зеленов / eletsehomt48

Передаточное устройство (ПУ) осуществляет связь ДУ с рабочей машиной (РМ) или исполнительным механизмом (ИМ). Более правильно было бы назвать РМ систему или комплекс исполнительных механизмов, приводящих в движение отдельные органы РМ. Наглядными примерами таких РМ могут быть ИМ роботов и манипуляторов или ИМ металлорежущих станков.

ПУ могут быть неуправляемыми (например, механические муфты различных конструкций) или управляемыми (например, асинхронная муфта скольжения). На рис. В.1 показано управляемое ПУ, получающее сигнал управления для изменения потока энергии, передаваемого от ДУ к РМ.

Управляющее устройство (УУ) формирует необхо-

димые законы управления потоками энергии от ЭПУ к ДУ, ПУ и РМ. УУ управляет отдельными фазовыми координатами одной или нескольких систем, входящих в ЭП. Для формирования закона управления в состав УУ входит так называемое задающее устройство (на схеме рис. В.1 отдельно не показано), которое вырабатывает необходимые законы управления на основании сравнения задаваемой информации с информацией о фактическом движении фазовых координат объекта, поступающей от датчика-

преобра-зователя информации (ДПИ). ДПИ производит измерение различных фазовых координат (электрических и неэлектрических) и преобразование их в электрические сигналы с нужными параметрами.

Итак, на функциональной схеме рис. В.1 показана электромеханическая система автоматического управления (САУ). Здесь жирными линиями показано направление передаваемых потоков электрической и механической энергий, тонкими пунктирными линиями – каналы передачи информации об измеряемых фазовых координатах отдельных элементов ЭП, тонкими сплошными линиями – сигна-

8

лы управления и подача питания УУ и ДПИ от ИЭ.

Классификация электроприводов. В стандарте на терминологию ЭП указано несколько десятков различных типов ЭП, отличающихся по функциональному назначению, способу разделения энергии, роду потребляемого тока, специфике основных устройств и многим другим признакам.

Не перечисляя всех типов ЭП, укажем лишь некоторые из них.

По функциональному назначению ЭП делятся на

главные и вспомогательные. Главный ЭП обеспечивает движение исполнительного органа РМ, основную технологическую операцию. Вспомогательный ЭП обеспечивает движение вспомогательных органов РМ. Примерами такого функционального назначения ЭП могут служить главный привод прокатного стана (привод прокатных валков) или главный привод металлорежущего станка (привод движения изделия). Вспомогательные ЭП прокатного стана – это ЭП различных его механизмов (нажимное устройство, рольганги, манипуляторы и др.). У металлорежущих станков вспомогательные ЭП – это ЭП различных подач или суппортов с инструментами.

По способу разделения энергии различают группо-

вой ЭП, индивидуальный ЭП и многодвигательный ЭП. В

групповом ЭП от одного двигателя движение через различные передаточные устройства передается нескольким РМ. Такой тип ЭП пришел на смену приводу от паровой машины в конце XIX века. Из-за его основного недостатка – невозможности управления каждой РМ – этот тип ЭП в настоящее время практически утратил свое значение. Недостатком группового ЭП являются также большие потери в ПУ. Так как в качестве ПУ использовались ременные передачи, трансмиссии, то этот тип ЭП получил также название трансмиссионного ЭП. Примером группового ЭП для

9

современной РМ является ЭП швейной машины, в которой отдельные ее части (игла, шпуля и заготовка) приводятся в движение от одного электродвигателя. Однако для управления движением каждого из указанных элементов швейной машины необходимо иметь очень сложную кинематику ее механизмов.

Индивидуальный ЭП обеспечивает движение только одного исполнительного органа РМ. Это позволяет значительно упростить ПУ и кинематику РМ, снизить потери в ПУ. Индивидуальный ЭП упрощает автоматизацию процессов управления движением исполнительных органов РМ, повышает надежность работы их. Примером индивидуального ЭП может служить современный токарный станок, в котором главный ЭП (движение изделия) и вспомогательные ЭП (продольное и поперечное движения суппортов с инструментом) являются индивидуальными.

