- •Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
- •М29 а.А. Мартынов. Электрический привод.: Учеб. Пособие/ а.А.Мартынов. СПб.: сПбГуап, 2013. 426 с.: ил.
- •1. Основные определения и параметры электропривода
- •1.1. Краткая классификация электроприводов
- •1.2. Основные технические параметры эп
- •1.3. Основные требования, предъявляемые к автоматизированным эп малой и средней мощности, предназначенных для мехатронных и робототехнических систем
- •Требования к системам защиты. Эп должны быть снабжены аппаратурой защиты, сигнализации и индикации рабочих и аварийных режимов. Эп должны иметь следующие виды защит от:
- •2. Основные уравнения и характеристики электропривода
- •2.1. Уравнения динамики электропривода как электромеханической системы
- •2.2. Полные уравнения движения электропривода [1]
- •2.3. Расчетные схемы механической части электропривода. Одномассовая расчетная схема
- •2.4. Многомассовые расчетные схемы
- •2.5. Установившееся движение электропривода и его устойчивость [1]
- •2.6. Неустановившееся движение электропривода при постоянном динамическом моменте
- •2.7. Неустановившееся движение при линейных механических характеристиках двигателя и исполнительного органа [1]
- •Регулирование координат электропривода [1]
- •3.1. Регулирование скорости
- •3.2. Регулирование момента и тока
- •3.3. Регулирование положения
- •4. Электроприводы с двигателями постоянного тока
- •4.1. Схема включения и статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения
- •4.2. Режимы торможения, холостого хода и короткого замыкания двигателя постоянного тока независимого возбуждения [1]
- •4.3. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью резисторов в цепи якоря [1]
- •4.4. Расчет регулировочных резисторов в цепи обмотки якоря
- •4.5. Регулирование тока и момента при пуске, торможении и реверсе [1]
- •4.6. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением магнитного потока
- •4.7. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения изменением напряжения якоря
- •4.8. Схема включения, статические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения [1]
- •4.9. Регулирование координат электропривода с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения с помощью резисторов [1]
- •Переходные процессы пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения и передаточные функции
- •5.1. Аналитический метод исследования переходных процессов электропривода на базе математической модели двигателя постоянного тока
- •5.2. Передаточные функции двигателя постоянного тока с независимым возбуждением
- •5.3. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя при различных формах кривой опорного напряжения [11]
- •5.4. Передаточная функция управляемого выпрямителя (без учета слаживающего фильтра в цепи постоянного тока) [11]
- •Электроприводы с асинхронным двигателем
- •6.1. Схема замещения, статические характеристики и режимы работы асинхронного двигателя
- •6.2. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя с помощью резисторов [1]
- •Регулирование координат электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения обмотки статора
- •6.4. Передаточная функция асинхронного двигателя при управлении по каналу напряжения обмотки статора
- •6.5. Замкнутая по скорости система асинхронного электропривода с трн
- •6.6. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения
- •6.7. Передаточная функция асинхронного двигателя при управлении по каналу частоты
- •6.8. Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов [1]
- •6.9. Регулирование скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах его включения
- •6.10. Импульсный способ регулирования скорости асинхронного эп [1]
- •6.11. Способы торможения асинхронного двигателя
- •6.12. Электропривод с линейным асинхронным двигателем [1]
- •7. Преобразователи частоты для асинхронного электропривода [12]
- •7.1. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока
- •7.2.Преобразователи частоты без звена постоянного тока
- •7.4. Влияние параметров ад и пч на устойчивость работы асинхронного эп
- •Выбор и проверка двигателей на нагрев
- •8.1.Расчет мощности и выбор двигателей
- •8.2. Проверка двигателей по нагреву прямым методом
- •8.3. Проверка двигателей по нагреву косвенным методом
- •9.Релейно-контакторные системы электроприводов
- •9.1. Типовые узлы и схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока
- •9.2. Типовые узлы и схемы управления электроприводов с асинхронными двигателями
- •9.3. Выбор аппаратов коммутации, управления и защиты
- •9.4. Электромагнитные муфты и тормозные устройств
- •10. Электропривод с синхронным двигателем
- •10.1. Схемы включения, статические характеристики и режимы работы синхронного двигателя
- •10.2. Пусковые и установившиеся режимы работы синхронного двигателя
- •11. Электроприводы с вентильным, вентильно-индукторным и шаговым двигателями
- •11.1. Электропривод с вентильным двигателем [9]
- •3. Дпр с фотоэлектронными элементами.
