Введение

Электропривод - это управляемая электромеханическая система. Её основное назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом. Электропривод нашел свое применение практически во всех технологических процессах на железнодорожных предприятиях. Знать особенности и принципы построения электроприводов различных типов, законы управления ими, а также уметь выбрать электропривод для нужд конкретной установки необходимо каждому инженеру.

1 Структура электропривода. Выбор мощности электропривода.

Согласно ГОСТ Р 50369-92 электропривод – электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Преобразователь электрической энергии - электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и/или показателей качества.

Электродвигатель – электромеханический преобразователь, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую.

Механическая передача электропривода – механический преобразователь, предназначенный для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу рабочей машины и согласованию вида и скоростей их движения.

Управляющее устройство электропривода - устройство, предназначенное для формирования управляющих воздействий в электроприводе.

Информационное устройство электропривода - устройство, предназначенное для получения, преобразования, хранения, распределения и выдачи информации о переменных электропривода, технологического процесса и сопредельных систем для использования в системе управления электропривода и внешних информационных системах.

Устройство сопряжения электропривода – совокупность электрических и механических элементов, обеспечивающих взаимодействие электропривода с сопредельными системами и отдельных частей электропривода.

Система управления электропривода – совокупность управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения электропривода, предназначенных для управления электромеханическим преобразованием энергии с целью обеспечения заданного движения исполнительного органа рабочей машины.

Система управления электроприводом - внешняя по отношению к электроприводу система управления более высокого уровня, поставляющая необходимую для функционирования электропривода информацию.

В общем виде структуру электропривода можно представить в виде рис.1

Рис.1. Структура электропривода.

ИП – источник питания, ПЭЭ – преобразователь электрической энергии, ЭМП – электромеханический преобразователь, МП – механическое преобразующее устройство (механическая передача), ИО – исполнительный орган рабочего механизма, ИУ – информационное устройство, СУ ЭП – система управления электропривода

Энергетическая диаграмма электропривода.

Электропривод преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ГОСТ Р 50369-92 предусматривает наличие в системе электропривода преобразователей электрической и механической энергии. Любое преобразование энергии связано с потерей некоторой ее части. Энергетический поток в электроприводе можно представить в виде рис.2

Рис.2. Энергетическая диаграмма электропривода.

С – сеть, ЭП – электрический преобразователь, ЭД – электродвигатель, МП – механический преобразователь (передаточное устройство), ИО – исполнительный орган рабочего механизма.

На вход ЭП подается электрическая энергия от сети с параметрами U_c, I_c, которая преобразуется в электрическую энергия с параметрами U, I. Резистор R необходим для рассеивания энергии в тормозных режимах работы электропривода. ЭД преобразует электрическую энергию в механическую с параметрами M, ω. На вход ИО подается механическая энергия с требуемыми параметрами M_ио, ω_ио.

Типы электроприводов

Согласно ГОСТ Р 50369-92 принята классификация электроприводов:

- по функциональному назначению – электроприводы вращательного движения, электроприводы поступательного движения, электроприводы вращательно-поступательного (вибрационного) движения, электроприводы непрерывного движения, электроприводы дискретного движения и т.д.;

- по физическим принципам преобразования электрической энергии – электромашинный привод, электромагнитный привод, электростатический привод, пьезоэлектрический привод;

- по структуре – электропривод с разомкнутой (замкнутой) системой управления, электрический вал, редукторный (безредукторный) электропривод, маховичный электропривод, дифференциальный электропривод и т.д.;

- по технической реализации – электропривод постоянного (переменного) тока, взрывозащищенное электрооборудование, электропривод с вентильным двигателем, система «генератор-двигатель» («статический преобразователь-двигатель») и т.д.

Проектирование электропривода. Выбор типа и мощности двигателя

Проектирование электропривода выполняется на основе ряда критериев при учете системы конкретных ограничений. Основные этапы инженерного проектирования следующие.

Формулировка задачи – первый, наиболее ответственный этап проектирования. На этом этапе формулируются лишь самые главные черты объекта до и после проектирования.

Анализ задачи – выявление всех существенных качественных и количественных признаков создаваемого объекта в исходном (до проектирования) и конечном (после проектирования) состояниях, определение ограничений и назначение критериев, по которым будет оцениваться качество спроектированного объекта.

Поиск возможных решений. Предлагается, как правило, несколько решений, которые в принципе соответствуют задаче.

