Тема 3.2. Общие сведения об электроприводе.

Лекции 4-5

Электропривод - это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.

Роль и место электропривода в процессе производства и в быту.

Важную роль в реализации планов электрификации нашей страны играет электрический привод, который в настоящее время является основным видом привода самых разнообразных производственных и. транспортных механизмов, бытовых приборов, устройств водо- и газоснабжения, средств телевизионной и космической техники, медицинской аппаратуры и т.д. Более 60% вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электрическим приводом.

В ведущих отраслях промышленности – металлургической, машиностроительной, химической, добывающей и ряде других коэффициент электрификации, представляющий собой отношение установленной мощности электродвигателей к общей установленной мощности двигателей всех видов, приближается в настоящее время к 100 %.

Современный электропривод отличается широким разнообразием применяемых средств управления от обычной коммутационной аппаратуры до управляющих ЭВМ, большим диапазоном мощностей ЭД – от долей ватта до 50000 кВт, диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более, применением как тихоходных двигателей (сотни об/мин), так и сверхскоростных (до 200000 об/мин). ЭП является основой автоматизации технологических объектов в промышленности, сельском хозяйстве, космосе; реализуя важнейшую задачу современности – повышение производительности труда.

В последнее время интенсивное развитие получило технологическое оборудование со встроенными в механизм электродвигателями. Примерами таких устройств являются:

• электроинструмент,

• встраиваемые в шарнирные соединения двигатели приводов роботов и манипуляторов,

• электроприводы подъемных лебедок, в которых двигатель конструктивно объединяется с барабаном, выполняющим функции ротора.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Их классификация обычно производится по виду движения и степени управляемости электропривода, роду электрического и механического передаточных устройств, способу передачи механической энергии исполнительным органам и ряду других признаков.

По виду движения различаются электроприводы вращательного и поступательного однонаправленного и реверсивного движения, а также электроприводы возвратно-поступательного движения. Эти движения могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер.

По принципам регулирования скорости и положения электропривод может быть:

нерегулируемый (исполнительный орган приводится в движение с одной постоянной скоростью);

регулируемый (путем воздействия на электропривод скорость движения исполнительного органа изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса);

следящий (с помощью электропривода воспроизводится перемещение исполнительного органа в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом);

программно-управляемый (электропривод обеспечивает перемещение исполнительного органа в соответствии с заданной программой);

адаптивный (электропривод автоматически обеспечивает оптимальный режим движения исполнительного органа при изменении условий его работы);

позиционный (электропривод обеспечивает регулирование положения исполнительного органа рабочей машины).

По уровню автоматизации электроприводы можно разделить на неавтоматизированные, автоматизированные и автоматические.

1) Неавтоматизированный. Управление осуществляется в ручную. Применяется в установках малой мощности, бытовой и медицинской технике.

2) Автоматизированный. Регулирование параметров происходит автоматически, управляющие команды задаются вручную.

3) Автоматический. Управляющие воздействия вырабатываются автоматически, без участия оператора.

Два последних типа электроприводов находят применение в подавляющем большинстве случаев.

По роду механического передаточного устройства различают редукторный электропривод, содержащий один из видов механического передаточного устройства, и безредукторный, в котором электродвигатель непосредственно соединен с исполнительным органом.

По роду электрического преобразовательного устройства различают:

вентильный электропривод, преобразовательным устройством которого является вентильный преобразователь энергии. Разновидностями вентильного электропривода являются ионный и полупроводниковый электроприводы. Полупроводниковый электропривод, в свою очередь, делится на тиристорный и транзисторный электроприводы, преобразовательным устройством в которых является соответственно тиристорный или транзисторный преобразователь электроэнергии;

система управляемый выпрямитель ‑ двигатель (УВ ‑ Д) ‑ вентильный электропривод постоянного тока, преобразовательным устройством которого является регулируемый выпрямитель;

система преобразователь частоты ‑ двигатель (ПЧ ‑ Д) ‑ вентильный электропривод переменного тока, преобразовательным устройством которого является регулируемый преобразователь частоты;

система; генератор ‑ двигатель (Г ‑ Д) и магнитный усилитель ‑ двигатель (МУ ‑ Д) ‑ регулируемый электропривод, преобразовательным устройством которого является соответственно электромашинный преобразовательный агрегат или магнитный усилитель.

