Введение

В настоящее время основным средством для приведения в движение рабочих машин и механизмов являются электрические двигатели, то есть подавляющее количество механической энергии, используемой в промышленности, производится с помощью электромеханических систем, преобразующих электрическую энергию в механическую. За счет полученной энергии исполнительный орган совершает требуемое механическое движение, обеспечивая тем самым выполнение производственных и технологических операций: перемещение грузов, обработку деталей, транспортировку жидкости или газа, слежение за небесными телами и т.д. [2].

Следовательно, одной из функций электромеханического преобразователя является управление потоком механической энергии электрическими способами.

В курсе «Электрический привод» изучаются законы совместного функционирования электрической машины и рабочего механизма и преобразования энергии из электрической в механическую и механической в электрическую. Электроприводом называется электромеханическая система, предназначенная для организации движения исполнительного органа по требуемому закону путем взаимного преобразования электрической и механической энергии и состоящая (рис.В.1) из преобразователя, электрической машины, механической передачи и управляющего устройства.

В частных случаях преобразовательное и передаточное устройства могут отсутствовать, и тогда система электропривода представляет из себя электродвигатель с необходимым набором управляющей аппаратуры, питающейся от сети.

Преобразовательное устройство – это элемент или совокупность элементов, предназначенных для преобразования напряжения сети электрического питания со стандартными постоянными параметрами в напряжение с требуемыми, регулируемыми (при необходимости) параметрами для питания конкретного двигателя.

К преобразовательным устройствам относятся трансформаторы, управляемые или неуправляемые выпрямители, преобразователи частоты и т.д.

Электродвигательное устройство – это электрическая машина, осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую.

В табл.В.1 представлен перечень и электрические схемы применяемых в настоящее время в промышленности электрических машин (здесь не рассматриваются электрические машины специального исполнения и малой мощности).

Рис.В.1. Функциональная схема системы электропривода

Из таблицы видно, что, помимо прочего, машины постоянного тока подразделяются на машины с независимым и параллельным возбуждением. Однако термин «независимое возбуждение» подразумевает питание обмотки возбуждения от независимого источника напряжения, но практически обмотки возбуждения подавляющего большинства электрических машин питаются (возможно, через преобразователь какого-либо типа) от той же сети, что и их якоря, то есть по способу соединения такие машины фактически являются машинами параллельного возбуждения. Однако мощность современных электрических сетей такова, что взаимным влиянием цепей возбуждения и якоря электродвигателя через питающую сеть можно пренебречь и по физике своей работы такие машины считать электрическими машинами независимого возбуждения. Поэтому в дальнейшем не будет проводиться подразделения на машины независимого и параллельного возбуждения, а речь пойдет только о машинах независимого возбуждения.

Передаточное устройство – устройство, служащее для передачи, как правило, вращательного движения электродвигателя в движение исполнительного органа рабочей машины с преобразованием скорости и соответствующим изменением вращающего момента. С помощью передаточного устройства решаются следующие задачи: преобразование вращательного движения в поступательное, понижение (повышение) скорости; изменение направления движения, приведение одним двигателем нескольких исполнительных органов рабочей машины. Основные характеристики передаточного устройства: передаваемый вращающий момент, скорость на входе (выходе), передаточное отношение, КПД. Передаточные устройства разделяются на механические, гидравлические, пневматические и электрические.

В зависимости от способа передачи двигателем механической энергии рабочему механизму различаются три типа электроприводов:

• групповой, когда один электродвигатель приводит в движение несколько рабочих механизмов. Используется для привода конвейеров, валков прокатных станов и т.д. В нефтегазодобывающей промышленности групповой электропривод применяется на буровых установках, где один электродвигатель используется для поочередно работающих роторного стола и буровой лебедки. Однако применение такого типа привода ограничено и не имеет перспектив из-за усложнения его кинематической схемы и снижения КПД системы;

• одиночный – это электропривод, в котором один электродвигатель приводит в движение один рабочий механизм. Такой тип привода является наиболее распространенным в настоящее время;

• многодвигательный – это электропривод, где рабочие органы приводятся в движение несколькими электродвигателями, причем многодвигательный электропривод может представлять из себя совокупность одиночных: например, электропривод мостового крана состоит из электроприводов передвижения моста, передвижения тележки и механизма подъема груза; или - один механизм, приводимый в движение несколькими электродвигателями, расположенными на одном валу. Достоинством электропривода второго типа является то, что суммарный момент инерции нескольких электрических машин, находящихся на одном валу, значительно меньше, чем момент инерции одного двигателя суммарной мощности. Следовательно, многодвигательный электропривод второго типа целесообразно применять для механизмов большой мощности, работающих с частыми пусками и торможениями. В нефтегазодобывающей промышленности многодвигательный электропривод практически не используется.

Устройство управления – устройство (или совокупность устройств) системы автоматического управления (регулирования), которое посредством управляющих воздействий (команд), вырабатываемых в соответствии с заданной целью управления или установленным законом регулирования, действует на управляемый объект, обеспечивая требуемый режим его функционирования. В электроприводе устройство управления является его составной частью. В этом случае управляемым объектом может быть, например, преобразователь электрической энергии, электрический двигатель и др. устройство управления может быть внешним по отношению к электроприводу. Электропривод в этом случае является управляемым объектом.

За сто пятьдесят лет своего развития системы электропривода претерпели кардинальные изменения [1,2]. Осуществился переход от примитивного группового электропривода (общий электродвигатель – множество трансмиссий - рабочие агрегаты) до высокоинтеллектуального, осуществляющего сложнейшие операции при изменяющихся управляющих и возмущающих воздействиях. Наиболее значительными событиями в истории развития электропривода являются следующие:

• 1886 год – создание принципа построения асинхронного электродвигателя (Феррарис, Тесла);

• 1889 год – создание трехфазной сети и трехфазного асинхронного электродвигателя (М.О. Доливо-Добровольский);

• 1947 год – изобретение транзистора (Дж. Бардин, В. Братштейн);

• 1971 год – изобретение четырехразрядного микропроцессора (фирма Intel).

Асинхронный электродвигатель стал основным типом электрической машины благодаря своей простоте, надежности и невысокой стоимости. Мощные полупроводниковые модули определили тип электрического преобразователя энергии.

Микропроцессорные средства придали электроприводу высокую интеллектуальную способность.

В настоящее время развитие электромеханических систем идет в направлении все большего распространения регулируемых электроприводов на базе полупроводниковых преобразователей и микропроцессорных устройств управления.