Выбор решения. Выбор осуществляется из множества возможных на основе критериев и с учетом ограничений.

Детальная разработка выбранного технического решения. Это этап окончательного выбора оборудования, расчета характеристик, составления алгоритмов управления, конструктивной компоновки узлов, оценки основных показателей и т.п.

Выбор типа и мощности двигателя – один из ответственных этапов проектирования привода, т. к. именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом.

Важным качеством двигателя является надежность его работы при минимуме капитальных затрат и эксплуатационных издержек. Это требование может быть удовлетворено лишь при выборе двигателя соответствующей мощности. Применение двигателя завышенной мощности влечет за собой неоправданное повышение капитальных вложений, снижение КПД, а для асинхронных двигателей – ухудшение коэффициента мощности. Применение двигателей недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы механизма, возникновению аварий и сокращению нормального срока службы двигателя.

Нагрузка на двигатель при длительном ее воздействии ограничивается нагревом, а при кратковременном – его перегрузочной способностью. Перегрузочная способность λ представляет собой отношение максимального момента, который способен развить двигатель хотя бы кратковременно, к его номинальному моменту:

Для асинхронных двигателей максимальный момент ограничен критическим значением момента; для синхронных – значением момента, при котором возможна устойчивая работа двигателя в синхронном режиме, для двигателей постоянного тока максимальный момент ограничен значением, при котором коммутация тока протекает без опасного искрения на коллекторе.

Ограничение по нагреву двигателей определяется теплостойкостью их изоляции. При соблюдении установленных заводом ограничений по температуре срок службы изоляции электрических машин составляет около 10 лет, что и является нормальным сроком их эксплуатации. Нагрев изоляции выше предельных значений недопустим, т. к. вызывает сокращение срока службы электрических машин. Предельные температуры обмоток двигателей с различными классами изоляции соответствуют номинальной нагрузке двигателей и температуре окружающей среды +40 С. Если действительное значение температуры t_окр<+40 С, то двигатель без опасности перегрева может быть нагружен несколько выше номинальной нагрузки; при t_окр>+40 С нагрузка двигателя должна быть снижена против номинальной.

При выборе мощности двигателя основными исходными данными являются требуемые моменты, которые должны быть приложены к валу механизма, требуемые скорости и ускорения рабочего органа механизма. Эти величины должны быть известны из требований технологического процесса.

Задача выбора мощности двигателя осложняется тем, что в динамическом режиме момент, развиваемый двигателем, не равен моменту статической нагрузки, а разница – динамический момент – зависит от суммарного момента инерции привода, в который входит и момент инерции двигателя. В связи с этим в тех случаях, когда динамические режимы играют заметную роль, задача решается в два этапа: предварительный выбор двигателя и его проверка по перегрузочной способности и по нагреву. В частном случае, когда двигатель работает преимущественно в установившихся режимах (M = M_c), выбор двигателя может быть произведен непосредственно по требуемым М_с и  .

Исходные данные для обоснованного выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм механизма, т.е. зависимостей М_с(t) и (t) и приведенного момента инерции J_м. Зависимость  (t) иногда называют тахограммой. Иногда М_с(t) зависит от пути, в этом случае при известной скорости можно перестроить заданный график М_с(), получив его в виде М_с(t).

Нагрузочные диаграммы механизма могут иметь разнообразный вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени t_ц, через который диаграмма повторяется. Если характер работы таков, что режимы воспроизводятся нерегулярно (лифт, подъемный кран и т.п.), строят нагрузочные диаграммы для наиболее вероятного или наиболее тяжелого цикла.

Проверка двигателя по нагреву, сводящаяся к оценке фактической температуры изоляции обмоток и сравнению ее с допустимой, также выполняется с использованием нагрузочных диаграмм двигателя. Эта операция выполняется с использованием тепловой модели двигателя.

Место электропривода в промышленности и на железнодорожном транспорте

Электропривод является основным техническим средством для автоматизации производства и повышения производительности труда. На железнодорожном транспорте электроприводы приводят в движение локомотивы, вентиляторы, компрессоры, стрелочные переводы, используются в локомотивных и других предприятиях в различных технологических процессах. В промышленности, медицинской, бытовой и специальной технике повсеместно применяется электропривод, мощность которого составляет от единиц микроватт до десятков мегаватт.