По способу передачи механической энергии исполнительному органу электроприводы делятся на индивидуальный, взаимосвязанный и групповой.

Индивидуальный электропривод характеризуется тем, что каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение своим отдельным двигателем. Этот вид привода в настоящее время является основным, так как .при индивидуальном электроприводе упрощается кинематическая передача от двигателя к исполнительному органу, легко осуществляется автоматизация технологического процесса, улучшаются условия обслуживания рабочей машины.

Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например: в сложных металлорежущих станках, прокатных станах металлургического производства, подъемно-транспортных машинах, роботах-манипуляторах и т.п.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов. Частным случаем взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод, при котором несколько двигателей работают на общий вал, приводя в движение один исполнительный орган. Необходимость в таком приводе возникает по конструктивным или технологическим соображениям.

Примером многодвигательного взаимосвязанного электропривода с механическим валом может служить привод длинного ленточного или цепного конвейера, привод платформы механизма поворота мощного экскаватора, привод общей шестерни мощного винтового пресса.

Групповой электропривод характеризуется тем, что от одного двигателя приводится в движение несколько исполнительных органов одной или нескольких рабочих машин. Такая система электропривода, широко применявшаяся на раннем этапе его развития, имеет

• малый диапазон регулирования;

• опасные условия труда;

• малая производительность.

Применяемые в электроприводе электродвигатели могут быть переменного и постоянного тока. По мощности электри-ческие машины можно условно разделить на:

􀂾микромашины – до 0,6 кВт.

􀂾машины малой мощности – до 100 кВт.

􀂾машины средней мощности – до 1000 кВт.

􀂾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 150000 об/мин.

По номинальному напряжению бывают низковольтные двигатели (до 1000 В) и высоковольтные (выше 1000 В).

Технические требования, предъявляемые к ЭП как к техническому объекту.

Требования по надежности, в соответствии с которыми электропривод должен выполнять заданные функции в определенных условиях, в течение определенного промежутка времени и с заданной вероятностью безотказной работы.

Точность или отличие каких-либо показателей движения от заданных, которое не должно превышать некоторых допустимых значений.

Быстродействие, т.е. способность электропривода достаточно быстро реагировать на различные управляющие и возмущающие воздействия. Этот показатель тесно связан с показателем точности. Например, в следящем электроприводе при быстром и частом изменении управляющих сигналов, чем выше быстродействие привода, тем меньше будет ошибка воспроизведения заданного движения.

Энергетическая эффективность. Энергетическая эффективность оценивается к.п.д. – отношением полезно истраченной энергии к ее полному расходу в данном процессе. Необходимо стремиться к максимальному к.п.д. привода.

Совместимость электропривода с аппаратурой технического комплекса, в котором он используется, с системой электроснабжения, информационной системой и, наконец, с самим рабочим органом и прибором, в котором он установлен.

Общая структура электропривода. Структурная схема.

Электропривод имеет два канала - силовой и информационный (рис.3.2.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 3.2.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 3.2.1).

Рис. 3.2.1. Общая структура электропривода.

Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей - электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь.

В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны, с технологической установкой или машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком - оператором, с третьей стороны (рис. 3.2.1).

Функция электрического преобразователя ЭП (если он используется) состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой источником (сетью) и характеризуемой напряжением Uс и током Iс сети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами U, I. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и чаще - управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты). Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (М, ) и обратно.

Механический преобразователь (передача) - редуктор, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование момента М и скорости двигателя с моментом Мм (усилием Fм) и скоростьюм рабочего органа технологической машины.

1. Рабочий орган технол. уст.

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 переменного тока; вентильный двигатель; шаговый двигатель; двигатели с катящимися и волновыми роторами; редукторные двигатели

3. Механическое передаточное

устройство

Цилиндрические и червячные редукторы; планетарная передача; передача винт ‑ гайка; волновая передача; кривошипно-шатунная передача; цепная и ременная передачи; реечная передача

4. Преобразовательное

устройство

Управляемый выпрямитель; преобразователи частоты, напряжения переменного тока; импульсные преобразователи напряжения; инверторы

5. Управляющее устройство

Кнопка, ключ управления; регулятор; управляющая вычислительная машина; реле; логические элементы; усилитель; фазовый детектор

6. Источник электрической

энергии

Однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты; цеховая сеть постоянного тока; аккумуляторная батарея; дизель-генераторная установка; солнечная батарея

Лекция 6

Потоки и потери энергии, управление координатами электропривода.

