Раздел 1. Основы автоматизированного электропривода

Глава 1. Структура электромеханических комплексов и систем

1. Основные понятия и определения

Современное промышленное производство характеризуется использованием высокопроизводительных технологических машин и механизмов, оснащенных электрическим приводом и системами автоматического управления. Практически все промышленные технологии, основанные на механическом движении, электрифицированы, т.е. используют электрическую энергию как энергетическую основу для выполнения технологических операций и процессов. Следует также отметить распространение электромеханического использования электроэнергии на сельскохозяйственное производство и другие сферы, определяющие жизнедеятельность человека: транспорт, медицину, быт и другие.

По данным экономически развитых стран на электромеханическое преобразование энергии, т.е. на электропривод, расходуется более 65% вырабатываемой электроэнергии.

Насыщенность технологических машин и агрегатов электрооборудованием и средствами автоматизации настолько велика, что по стоимости, сложности, квалификации обслуживания электрическая часть превалирует над механической. Совершенство электропривода машин и агрегатов, степень их автоматизации во многом определяют технический уровень рабочих машин в целом.

Исходя из этого, большинство современных рабочих машин следует рассматривать как электромеханические системы. Рассмотрим ряд примеров.

1. Металлорежущий станок с числовым программным управлением.

Станок служит для автоматической обработки деталей по заданной программе с высокой точностью. Если на станке по заданной программе выполняется несколько операций, то такая машина называется обрабатывающий центр. Станок включает в себя блок главного движения, осуществляющий резание металла, и один или несколько механизмов подач, производящих позиционирование детали и точное движение режущего инструмента или обрабатываемого изделия по технологически необходимой программе. В обрабатывающих центрах предусматривается устройство автоматической смены инструмента. Таким образом, современный металлорежущий станок (обрабатывающий центр) представляет собой совокупность электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы. Работа этих электроприводов объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством – системой числового программного управления (ЧПУ).

Следует иметь в виду, что скорость резания, скорость и точность позиционирования становятся настолько высокими, что ручное управление при выполнении требуемых операций просто не может обеспечить требуемого качества обработки. Исходя из этого, металлорежущий станок нужно рассматривать как автоматизированную электромеханическую систему.

Современными тенденциями развития станкостроения являются: переход к блочно-модульному выполнению конструкций, исключение механических передач, повышение скоростей резания и перемещения. Реализация этих тенденций возможна лишь на базе безредукторных электроприводов (высокомоментных, высокоскоростных и линейных) с питанием приводных электродвигателей от полупроводниковых преобразователей частоты. С повышением скоростей движения ужесточаются требования к системам автоматического регулирования электроприводов, связанные с повышением статической и динамической точности заданных параметров движения.

Отсюда следует, что совершенствование металлообрабатывающего оборудования является сегодня задачей, прежде всего электроприводческой. То же самое положение, можно отнести к сборочному оборудованию, робототехническим комплексом и другим технологическим машинам, используемым в машиностроении, электронике и других отраслях промышленности.

Вторым примером автоматизированной электромеханической системы могут являться пассажирские лифты – хорошо всем знакомые устройства вертикального транспорта.

Рабочим органом лифта является кабина, снабженная автоматически открывающимися и закрывающимися дверями. Кабина приводится в движение электродвигателем через механический редуктор и канатную передачу. Система управления двигателем обеспечивает в соответствии с полученным приказом (нажатие кнопки в кабине) или вызовом (нажатие кнопки вызова на этаже) выбор направления движения, плавный пуск, движение с установившейся скоростью, торможение и точную остановку на требуемом этаже, после чего автоматически открываются и закрываются двери кабины и лифтовой шахты.

Электродвигатель с устройствами регулирования скорости движения и положения кабины, редуктор, канатоведущий шкив, канатная передача, кабина и противовес составляют главную электромеханическую систему лифтовой установки. Второй электромеханической системой является устройство открытия и закрытия дверей, состоящее из электродвигателя, кинематических и механических звеньев и системы управления дверями.

Эти электромеханические системы в сочетании с общей системой автоматического управления лифтом, а при наличии нескольких лифтов также с системой оптимизации групповой работы образуют автоматизированный электромеханический комплекс лифта.

В качестве третьего примера рассмотрим электромеханическую систему бытового аппарата – автоматическую стиральную машину активаторного типа. Машина представляет собой электромеханическое устройство, содержащее многоскоростной электродвигатель вращения барабана, электронасос, электрические клапаны и аппаратуру программного управления. В соответствии с устанавливаемой программой стирки машина автоматически производит стирку и отжим белья, налив и слив воды. Работа различных электрических и механических элементов функционально объединена устройством программного управления. Работу отдельных элементов нельзя рассматривать порознь, так как совместно они образуют автоматическую электромеханическую систему, выполняющую единую технологическую операцию.

Приведенные примеры, а их число может быть многократно увеличено, показывают, что основным техническим содержанием современных автоматизированных рабочих машин являются электромеханические комплексы и системы. Это наиболее сложные и дорогие части рабочих машин. Их конструирование, изготовление и эксплуатация требуют высокой квалификации и разнообразных технических знаний.

Многие понятия и связанная с ними терминология меняются по мере развития техники. Ранее изготовлялась рабочая машина, которая комплектовалась электродвигателем, пускателем, аппаратами управления и защиты. По мере возрастания степени автоматизации рабочих машин, расширения их функциональных возможностей появилась необходимость в более сложных электрических системах, которые специально проектировались для отдельных видов промышленных установок. Появилось понятие «автоматизированный электропривод». Сформировалось научное направление по электроприводу, которое изучает общие проблемы электромеханического преобразования энергии, управление движением рабочих органов машин с электрическим приводом, оптимизацию электрических и электромеханических процессов по критериям производительности, точности, технологическим параметрам и экономичности.

