Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

11

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

Итак, налицо две ясно выявившиеся в ходе научно-технической революции проблемы развития электропривода: первая – необходимость расширения функциональных возможностей в разнообразнейших технологических применениях, и вторая – острое требование экономно расходовать энергию и другие ресурсы.

1.5. Общие требования к электроприводу

Познакомившись в самом общем виде с понятием «электропривод», необходимо сформулировать общие требования к нему как к системе, ответственной за управляемое электромеханическое преобразование энергии [5].

Прежде всего, это надежность. Как и любой технический объект, электропривод обязан выполнять заданные функции в оговоренных условиях в течение определенного промежутка времени. Если это не обеспечено, все остальные его качества окажутся бесполезными.

Второй показатель, точность, относится к главной функции электропривода – осуществлять управляемое движение. Здесь правильнее говорить об обеспечении электроприводом необходимой точности. Так, неточность остановки кабины даже очень хорошего лифта может достигать ±1 см; погрешность позиционирования-щупа, осуществляющего тестирование микросхемы в процессе ее изготовления, не должна превышать ±10 мкм и т.д. Электропривод должен поддерживать на заданном уровне скорость движения ленты транспортера независимо от его загрузки, силу натяжения проволоки или нити при их перемотке, ускорение центрифуги при испытании в ней биологических объектов; при этом всегда существуют допустимые отклонения от заданных значений, выходить за которые уже нельзя.

Третий показатель, часто связанный со вторым, быстродействие, т. е. способность системы достаточно быстро реагировать на различные воздействия. Здесь также речь идет об обеспечении необходимого быстродействия. Например, отклонения от заданного положения антенны радиотелескопа, вызванные порывами ветра, нужно устранять за сотые доли секунды.

С быстродействием связан четвертый показатель – качество динамических процессов, т. е. обеспечение определенных закономерностей их протекания во времени. Например, в лифте каждый испытывал разницу между хорошо функционирующим приводом, когда ускорение и замедление неощутимы, и плохим приводом, когда динамический процесс сопровождается неприятными ощущениями даже у абсолютно здоровых пассажиров.

Пятый показатель, ставший особенно значимым в последнее время, – энергетическая эффективность. Поскольку любой процесс передачи и пре-

12

образования энергии сопровождается ее потерями, важно, какова удельная доля этих потерь. Яснее всего, пожалуй, применительно к электроприводу этот показатель выразится удельным расходом электроэнергии на получение конечного технологического результата. Например, если электропривод выполняет операцию сматывания в бухту проволоки данного диаметра и материала, получаемой с волочильного стана, то важно, сколько электроэнергии будет затрачено, например, на 1 т. готовой продукции, конечно, при заданном ее качестве (здесь будут существенны предыдущие показатели). Часто энергетическую эффективность оценивают коэффициентом полезного действия (КПД) – отношением полезно истраченной энергии к ее полному расходу в данном процессе.

Шестой показатель – совместимость электропривода с системой электроснабжения и информационной системой более высокого уровня. Этот показатель также существенен в последнее время, когда в состав электропривода вошли полупроводниковые преобразователи, генерирующие высшие гармоники и в силу этого вредно влияющие на питающую сеть, а иногда и на электронные управляющие устройства.

В качестве седьмого показателя выступает ресурсоемкость, т. е. материалоемкость и энергоемкость, заложенные в конструкцию и технологию производства, трудоемкость при изготовлении, монтаже, наладке, эксплуатации, ремонте. Этот показатель, как легко видеть, самый сложный, комплексный, связанный как с перечисленными показателями, так и с уровнем технологии, экономической ситуацией, со многими другими факторами. Так, в Японии, где мало природных ресурсов, но очень высок уровень технологии, в период 1950-1990 гг. масса электродвигателей снизилась в среднем в 2,5 раза за счет лучших материалов, лучшего качества их обработки, оптимальной конструкции и т. д. В США до 1975 г. также происходило снижение массы двигателей, однако сейчас в связи с повышением цен на энергию и большими запасами материалов резко выросло производство так называемых энергосберегающих двигателей, масса которых увеличена, по сравнению с обычными на 40-50 %.

