення робочого органа механізму.

Динамічні навантаження в електро­приводі M_лин виникають у режимі розгону, гальмування, зміни швидкості. При збіль­шенні швидкості електропривода динамі­чний момент має гальмівний характер, у зв'язку з чим йому протидіє момент дви­гуна, а при зменшенні швидкості елек­тропривода динамічний момент є рушій­ним. Знаючи максимально допустиму ве­личину моменту двигуна та заданого моменту навантаження, можна визначити допустиме (максимальне) значення прискорення

Динамічні навантаження механічного обладнання значною мі­рою збільшуються при появі у кінематиці зазорів (люфтів). Вони виникають через неточність виготовлення шестерень, устаткуван­ня муфт зчеплення, при провисанні тягових канатів підйомних механізмів тощо.