1.Етапи розвитку електропривода.

Історія розвитку електропривода.

Історія електропривода починається в 30-40-х роках ХІ в. зі створення петербурзьким академіком Б. С. Якоби електричного двигуна постійного струму. Цей двигун був установлений на невеликому судні, що у 1883 р. зробило кілька рейсів по Неві. Однак через відсутність економічних джерел електроенергії подальшого розвитку електропривод постійного струму електропривод не одержав, і аж до кінця  ХІХ в. основними типами двигунів були паровий і водяник, що здійснювали за допомогою трансмісії груповий привод робочих машин.

Передумовою для створення економічних промислових електроприводів з'явилася розробка багатофазних систем перемінного струму і відкриття в 80-і роки Г. Феррарисом і Н. Тесла явища обертового магнітного полючи. Особливе значення для розвитку електропривода мала розробка російським інженером М. О. Доливо-Добровольским основ теорії найбільш економічної – трифазної системи перемінного струму і створення в 1889 р. самого розповсюдженого нині трифазного асинхронного  двигуна. З цього часу починається епоха широкого виробництва і усебічного використання електричної енергії і бурхливий розвиток електричного привода.  Так, якщо в 1890 р. частка потужності електродвигунів складала тільки 5 % потужності усіх установлених двигунів, то в 1927 – уже 75, а в даний час вона близька до 100 %.

Зародивши півтора століття назад, електропривод у даний час переживає період бурхливого розвитку й удосконалювання. Це визначається тим, що всі нові відкриття і досягнення в суміжних областях науки і техніки відразу ж починають використовуватися в теорії і практиці електропривода, дозволяючи створювати усе більш зроблені автоматизовані системи.

Так, у свій час воістину революціонізуючий вплив на розвиток електропривода зробили розробка і виробництво напівпровідникових керованих вентилів – тиристорів. Створені на їхній основі напівпровідникові перетворювачі постійний і перемінний токи поступово замінили застосовані до цього електромашинні й іонні перетворювачі, дозволивши різко підвищити техніко-економічні показники електроприводів.

Велике значення для розвитку електропривода мають успіхи мікроелектроніки і створюваної на цій базі мікропроцесорної техніки. Застосування керуючих обчислювальних машин в електроприводі відкриває нові обрії його розвитку й обіцяє одержання значного техніко-економічного ефекту при автоматизації складних технологічних процесів.

2.Основні визначення теоріі електропривода.

Определение понятия “электропривод”Электропривод– это управляемая электромеханическая система. Её назначение – преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом. Электропривод имеет два канала –силовойиинформационный (рис.1.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее

неисправностей (тонкие стрелки на рис. 1.1). Рис. 1.1. Общая структура электропривода Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь. Вэлектрическую частьсилового канала входят устройстваЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователюЭМПи обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.Механическая частьсостоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия. Электропривод взаимодействует ссистемой электроснабженияили источником электрической энергии, с одной стороны, стехнологической установкойили машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразовательИПс информационной системой более высокого уровня, часто с человеком – оператором, с третьей стороны (рис. 1.1). Можно считать, что электропривод как подсистема входит в указанные системы, являясь их частью. Действительно, специалиста по электроснабжению электропривод обычно интересует как потребитель электроэнергии, технолога или конструктора машин – как источник механической энергии, инженера, разрабатывающего или эксплуатирующего АСУ, – как развитый интерфейс, связывающий его систему с технологическим процессом или системой электроснабжения. Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже – пневмопривод. Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии – возможностью передвигать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии. Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции – десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 1012. Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где вытягиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150000 об/мин. Но особенно широк – безгранично широк – диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность – теснейшее взаимодействие с технологической сферой – оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементарной базы, его методологии. В свою очередь, развивающийся электропривод положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые, недоступные ранее возможности. С энергетической точки зрения электропривод –главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1т условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть. что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится всё труднее, а запасы его всё убывают.