Многодвигательный ЭП характеризуется использованием нескольких двигателей для привода одной РМ. Примерами многодвигательных ЭП могут служить приводы конвейеров, двухдвигательные ЭП нажимных устройств прокатных станов, в которых оба двигателя, будучи механически связанными, работают на общий вал.

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 (то есть не работающими на общий вал) называется электрическим валом. Примерами электрического вала можно назвать ЭП ворот шлюзов, половин подъемных мостов, «ног» рудногрейферных перегружателей, линий прессов для насекания

10

ножовочных полотен.

По роду тока различают ЭП постоянного и переменного тока. По типу применяемых электродвигателей ЭП классифицируются на асинхронные ЭП, синхронные ЭП и ЭП постоянного тока (в последнем случае указывается какой именно тип двигателя используется).

По степени управляемости ЭП классифицируются на регулируемые и нерегулируемые. В нерегулируемом ЭП исполнительный орган РМ приводится в действие с одной скоростью. Фазовые координаты (момент, скорость) такого ЭП изменяются только в результате в о з м у щ а ю щ и х

во з д е й с т в и й .

Врегулируемом ЭП фазовые координаты могут изменяться при действии УУ, то есть в результате у п р а в - л я ю щ и х в о з д е й с т в и й .

По степени управляемости различают также следящий ЭП, то есть такой ЭП, выходная фазовая координата которого (скорость или путь) повторяет движение входной координаты (задания), меняющегося по произвольному закону.

По типу применяемого ЭПУ – транзисторный или тиристорный ЭП. Используется также более общий термин – вентильный ЭП. По типу примененной системы ЭП, то есть 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, то есть ЭП с ручным управлением, который в настоящее время встречается очень редко и в установках малой мощности (бытовых, медицинских);

11

автоматизированный ЭП – управляемый с помо-

щью различных устройств автоматического управления и с участием оператора;

автоматический ЭП, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Классифицируют ЭП также по роду передаточного устройства – редукторный и безредукторный, что не тре-

бует особых пояснений.

Преимущества и недостатки электропривода.

Убедительная победа ЭП в конкурентной борьбе с паровой машиной и двигателем внутреннего сгорания объясняется теми преимуществами, которыми обладает ЭП, а именно:

1.Значительно больший КПД электродвигателей по сравнению с другими типами двигателей (паровая машина 7-11%, двигатель внутреннего сгорания ≤35%, турбина 53-60%, электродвигатель

85-95%);

2.Удобство передачи электрической энергии к ЭП;

3.Большие возможности автоматизации РМ и оптимизации технологических процессов благодаря более простой реализации необходимых законов управления;

4.Большие диапазоны регулирования скорости (в современных ЭП с замкнутыми системами управления можно обеспечить диапазон регули-

рования 100000:1);

5.Удобство эксплуатации, надежность и износоустойчивость.

ЭП обладает и рядом недостатков:

1.Опасность поражения электрическим током, чего нет в других типах привода;

2.Зависимость от бесперебойного электроснабжения;

12

3. Сложность современных систем автоматизированного ЭП, требующих высокой квалификации проектировщиков, наладчиков и эксплуатационного персонала.

Краткая история развития электропривода. История разви-

тия техники и, в частности, история развития электропривода неотделима от истории социального и экономического развития общества. Историю развития ЭП надо рассматривать на фоне социальноэкономических условий того или иного исторического периода. И первым таким периодом следует считать XIX век, в начале и почти до конца которого для приведения в движение станков и различных механизмов использовались пар и вода.

Открытие Г.Х. Эрстедом в 1819г. закона механического взаимодействия магнитного поля и проводника с током, а М. Фарадеем в 1831г. закона электромагнитной индукции послужило толчком к развитию прикладной электротехники. На основе этих законов в 1834г. был сконструирован русскими академиками Б.С. Якоби и Э.Х. Ленцем первый электродвигатель для практического использования.

