Теория электропривода учебное пособие
..pdfническая работа» – считается годом рождения науки об электроприводе.
Наряду с электроприводом постоянного тока развивается и электропривод переменного тока. В 1841 г. англичанин Ч. Уитсон построил однофазный синхронный электродвигатель. В 1876 г. П.Н. Яблочков (1847–1894) разработал несколько конструкций синхронных генераторов, а также изобрел трансформатор. Следующим шагом явилось открытие в 1888 г. итальянцем Г. Феррарисом и югославом Н. Теслой явления вращающегося магнитного поля, что положило начало конструированию многофазных электродвигателей.
В1889 г. М.О. Доливо-Добровольским (1862–1919) была разработана трехфазная система переменного тока и асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АД КЗ), а несколько позднее – и с фазным ротором. ДоливоДобровольским также были разработаны трехфазные синхронный генератор и трансформатор, конструкции которых остаются практически неизменными в наше время. В 1882 г. была построена первая линия электропередачи переменного тока.
По результатам вышеперечисленных работ был создан наиболее надежный, простой и дешевый электрический двигатель, распространенный и в настоящее время.
В1920 г. был разработан план ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России), предусматривающий сооружение электростанций (в том числе 10 крупных для того времени) общей мощностью 1,75 МВт, к началу 1931 г. он был выполнен. Величайшее значение плана ГОЭЛРО заключалось в создании отечественной электропромышленности – крупнейших электромашиностроительных заводов: «Динамо» в Москве, «Электросила» в Ленинграде (СанктПетербург) и ХЭМЗ в Харькове. Был создан крупный всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), была создана система подготовки отечественных специалистов по электро-
11
техническим специальностям. В 1922–1923 гг. в Петербургском электротехническом институте под руководством профессора С.А. Ринкевича была создана кафедра электрификации промышленных предприятий, выпускавшая инженеров одноименной специальности. В 1925 г. С.А. Ринкевич выпустил учебное пособие «Электрическое распределение механической работы» – первый систематизированный труд по теории и практике электропривода.
В 30-е годы XX в. наряду с развитием на базе электрификации различных отраслей промышленности были созданы научные школы по электроприводу: в Ленинграде (проф. С.А. Ринкевич и проф. В.К. Попов), в Москве (проф. Д.П. Морозов) и в Харькове (проф. Р.Л. Аронов). В эти же годы были опубликованы фундаментальные работы по вопросам электрификации промышленности, улучшению энергетических показателей электроприводов и их автоматическому управлению (работы Р.Л. Аронова, С.Н. Вешеневского, Л.Б. Гейлера, А.Г. Голована, Д.П. Морозова, В.К. Попова, С.А. Ринкевича, А.В. Фатеева, В.А. Шубенко и многих других). Последующее развитие ЭП в СССР характеризуется созданием ряда новых систем автоматизированного электропривода в специализированных НИИ и КБ в Москве, Новосибирске, Харькове.
Дальнейшее развитие ЭП связано с развитием силовой преобразовательной техники и комплектных микропроцессорных устройств для систем управления ЭП постоянного и переменного тока. Наиболее перспективным остается асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором – наиболее простой и дешевый преобразователь энергии. Такой ЭП с современными бесконтактными преобразователями частоты, являясь более простым, надежным в эксплуатации, может обеспечить регулирование скорости в большом диапазоне с хорошей динамикой переходных процессов.
12
Современный автоматизированный электропривод практически полностью отвечает требованиям промышленности, сельского хозяйства и науки по мощности, диапазону регулирования скорости и плавности ее регулирования. Пределы мощности используемых машин в электроприводах весьма широки – от десятков тысяч киловатт до долей ватт. Так, например, в прокатных станах металлургических предприятий используются электрические машины постоянного тока, а также синхронные двигатели мощностью 30 МВт. Для привода подъемных установок горнодобывающей промышленности применяются синхронные электродвигатели мощностью свыше 5 МВт. В то же время разработаны и применяются микродвигатели с малым диаметром ротора (до 100 мкм) и частотой вращения до 50 000 об/мин.
В настоящее время основная цель серийно выпускаемых и вновь разрабатываемых электроприводов направлена в первую очередь на увеличение их надежности, уменьшение массогабаритных показателей, стоимости и эксплуатационных расходов. Основные разработки современных электроприводов проводятся на базе электрических машин переменного тока.
Получили распространение в связи с дальнейшим развитием микропроцессорной техники и силовой полупроводниковой техники на полностью управляемых тиристорах, новых поколениях транзисторов новые системы электроприводов:
–для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором – системы фазового управления (регулирование угловой скорости изменением напряжения), частотное регулирование (непосредственный преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения, автономный инвертор тока), частотно-токовое управление;
–для асинхронного двигателя с фазным ротором – фазовое управление, частотное управление в режиме машины
13
двойного питания, каскадные схемы, системы с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора;
– для синхронных двигателей – частотное управление, частотно-токовое управление, вентильный электропривод.