Дальнейшее развитие техники связано с исключением механических передач, объединением электромеханических устройств с рабочими органами машины. Появились интегрированные конструкции: электрошпиндель, электронасос, мотор-колесо и другие. Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих машин существенно упростило последние, повысило их функциональные возможности и технические характеристики. Были существенно повышены требования к электроприводу, как по номинальным параметрам (высокая скорость вращения для высокоскоростных механизмов, большой момент для безредукторных приводов и другие), так и по управляемости. Стало необходимым конструировать совместно как механическую, так и электрическую части рабочих машин. Появилось направление «мехатроника», под которым понимается создание интегрированных конструкций, функционально законченных модулей, сочетающих в себе механические устройства, электрический двигатель с системой его регулирования и микропроцессорное управляющее устройство.

В настоящем пособии рассматриваются электромеханические системы, служащие для приведения в действие рабочих машин и для их управления.

Электромеханическая система – это совокупность электрических двигателей, механических кинематических звеньев, передающих движение от электродвигателя рабочему органу машины, полупроводниковых преобразовательных устройств, контактных электрических аппаратов управления и защиты, бесконтактных устройств управления, микропроцессоров, - служащая для приведения в действие рабочих органов технологической машины и управления движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса.

Автоматизированная электромеханическая система – это электромеханическая система, снабженная устройствами автоматического управления, обеспечивающими оптимальное (в смысле производительности, качества производимой продукции, минимизации материальных и энергетических затрат) управление движением рабочих органов в соответствии с условиями технологического процесса. Структурная схема автоматизированной электромеханической системы дана на рис.1.1. Научно-техническое содержание автоматизированной электромеханической системы составляет автоматизированный электропривод.

Задающее или программное устройство

Датчики электрических и механических параметров

Механи-

ческая

часть

электро-

привода

Система управления технологическим процессом

Система управления электроприводом

Силовая электрическая часть электропривода

Рабочий орган машины

Технологический процесс

Технологический процесс

Датчики технологических параметров

Рис.1.1. Структура автоматизированной электромеханической системы

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом

[1-1]. Приведем еще одно определение автоматизированного электропривода.

Автоматизированный электропривод – это техническая система, состоящая из электродвигателя, силового полупроводникового преобразователя, механического передаточного устройства, электрических и микроэлектронных устройств управления; служащая для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления данного технологического процесса, и выполняющая функции управления этим процессом. Подчеркнем в данном определении ряд положений:

первое – одной из основных функций автоматизированного электропривода является управление технологическим процессом посредством регулирования параметров движения рабочего органа машины;

второе - современный электропривод насыщен электронными устройствами: силовыми полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, микроэлектронными средствами автоматики и микропроцессорами; в то же время для выполнения некоторых функций управления и защиты используются контактные электрические аппараты (автоматические выключатели, магнитные пускатели, реле и др.);

третье – речь идет не об абстрактном преобразовании электрической энергии в механическую, а о том преобразовании, которое необходимо для выполнения конкретного технологического процесса с наименьшими затратами материальных и энергетических ресурсов.

Сопоставление определений автоматизированной электромеханической системы и автоматизированного электропривода указывает, что эти понятия взаимно проникающие и близкие. Поэтому в дальнейшем изложении будем часто использовать понятие «автоматизированный электропривод».

Если рабочая машина или технологический комплекс имеет в своем составе несколько автоматизированных электромеханических систем и (или) содержит в своем составе электрическую систему подвода, распределения и преобразования электрической энергии, то такая совокупность электромеханических и электрических систем называется электромеханический комплекс. Примером электромеханического комплекса может явиться оборудование горного экскаватора. Структурная схема электромеханического комплекса экскаватора представлена на рис.1.2.

Электрическое питание экскаватора, как подвижной машины, осуществляется при напряжении 6(10)кВ по гибкому кабелю. Кабель подключается к приключательному пункту. Для подвода напряжения на борт экскаватора служит кольцевой токоприемник. Для коммутации и защиты высоковольтных цепей служит высоковольтное распределительное устройство, от которого питается синхронный двигатель электромашинного преобразовательного агрегата и понижающий трансформатор для питания цепей управления, вспомогательных электроприводов и других устройств.

Электропривод основных движений экскаватора: подъема, напора ковша, поворота и передвижения, - осуществляется двигателями постоянного тока, которые получают питание от индивидуальных генераторов постоянного тока. Эти три генератора приводятся во вращение синхронным двигателем, который образует с генераторами многомашинный преобразовательный агрегат. Для управления электроприводами служат устройства (шкафы) управления и пульт-кресло машиниста. Механическая часть электроприводов экскаватора включает в себя редукторы, барабанно-канатную передачу, зубчатую рейку привода напора и другие элементы.

Приключательный пункт

Устройства управления

Рис.1.2. Структура электромеханического комплекса горного

экскаватора

Все разнообразные элементы электромеханического комплекса экскаватора рассматриваются и конструируются исходя из единых требований, определяемых нагрузками на ковш экскаватора и характером его движения. Общая схема управления, объединяющая электромеханические и электрические системы, строится из условий обеспечения наилучшего ведения технологического процесса работы экскаватора. Эти обстоятельства определяют возможность и необходимость рассматривать все разнообразное оборудование экскаватора как единый электромеханический комплекс.