Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

УДК 62–83 (07) П-17

Рецензент:

А. А. Федоренко, канд. техн. наук, доц. кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ПИ СФУ

Пахомов, А. Н.

П-17 Электрический привод: учебное пособие для укрупненной группы направления подготовки бакалавров 140000 – « Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника»/ А. Н. Пахомов, М. В. Кривенков. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т; Политехн. ин-т, 2008. –

293 с.

Приведены основные теоретические сведения по курсу «Электрический привод», контрольные вопросы к каждому разделу, глоссарий терминов, справочные материалы и список литературы.

Предназначено для студентов укрупненной группы направления подготовки бакалавров и специалистов 140000 – « Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника» (спец. 140604.65 – « Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»).

Печатается по решению Редакционно-издательского совета университета

УДК 62–83 (07)

3

ВВЕДЕНИЕ

Электропривод является неотъемлемой частью многих промышленных установок и технологических комплексов, используемых в различных отраслях народного хозяйства, науки и техники. Наряду с тенденцией автоматизации технологических и производственных процессов на базе вычислительной техники, современный электропривод стал наиболее распространенной разновидностью систем автоматического управления техническими объектами. Учет этих факторов позволяет улучшить качество выпускаемой продукции и увеличить объемы мирового производства.

В настоящее время электромеханическое преобразование энергии используется практически во всех технических объектах, где синтезированы знания и труд выпускников высших учебных заведений многих специальностей и квалификаций. Именно поэтому электропривод как общепрофессиональная техническая дисциплина не только изучается студентами, избравшими специальность «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», но и входит в программу подготовки по многим другим специальностям.

Появление новых научных и технических решений и изменение самого электропривода в современных условиях требует дополнений во многие разделы дисциплины «Электрический привод». Рассмотрение современных систем электроприводов требует тщательного анализа совместной работы основного элемента – электродвигателя, с другими устройствами, входящими в состав электропривода (преобразовательными агрегатами, механическими звеньями и др.), глубокого понимания физических процессов в электроприводе, знакомства с современными техническими решениями, умения самостоятельно и творчески решать задачи проектирования, исследования, наладки и эксплуатации современных технологических установок в любых отраслях промышленности.

Настоящее учебное пособие, в первую очередь, адресовано студентам, имеющим базовую подготовку в области электротехники, теоретической и прикладной механики, электрических машин, электроники и теории автоматического управления и предназначено для самостоятельной работы при изучении этого курса.

Пособие состоит из 8 разделов, последовательность расположения которых определяет своевременную подготовку студентов к выполнению лабораторных и самостоятельных работ. Наиболее трудные вопросы теории для лучшего усвоения раскрываются более подробно и при необходимости сопровождаются математическими выводами формул.

Содержание пособия соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования профессионального цикла подготовки бакалавров (базовая часть, модуль «Электротехника») в рамках направления подготовки 140200.62 – « Электроэнергетика и электротехника».

4

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

1.1.Основные понятия и определения

Всовременном промышленном производстве, на транспорте, в строительстве, в быту осуществляются различные технологические процессы, для реализации которых созданы тысячи самых разнообразных машин. С их помощью организуется добыча полезных ископаемых, обрабатываются различные материалы и изделия, перемещаются люди, предметы труда, жидкости и газы и реализуются многие другие процессы, необходимые для жизнеобеспечения человека. Так, добыча полезных ископаемых ведется с помощью экскаваторов, буровых установок и угольных комбайнов, детали и материалы обрабатываются на разнообразных станках, люди и изделия перемещаются электрическим транспортом, лифтами и эскалаторами, жидкости и газы транспортируются с помощью насосов и вентиляторов [12].

Часто рабочая машина служит для выполнения нескольких технологических процессов. Например, подъемно-транспортная машина имеет как минимум два механизма – механизм подъема груза и механизм перемещения.

Итак, рабочие машины и механизмы – устройства для замены человеческого труда в производстве, обслуживании и других областях деятельности человека и изменения формы, свойств, состояния и положения предметов труда.

Рабочая машина (механизм) в свою очередь состоит из множества взаимосвязанных деталей и узлов, один из которых непосредственно выполняет заданную операцию технологического процесса и поэтому называется исполнительным органом. В лифтах – это кабина, в экскаваторах – ковш, у вентиляторов и насосов – рабочее колесо (крыльчатка), во фрезерном станке – фреза и др. При этом необходимо учитывать одно очень важное обстоятельство – все технологические процессы осуществляются за счет механического движения исполнительных органов. Кроме того, в машине (механизме) может быть не один исполнительный орган, а несколько взаимодействующих, например, в транспортере это барабан, перемещающий ленту, и собственно сама лента, на которой лежит груз [8].