Все приведенные показатели обеспечиваются техническими средствами, причем чем выше какой-либо показатель, тем больше затраты на его обеспечение. Кроме того, указанные выше показатели электропривода далеко не полностью характеризуют эту электромеханическую систему. Так, среди них нет таких важных для практики показателей, как комплектность, заводская готовность, нет эргономических, дизайнерских характеристик, нет отдельного показателя, отражающего удобство и эффективность эксплуатации, и т. д. Это не значит, что названные стороны электропривода не важны, более того, иногда они оказываются решающими. Просто они менее специфичны и обеспечиваются для электропривода в каждом конкретном случае после тех- нико-экономических сравнений.

13

1.6. Современное состояние автоматизированного электропривода. Тенденции развития электрического привода

Внастоящее время значительно возрастает роль уровня электровооруженности технологических процессов и, следовательно, использование автоматизированного электропривода. Дальнейшее развитие электрификации и автоматизации технологических процессов, создание высокопроизводительных машин, механизмов и технологических комплексов во многом определяется развитием электрического привода.

К основным направлениям развития современного электропривода можно отнести следующие аспекты:

1) расширение области применения систем электропривода;

2) совершенствование электроприводов в направлении повышения эксплуатационной надежности, унификации и улучшение энергетических показателей электропривода;

3) совершенствование методов исследования и проектирования систем электроприводов;

4) переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому;

5) широкое использование электроприводов переменного тока, в том числе в высоковольтном исполнении;

6) разработка и выпуск комплектных электроприводов с использованием современных полупроводниковых преобразователей и микропроцессорных средств управления.

Расширение области применения современных электроприводов возможно за счет постоянного развития электромашиностроения и электроаппаратостроения, электроники и преобразовательной техники, вычислительной техники, автоматики и механики.

Всостав любого электропривода, сколь бы прост или сложен он ни был, обязательно входит электромеханический преобразователь энергии – электрическая машина. Другие компоненты могут отсутствовать или, наоборот, быть очень развиты – это зависит от функций электропривода. Поэтому необходимо расширенное изучение свойств и применение новых конструкций электромеханических преобразователей – электромагнитных, емкостных, пленочных, пьезокерамических, магнитострикционных и других типов двигателей. Их принцип работы основан на взаимодействиях магнитного и электрического поля с ферромагнитными материалами, диэлектриками, конденсаторами и др.

Острой проблемой на пути развития и расширения области использования современного электропривода является необходимость разработки новых методов исследования динамики систем электропривода, а иногда и новых принципов конструирования всей электромеханической системы, создания новых методик расчета характеристик элементов или всего электропривода,

14

рациональное использование вычислительной техники и многочисленного программного обеспечения для САПР.

В настоящее время в связи с появлением актуальных проблем энерго- и ресурсосбережения возникают новые направления развития электропривода – использование энергосберегающих двигателей; уменьшение потерь в питающих сетях (применение компенсаторов реактивной мощности, фильтрующих высшие гармоники устройств); переход к регулируемому электроприводу с использованием дополнительных преобразовательных устройств.

Сегодня среди мировых производителей электропривода лидируют американские фирмы «General Electric», «Robicon», немецкие «Siemens», «Bosch», датская «Danfoss», японские «Fanuc», «Omron» и др. Определенный вклад в развитие электропривода вносят российские группы «Электропривод», «Приводная техника», «Редуктор» и др [4].

Объектом наиболее интенсивного внедрения приводных систем являются системы с частыми пусками и реверсами, высокоточные и многоскоростные установки. До половины стоимости современных электроприводов приходится на их информационное и электрическое оснащение. Все это свидетельствует о больших перспективах развития электропривода, о его широких потенциальных возможностях.