Для регулируемого электропривода переменного тока появилась необходимость разработки специальных конструкций электрических машин переменного тока с регулированием угловой скорости, отличающихся от серийно выпускаемых асинхронных и синхронных двигателей, предназначенных для работы с постоянной скоростью. Это становится необходимым в основном из-за перегрева машин на угловых скоростях, отличных от номинальной скорости.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
1.1. Основные понятия и определения
Многие современные технологии вообще невозможно осуществлять без использования специальных движущихся установок или механизмов. Движение рабочих органов различных машин или механизмов осуществляется каким-либо приводом – гидравлическим, паровым, пневматическим или электрическим.
Электрический привод является единой электромеханической системой, электрическая часть которой состоит из электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств, а механическая часть включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.
Электропривод осуществляет преобразование электрической энергии в механическую работу и представляет собой электромеханическую систему, состоящую из преобразовательного, электродвигательного, передаточного и управ-
14
ляющего устройств, предназначенную для управляемого преобразования электрической энергии в механическую работу.
Элементы ЭП показаны на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Функциональная схема электропривода
Основным элементом в электроприводе является элек-
тродвигательное устройство (ЭДУ) для преобразования механической энергии в электрическую с использованием различных типов электродвигателей.
Рабочими машинами (РМ) являются технологические установки, например экскаваторы для воздействия на забой при его разработке, грузоподъемные установки для изменения положения груза, электрифицированные транспортные средства и др.
Механическая энергия от ЭДУ передается к исполни-
тельным органам РМ через механическое передаточное устройство (МПУ) в виде механического редуктора, цепной передачи, другой кинематической системы и т.д. МПУ позволяет преобразовать выходные переменные ЭДУ, например преобразовать вращательное движение вала двигателя в линейное перемещение ковша экскаватора или подъемного сосуда, понизить с помощью редуктора частоту вращения вала двигателя, обеспечить необходимую величину момента или усилия на исполнительном органе РМ.
Для создания регулирующего воздействия на ЭДУ ис-
пользуется силовое преобразовательное устройство (СПУ),
подающее электрическую энергию с необходимым преобра-
15
зованием параметров (например, для выпрямления переменного тока или для изменения напряжения или его частоты). Многие годы в качестве СПУ использовались различные электромашинные преобразовательные устройства или силовые магнитные усилители.
Такие ЭПУ применяются и сейчас, однако постепенно уступают место современным устройствам – различного рода силовым полупроводниковым преобразователям – тиристорным управляемым выпрямителям, тиристорным и транзисторным широтно-импульсным преобразователям (ШИП) для преобразования переменного тока в постоянный, а также различным полупроводниковым (транзисторным и тиристорным) преобразователям частоты (ПЧ).
На вход СПУ сигнал поступает от управляющего устройства (УУ). Современные ЭП при жестких требованиях к качеству регулирования выходных переменных выполняются в виде замкнутых систем автоматического управления. При этом на входы УУ кроме сигналов от задающего устройства (ЗУ) поступают сигналы обратной связи, формируемые датчиками обратных связей Д1, Д2 и т.д., например сигналы, пропорциональные угловой скорости двигателя ω, моменту на валу двигателя М, моменту Mи.о и скорости Vи.о исполнительного органа, и др.
1.2. Классификация электроприводов
Различают достаточно большое разнообразие типов ЭП, отличающихся по функциональному назначению, способу разделения энергии, роду потребляемого тока, особенностям конструкции и т.п. Основные типы ЭП:
Главный ЭП обеспечивает движение исполнительного органа РМ, основную технологическую операцию. Вспомогательный ЭП обеспечивает движение вспомогательных органов РМ. Примерами такого функционального назначения ЭП могут служить приводы механизмов подъема, напора (тя-
16
ги), поворотной платформы, хода карьерных экскаваторов, а к вспомогательным относятся ЭП компрессора, гидронасоса, вентиляторов главных двигателей.
Групповой ЭП применялся на первых этапах развития техники привода. Примером группового ЭП для современной РМ является ЭП швейной машины, в которой отдельные ее части приводятся в движение от одного электродвигателя. Этот тип ЭП в наши дни утратил свое значение.
Широко применяется в настоящее время однодвигательный ЭП. Примером применения однодвигательного электропривода являются простые металлообрабатывающие станки и другие несложные механизмы. Во многих случаях привод осуществляется от электродвигателя специального исполнения, конструктивно представляющего одно целое с самим механизмом. Примером может служить электропривод электродрели. Характерным примером полного совмещения двигателя с рабочим органом является электрорубанок. В нем трехфазный АД имеет короткозамкнутый ротор, расположенный снаружи статора (внешний ротор), несущий ножи инструмента. Можно назвать также электрическую таль, дви- гатель-ролик (рольганг), применяемый в металлургической промышленности на прокатных станах. Неподвижный статор с обмоткой располагается здесь внутри рольганга, а сам ролик является ротором.
