О.А. Дмитриев

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

ПРИВОД

Воронеж 2008

ГОУВПО «Воронежский государственный техничес-

кий университет»

О.А. Дмитриев

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2008

УДК 631.3

Дмитриев О.А. Электрический привод: учеб. пособие/ О.А Дмитриев, Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 195 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы построения электрических приводов постоянного и переменного тока, ана-лиза электромеханических и механических характеристик электрических машин, динамических свойств электроприво-дов, проектирования автоматизированных электроприводов. Учебное пособие предназначено для организации самостоя-тельной работы студентов очной формы обучения,

Издание соответствует требованиям Государственного об-разовательного стандарта высшего профессионального обра-зования по направлению 140600 «Электротехника, электро-механика и электротехнологии», специальности 140604 «Элек-тропривод и автоматика промышленных установок и техноло-гических комплексов», дисциплине «Электрический привод».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текс-товом редакторе MS Word 2003 и содержится в файле УП – ЭЛ – ПР.

Табл. 2. Ил. 101. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф.В.Л. Бурковский.

Рецензенты: кафедра автоматизации технологических

процессов Воронежского государственного

архитектурно-строительного университета

(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф.

В.Д. Волков) ;

д-р техн. наук, проф. В.М. Питолин

© Дмитриев О.А., 2008

© Оформление. ГОУВПО «Воронежский

государственный технический универ-

ситет», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность средств производства, которыми распо­лагает человеческое общество, в значительной степени определяется совершенством способов получения энергии, необ­ходимой для выполнения механической работы в производственных процессах. В свое время создание паровой машины взамен гидравлического двигателя послужило мощным толчком к развитию производства в XIX в., названном ве­ком пара. Наш XX в. получил название века электричества в первую очередь потому, что основным источником меха­нической энергии в нем стал более совершенный электри­ческий двигатель и основным видом привода рабочих машин в промышленном производстве является электриче­ский привод, а на современном уровне техники автоматизированный электропривод.

Современный электропривод отличается широким разнообразием применяемых средств управления - от обычной коммутационной аппаратуры до ЭВМ, большим диапазоном мощностей двигателей – от долей ватта до 50000 кВт , диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более. Электропривод является основой автоматизации технологических объектов в промышленности, сельском хозяйстве, космосе и т.д.

Широкое внедрение электрического привода во все отрасли промышленности и всё возрастающие требования к статическим и динамическим характеристикам электропривода предъявляют повышенные требования к профессиональной подготовке студентов, специализирующихся в области электрического привода.

3

1. Основные сведения об электро-

ПРИВОДЕ

Автоматизированным электроприводом называется элект-ромеханическая си­стема, состоящая из электродвигательного, преобразова­тельного, передаточного и управляющего устройств, пред­назначенных для приведения в движение органов рабочего механизма и управления этим движением.

Структурная схема автоматизированного электропривода приведена на рисунке. В ней можно выделить три основ­ных элемента:

1) механическая часть привода МЧ, включающая рабо­чий механизм РМ, передаточное устройство ПУ, пред­назначенное для передачи механической энергии от элек­тродвигательного устройства электропривода к исполни­тельному органу рабочей машины и для изменения вида и скорости движения и усилия (момента вращения);

2) электродвигательное устройство ЭД, предназначен­ное для преобразования электрической энергии в механи­ческую или механической энергии в электрическую. На схеме электродвигательное устройство (или двигатель) пред­ставлено двумя элементами: электромеханическим преобразователем энергии ЭМП (на вход которого подаются элек­трические сигналы в виде напряжения и тока), преобра­зующим электрическую мощность в механическую мощ­ность, и массой ротора двигателя РД, на которую воздей­ствует момент М двигателя при угловой скорости ω;

3) система управления СУ, состоящая из силовой пре­образовательной части П (преобразователя), управляющего устройства У, задающего устройства ЗУ и датчиков обрат­ных связей — электрических ДОСЭ и механических ДОСМ1 и ДОСМ2. Преобразователь П предназначен для питания двигателя и создания управляющего воздействия на него. Он преобразует род тока или напряжение, или частоту либо изменяет иные показатели качества электрической энергии, подводимой к двигателю. Устройство У, управ­ляющее преобразователем П, получает командные сигналы от задающего устройства ЗУ, а информацию о текущем состоянии электропривода

4

5

и технологического процесса - от датчиков обратных связей. С помощью этих датчиков ток, напряжение, мощность двигателя или другие его элек­трические параметры, скорость, момент или усилие и поло­жение (перемещение) исполнительного органа, преобразу­ются в пропорциональные этим параметрам электрические сигналы, которые и подаются в управляющее устрой­ство У. В нем текущее состояние электропривода и техно­логического процесса сравнивается с заданным и при нали­чии рассогласования вырабатывается управляющий сиг­нал, воздействующий через преобразователь П на электро­при-вод в направлении устранения возникшего рассогласо­вания с требуемой точностью и быстродействием.

