Теория электропривода
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Онищенко Георгий Борисович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 294
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-009674-2
ISBN-онлайн: 978-5-16-100998-7
Артикул: 272200.08.01
Доступ онлайн
В корзину
Изложена теория современного автоматизированного электропривода, приведены основы электромеханического преобразования энергии, рассмотрены вопросы передачи механической энергии от вала двигателя к рабочему органу технологической машины, способы преобразования электрической энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей, входящих в состав электропривода, даны анализ электромеханических характеристик основных типов электродвигателей в установившихся и переходных режимах, способы регулирования координат электропривода, описываются типовые системы регулируемого электропривода, общие методы построения замкнутых систем автоматического регулирования электроприводов, методы расчета и выбора электродвигателей.
Для студентов высшего профессионального образования по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»; может быть использован аспирантами и научно-техническими работниками, специализирующимися в области автоматизированною электропривода.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 13.02.13: Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Учебник Москва ИНФРА-М 2023 Г.Б. Онищенко Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по профилю «Электропривод и автоматика» направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Онищенко Г.Б. Теория электропривода : учебник / Г.Б. Онищенко. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 294 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/7322. ISBN 978-5-16-009674-2 (print) ISBN 978-5-16-100998-7 (online) Изложена теория современного автоматизированного электропривода, приведены основы электромеханического преобразования энергии, рассмотрены вопросы передачи механической энергии от вала двигателя к рабочему органу технологической машины, способы преобразования электрической энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей, входящих в состав электропривода, даны анализ электромеханических характеристик основных типов электродвигателей в установившихся и переходных режимах, способы регулирования координат электропривода, описываются типовые системы регулируемого электропривода, общие методы построения замкнутых систем автоматического регулирования электроприводов, методы расчета и выбора электродвигателей. Для студентов по направлению подготовки «Электроэнергетика и элек- тротехника»; может быть использован аспирантами и научно-техническими работниками, специализирующимися в области автоматизированного элек- тропривода. УДК 62-83(075.8) ББК 31.291я73 О58 ISBN 978-5-16-009674-2 (print) ISBN 978-5-16-100998-7 (online) © Онищенко Г.Б., 2015 Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ивановского государственного энергетического университета; кафедра «Электрооборудование, электропривод и автоматика» Нижегородского государственного технического университета; д-р техн. наук, профессор М.Г. Юньков УДК 62-83(075.8) ББК 31.291я73 О58
ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Теория электропривода» является одной из ос- новных в цикле профессиональных дисциплин высшего профессио- нального образования по направлению «Электроэнергетика и элек- тротехника» при подготовке бакалавров по профилю «Электропри- вод и автоматика» и магистров по профилю «Электропривод и автоматика механизмов и технологических комплексов». Содержание предлагаемого учебника соответствует ФГОС ВПО по направлению 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротех- ника». Теория электропривода — это прикладная научная дисциплина, отражающая общие закономерности электромагнитных и электро- механических процессов, определяющих работу электропривода и составляющих его устройств, дающая целостное представление об электроприводе как технической системе, осуществляющей преоб- разование электрической энергии в механическую и управление пре- образованной энергией. Теория электропривода изучает сложный технический объект — автоматизированный электропривод, включающий в себя: • электромеханический преобразователь энергии — электриче- ский двигатель, процессы в котором описываются законами электромеханики; • кинематическую схему и механическую часть электропривода, законы движения которой исследуются методами теоретиче- ской механики; • электрическое преобразовательное устройство, изучение которого опирается на положения силовой полупроводниковой техники; • управляющие устройства, математические методы анализа и син- теза которых разработаны в теории автоматического управления. Из этого следует, что объем специальных знаний, составляющих содержание данной дисциплины, значителен и разнообразен. Теория электропривода изучает процессы, характеристики и взаимодействие всех четырех составляющих частей электропривода, имеющих раз- личную физическую природу. Поскольку эти части с точки зрения выполнения электроприводом своих функций находятся в единстве и взаимосвязи, их изложение в данном учебнике имеет общую мето- дологическую основу — рассмотрение процессов преобразования энергии. Предлагаемое содержание дисциплины «Теория электро- привода» позволяет объединить и последовательно изложить энер- гетические процессы в электроприводе и общие принципы управ- ления этими процессами.
