Электрический привод

А. Ю. АФАНАСЬЕВ




            ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
            ПРИВОД


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК621.3
ББК31.21
    А94


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н. К. Андреев
(Казанский государственный энергетический университет);
кафедра электропривода и электротехники
(Казанский национальный исследовательский технологический университет)





     Афанасьев, А. Ю.
А94 Электрический привод : учебное пособие / А. Ю. Афанасьев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 180 с. : ил.
       ISBN 978-5-9729-1446-3

        Рассматривается электрический привод как информационно-энергетическая система. Приведены теоретические сведения по механическим характеристикам и способам управления основными типами электродвигателей. Рассмотрена механическая часть силового канала электропривода, электромагнитные и электромеханические процессы в электроприводе, основные тепловые режимы работы электроприводов, соотношения подобия в электроприводах разных типов.
        Для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», изучающих дисциплины «Электрический привод», «Основы электропривода», «Электромеханические системы», а также для магистрантов и аспирантов, специализирующихся в области электромеханики.



УДК621.3
ББК31.21











ISBN 978-5-9729-1446-3

©АфанасьевА. Ю.,2023
       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Электропривод предназначен для вращения исполнительного механизма или объекта управления по требуемому закону с помощью электрической энергии.
   Центральным элементом электропривода является электродвигатель, и большая часть пособия посвящена управлению двигателями различных типов в статическом режиме, т. е. при постоянном моменте нагрузки и постоянной скорости вращения. Большое внимание здесь отводится механическим характеристикам или зависимостям частоты вращения от момента на валу двигателя при разных способах управления и различных значениях управляющей величины, а также вопросам пуска и торможения электродвигателей (глава 1).
   Важным разделом является изучение статических и динамических свойств исполнительных механизмов. Между электродвигателем и исполнительным механизмом обычно расположен редуктор. Вторым важным вопросом является изучение уравнений и свойств редуктора, а также агрегата «двигатель - редуктор» и выбор мощности двигателя. Этим вопросам посвящена глава 2.
   При включении и выключении двигателя, при изменении режима работы в электроприводе протекают переходные процессы. В главах 3, 4 рассматриваются электромагнитные, электромеханические и тепловые переходные процессы в электроприводах различных типов.
   Соотношения подобия в электрических машинах и приводах позволяют быстро определять параметры оптимальных или рациональных приводов другой мощности, используя базовый вариант. Они помогают осуществить физическое и математическое моделирование. Вопросам подобия в электроприводах посвящена глава 5.
   Последняя глава 6 содержит элементы проектирования. Здесь изложены технические и экономические требования к электроприводу, рассмотрены вопросы его синтеза и выбора основных силовых элементов.
   Данное пособие опирается на разделы математики (алгебра, тригонометрия, теория дифференциальных уравнений), на разделы физики (электричество, магнетизм, механика, теплопередача), на теоретические основы электротехники (электрические цепи постоянного и переменного тока, установившиеся и переходные процессы), на силовую и информационную электронику, на теорию электрических машин (силовые и информационные электрические машины, трансформаторы).

3

ВВЕДЕНИЕ


Электропривод как система. Классификация электроприводов. Общие требования к электроприводу

Состав электропривода и назначение его элементов

   Электрический привод - совокупность электродвигательного устройства (ЭД), передаточного устройства (ПУ), управляющего устройства (УУ), усилительно-преобразовательного устройства (УПУ) и информационного устройства (ИУ) [22] (рис. В.1). Он предназначен для вращения или перемещения исполнительного механизма (ИМ) или объекта управления (ОУ) (по стандарту - исполнительного органа рабочей машины) по определенному закону с помощью электрической энергии, поступающей из сети.

Сеть

Рис. В.1. Функциональная схемаэлектропривода
   Информационное устройство ИУ содержит датчики сигналов. Датчик -устройство, преобразующее ту или иную физическую величину в электрический сигнал, удобный для применения или преобразования. Наиболее часто используются сигналы, пропорциональные углу поворота ИМ а, частоте вращения ю и току обмотки электродвигателя i. Управляющее устройство УУ сравнивает эти сигналы с входными воздействиями ао, юо, пропорциональными требуемым значениям угла и частоты вращения, и выдает управляющий сигнал и у.
   Усилительно-преобразовательное устройство УПУ усиливает слабый сигнал иу по току и по напряжению (т. е. по мощности) и может изменять форму и вид напряжения. Например, выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное. Инвертор напряжения (статический преобразователь) преобразует постоянное напряжение в переменное. Трансформатор изменяет действующие значения напряжения и тока.