Первым ЭП следует считать ЭП катера, перевозившего по Неве 12 пассажиров. Этот ЭП с двигателем постоянного тока, питавшимся от гальванической батареи, был разработан академиком Б.С. Якоби. Катер с ЭП был испытан 13 сентября 1838г., он развивал скорость в 4,8 км/час. Эту дату и следует считать днем рождения ЭП. Отсутствие в это время экономичных источников электроэнергии (гальванические батареи имели очень большие габариты) не позволили внедрять такие ЭП в промышленности. Не было ни экономичных двигателей, ни простых и дешевых способов производства и передачи электроэнергии.

Известно лишь несколько единичных примеров использования ЭП на флоте (1867г. – внедрение следящей системы с ЭП для управления артиллерийским огнем на кораблях «Россия» и «Веста» и на батареях Выборгской крепости и в Порт-Артуре; 1882г. – рулевой ЭП на броненосце «12 апостолов»).

В1872г. В.Н. Чиколев сконструировал ЭП для дуговых ламп,

в1882г. – ЭП швейной машины, в 1886г. – ЭП вентилятора. В 1880г. В.Н. Чиколев основал журнал «Электричество» и был его первым редактором. Этот журнал выходит в свет в Москве и до сих пор, являясь основным теоретическим журналом в различных отраслях электротех-

ники. В 1880г. в первом номере «Электричества» была опубликована статья Д.А. Лачинова «Электромеханическая работа», положившая начало развитию теории электропривода.

13

В 1899-1905гг. А.В. Шубин впервые создал системы Г-Д для рулевых устройств броненосцев «Князь Суворов», «Слава» и др.

До начала 90-х годов XIX века ЭП развивался весьма медленно. Причины этого следующие: системы ЭП с двигателями постоянного тока, получавшими питание от батарей гальванических элементов, были весьма несовершенны и имели низкий КПД; неудобной была и система передачи электроэнергии на низком напряжении и с большими потерями даже при незначительном расстоянии от двигателя до батареи.

Для дальнейшего развития ЭП большую роль сыграли три великих изобретения. В 1888-89гг. – русским инженером, работавшим в германской фирме «Сименс», М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи переменного тока и простые по принципу действия и конструкции трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный трансформатор. Таким образом, была решена проблема производства и передачи с малыми потерями электроэнергии на повышенном трехфазном напряжении к удаленным от источника энергии асинхронным двигателям. Изобретение М.О. Доливо-Добро- вольским в 1889г. трехфазного асинхронного двигателя создало предпосылки для широкого внедрения ЭП в промышленности.

Однако быстрому внедрению ЭП препятствовал ряд трудностей: отсутствие в России отечественной электротехнической промышленности, отсутствие своих специалистов-электриков и вузов, готовящих соответствующие кадры, многочисленные дискуссии о целесообразности применения ЭП, особенно в текстильной и перерабатывающей промышленности, где процветала монополия паровых и гидравлических двигателей.

Экономические и технические преимущества ЭП с централизованным производством электроэнергии и последующим простым способом ее распространения позволили ЭП постепенно вытеснить другие виды приводов в большинстве отраслей промышленности, но наибольшее развитие и применение получил ЭП в машиностроении, для механизмов прокатных станов и в горной промышленности.

Индивидуальный и многодвигательный ЭП постепенно вытесняет групповой (трансмиссионный) ЭП. В первые два десятилетия ХХ века в России были разработаны ЭП механизмов доменного подъемника и внедрены разработки ЭП иностранных фирм для механизмов прокатных станов.

В феврале 1920г. была создана под председательством Г.М.Кржижановского комиссия по разработке плана ГОЭЛРО (план

14

электрификации России), который был утвержден 22 декабря 1920г. Этот план был рассчитан на 10-15 лет и предусматривал сооружение 30 электростанций (в том числе 10 крупных для того времени) общей мощностью 1,75 МВт (в том числе и ДнепроГЭС-1 в 0,65 МВт). Для сравнения: современная АЭС имеет 3-4 блока по 1 МВт каждый. План ГОЭЛРО, в реализацию которого многие не верили, был выполнен к началу 1931 года.