Некоторая неравномерность объема материала, относящегося к энергетической и управленческой функциям автоматизированного электропривода связана с тем, что отдельная дисциплина «Системы управления электроприводов» является логическим продолжением дисциплины «Теория электропривода» [1], поэтому вопросы управ- ления электроприводами рассмотрены лишь в общем плане без рас- крытия технических реализаций систем автоматического управления электроприводами. Теория электропривода, как теоретическая дисциплина, рассмат- ривает общие вопросы, абстрагируясь от многих частных особенно- стей. При этом основная цель этой дисциплины — физическое объ- яснение электромагнитных и электромеханических процессов, про- исходящих в устройствах электропривода и математическое описание этих процессов. Математическое описание создает базу для компьютерного моделирования процессов и синтеза систем управ- ления. Учебник охватывает следующие вопросы: • основы электромеханического преобразования энергии; • преобразование механической энергии в электроприводе; • преобразование электрической энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей; • статические и динамические характеристики и математические модели основных систем электропривода; • принципы построения систем автоматического регулирования координат электропривода. • расчет мощности и выбор типа электродвигателя. Первая тема излагает основной вопрос электромеханики — элек- тромеханическое преобразование энергии. Основное внимание уде- лено принципам работы электрических машин, условиям преобра- зования электрической энергии в механическую, математическому описанию электромагнитных и электромеханических процессов в обобщенной электрической машине. Вторая тема посвящена преобразованию механической энергии в электроприводе. Рассматривается передача движения от вала дви- гателя рабочему органу (РО) производственной машины посредст- вом различных видов механических передаточных устройств. Ана- лизируется уравнение движения электропривода для жесткой меха- нической системы, системы, содержащей упругие связи, и для других кинематических схем механической части электропривода. В третьей главе рассмотрены основные виды силовых полупро- водниковых преобразователей, используемых в регулируемом элек- троприводе с двигателями постоянного и переменного тока. Анали- зируются статические и динамические характеристики преобразова- телей.
Четвертая глава учебника касается общих принципов построения систем автоматического регулирования электроприводов. Рассмот- рены общие подходы к формированию требуемых статических и ди- намических характеристик электроприводов при регулировании основных координат электропривода (тока, момента, скорости). Следующие три темы посвящены изучению динамических свойств электрических двигателей, как объектов управления. Рас- сматривая каждый тип двигателя как частный случай обобщенной электрической машины, дается математическое описание электро- магнитных и электромеханических процессов и анализируются ста- тические и динамические характеристики основных типов электро- двигателей. Изучение указанных тем позволяет перейти к рассмотрению ос- новных систем регулируемого электропривода, рассмотреть их функ- циональные и структурные схемы, математические модели, способы управления, статические и динамические характеристики и перейти к изучению характеристик электромеханической системы в целом, рассматривая ее как объект регулирования. В заключительной главе излагаются общие принципы проекти- рования электроприводов в части расчета мощности и выбора типа электродвигателя. Материал учебника не повторяет содержание общего курса «Электрический привод» [2, 3]. Поэтому приступать к изучению теории электропривода следует после изучения дисциплины «Элек- трический привод». В методическом плане автор стремился сохра- нить традиционные основы изложения материала, заложенные в учебниках В.И. Ключева «Теория электропривода» [4]. Автор посвящает эту книгу своей жене Нитиевской Алле Ива- новне, вложившей большой труд в ее создание.