Исполнительный орган в процессе выполнения заданной технологической операции должен преодолевать сопротивление своему движению, обусловленное наличием сил трения или сил тяжести, упругой и пластической деформациями веществ или другими факторами. Для этого к нему должна быть подведена механическая энергия от устройства, которое в соответствии со своим назначением получило название привод.

Механическая энергия вырабатывается приводом за счет использования других видов энергии. В зависимости от вида используемой энергии различают мускульный (энергия действия мышц человека или животного), гидравлический (энергия падающей жидкости), пневматический (энергия сжатого воздуха), тепловой (энергия сгорающего топлива) и электрический приводы. В со-

5

временном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в других областях наибольшее применение находит электрический привод, основным источником механической энергии в котором является электродвигатель.

Электропривод – электромеханическая система, осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую, состоящая из взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом электротехнических, электромеханических и механических устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов машин и механизмов и управления этим движением [8].

Широкое применение электрического привода объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: надежность и экономичность процесса передачи электрической энергии на большие расстояния и ее преобразования в механическую энергию; большой диапазон мощности электроприводов и скорости их движения; разнообразие конструктивных исполнений, что позволяет рационально сочленять привод с исполнительным органом рабочей машины и использовать для работы в различных условиях (в воде, среде агрессивных жидкостей и газов, космическом пространстве); простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота.

Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники: электромашиностроении и электроаппаратостроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике.

1.2. Назначение и функции электропривода

Итак, электропривод является электромеханической системой, преобразующей электрическую энергию в механическую для осуществления различных технологических процессов. Однако функции электропривода не ограничиваются только преобразованием энергии – они существенно шире. Каждая рабочая машина нуждается в управлении: нужно включать и выключать двигатели, приводящие в движение рабочие органы машины, изменять скорость и усилие на рабочих органах в соответствии с условиями ведения технологического процесса, осуществлять необходимые защиты и блокировки, обеспечивающие безаварийную работу ма-

шин [13].

Управление представляет собой организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

В тех случаях, когда рабочая машина или технологический комплекс имеет несколько рабочих органов, каждый из которых приводится в движение своим электроприводом, в задачу управления входит согласование движений рабочих органов в соответствии с требованиями технологического процесса.

Управление рабочей машиной может осуществляться оператором вручную или автоматически посредством устройств автоматического или программного управления. Даже если рабочие машины управляются вручную, ряд функций

6

управления обычно автоматизирован для облегчения работы оператора и более точного выполнения технологического процесса.

Сочетание двух функций электропривода – преобразование электрической энергии в механическую и управление параметрами механической энергии (мощность, усилие, крутящий момент, скорость, ускорение, путь и угол перемещения) с целью рационального выполнения технологического процесса, выполняемого рабочей машиной, – определяет назначение и роль электропривода в машинном производстве.

Рассмотрим некоторые примеры электроприводов из [13] и выполняемых ими функций.

Пусть электропривод вентилятора служит для обмена воздуха в помещении. Преобразование электрической энергии в механическую, необходимую для приведения рабочего колеса вентилятора во вращение, осуществляется асинхронным двигателем. Однако состав электропривода вентилятора не ограничивается только двигателем. Чтобы вентиляторная установка могла работать, двигатель нужно включать и отключать. Эта функция управления реализуется с помощью магнитного пускателя и кнопок управления. Схема электропривода вентилятора содержит также защитные устройства: защиту от токов короткого замыкания в проводниках или в обмотке статора двигателя. Эта защита обеспечивается автоматическим выключателем, имеющим максимальный расцепитель. Защита двигателя от перегрузок реализуется посредством тепловых реле, входящих в состав магнитного пускателя.

Другим ярким примером является электропривод лифта – автоматизированное средство пассажирского вертикального транспорта. Пассажир, войдя в кабину лифта, нажимает кнопку нужного ему этажа, после чего автоматически закрываются двери кабины и лифтовой шахты. Кабина лифта движется в нужном направлении и точно останавливается на уровне заданного этажа, двери открываются. Электродвигатель через редуктор, канатоведущий шкив и канатную передачу приводит кабину лифта в движение. Второй электромеханической системой является устройство открывания и закрывания дверей, состоящее из электродвигателя и кинематических звеньев. Система управления лифтом осуществляет управление дверями, выбор направления движения кабины, обеспечивает плавный пуск, движение с установившейся скоростью, торможение и точную остановку кабины. Для обеспечения точности остановки и комфортности пассажиров в кабине нужно регулировать скорость движения по определенному закону. Кроме управления движением система управления лифтом содержит необходимые защиты и блокировки, обеспечивающие безопасность пассажиров и безаварийную работу оборудования, а также информацию о положении кабины.