1.7. Функциональная схема и основные элементы электропривода

Для построения функциональной схемы (рис. 1.1) системы электропривода (СЭП) необходимо вспомнить определение «электрического привода»: электрический привод – это электромеханическая система, состоящая из электропреобразовательного, электродвигательного, передаточного, управляющего и информационного устройств, предназначенная для приведения в движение рабочих органов (РО) машин и механизмов и целенаправленного управления этим движением [9].

ИЭЭ

Wc

ЭПУ

Wд

ЭДУ

Wм

ПУ

Wим

ИМ

(РО)

Uc, Ic, fc

U, I, f

M, ω

M

F

ωроро

νроро

Uз

УУ

ИУ

Рис. 1.1

15

На функциональной схеме тонкими линиями изображены управляющие и информационные сигналы, двойными – каналы передачи потоков энергии.

Электропреобразовательное устройство (ЭПУ) служит для связи СЭП с источником электрической энергии (ИЭЭ) и преобразования одной формы электрической энергии Wс с нерегулируемыми параметрами Uc, Ic и fc в другую Wд с параметрами U, I и f, часть из которых управляема. Ранее в качестве ЭПУ использовались электромашинные преобразовательные устройства, магнитные усилители и др., которые обладали невысоким КПД, большими габаритами и высокой стоимостью. В настоящее время в основном применяют силовые полупроводниковые преобразователи: тиристорные управляемые выпрямители (УВ), транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП), транзисторные и тиристорные инверторы и преобразователи частоты для изменения формы и параметров напряжения электроэнергии Wд, потребляемой двигателем.

Электродвигательное устройство (ЭДУ) преобразует электрическую энергию Wд в механическую Wм и формирует (совместно с передаточным устройством) заданные формы движения РО машин и механизмов. По виду питающего напряжения различают двигатели постоянного и переменного тока. Двигатели переменного тока, к числу которых относятся асинхронные и синхронные, могут быть однофазными и трехфазными. По уровню питающего напряжения двигатели подразделяются на низковольтные с номинальным напряжением до 1 кВ и высоковольтные с напряжением более 1 кВ. По характеру движения ротора различают двигатели вращательного, поступательного (линейного) и возвратно-поступательного движения непрерывного или дискретного (шагового) характера.

Передаточное устройство (ПУ) предназначено для преобразования форм движения и передачи механической энергии Wм от ЭДУ к исполнительным механизмам (ИМ) Wим рабочей машины (РМ). Таким образом, механизмами РМ энергия Wим преобразуется в механическую работу РО с координатами: Mро – моментом сопротивления и ωро – угловой скоростью при вращательном движении или Fро – силой сопротивления и νро – линейной скоростью при поступательном движении.

Управляющее устройство (УУ) предназначено для формирования заданных законов управления потоками энергии и управления ЭПУ и (или) ЭДУ, и (или) ПУ. В современных СЭП УУ является его неотъемлемой частью, выполняющей функции автоматического (без непосредственного участия человека) или полуавтоматического (автоматизированного) управления (часть операций, например, таких как пуск, торможение и реверс, осуществ-

ляется человеком). Поэтому автоматизированный электропривод является одной из наиболее распространенных разновидностей электромеханических систем.

Информационное устройство (ИУ) представляет собой совокупность датчиков-преобразователей, предназначенных для измерения координат СЭП

16

и преобразования их в электрические сигналы (например, напряжение). В зависимости от наличия ИУ в СЭП различают два вида систем – разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах сигналы управления идут только от УУ к элементам силовой части электропривода (ЭПУ, ЭДУ и ПУ). В замкнутых системах с ИУ измеренные величины, характеризующие работу СЭП, используются в УУ для выработки соответствующего сигнала управления.

1.8. Классификация электроприводов

Все электроприводы можно разделить на несколько видов: по функциональному назначению, способу разделения энергии, формам движения выходного вала РМ, роду потребляемого тока и др.

По функциональному назначению электроприводы делят на главные и вспомогательные. Главный привод обеспечивает движение исполнительного (рабочего) органа РМ, 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.

ПУ1

РМ1

ПУ1

Wд

...