Величайшее значение плана ГОЭЛРО было не только в строительстве электростанций, а в создании отечественной электропромышленности – крупнейших электромашиностроительных заводов «Динамо» в Москве, «Электросила» в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург) и «ХЭМЗ» в Харькове. Кроме этих заводов был создан крупный всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ) – «мозг» электрификации страны. По плану ГОЭЛРО была создана система подготовки отечественных специалистов по электромеханике, электроэнергетике и другим электротехническим специальностям. В 1922-23гг. в Петербургском электротехническом институте была создана под руководством профессора С.А. Ринкевича первая в России и в мире кафедра «Электрификации промышленных предприятий», выпускавшая инженеров с таким же наименованием специальности. Это был прообраз современного наименования специальности – «Автоматизированные электромеханические системы и электропривод». В 1925г. С.А. Ринкевич создал учебное пособие «Электрическое распределение механической работы» - первый систематизированный труд по теории и практике электропривода.

В 30-е годы были созданы также кафедры электропривода в МЭИ (проф. Морозов Д.П.), ХЭТИ (проф. Аронов Р.Л.), начался процесс систематической подготовки инженеров-электроприводчиков, увеличение производства электроэнергии и развитие электрификации промышленности.

Судят об уровне электрификации по так называемому коэффициенту электрификации (α):

α= åРЭЛ .ДВИГ . ,

åРВСЕХ .ДВИГ .

где åРЭЛ.ДВИГ. - суммарная установленная мощность всех электродвигателей (в промышленности, конкретной отрасли производства или сельского хозяйства);

åРВСЕХ.ДВИГ. - суммарная установленная мощность двигателей всех типов.

15

К1928г. коэффициент α достиг значения 0,6 (обогнал Англию

идостиг соответствующих значений в Германии). К 1936г. коэффициент α в некоторых отраслях составил примерно 0,8 (то есть электрификация в СССР достигла показателей США, опередив многие европейские страны). К 1960г. после восстановления промышленности, разрушенной войной, коэффициент α в важнейших отраслях составил: в химической – 0,977, в металлургической – 0,869, в угольной – 0,991, а в промышленности общего машиностроения – α=0,985. Это свидетельствует о весьма значительной электровооруженности промышленности СССР уже к этому времени.

Из существенных и выдающихся достижений в 30-е годы в области электропривода можно отметить: в 1931г. создан лучший для того времени автоматизированный комплекс электроприводов Макеевского блюминга (главный двигатель в 7000 л.с., изготовитель завод «Электросила», система управления механизмами этого блюминга разработана в Харькове и изготовлена на заводе «ХЭМЗ»); в 1932г. создан первый доменный подъемник с отечественной автоматизированной системой загрузки, признанной лучшей в мире.

В 30-е годы XX в. наряду с развитием на базе электрификации различных отраслей промышленности создались и развились три научные школы по электроприводу: в Ленинграде (проф. Ринкевич С.А. и проф. Попов В.К.), в Москве (проф. Морозов Д.П.) и в Харькове (проф. Аронов Р.Л.). 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). 10-15 лет индустриализации, создание электрифицированной оборонной промышленности помогли подготовиться к отражению нападения Германии на

СССР и победить в Великой Отечественной войне.

Послевоенное развитие ЭП в СССР характеризуется созданием ряда новых систем автоматизированного электропривода в специализированных НИИ и КБ в гг. Москве, Харькове, Новосибирске. При крупных электромашиностроительных заводах организуются НИИ с отделами ЭП.

На смену системам автоматического управления с параллельной коррекцией разрабатываются отечественные системы с последовательной коррекцией и подчиненным управлением (впервые такие системы были предложены в Германии инженером С. Кесслером).

16