ВВЕДЕНИЕ В.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА Электропривод — это техническая система, предназначенная для приведения в движение РО машин и целенаправленного управ- ления рабочими процессами. Современный электропривод выпол- няет две основные функции: • преобразование электрической энергии в механическую, необ- ходимую для осуществления технологических процессов; • управление координатами электропривода (скорость, момент, усилие, положение) и собственно технологическим процессом посредством регулирования координат электропривода. Электропривод потребляет около 60% всей вырабатываемой в стране электрической энергии и является энергетической основой современного машинного производства. Автоматизированный электропривод важная область техники, определяющая развитие машиностроения, создание новых технологий и энергосбережение. Электрический привод как современная наукоемкая отрасль техники, имеет свои характерные особенности: ♦ в научном плане сочетаются достижения в области электромеханики, силовой электроники, компьютерной техники, теории управления; в производственном плане — технологии электротехники, электроники, машиностроения; ♦ тесная взаимосвязь с технологиями машинного производства. Совершенствование отдельных промышленных технологий ставит новые вопросы, определяющие конкретные задачи и развитие электропривода, например, прецизионные электроприводы с числовым программным управлением (ЧПУ). В свою очередь, развитие электропривода ( например, создание частотно-регулируемых электроприводов) делает возможным совершенствование технологических процессов в различных отраслях промышленности и хозяйства; ♦ ускоренное качественное развитие, быстрая смена поколений техники и моральное устаревание предыдущих генераций, причем само развитие обусловлено принципиально новыми научными до- стижениями. Возникновение понятия «Электрический привод» связывают с открытием использования электромагнитной энергии для соверше- ния механической работы Сальватором Дель Негро (1830 г.) и с со- зданием Б.Я. Якоби в 1837 г. первого реального электропривода для катера, который приводился в движение электродвигателем посто-
янного тока. Началом становления теории электропривода как са- мостоятельной прикладной науки можно считать выход в 1925 г. книги С.А.Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии. Теория электропривода», в которой с большой полнотой рассматривались теоретические вопросы, связанные с созданием и использованием электроприводов. В дальнейшем вопросы теории электропривода получили развитие и качественно новое содержание в трудах ученых многих стран, в том числе создавших в России на- учно-педагогическую школу электропривода (профессора В.К. По- пов, Ю.А. Сабинин, С.А. Ковчин, А.Т. Голован, Д.П. Морозов, М.Г. Чиликин, В.И. Ключев). В.2. СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА Электропривод состоит из электродвигательного, механиче- ского передаточного, электрического преобразовательного и инфор- мационно-управляющего устройств. Электродвигательное устройство — это электрический двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую — элект- ромеханический преобразователь энергии. Двигатели могут быть различными по виду создаваемого ими дви- жения: вращательного, линейного, шагового, вибрационного и др. Большинство используемых электродвигателей — это машины вра- щательного движения. Для передачи движения от электродвигателя к РО машины служит механическое передаточное устройство: редук- тор, трансмиссия, ременная передача, канатная передача, криво- шипно-шатунный механизм, передача винт-гайка и др. Передаточ- ный механизм характеризует коэффициент передачи, представляю- щий собой отношение скорости на входе к скорости на выходе механизма. В некоторых высокоскоростных рабочих машинах (на- пример, насосы, вентиляторы, центрифуги) механическое переда- точное устройство, как правило, отсутствует. Преобразовательное устройство — это полупроводниковый преобразователь электрической энергии. Такие устройства применяют в регулируемом электроприводе для целенаправленного и экономичного изменения параметров движения электропривода: скорости, развиваемого момента и др. Поскольку электроприводы получают электрическую энергию, как правило, от промышленной электрической сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц со стандартным значением напряжения (220, 380, 660, 6 000, 10 000 В), то для питания двигателей (например, постоянного тока) и для их регулирования ( например, частотное регулирование двигателей переменного тока) необходимо преобразование электрической энергии, поступающей из сети, в электрическую энергию того вида, который
