Библиотека / Красовский основы электропривода

Предисловие

Электропривод за последние годы проник практически во все сферы человеческой деятельности. Он стал неотъемлемой частью

большинства технологических установок и во многом определяет

их качественный уровень, активно используется в быту, на транс­ порте и т. д. Поэтому представление о его современной элемент­ ной базе, физических принципах функционирования, методах управления, энергетике и основах проектирования необходимо

специалистам, непосредственно не связанным с его разработкой

и эксплуатацией.

Изданные за прошедшие годы и пользующиеся заслуженной популярностью среди читателей многие книги по электроприводу

ориентированы прежде всего на специалистов-электриков или

студентов, выбравших электропривод или смежные с ним специ­ альности в качестве своей будущей профессиональной деятельно­ сти. Зачастую они избыточны по содержанию и к тому же предпо­

лагают соответствующий уровень подготовки читателя. В основу

настоящей книги положен многолетний опыт автора в чтении лек­

ций по основам и специальным разделам электропривода в МГТУ

им. Н.Э. Баумана для студентов машиностроительных и техноло­ гических специальностей.

При написании учебного пособия автор исходил из того, что базовая электротехническая подготовка студентов-неэлектриков, как правило, ограничена лишь содержанием общеинженерного курса «Электротехника и электроника». В отличие от базовых учебников по основам электропривода, в издание дополнительно включены разделы, касающиеся общих закономерностей функ­ ционирования электромеханических устройств, принципов рабо­ ты и особенностей конструкции основных типов электрических

машин, силовой электроники.

По мнению автора, такое дополнение способствует формиро­ ванию у читателя более целостного представления о современном электроприводе и снижает необходимость на начальном этапе зна-

комства с предметом поиска нужной информации в других, зача­

стую разрозненных источниках. Вместе с тем автор надеется, что

книга вызовет интерес у читателя к новой для него предметной

области и в случае необходимости подготовит к чтению специ­

альной литературы.

Электропривод как инженерная наука связан с именами таких

выдающихся отечественных ученых и педагогов, как профессора

МЭИ М.Г. Чиликин, В.П. Бычков, М.М. Соколов, А.А. Сиротин,

А.С. Сандлер, В.И. Ключев, В.М. Терехов, Н.Ф. Ильинский,

Б.А. Ивоботенко, Л.Б. Масандилов и других, со многими из кото­

рых автору выпала честь быть лично знакомым и учиться у них. Всем им выражаю искреннее почтение и благодарность.

Улучшению содержания книги, несомненно, способствовали критические замечания и полезные советы профессора кафедры автоматизированного электропривода МЭИ Л.Б. Масандилова и рецензентов профессоров М.Г. Бычкова и М.В. Немцова, которым

автор выражает особую признательность. Слова благодарности

обращаю также к коллегам - сотрудникам кафедры электротех­

ники и промышленной электроники МГТУ им. Н.Э. Баумана и

особенно к членам моей семьи, постоянно поддерживавшим и

вдохновлявшим меня, проявлявшим исключительное терпение.

Список сокращений

г- генератор

д- двигатель

п- преобразователь

С одной стороны, электромеханический преобразователь энер­

гии имеет электрический вход и механический выход, с другой,

как мы увидим далее, - в электроприводе часто осуществляется и

обратное преобразование механической энергии в электрическую.

В этом случае, конечно, вход и выход в электромеханическом пре­

образователе энергии меняются местами.

Современный электропривод можно рассматривать как элек­

тромеханическую систему, в которой электрические и механиче­

ские элементы находятся в тесном взаимодействии и важнейшим

свойством которой является управляемость, необходимая для реа­

лизации целенаправленного протекания обеспечиваемого им тех­

нологического процесса. Основная задача управления электропри­

водом - обеспечение с его помощью движения рабочей машины

или отдельных ее элементов.