Переход на однодвигательный электропривод дал возможность широко автоматизировать работу машин. В настоящее время этот тип электропривода является основным и имеет наибольшее распространение.
Однако при однодвигательном электроприводе машин с несколькими рабочими органами внутри машины еще сохраняется система механического распределения энергии (посредством шестерен и т.п.) с присущими ей недостатками. Поэтому в современных машинах подобного рода широко применяется многодвигательный электропривод, при кото-
17
ром каждый рабочий орган приводится в движение отдельным электродвигателем. Такие электроприводы применяются, например, в сложных металлообрабатывающих станках, бумагоделательных машинах, прокатных станах, экскаваторах и др. При этом значительно упрощается кинематическая схема машины.
В индивидуальном ЭП управление движением каждого исполнительного органа обеспечивается отдельным двигателем, что упрощает механические передачи, облегчает управление движением. Многодвигательный ЭП характеризуется использованием нескольких двигателей для привода одной РМ. Примерами многодвигательных ЭП могут служить двухдвигательные приводы механизмов подъема и поворота карьерных экскаваторов, в которых двигатели, будучи механически связанными, работают на одну лебедку подъема или поворотную платформу. Многодвигательный ЭП является разновидностью так называемого взаимосвязанного ЭП, в котором два (или несколько) механически или электрически связанных между собой ЭП при работе поддерживают заданное соотношение их скоростей и (или) нагрузок и (или) положения исполнительных органов рабочих машин. Взаимосвязанный ЭП только с электрической связью нескольких двигателей, но без механической связи между ними (т.е. не работающими на общий вал) называется электрическим валом. Примерами электрического вала можно назвать ЭП ворот шлюзов, половин подъемных мостов.
По роду тока различают ЭП постоянного и переменного тока. По типу применяемых электродвигателей ЭП класси-
фицируются как асинхронные ЭП, синхронные ЭП и ЭП по-
стоянного тока (в последнем случае указывается, какой именно используется тип двигателя).
По мощности применяемые в ЭП электрические машины делятся:
– на микромашины – до 0,6 кВт;
18
–машины малой мощности – до 100 кВт;
–машины средней мощности – до 1000 кВт;
–машины большой мощности – свыше 1000 кВт.
По скорости вращения:
–тихоходные – до 500 об/мин;
–средней скорости – до 1500 об/мин;
–быстроходные – до 3000 об/мин;
–сверхбыстроходные – до 150 000 об/мин.
По степени управляемости ЭП классифицируются на ре-
гулируемые и нерегулируемые. В нерегулируемом ЭП испол-
нительный орган РМ приводится в действие с одной скоростью.
По степени управляемости различают также следящий ЭП, т.е. такой ЭП, выходная фазовая координата которого (скорость или путь) повторяет задание, меняющееся по произвольному закону.
По типу применяемого СПУ – транзисторный и тиристорный ЭП. Используется также более общий термин – вентильный ЭП. По типу примененной системы ЭП, т.е. по сочетанию ЭПУ с двигателем: ЭП по системе УВ-Д (управляемый выпрямитель – двигатель), ПЧ-Д (преобразователь частоты – двигатель), ТП-Д (тиристорный преобразователь – двигатель), Г-Д (генератор – двигатель), МУ-Д (магнитный усилитель – двигатель), ЭМУ-Д (электромашинный усилитель – двигатель).
По уровню автоматизации различают:
–неавтоматизированный ЭП, т.е. ЭП с ручным управлением, который в настоящее время встречается очень редко и в установках малой мощности (бытовых, медицинских);
–автоматизированный ЭП – управляемый с помощью различных устройств автоматического управления и с участием оператора;
19
–автоматический ЭП, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.
Классифицируют ЭП также по роду передаточного уст-
ройства к РМ – редукторный и безредукторный.
ЭП имеет преимущества перед другими видами привода:
–значительно больший КПД электродвигателей по сравнению с другими типами двигателей;
–удобство передачи электрической энергии к ЭП;
–простота реализации необходимых законов управления при автоматизации и оптимизации технологических процессов;
–большие диапазоны регулирования скорости;
–удобство эксплуатации, надежность и износоустойчи-
вость.
ЭП обладает и рядом недостатков:
–опасность поражения электрическим током, чего нет
вдругих типах привода;
–зависимость от бесперебойного электроснабжения;
–сложность современных систем автоматизированного ЭП, требующих высокой квалификации проектировщиков, наладчиков и эксплуатационного персонала.
2.МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
2.1. Общие положения
Механика электропривода изучает взаимодействия сил и моментов, действующих в электроприводе при неустановившихся процессах, возникающих при различных управляющих (пуск, реверс, торможение) или возмущающих (сброс и наброс нагрузки) воздействиях.
20