Ниже приведены наиболее распространенные примеры испол-

нительных органов и элементов электропривода:

1. Рабочий механизм:

шпиндель токарного станка; подвижной стол строгального станка; лента (цепь) конвейера; ковш экскаватора; кабина подъемника; крыльчатка насоса; валки прокатного стана; ходовой винт механизма подачи. станка; тележка механизма передвижения крана; крюк подъемной лебедки.

2. Электродвигатель:

двигатель постоянного тока с разными видами возбуждения; асинхронный двигатель с фазным или короткозамкнутым ротором; синхронный двигатель; линейные двигатели постоянного или перемени тока; вентильный двигатель; шаговый двигатель; двигатели с катящимися и волновыми роторами; редукторные двигатели.

3. Передаточное устройство:

цилиндрические и червячные редукторы; планетарная пере-дача; передача винт-гайка; волновая передача; кривошипно- шатунная передача; цепная и ременная передачи; реечная передача.

4. Преобразователь:

управляемый выпрямитель; преобразователи частоты, напряжения переменного тока; импульсные преобразователи на

6

пряження; инверторы.

5. Задающее устройство:

кнопка, ключ управления; регулятор; управляющая вы-числительная машина; реле; логические элементы; уси-литель; фазовый детектор.

6. Источник электри­ческой энергии:

однофазная или трехфазная сеть переменного тока про-мышленной частоты; цеховая сеть постоянного тока; ак-кумуляторная батарея; дизель-генераторная установка; солнечная батарея.

. 1.1. Классификация автоматизированных

электроприводов

Электроприводы, используемые в различных технологичес-ких установках, разнообразны по схемному и конструктивному исполнению, что связано с большим разнообразием рабочих машин. Классификация электроприводов по отдельным признак дана в таблице [6] Классификация по виду движения. Наибольшее, а до недавнего времени исключительное применение получили электроприводы вращательного движения. Однако в последнее время значительное внимание уделяется линейным двигателям. В тех механизмах, где рабочий орган совершает поступательное или возвратно-поступательное движение применение линейных дви­гателей конструктивно гораздо удобнее, чем использование спе­циальных кинематических пар: винт-гайка, шарико-винтовые пе­редачи, кривошипно-шатунный механизм и др. Из-за низких энергетических и массогабаритных показателей линейные элек­тродвигатели не находили применения. Создание новых эффек­тивных конструкций линейных двигателей с питанием их от по­лупроводниковых преобразователей частоты открывает новые возможности использования линейных электроприводов для ря-

да производственных машин, в первую очередь, для металлорежу­щих станков. Многокоординатные электроприводы на основе специаль­ных шаговых электродвигателей являются отечествен

7

Классификация автоматизированных электроприводов

Классификационный признак	Классификационные градации
По виду движения электродви­гателя	1. Вращательного движения 2. Линейный 3. Многокоординатного движения
По способу соединения двига­теля с рабочим органом	1. Редукторный 2. Безредукторный 3. Конструктивно- интегрирован­ный
По регулируемости	1. Нерегулируемый 2. Многоскоростной 3. Регулируемый
По степени автоматизации	1. С ручным управлением 2. С полуавтоматическим управле­нием З. С замкнутой САР скорости с ручным заданием 4. С замкнутой САР положе- ния, обеспечивающей точ- ное позицио­нирование 5. С программным управле- нием 6. Следящий
По числу электродви-гателей	1. Однодвигательный 2. Многодвигательный
По числу рабочих органов	1 .Индивидуальный 2. Групповой 3. Взаимосвязанный

ной разра­боткой и находят применение в высокоточных робототехнических установках, сборочных автоматах и для других целей.

Под регулируемостью понимается возможность измене-ния или точного поддержания скорости, ускорения или мо- мента (усилия) приводного электродвигателя. Исторически сложилось, что большинство существующих электроприводов выполнено на базе короткозамкнутых асин­хронных электродвигателей, не допускающих в стандартной схе­ме их питания регулирования скорости или момента. Модифика­цией односко-

8

ростных асинхронных электродвигателей являются двух и трехскоростные двигатели. Электроприводы с многоско­ростными двигателями дают возможность получать две или три фиксированные рабочие скорости, но не могут обеспечить плав­ного регулирования скорости в заданном диапазоне. К подобным по управляемости можно также отнести электроприводы с реостатно-контакторным управлением. Такие приводы не дают воз­можности регулировать момент и ускорение электропривода и формировать требуемый характер изменения скорости во време­ни. Поэтому электропривод с многоскоростными электродвига­телями и с контакторным управлением не может рассматриваться как регулируемый.