1.2. Функции электропривода и задачи курсаРассмотрим подробнее силовой (энергетический) канал электропривода (рис. 1.2). Будем полагать, что мощностьРпередается от сети (Р1) к рабочему органу (Р2), что этот процесс управляем и что передача и преобразование мощности сопровождается некоторыми ее потерямиРв каждом элементе силового канала.Рис. 1.2. Энергетический канал Функцияэлектрического преобразователяЭП(если он используется) состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой источником (сетью) и характеризуемой напряжениемUси токомIссети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинамиU, I. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и чаще – управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты), они могут иметь одностороннюю (выпрямитель) или двухстороннюю (мотор-генератор, управляемый выпрямитель с двумя комплектами вентилей) проводимость. В случае односторонней проводимости преобразователя и обратном (от нагрузки) потоке энергии используется дополнительный резисторRдля “слива” тормозной энергии.Электромеханический преобразователь ЭМП(двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (М,) и обратно.Механический преобразователь(передача) – редуктор, пара винт-гайка, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование моментаМи скоростидвигателя с моментомМм(усилиемFм) и скоростьюwмрабочего органа технологической машины. Величины, характеризующие преобразуемую энергию, – напряжения, токи, моменты (силы), скорости называюткоординатами электропривода.Основная функция электропривода состоит вуправлениикоординатами, 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 сноминальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование. В правильно организованной системе при управлении координатами (потоком энергии) должны минимизироватьсяпотериРво всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность. Эти вопросы – свойства и характеристики различных электроприводов, как правильно управлять их координатами в установившихся – статических – и переходных – динамических – режимах, как оценивать энергетические свойства и, наконец, как правильно проектировать силовую часть электропривода – будут основным предметом курса. В курсе практически не будут затрагиваться интересные и непростые задачи, относящиеся к информационным каналам электропривода: мы будем полагать, что современные технические средства смогут обеспечить любые нужные воздействия, и будем акцентировать внимание на том, что должна делать система управления электропривода, а не на том как это может быть практически осуществлено. Даже беглого взгляда на структуру силовой части электропривода (рис. 1.2) достаточно, чтобы понять, что объект изучения весьма сложен: разнородные элементы – электрические и электронные, электромеханические, механические, совсем непростые процессы, которыми нужно управлять, и т.п. Очевидно, что эффект при изучении предмета – глубокое понимание основных явлений и умение решать простые, но важные для практики задачи – может быть достигнут лишь при выполнении ряда условий. Во-первых, надо научиться работать с моделями реальных, как правило, очень сложных объектов, т.е. с искусственными простыми объектами, отражающими тем не менее именно те свойства реального объекта, которые изучаются. Во-вторых, надо стараться использовать лишь хорошие модели, отражающие то, что нужно, и так, как нужно, не избыточные, но и не примитивные. Это совсем не просто, и этому будет уделено значительное внимание. В-третьих, нужно строго оговаривать условия, при которых получена та или иная модель. Если этого не сделать, результаты могут просто не иметь смысла. И, наконец, надо уметь выделять главное и отбрасывать второстепенное, частное. Именно глубокое понимание основных принципов, соразмерностей, главных соотношений, закономерностей и умение применять их на практике – основная цель курса.

. 3.Структура автоматизованого електропривода.

Определение понятия “электропривод”

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

Электропривод имеет два канала - силовойиинформационный (рис.1.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 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. 1.1).

Рис. 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 частьсилового канала входят устройстваЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователюЭМПи обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

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

Электропривод взаимодействует с системой электроснабженияили источником электрической энергии, с одной стороны, стехнологической установкойили машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразовательИПс информационной системой более высокого уровня, часто с человеком - оператором, с третьей стороны (рис. 1.1).

Можно считать, что электропривод как подсистема входит в указанные системы, являясь их частью. Действительно, специалиста по электроснабжению электропривод обычно интересует как потребитель электроэнергии, технолога или конструктора машин - как источник механической энергии, инженера, разрабатывающего или эксплуатирующего АСУ, - как развитый интерфейс, связывающий его систему с технологическим процессом или системой электроснабжения.

Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже - пневмопривод.

Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии - возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии.

Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции - десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 10¹². Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где выращиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150 тыс. об/мин.

Но особенно широк - безгранично широк - диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность - теснейшее взаимодействие с технологической сферой - оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементарной базы, его методологии. В свою очередь, развивающийся электропривод положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые, недоступные ранее возможности.

С энергетической точки зрения электропривод - главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии.В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть. что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится всё труднее, а запасы его всё убывают.

4.Механіка електроприводу. Рівняння руху електропривода.

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

Уравнение движения

Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 1.). Несмотря на простоту, система вполне реальна: именно так реализована механическая часть ряда насосов, вентиляторов, многих других машин. Далее в п. 2 показано, что к такой модели может быть приведена механическая часть большинства электроприводов, рассматриваемых в этом разделе.

Рис. 1. Модель механической части

Будем считать, что к системе на рис. 1 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 законом инерции:

,           (1)

где - угловая скорость,

J- суммарный момент инерции.

Правая часть уравнения (1) - динамический момент . Он возникает, если алгебраическая сумма моментовМ и М_с отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.

Установившийся режим ( статический режим ) - это режим, при котором , т.е. моментыМ и М_с равны по величине и противоположно направлены, ему соответствует ω = const, в том числе ω = 0.

Переходный режим ( динамический режим ) - это режим, при котором , то есть при котором происходит ускорение или замедление движения.

В уравнении (1) момент М_с практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная;определяется в динамических режимах решением (1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия

.

5.Механічні характеристики та характеристики взаємодії з електроприводом.