Важная роль принадлежит электроприводу в создании энергосберегающих технологий. Многие технологические процессы связаны с большими затратами электрической энергии, однако не всегда эти затраты носят производительный характер. Характерным примером такого положения являются системы тепло и водоснабжения. Насосные установки, подающие горячую и холодную воду потреби-

7

тёлям, ранее оборудовались нерегулируемым электроприводом. Однако требуемая производительность насосных установок не остается постоянной, а существенно изменяется по времени суток и временам года. Регулируемый электропривод насоса позволяет регулировать скорость рабочего органа механизма для обеспечения требуемой величины напора и расхода воды, обладает более широкими возможностями оптимального ведения технологического процесса, в частности, обеспечивает экономное расходование электрической энергии, воды и тепла.

Ocoбo сложные электроприводы имеют металлорежущие станки с числовым программным управлением. Такой станок служит для автоматической обработки деталей по заданной программе с высокой точностью. 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 заданной программе. Таким образом, современный металлорежущий станок представляет собой совокупность электромеханических устройств, основу которых составляют высокоточные автоматизированные электроприводы, работа которых объединена единой технологической задачей и управляется вычислительным устройством – системой числового программного управления.

Приведенные примеры, а их число может быть многократно увеличено, показывают, что электрический привод является одним из основных узлов каждой производственной машины или технологического комплекса. Это, как правило, наиболее сложная и дорогая часть рабочих машин. Конструирование, изготовление и эксплуатация электроприводов требует высокой квалификации и разнообразных технических знаний [13].

1.3. Краткая история развития электропривода

Электрический привод – сравнительно молодая отрасль науки и техники, насчитывающая немногим более столетия с момента практического применения. Появление электропривода обусловлено трудами многих отечественных и зарубежных ученых-электротехников.

История электропривода начинается с первой половины XIX века. Открытие датчанином Г. Х. Эрестедом закона механического взаимодействия магнитного поля и проводника с током (1819 г.) и англичанином М. Фарадеем закона электромагнитной индукции (1831 г.) послужили мощным толчком к развитию прикладной электротехники [9].

Уже в 1834 г. отечественные ученые-академики Б.С. Якоби и Э.Х. Ленц сконструировали электродвигатель вращательного движения, основанный на этих законах, а в 1838 г. Б.С. Якоби создал первый электропривод постоянного тока с усовершенствованной конструкцией электродвигателя, имеющего практически все элементы современной электрической машины. Этот электропривод был использован для движения небольшого катера со скоростью до 5 км/ч против течения Невы. Поэтому 1838 год считается годом рождения электропривода. Уже на

8

этой первой, еще несовершенной модели электропривода обнаружились весьма значительные преимущества его по сравнению с господствовавшим в то время паровыми механизмами – это отсутствие парового котла, запасов топлива и воды, т.е. существенно лучшие массогабаритные показатели.

Однако несовершенство первого электродвигателя, а главное неэкономичность источника электроэнергии – гальванической батареи, разработанной итальянцем Л. Гальвани, явились причиной того, что работы Б.С. Якоби и его последователей сразу не получили практического применения. Питания гальванической батареи хватало всего на несколько часов движения катера.

Требовался простой, надежный и экономичный источник электрической энергии, появлению которого способствовал открытый Э. Х. Ленцем еще в 1833 г. принцип обратимости электрических машин, объединивший впоследствии пути развития двигателей и генераторов. И вот в 1870 г. сотрудник французской фирмы «Альянс» З. Грамм создал промышленный тип электрического генератора постоянного тока, давший новый импульс в развитие электропривода и внедрению его в промышленность. Вот некоторые примеры. Наш соотечественник электротехник В. Н. Чиколев создает в 1872 году электропривод-регулятор для дуговых ламп, в 1982 г. – электропривод швейной машины, а в 1886 г. – электропривод вентилятора. Происходит внедрение электропривода постоянного тока в военно-морском флоте, в ткацком и другом производстве. Однако отмеченные успехи были незначительными. В 1890 году электропривод составлял всего лишь 5% от общей мощности используемых механизмов.

Наряду с электроприводом постоянного тока пробивал себе дорогу в жизнь и электропривод переменного тока. Величайшее значение для всего дальнейшего развития электропривода имело открытие в 1886 г. итальянцем Г. Феррарисом и югославом Н. Теслой явления вращающегося магнитного поля, которое положило начало конструирования многофазных электродвигателей. Благодаря комплексу выдающихся работ отечественного ученого-электротехника М. О. ДоливоДобровольского, реализовавшего в 1888 г. трехфазную систему передачи электроэнергии переменного тока и разработавшего в 1889 г. трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и короткозамкнутым ротором, электропривод переменного тока начал внедряться в промышленность. Существовавшие ранее принципиальные технические препятствия к распространению электрической энергии были устранены за счет возможности передачи электроэнергии переменного тока на дальние расстояния (Марсель Депре, 1881 г.) без потерь путем трансформирования. Уже в 1914 г. мощность установленных электродвигателей на промышленных предприятиях России доходила до 40 %.