- •11.2. Электропривод с вентильно-индукторным двигателем
- •Достоинства и недостатки вид
- •11.3. Электропривод с шаговым двигателем [9]
- •12. Замкнутые схемы управления электроприводов
- •12.1. Системы подчиненного регулирования
- •12.2. Технические средства замкнутых схем управления электропривода
- •12.3.Микропроцессорные средства управления электропривода
- •Установившиеся режимы стабилизации скорости вращения электропривода постоянного тока
- •13.1. Эп постоянного тока с отрицательной обратной связью по напряжению
- •13.2.Эп с отрицательной обратной связью по скорости двигателя
- •13.3. Эп с положительной обратной связью (пос) по току якоря двигателя
- •13.5.Эп с отрицательной обратной связью по скорости и положительной обратной связью по току якоря
- •13.6. Двухконтурная система подчиненного регулирования с пропорциональным регулятором скорости
- •13.7. Ограничение уровня сигналов управления
- •13.8.Упреждающее токоограничение
- •14. Следящий электропривод
- •14.1. Измерители рассогласования положения
- •14.2.Типы следящих электроприводов
- •14.3.Техническое задание и основные этапы проектирования следящего эп
- •15. Электроприводы с программным и адаптивным управлением
- •15.1. Электроприводы с нечисловыми (цикловыми) программными устройствами
- •15.2. Электропривод с числовым программным управлением (чпу)
- •15.3.Ограничение ускорения при программном управлении эп
- •15.4.Электропривод с адаптивным управлением
- •16. Надежность электрического привода
- •16.1.Основные определения теории надежности
- •16.2. Количественные характеристики надежности
- •16.3.Надежность систем из последовательно и параллельно соединенных элементов
- •16.4.Порядок расчета надежности коэффициентным методом
- •17. Справочные данные по электрическим двигателям постоянного тока
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
А.А. МАРТЫНОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2013г
УДК 62-83:621.314
М29 а.А. Мартынов. Электрический привод.: Учеб. Пособие/ а.А.Мартынов. СПб.: сПбГуап, 2013. 426 с.: ил.
Рецензенты: доцент каф.31 к.т.н. Бураков М.В.;
ведущий научный сотрудник ФГУП ЦНИИ СЭТ к.т.н. Сергеев М.Ю.
Изложены основные вопросы теории электрического привода постоянного тока и переменного тока, шагового электропривода, электроприводов с вентильным и вентильно-индукторным двигателями. Рассмотрены вопросы устройства, принципа работы, статические и динамические характеристики электрических приводов. Приведены энергетические показатели работы электроприводов.
Рассмотрены основные вопросы построения разомкнутых и замкнутых систем электрических приводов. Рассмотрены вопросы устройства, принципа работы и основные характеристики датчиков информации замкнутых систем электрических приводов. Приведены примеры расчетов параметров и характеристик электродвигателей электроприводов, рассмотрены отдельные вопросы практической реализации микропроцессорных систем управления электроприводов.
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Электрический привод» и обучающихся по направлениям подготовки «Электроэнергетика и электротехника» и «Мехатроника и робототехника». Учебное пособие будет полезно и для студентов, изучающих курсы «Электромехатроника», «Электромехатронные системы и комплексы» и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи электрической энергии».
ВВЕДЕНИЕ
Огромное влияние на развитие человеческого общества всегда оказывал и оказывает способ получения энергии, необходимой для выполнения механической работы во всевозможных областях деятельности человека. Механическая энергия вырабатывается приводом, который преобразовывает другие виды энергии. В зависимости от вида используемой первичной энергии различают гидравлический, пневматический, тепловой и электрический приводы [1].
Приведем краткую сравнительную оценку характеристик пневматического, гидравлического и электрического приводов [9].
Пневматический привод. Достоинства: простота устройства и эксплуатации при средней квалификации обслуживающего персонала, низкая стоимость, высокая надежность, высокое быстродействие. Недостатки: плохая управляемость, сложная реализация следящего режима из-за невысокой жесткости механической характеристики, низкий КПД, сложность обеспечения плавности переходных процессов. Область применения: нерегулируемые приводы с цикловым управлением грузоподъемностью до 10... 15 кг, реже - до 20...30 кг.
Гидравлический привод. Достоинства: удовлетворительная жесткость механической характеристики, возможность реализации практически любых законов движения исполнительного механизма достаточно простыми средствами, высокое быстродействие, высокая удельная мощность на единицу массы при мощностях 1 кВт и выше, простота фиксации с помощью гидрозамка (при отключении питания). Недостатки: большая сложность, утечка масла, высокая стоимость, сложность обслуживания, требующая введения в штат электрика и гидравлика достаточно высокой квалификации. Область применения: приводы большой грузоподъемности.