...

Wд

...

ЭДУ

ПУi

РМi

ЭДУ

ПУi

...

...

...

ПУm

РМm

ПУm

а

б

ЭДУ1

ПУ1

РО1

ЭДУ1

ПУ1

Wд

...

...

...

Wд

...

...

ЭДУi

ПУi

РОi

ЭДУi

ПУi

...

...

...

...

...

ЭДУm

ПУm

РОm

ЭДУm

ПУm

в

РМ

г

Рис. 1.2

РО1

...

РОi

...

РОm

РМ

РОi

По способу разделения энергии электроприводы делят на:

1)групповые с разветвленной сетью ПУ от одного двигателя, через которую движение передается нескольким РМ (рис. 1.2, а) или нескольким

17

РО одной РМ (рис. 1.2, б). Групповой электропривод обладает рядом существенных недостатков, таких как невозможность целенаправленного управления каждой РМ или ее РО, а также большие потери в сложном ПУ;

2)индивидуальные, обеспечивающие движение только одного исполнительного органа РМ, что существенно упрощает кинематическую схему ПУ и повышает его надежность, а также уменьшает потери энергии. Поэтому, не смотря на наличие нескольких ЭДУ для одной РМ, индивидуальный электропривод широко используется в современной практике. Если каждый РО приводится в движение одним ЭДУ (рис. 1.2, в), то индивидуальный электропривод называется однодвигательным (одиночным). Многодвигательный индивидуальный электропривод характеризуется тем, что несколько ЭДУ, механически связанных между собой, совместно работают на общий вал одной машины или ее РО (рис. 1.2, г);

3)взаимосвязанные, обеспечивающие для нескольких связанных между собой (электрически или механически) электроприводов заданного закона управления технологическим процессом (например, обеспечения в системах управления главным приводом и приводами подач токарного станка качественной обработки заготовки при минимуме потерь энергии или максимуме производительности). Это, соответственно, усложняет УУ, но наделяет взаимосвязанный электропривод более высоким уровнем автоматизации технологического процесса. К взаимосвязанному электроприводу можно отнести систему синхронизации вращения нескольких ЭДУ, в которой используется специальная схема

электрической связи, называемая «электрическим валом».

По характеру движения, роду тока, принципу действия и направлению вращения электродвигателя различают электроприводы вращательного и по-

ступательного движения, постоянного и переменного тока, непрерывного и дискретного действия, реверсивные, обеспечивающие движение в двух направлениях, и нереверсивные (однонаправленные) соответственно. По спосо-

бу управления можно выделить СЭП с ручным и автоматическим (автомати-

зированным) управлением, а также местным и дистанционным управлением.

1.9.Контрольные вопросы

1.Какую смысловую нагрузку имеют понятия рабочей машины, рабочего механизма и исполнительного органа в электроприводе?

2.Какой элемент электрического привода является источником механической энергии?

3.Какие две функции определяют назначение и роль электропривода в машинном производстве?

18

4. Работы каких ученых положили начало развитию теории электропри-

вода?

5.Какие типы двигателей применялись в промышленности до изобретения трехфазных и что мешало их внедрению в промышленность?

6.Каково место электропривода в современной технологии и энергети-

ке?

7.Какие общие требования предъявляются к электроприводу как к системе, ответственной за управляемое электромеханическое преобразование энергии?

8.Каковы тенденции развития современного электропривода?

9.Какие устройства входят в состав современного электропривода?

10.Как и по каким параметрам классифицируются электроприводы?

2. МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Функциональные схема и элементы механической части электропривода

Двигатель в функциональной схеме (рис. 2.1, а) механической части представляется своей жесткой подвижной механической частью – вращающимся якорем (для машин постоянного тока) или ротором (для машин переменного тока), и характеризуется моментом инерции Jд, угловой скоростью ωд и электромагнитным моментом Mд. Подвижные жесткие РО исполнительного механизма при вращательном движении характеризуются моментом инерции Jро, угловой скоростью ωро и моментом Mро, а при поступательном – массой mро, линейной скоростью νро и силой Fро.