Появившийся практический опыт требовал анализа, системотизации и разработки теоретической базы для последующего развития электропривода. Важную роль в свое время сыграл научный труд нашего соотечественника, крупнейшего электротехника Д. А. Лачинова, опубликованный в 1880 г. в журнале «Электричество» под названием «Электромеханическая работа». Он убедительно доказал преимущества электрического распределения механической энергии, впервые

9

дал выражение для механической характеристики двигателя постоянного тока, дал классификацию электрических машин по способу возбуждения, рассмотрел условия питания двигателя от генератора, доказал целесообразность использования индивидуального электропривода. Поэтому 1880 г. считается годом рождения науки об электроприводе.

Всвязи с нехваткой квалифицированных кадров по проектированию, внедрению и обслуживанию электроприводов в Петербургском электротехническом институте (ныне ЛЭТИ) С. А. Ринкевичем в 1923 г. была создана первая в стране кафедра «Электрификация промышленных предприятий» для подготовки инженеров-электроприводчиков. В 1925 г. выходит учебное пособие С. А. Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии» – первая фундаментальная работа, рассматривающая вопросы теории электропривода. Подготовку инженеров-электриков аналогичного профиля начинают

в1924 г. в Ленинградском индустриальном институте (ныне СПбГТУ), в 1930 г. в МЭИ и ряде других технических вузов страны.

Дальнейшее развитие теория электропривода получила в трудах В. К. Попова, А. Т. Голована, Д. П. Морозова, В. А. Шубенко и других ученых.

Бурное развитие электромашинных и электромагнитных систем автоматики в 1940-1950 гг. позволило сформировать более сложные законы управления электроприводом и использовать разнообразные замкнутые системы управления. Появляются новые работы ученых по теории электропривода, среди которых академик В. С. Кулебякин, Т. Н. Соколов, чл.-корр. АН СССР

М. П. Чиликин.

В1960-1970 гг. благодаря развитию промышленной электроники и силовой полупроводниковой техники начинается коренное изменение электротехнической базы электропривода, что резко повышает быстродействие и гибкость в управлении при использовании полупроводниковых систем управления. Важные работы по развитию такого управления выпускают А. В. Башарин, Ю. А. Борцов, А. Д. Поздеев, Ю. А. Сабинин, О. В. Слежановский.

Наконец, в 1970-1980 гг. получила распространение микропроцессорная техника, что позволило внедрить средства вычисления в системы управления и автоматизации электроприводов.

Дальнейшее развитие электропривода направлено на улучшение динамики, надежности и средств конструирования, что привело к созданию систем автоматизированного проектирования (САПР) электроприводов с применением новых методик расчета характеристик и современного компьютерного оборудования.

В1980-2000 гг. формируются системы комплектных электроприводов, силовая часть и компьютерная система управления которых во многих случаях являются функционально и информационно избыточными.

Таков краткий обзор развития электрического привода.

10

1.4. Место электропривода в современной технологии и энергетике

Место электропривода в современной технологии определяется тем, что практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом (примерно 90 % двигателей в промышленности электрические). Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели (двигатели внутреннего сгорания). 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. Образно говоря, если вычислительная техника – мозг современной технологии, то электропривод – ее мышцы [5].

В настоящее время в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт. Мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции достигает десятков мегаватт, т. е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает

1012.

Такого же порядка и диапазон по частоте вращения – от одного оборота за несколько часов (установки для вытягивания кристаллов полупроводников) до 150 000 об/мин (высокоточные шлифовальные станки).

Но особенно широк диапазон применений современного электропривода – от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы.

Являясь основой выполнения механической работы и автоматизации производственных процессов с высоким КПД, электропривод создает все условия для высокопроизводительного труда. Вот простой пример. Известно, что в течении рабочего дня один человек может при помощи мускульной энергии выработать около 1 кВт/ч. В высоко электрифицированных отраслях промышленности установленная мощность электродвигателей на одного рабочего (электровооруженность труда) составляет 4-5 кВт, что при восьмичасовом рабочем дне дает потребление 32-40 кВт/ч. Это значит, что рабочий управляет механизмами, работа которых за смену эквивалентна работе 32-40 человек. Таким образом, чем выше электровооруженность труда, тем выше его производительность.

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.