Понятие регулируемый электропривод включает в себя сле­дующее:

• установка по заданию любой скорости в пределах задан­ного диапазона;

• стабилизация установленного значения скорости с задан­ной точностью при возмущающих воздействиях, например, изме­нении нагрузки на валу двигателя;

• регулирование момента, развиваемого двигателем в двигательном и тормозном режимах, и ускорения (замедления) электропривода;

• формирование требуемого характера изменения ско-рости во времени ω= f(t) с заданной точностью.

Современной тенденцией является все более широкое пользование регулируемых электроприводов.

В зависимости от диапазона регулирования скорости, регулируемые электроприводы разделяются на:

- регулируемые приводы с ограниченным диапазоном регулирования (не более 2:1);

• регулируемые приводы общего назначения с диапазоном регулирования не выше 100:1;

- широкорегулируемые электроприводы (диапазон регулиро-вания скорости порядка 1000:1);

- высокоточные электроприводы (диапазон регулирова-

9

ния 10000:1);

• прецизионные электроприводы (диапазон регулирования 30000:1 и выше).

Классификация электроприводов по степени автомати-зации включает в себя электроприводы с системами управления, различающимися по их функциональным возможностям и сложности. Наиболее простые системы с ручным управлением характерны для нерегулируемых электроприводов. Такие электроприводы имеют систему управления на основе релейно-контакторной аппаратуры, выполняющей функции пуска, останова, защиты и блокировки.

Электроприводы с полуавтоматическим управлением подразумевают управление электропривода оператором с помощью командно - контроллера, кнопок управления и других аппаратов. Система управления содержит элементы автоматического управления и регулирования, обеспечивающие автоматическое изменение параметров электропривода (например, переключение ступеней сопротивления пускового реостата в функции тока или времени) в соответствии с командами оператора. Такие системы характерны, например, для электропривода грузоподъемных механизмов.

Для регулируемого электропривода, как правило, используются замкнутые САР по току и скорости. В этом случае управление может осуществляться оператором, как это производится, например, машинистами экскаваторов, реверсивных прокатных станов и других машин. Задание на скорость может также опре­деляться системой технологической автоматики (например, бумагоделательные машины, дозаторы и другие машины). Следующей разновидностью являются позиционные элект-

роприводы, кото­рые обеспечивают точную остановку рабочего органа механизма в заданном положении. Системы управления такими электропри­водами содержат замкнутый контур положения, действующий постоянно или при входе рабочего органа в зону точной остановки

.

10

Если задающее воздействие на параметры движения рабоче­го органа задается программными средствами, то такие электро­приводы составляют класс электроприводов с числовым про­граммным управлением (ЧПУ). Приводы с ЧПУ содержат замк­нутые контуры регулирования по скорости и положению.

Если положение рабочего органа должно изменяться в соот­-

ветствии с заданием, характер которого заранее неизвестен, то функцией электропривода в этом случае является слежение и от­работка этого задания с необходимой точностью. Такой электро­привод называется следящим.

Одним из определяющих вопросов при проектировании электромеханических комплексов является выбор системы авто­матизированного электропривода. Прежде всего, нужно решить вопрос: следует ли применять регулируемый электропривод или можно обойтись более простым нерегулируемым.

В последние годы регулируемый электропривод активно вы­тесняет нерегулируемый. Технико-экономическими основаниями для применения регулируемого электропривода являются:

-технологические требования, связанные с необходимо­стью регулирования момента, скорости и положения в ходе тех­нологического процесса (например, металорежущие станки, грузоподъемные краны и др.);

- возможность оптимизации технологического процесса за счет регулирования электромеханических параметров (например, прокатные станы и др.);

-повышение эффективности использования электроэнергии,

ее экономия при использовании регулируемого электропри­вода (насосы, вентиляторы и другие машины);

- автоматизация рабочих машин и технологических ком­п-

лексов, которая в большинстве случаев невозможна без исполь-

­зования регулируемого электропривода;

• обеспечение стабильности качества производимой продукции (при изменении параметров сырья, условий производства, износ инструмента, требующих адаптации технологической процесса для сохранения качества продукции);

11

• создание гибких технологий, машинных комплексов производств (т.е. комплекса машинного оборудования, который может перестраиваться на выпуск новой продукции без изменения самих рабочих машин).

Приведенный перечень показывает, что регулируемый электропривод является, особенно в перспективе, определяющим видом автоматизированного электропривода..