ПУ весьма разнообразны по своему конструктивному и функциональному исполнению. Редуктор (рис. 2.1, а) изменяет угловую скорость при передаче движения с ωд на ωро. Каждый элемент редуктора характеризуется своей угловой скоростью ωi и соответствующим моментом инерции Ji, а так-

же передаточным отношением отдельных ступеней передачи	ji = ωi / ωi+1 , где
ωi и ωi+1 – соответственно угловые скорости ведущего и ведомого валов.
Передачи зубчатое колесо – рейка (рис. 2.1, б) и	барабан – трос

(рис. 2.1, в) преобразуют вращательное движение шестерни (барабана) с угловой скоростью ω и радиусом R в поступательное движение рейки (груза с тросом) массой m с линейной скоростью ν и характеризуются радиусом приведения r = v / w = R .

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 2.1, г) преобразует вращатель-

ное движение кривошипа с постоянной угловой скоростью ω в возвратнопоступательное движение ползуна с переменной линейной скоростью v(t) = w×r(j) , где радиус приведения ρ является функцией изменяющегося

угла поворота j(t) кривошипа.

			19
	Мф1				Мф2
	ωд	Jм1 J1 J4		Jм2	ωро		Mро
M					РО
	ϕд						Jро
Mд, Jд		ω1					ИМ
		J2	J3	ПУ
					а
ω		ω			r ϕ	ω	l
	ν						ν
R					ν
	m

б	F=mg	г
	в

Рис. 2.1

Для передачи движения на большие расстояния используются ремен-

ные, канатные, шнуровые и цепные передачи с гибкой связью (рис 2.3, г).

Однако в механической части привода					ϕм
возникают деформации реальных кинемати-
ческих связей и перераспределение потен-					2				1
циальной энергии, вызывающее различные
вибрации, которые называют упругими коле-
баниями, а элементы с такими колебания-
				−ϕ	ϕ			ϕ
ми – упругими.	Кроме того, возможны вза-
				а	а				з
имные сдвиги	элементов кинематических
пар относительно друг друга из-за наличия		3		4
люфтов и зазоров.
Люфт муфты Мф2 можно предста-				Рис. 2.2
вить как нелинейный элемент со статиче-
ской угловой	характеристикой, представ-

ленной на рис. 2.2. Если в начальный момент угол заводки ϕз ведущей части муфты меньше значения ϕа, то при увеличении угла ϕз ведомая часть остается неподвижной и ϕм = 0. Иначе происходит изменение ϕм с постоянным коэффициентом передачи k (для муфты на рис. 2.2 k = 1): Δϕм = kΔϕз = k (ϕз − ϕа ) . Далее изменение координат возможно по любому замкнутому кругу, напри-

мер 1 → 2 → 3 → 4.

20

Упругие элементы функциональной схемы рис. 2.1, а – муфта Мф1 и валы характеризуются упругими силами (моментами) и силами (моментами) сопротивления.

2.2. Характеристики типовых упругих элементов

Вал, работающий на кручение (рис. 2.3, а) под действием вращающего момента М, характеризуется коэффициентом жесткости

с =

M

,

(2.1)

ϕ Δϕ

где Δϕ – угол закручивания вала.

Жесткость растягиваемого (сжимаемого) стержня (рис. 2.3, б), к ко-

торому приложена сила F, рассчитывается по формуле cl = F / l , где l – линейная деформация стержня.

	l	l
M	F	F
	d
	M
	а	б
	1
	M1

2

d 2

1	2	M2
M2
M1	cр	r2
в		г

Рис. 2.3

Жесткость цилиндрической зубчатой передачи (рис. 2.3, в) при закреп-

лении одного из колес можно определить по формуле (2.1), однако здесь можно рассчитать жесткость, приведенную к оси ведущего 1 или ведомого 2 колес:

с	=	M1	и с	=	M 2	.
ϕ1		Δϕ1	ϕ2		Δϕ2