Управление движением может быть ручным или автоматиче­

ским. Ручное управление производит оператор (человек), который

с помощью командного устройства осуществляет управление дви­

жением. Автоматическое управление реализуется без непосред­

ственного участия человека, он только дает команду начала про­

цесса управления. Иногда и эту команду выполняет автоматиче­ ское устройство. Автоматическое управление в электроприводе

осуществляется, как правило, в замкнутых структурах - управ­

ляющее воздействие формируется с учетом фактического значения

регулируемой величины. По степени управляемости электропри­

вод бывает:

•нерегулируемый - одна рабочая скорость;

•регулируемый - параметры привода изменяются от управ­

ляющего устройства;

•программно-управляемый - управление в соответствии с за­

данной программой;

•следящий - автоматически отрабатывает перемещение ис­

полнительного органа с определенной точностью в соответствии с

произвольно меняющимся задающим сигналом;

• адаптивный - автоматически изменяющий структуру и па­

раметры системы управления при изменении условий работы ма­ шины для выработки оптимального режима.

Общая структура электропривода показана на рисунке. Элек­ трическая энергия, потребляемая из сети или в общем случае от лю­ бого источника электрической энергии, в силовом электрическом

~образуется в регулируемую

электрическую энергию, под­

водимую к обмоткам электри­

ческого двигателя (ЭД). Ме­

ханическая энергия от по­

(МП) передается рабочему органу (РО) механизма для совершения

полезной механической работы. Эти элементы образуют энергети­

ческий или силовой канал электропривода. Управляющий или ин­

формационный канал обеспечивает управление процессом преобра­ зования энергии и включает в себя управляющееустройство (УУ) и датчики (д) обратной связи. Управляющее устройство формирует

команды в соответствии с заложенным в него алгоритмом с учетом

текущей информации о состоянии электропривода, поступающей от

датчиков Д. Управляющее устройство может получать команды от

аналогичного устройства более высокого уровня.

Важно подчеркнуть, что наряду с обеспечением рационально­

го хода технологических процессов неуклонно возрастает значи­

мость решаемой с помощью современного электропривода вто­

рой задачи - повышение энергетической эффективности обору­ дования за счет применения более совершенных алгоритмов

управления.

На рисунке изображена полная функциональная схема элек­

тропривода. В конкретных условиях те или иные элементы, кроме

электромеханического преобразователя энергии могут отсутство­ вать, поэтому его часто называют главным или основным функ­

циональным элементом электропривода.

К электромеханическим преобразователям энергии могут быть

отнесены не только электрические двигатели, но и простейшие по

сравнению с ними устройства - электромагниты, используемые иногда в устройствах с ограниченным перемещением. Более того,

общие закономерности электромеханического преобразования энергии, как мы увидим далее, удобнее проследить именно на

примере простейшего электромагнита. Конструктивная сложность

большинства современных электродвигателей усложняет матема­ тическое описание процесса преобразования энергии, что делает его менее наглядным и более трудным для понимания.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электропривода и перечислите его основные

функции.

2. Приведите примеры использования электропривода в промышлен­

ности, в быту, на транспорте.

3. Какие устройства образуют силовой канал электропривода, а ка­

кие - информационный?

4. По каким критериям можно классифицировать электроприводы? 5. Являются ли равнозначными, по Вашему мнению, термины «си­

стема управления электропривода» и «система управления электропри­

водом»?

Глава 1

Элементы электромеханики

1.1. Основные физические явления в электромеханических преобразователях энергии

Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством маrnитного поля. Как известно из кур­ са физики, маrnитное поле может быть охарактеризовано такими

векторными величинами, как напряженность Н и индукция В, а для

интегральной его оценки используют магнитный поток Ф, связан­

ные между собой дляизотропной среды следующим образом*:

В= µаН,

Ф = fBdS =fBcosadS, s

между вектором В и нормалью к поверхности dS . Маrnитный поток

всистеме СИ измеряют в веберах (Вб), маrnитную индукцию -

втеслах (Тл), которые связаны с напряжением в вольтах (В) и временем в секундах (с) следующим образом:

1Вб = lB ·c; 1Тл = 1Вб/м2•

Магнитное поле обычно изображают в виде силовых линий - мысленно проведенных в поле линий, касательная в любой точке к

которым дает направление напряженности поля Н в этой точке.

* Здесь и далее соответствующие пространственные векторные величи-

ны будем обозначать заглавными полужирными буквами, а их модули - заглавными буквами; временнь'~е векторы - заглавными буквами с точ­ кой вверху, а их модули - заглавными буквами.