Электрический привод. Достоинства: простота передачи энергии, низкая стоимость, большая экономичность в эксплуатации, высокий КПД, хорошие возможности по унификации. Недостатки: более низкие по сравнению пневмоприводом массогабаритные показатели из-за отсутствия в настоящее время в промышленном производстве малогабаритных быстродействующих электродвигателей и электромеханизмов; сложность фиксации привода при отсутствии питания. Область применения: приводы устройств автоматики, тяговые приводы транспортных средств, приводы с высокодинамичными характеристиками, например, приводы для прокатных станов и т.п.
Очевидными достоинствами ЭП являются также большой диапазон мощности и скорости движения; разнообразие конструктивного исполнения электродвигателей, что позволяет рационально соединять привод с исполнительным органом рабочей машины и использовать для работы в сложных условиях - в воде, среде агрессивных жидкостей и газов, космическом пространстве; простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота.
В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в быту наибольшее применение нашел электрический привод (ЭП), на долю которого приходится более 60% потребляемой в стране электроэнергии.
В робототехнике наряду с электрическим приводом находят применение пневматический и гидравлический приводы.
Рассмотрим кратко историю развития ЭП. Историю ЭП обычно начинают отсчитывать с 1834 года, с разработки русским академиком Б.С. Якоби (совместно с академиком Э.Х. Ленцем) первого двигателя постоянного тока вращательного движения. Установка этого двигателя на небольшой катер, который в 1838 г. совершил испытательные рейсы по Неве, является первым примером реализации ЭП. В 1867 году А.П. Давыдов впервые в мире создал синхронно-следящую систему управления артиллерийским огнем, явившуюся первым прообразом автоматизированного ЭП. Можно также отметить работы русского электромеханика В.Н. Чикалева, который в 1882 году создал ЭП швейной машины, а в 1886 году – ЭП вентилятора. Однако из-за отсутствия экономичных источников электроэнергии постоянного тока ЭП долгое время не находил широкого применения и основным оставался тепловой привод.
Толчком к развитию ЭП явилась разработка в 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока и появление трехфазного асинхронного электродвигателя, что создало реальные технические и экономические предпосылки для широкого использования электрической энергии, а значит, и ЭП.
Ранняя стадия развития теории ЭП была связана с разработкой научных основ электрификации отраслей народного хозяйства, вопросов расчета и улучшения энергетических показателей ЭП, а также их автоматического управления. Первым фундаментальным трудом по теории ЭП стало учебное пособие «Электрическое распределение механической энергии», изданное в 1925 г. С.А. Ринкевичем - профессором Петербургского электротехнического института (ныне ЛЭТИ).
В первой половине 20 века в качестве усилителя мощности в ЭП находили применение электромеханические преобразователи, выполненные по схеме двигатель – генератор.
В 20-х годах были разработаны и внедрены в серийное производство мощные ионные вентили (тиратроны и игнитроны). На основе этих вентилей стали создаваться электромашинно-вентильные системы, позволяющие существенно улучшить механические и регулировочные характеристики электроприводов. В 1934-1935 годах Д.А. Завалишин и О.Г. Этингер, а затем Ф.И. Бутаев и Е.Л. Этингер предложили и исследовали ряд схем вентильных преобразователей, дали методики их расчета и спроектировали вентильные двигатели для электрической тяги.
В 30-х годах 20-го века появились информационные электрические машины: тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы, а также микродвигатели для различных систем автоматики.
В 40-ых годах 20-го века разработаны электромашинные усилители с поперечным полем, которые долгое время были единственными усилителями мощности с достаточно большим коэффициентом усиления и находили широкое применение при реализации ЭП различного назначения.
Была разработана теория исполнительных двигателей автоматических устройств, появились двигатели с постоянными магнитами, гистерезисные двигатели с высокими динамическими и эксплуатационными характеристиками.
В 50-х годах успехи цифровой вычислительной техники способствовали быстрому развитию ЭП, выполненному на шаговых двигателях.
В конце 20-го века бурное развитие технологии производства полупроводниковых приборов способствовало существенному повышению их характеристик, надежности и снижению себестоимости изготовления. Все это способствовало созданию надежных силовых схем и систем управления вентильных преобразователей, которые постепенно вытеснили электромашинные усилители мощности и стали основными преобразователями различных видов электрической энергии для современных систем ЭП.
В настоящее время происходит замена релейно-контакторных систем управления ЭП современными микропроцессорными системами управления, позволяющими существенно улучшить характеристики ЭП, повысить надежность их. Дальнейшее развитие ЭП связано с решением ряда актуальных задач, включая и задачу повышения мощности, улучшения энергетических показателей и надежности их. Так, например, необходимо повысить мощность электроприводов гребных винтов морских судов до десяти и более мегаватт. Примерно такой же мощности необходимы электроприводы для перекачки газа по магистральным газопроводам и т.п.