необходим данному электродвигателю. К электрическим преобразовательным устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразователи частоты и др. В нерегулируемых электроприводах преобразовательные устройства, как правило, отсутствуют за исключением устройств плавного пуска. Электродвигательное, передаточное и преобразовательное устройства образуют силовой канал электропривода (рис. В.1), содержащий электрическую часть (сеть, преобразователь электрической энергии, электродвигатель) и механическую часть (ротор и вал электродвигателя, механическая передача, РО машины). Рис. В.1. Структура силового канала электропривода При работе электропривода в двигательном режиме электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется электродвигателем в механическую энергию, которая передается РО машины и расходуется на выполнение технологического процесса (резание в металлорежущих станках, подача воды насосами, подъем груза краном и т.п.). Во всех звеньях силового канала часть энергии теряется. Следует стремиться сокращать потери энергии при ее преобразовании и передаче. Энергетическую эффективность электропривода обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), который при однонаправленном потоке энергии определяют как отношение полезной мощности Pпол на рабочем органе к потребляемой мощности Pпотр η η η η эп пол потр пр эм п м.п = = P P . . Коэффициент полезного действия электропривода равен произведению КПД электрического ηпр, электромеханического ηэм п . преобразователей и механической передачи ηм п . . Для того чтобы оценить КПД рабочей машины в целом, КПД электропривода нужно умножить на КПД самой рабочей машины ηр м . (например, насоса): η η η = = P P техн потр эп р м . ,где Ртехн — технологически необходимая мощность для выполнения данного производственного процесса. Электроприводы могут работать не только в двигательном, но и в тормозном режиме (например, спуск груза, принудительное торможение машины при останове и т.п.). В этом случае энергия торможения — потенциальная энергия спускаемого груза или кинетиче-
ская энергия движущихся масс — поступает в электромеханический преобразователь, который работает в режиме генератора. Эта энергия за вычетом потерь и совершаемой РО в процессе торможения работы отдается в питающую сеть, если система допускает рекуперацию энергии. Если не допускает — избыток энергии рассеивается в балластном сопротивлении R. Направление потока энергии в режиме торможения показано на рис. В.1 пунктирной линией. Важнейшей функцией электропривода является управление преобразованной механической энергией, т.е. управление технологи- ческим процессом. Его реализует входящее в состав электропривода информационно-управляющее устройство. Общая структура электро- привода показана на рис. В.2. Информационно-управляющее устройство состоит из аппаратов управления и защиты, осуществляющих включение, пуск, останов электропривода и защиту от аварийных и аномальных режимов ра- боты, а также из электронных и микропроцессорных устройств управления, регуляторов и датчиков технологических, механических и электрических параметров, характеризующих работу электропри- вода. Совокупность информационных и управляющих устройств образует информационный канал электропривода, предназначенный для управления координатами электропривода в соответствии с тре- бованиями технологического процесса. Важной функцией системы управления является также осуществление технологического про- цесса с минимальными затратами электрической энергии. Рис. В.2. Структурная схема автоматизированного электропривода: ЭМП — электромеханический преобразователь (двигатель); ЭП — электрическое преобразовательное устройство; МП — механическая передача; РО — рабочий орган; СУЭП — система управления электроприводом; СУТП — система управления технологическим процессом; АСУТП — автоматизированная СУТП
В последние годы информационный канал электропривода все в большей степени реализуют, используя устройства управляющей вычислительной техники: промышленные компьютеры, программи- руемые контроллеры, микропроцессорные средства и системы. Это позволяет, в частности, управлять отдельными электроприводами от управляющих устройств более высокого уровня (АСУТП), объеди- няющих управление всеми производственными машинами, обслу- живающими данный технологический процесс. В.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Электроприводы, используемые в различных технологических установках, разнообразны по своим функциональным возможностям, схемному и конструктивному исполнению, степени автоматизации, что связано с большим разнообразием рабочих машин (табл. В.1). Т а б л и ц а В . 1 Классификация автоматизированных электроприводов Классификационный признак Классификационные градации По числу РО, приводимых электроприводом Индивидуальный; многодвигательный; групповой По виду движения электродвигателя Вращательного движения; линейный; многокоординатного движения По способу соединения двигателя с РО Редукторный; безредукторный; конструктивно-интегрированный По регулируемости Нерегулируемый; регулируемый По основному контролируемому параметру Регулируемый по моменту; скорости; положению По виду управления С ручным управлением; с полуавтоматическим управле- нием; с замкнутой САР скорости с ручным заданием или с заданием от системы управления технологическим процессом; с замкнутой САР положения, обеспечиваю- щей точное позиционирование; с программным управле- нием; следящий Электроприводы бывают индивидуальные и групповые. Если каж- дый РО машины приводится в действие своим электроприводом, то его называется индивидуальным. Такой привод может быть одно- двигательным, либо многодвигательным. При групповом электро- приводе один двигатель приводит в движение несколько РО. При этом усложняется кинематическая цепь рабочей машины и затруд- няется управление РО, так как для раздельного управления необхо- димо применять специальные механические устройства: управляе-
Доступ онлайн
В корзину