Рассмотрим подробнее силовой (энергетический) канал электропривода (рис. 3.2.2). Будем полагать, что мощность Р передается от сети (Р₁) к рабочему органу (Р₂), что этот процесс управляем и что передача и преобразование мощности сопровождается некоторыми ее потерями Р в каждом элементе силового канала.

Рис. 3.2.2. Энергетический канал

Величины, характеризующие преобразуемую энергию, - напряжения, токи, моменты (силы), скорости называют координатами электропривода.

Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса.

Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование.

В правильно организованной системе при управлении координатами (потоком энергии) должны минимизироваться потери Р во всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность.

Уравнение движения.

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 3.2.3). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. К такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов.

Рис. 3.2.3. Модель механической части

Будем считать, что к системе на рис. 3.2.3 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент М_с, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:

, (3.2.1)

где - угловая скорость,

J- суммарный момент инерции.

В установившихся режимах М - Мс = 0.

Энергетические показатели электропривода.

Основное назначение электропривода – преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом. В связи с этим энергетические показатели и характеристики электропривода имеют первостепенное значение, тем более, что электропривод потребляет около 60-65% электроэнергии, производимой в стране.

Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, т.е. входная мощность Р_вх всегда больше выходной Р_вых на величину потерь Р, и очень важно, сколь велики эти потери.

Энергетическую эффективность процесса в данный момент обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), определяемого как

(3.2.2)

Важными энергетическими характеристиками изделия – двигателя, преобразователя, редуктора или электропривода в целом – служит номинальный КПД

(3.2.3)

где Р_н, Р_н – номинальная выходная мощность и номинальные потери,

и зависимость КПД от относительной нагрузки  = f(P/P_н); для регулируемого электропривода часто удобно использовать зависимости  = f() при заданном моменте.

В случаях, когда в линии, питающей электропривод, напряжение и ток не совпадают по фазе и имеют несинусоидальную форму, используется еще одна энергетическая характеристика – коэффициент мощности, определяемый как

(3.2.4)

где Р – активная мощность;

 = I/I₍₁) – коэффициент искажений;

U, I, I₍₁₎– действующие значения напряжения, тока, первой гармоники тока;

₍₁₎ – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.

При небольших искажениях   1, т.е.

  соs (3.2.5)

При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением R_л активной мощности Р при cos  1 потери Р_~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током Р₌ в отношении

Оценки энергетической эффективности электропривода вида (3.2.1) справедливы, как отмечалось, лишь, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:

и

Механическая часть

Механическая часть включает все движущиеся элементы механизма – ротор двигателя РД, передаточное устройство, исполнительный механизм, на который передается полезный механический момент М_мех.

Рис.3.2.4. Схема механической части электропривода

Приведенные на рис. 3.2.4 параметры обозначают Мв, Мрм, Мио – моменты на валу двигателя, рабочей машины, исполнительного органа; ωв, ωрм , ωио – угловые скорости вала ЭД, рабочей машины, исполнительного органа; Fио, Vио – усилие и линейная скорость исполнительного органа.

В зависимости от вида передачи и конструкций рабочей машины различают (рис. 3.2.4):

ЭП вращательного движения, обеспечивающий, соот-ветственно, вращательное движение исполнительного органа РМ; выходные параметры – момент ИО механизма М_ио и угло-вая частота вращения ω_ио;

ЭП поступательного движения, обеспечивающий по-ступательное линейное движение ИО рабочей машины; вы-ходные параметры – усилие F_ио и линейная скорость V_ио. (кран, лифт, строгальный станок, шлифовальный и др.).

Возможные направления передачи механической мощности в электроприводе.

С энергетической точки зрения различают двигательные и тормозные режимы работы электропривода. Двигательный режим соответствует прямому направлению передачи механической энергии к рабочему органу механизма. В электроприводах с активной нагрузкой, а также в переходных процессах в электроприводе, когда происходит замедление движения механической системы, происходит обратная передача механической энергии от рабочего органа механизма к двигателю.