4

   Отметим, что в общем случае могут быть различные сочетания между сигналом иу, напряжением сети ис и напряжением двигателя и. Например, сигнал иу может быть цифровой, сеть - однофазного переменного тока, а электродвигатель - шаговый, требующий импульсного питания. Можно сказать, что на УПУ сливаются информационный и энергетический потоки. Информационный сигнал иу регулирует поток энергии от сети к электродвигателю.
   Все элементы электрического привода можно условно разделить на силовые и информационные. Информационное устройство ИУ и управляющее устройство УУ служат для получения и преобразования информации. Они показаны голубым цветом. Мощность этих устройств мала и составляет доли ватта или несколько ватт. Усилительно-преобразовательное устройство УПУ, электродвигатель ЭД, передаточное устройство ПУ и исполнительный механизм ИМ образуют силовую часть привода, где главным является преобразование и передача энергии. Эти устройства показаны розовым цветом.
   ЭД преобразует электрическую энергию (напряжение и, ток i) в механическую энергию (частота вращения год, момент Мд). Обычно используются электродвигатели вращательного движения, но иногда применяются двигатели поступательного движения - линейные двигатели, электромагниты.
   Передаточное устройство ПУ передает механическую энергию от ЭД к ИМ, если они удалены в пространстве, изменяет характер движения (вращательное -поступательное или наоборот) и согласует механические характеристики ЭД год(Мд) и объекта управления ОУ го(М). Например, редуктор уменьшает скорость вращения и увеличивает момент, а мультипликатор увеличивает частоту вращения и уменьшает момент.
   В результате исполнительный механизм ИМ перемещается или вращается по закону, близкому к задающему воздействию. Обычно требуется выполнение равенства а = 0о или го = Гоо.
   Электрические приводы находят широкое применение на промышленном производстве, в сельском хозяйстве, на строительстве, в энергетике, в добывающей промышленности, на транспорте, в оборонной технике, в оргтехнике и в быту. Электрические приводы потребляют около половины всей производимой в мире электроэнергии.
Преимущества электропривода
   По сравнению с другими типами приводов электропривод обладает следующими преимуществами:
   1) диапазон мощностей от сотых долей ватта до сотен тысяч киловатт;
   2)    пределы регулирования частоты вращения от долей оборота в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту;

5

   3)    возможность работы в самых разнообразных условиях - в среде агрессивных жидкостей и газов, в условиях космического пространства, при низких и высоких температурах ит.д.;
   4)    возможность достаточно простой реализации разнообразных сложных видов движения, а также изменять направление движения и его параметры - скорость, ускорение;
   5)    возможность включения в общую автоматизированную систему управления производством;
   6)    высокий коэффициент полезного действия, надежность в эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.
Недостатки электропривода
   Электрические приводы обладают недостатками. Для управления электроприводом требуется информационная и силовая электроника. Изоляция проводов обмотки двигателя со временем стареет и теряет свои свойства, особенно при высоких температурах, что может привести к аварии. Постоянные магниты со временем теряют намагниченность, и момент двигателя снижается.
   Работа электродвигателя связана с пондермоторными силами на поверхности магнитопровода. Можно привести контрольные числа. При магнитной индукции в рабочем зазоре Bs = 0,5 Тл давление сил на поверхности составляет одну атмосферу (1 ат, 1-10⁵ Па). При магнитной индукции в зазоре Bₛ = 1 Тл давление сил на поверхности составляет четыре атмосферы (4 ат, 4-10⁵ Па).
   В гидравлических системах давление в рабочем цилиндре составляет 200 -400 ат, т. е. в 100 раз больше. Такие системы находят применение в приводах шасси самолетов, в подъемных кранах, в прессах, в гидравлических подъемниках.
   Поэтому электромагнитные моменты электродвигателей сравнительно малы, и приходится использовать быстроходные двигатели в сочетании с понижающими редукторами, увеличивающими момент. Это усложняет конструкцию и снижает надежность.
   Далее, электродвигатели с контактными щетками требуют периодического осмотра и замены, что усложняет эксплуатацию. Преимущественно используют бесщеточные электрические машины, особенно в разреженной атмосфере.
Применение электроприводов
   В промышленном производстве электроприводы применяются в станках (токарных, фрезерных, сверлильных, ткацких), в роботах и манипуляторах, в прессах, в подъемных механизмах, на мостовых кранах, в насосах, вентиляторах и компрессорах, на прокатных станах, на транспортерах и конвейерных линиях. В химической промышленности используют компрессоры, вентиляторы,

6

дымососы, воздуходувки, грануляторы, дробилки, дозаторы жидкостей и газов, каландры, мельницы, мешалки, сепараторы, насосы, центрифуги с электроприводами.
   В сельском хозяйстве электроприводы содержат транспортеры подачи кормов и транспортировки зерна, овощей и фруктов, насосы в системе орошения полей, вентиляторы, аппараты машинного доения, зерноочистительные машины, машины для приготовления кормов, мешалки, молочные сепараторы, прессы шерсти.
   На строительстве используются электроприводы на подъемных кранах, транспортерах для перемещения грунта и строительных материалов, на бетономешалках. В энергетике применяются шаровые мельницы для измельчения угля на тепловых электростанциях, вентиляторы и дымососы, компрессоры для нагнетания воздуха, насосы для перекачки жидкостей.
   В добывающей промышленности электроприводы содержат карьерные самосвалы, экскаваторы, буровые установки, транспортеры, шаровые мельницы для измельчения породы, шахтные лифты и подъемные механизмы. На нефте- и газодобыче применяют буровые установки, погружные насосы, станки-качалки, компрессоры для транспортировки газа.
   В наземном транспорте тяговый электропривод есть на электровозах и тепловозах, на трамваях и троллейбусах, в электромобилях и электробусах, в электрокарах, в самокатах и электровелосипедах. Авто- и электромобили используют вентиляторы климатических установок и систем охлаждения двигателей, стеклоочистители с насосами, стеклоподъемники, топливные насосы. Стартер-генера-торы применяют для запуска двигателей внутреннего сгорания и для питания электрооборудования. Вспомогательный электропривод есть в пневматических и гидравлических системах для создания нужного давления и транспортировки газа или жидкости.
   На речных и морских судах применяют электроприводы гребных винтов, грузовые и траловые лебедки, швартовые и якорные механизмы, насосы, вентиляторы, воздуходувки. На грузовых пристанях применяются подъемные краны для погрузки и разгрузки судов.
   В авиация и космонавтике электроприводы входят во взлетно-посадочные механизмы, механизмы запуска и управления авиадвигателями, в пилотажное и навигационное оборудование, радиотехнические средства, топливные и гидравлические насосы, привод шасси, в системы ориентации солнечных батарей и терморегулирования. Беспилотные летательные аппараты имеют электроприводы воздушных винтов.

7

   Подъемно-транспортные механизмы, канатные дороги, конвейеры, крановые механизмы, лебедки, лифты, погрузчики, транспортеры, шахтные подъемники, штабелеры, эскалаторы имеют электроприводы.
   Военная техника использует электроприводы в системах радиолокации, наведения и залпового огня, в артиллерии, в разведывательных и боевых беспилотниках, в наземных подвижных объектах и в торпедах. В вычислительной технике электроприводы имеют вентиляторы блоков питания и процессоров, приводы жестких дисков и оптические приводы, принтеры, сканеры.
   Медицинская техника имеет стоматологическое и хирургическое оборудование, компьютерные томографы с электроприводами. В бытовой технике электроприводы использует аудио- и видеотехника, вентиляторы, кондиционеры, кухонные комбайны, грили, микроволновые печи, миксеры, пылесосы, стиральные и швейные машины, фены, холодильники, электроинструмент, кофемолки, электробритвы.
Классификация электроприводов
   В зависимости от формы напряжения питающей сети различают электроприводы постоянного тока и переменного тока. Другая классификация за основу принимает тип исполнительного двигателя. Различают электроприводы постоянного тока, асинхронные приводы, синхронные, шаговые (с дискретным движением) и электромагнитные приводы. Электропривод без редуктора с электродвигателем, момент которого пропорционален питающему напряжению, называется моментным.
   Если электропривод имеет синхронный двигатель, дискретный датчик положения ротора и ключевой усилитель, говорят о бесконтактном двигателе постоянного тока (БДПТ). Если используется непрерывный датчик угла (сельсин или синусно-косинусный вращающийся трансформатор), а также пропорциональный усилитель мощности (непрерывный или с широтно-импульсной модуляцией), имеем вентильный электропривод (привод с ВД).
   Если датчики сигналов отсутствуют и нет обратной связи ИУ-УУ, то электропривод называется разомкнутым, в противном случае - замкнутым или автоматизированным.
   Если в автоматизированном электроприводе задающий сигнал остается постоянным достаточно длительное время, говорят о регулируемом приводе. Если закон изменения угла ао(t) или частоты вращения гоо(t) известен заранее, имеем электропривод программного движения. В случае, когда ао(t) или гоо(t) представляют собой случайные процессы, электропривод является следящим.
   Если заданы начальное и конечное состояния электропривода, а закон промежуточного движения может быть произвольным, говорят о приводе для отра

8

ботки больших рассогласований. Такое движение характерно для роботов и манипуляторов. Наконец, если объект управления должен совершать периодическое движение, при котором просматривается одномерная или двумерная область, имеем сканирующий электропривод.
   По функциональному назначению электроприводы делят на главные и вспомогательные. Главный привод обеспечивает движение исполнительного (рабочего) органа (РО), т. е. основную операцию технологического процесса. Вспомогательный привод обеспечивает движение вспомогательных органов машины. Например, на токарном станке главный привод обеспечивает вращательное движение обрабатываемой заготовки, а вспомогательный - поступательное движение резца вдоль детали (продольная подача). Такие приводы называют приводами подач.
   По способу разделения энергии электроприводы делят на:
   1)    групповые с разветвленной сетью ПУ от одного двигателя, через которую движение передается нескольким рабочим машинам (РМ) или нескольким РО одной РМ;
   2)    индивидуальные, обеспечивающие движение только одного исполнительного органа РМ. Если каждый РО приводится в движение одним ЭД, то индивидуальный электропривод называется однодвигательным (одиночным). Многодвигательный индивидуальный электропривод характеризуется тем, что несколько ЭД, механически связанных между собой, совместно работают на общий вал одной машины или ее РО;
   3)    взаимосвязанные, обеспечивающие для нескольких связанных между собой (электрически или механически) электроприводов заданный закон управления технологическим процессом. К взаимосвязанному электроприводу можно отнести систему синхронизации вращения нескольких ЭД, в которой используется специальная схема электрической связи, называемая электрическим валом.
   По форме движения электродвигателя бывают электроприводы вращательного и поступательного движения.
   По характеру движения различают электроприводы непрерывного и дискретного действия (с шаговыми двигателями).
   По направлению вращения различают электроприводы реверсивные, обеспечивающие движение в двух направлениях, и нереверсивные (однонаправленные).
   По способу управления можно выделить ЭП с ручным управлением, когда все управление совершает оператор, с автоматизированным управлением, когда оператор управляет лишь частью процесса, и автоматическим управлением, которое происходит без участия человека.

9

   Различают также электроприводы с местным и дистанционным управлением, по радио или по каналам проводной связи.
Общие требования к электроприводу
   Сформулируем общие требования к электроприводу как к системе, ответственной за управляемое электромеханическое преобразование энергии.
   Прежде всего - это надежность. Электропривод обязан выполнять заданные функции в оговоренных условиях в течение определенного времени.
   Второй показатель - точность, относится к главной функции электропривода - осуществлять управляемое движение с малой статической и динамической погрешностью.
   Третий показатель - быстродействие, т. е. способность системы достаточно быстро реагировать на входные воздействия, малое время переходного процесса.
   Четвертый показатель - качество динамических процессов, т. е. обеспечение определенных закономерностей их протекания во времени: это плавность движения, отсутствие динамического выброса, быстрое затухание колебаний.
   Пятый показатель - энергетическая эффективность. Поскольку любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, важно, какова удельная доля этих потерь. Коэффициент полезного действия ЭП должен быть высоким.
   Шестой показатель - совместимость электропривода с системой электроснабжения и информационной системой управления более высокого уровня. В состав электропривода входят полупроводниковые преобразователи, генерирующие высшие гармоники тока, которые снижают качественные показатели электроэнергии в сети.
   Седьмой показатель - ресурсоемкость, т. е. материалоемкость и энергоемкость, заложенные в конструкцию и технологию производства, трудоемкость при изготовлении, монтаже, наладке, эксплуатации, ремонте.
   Важные для практики показатели: комплектность, заводская готовность, эргономические, дизайнерские характеристики, удобство и эффективность эксплуатации, ремонтопригодность, возможность утилизации, социальные свойства.
Вопросы для самопроверки
   1. Состав и назначение электрического привода.
   2. Назначение основных элементов электропривода.
   3. Примеры усилительно-преобразовательных устройств.
   4. Возможные функции передаточного устройства.
   5.    Классификация электроприводов по типу двигателя и по форме напряжения в сети.

10