Ключев в.и. теория электропривода

Ключев В.И. Теория электропривода

Предисловие

Первое издание учебника «Теория электропривода» по основополагающей инженерной дисциплине специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок вышло в свет в 1985 г. Его содержание и методология были определены новой типовой программой одноименного курса с учетом длительного опыта чтения модернизированного курса в МЭИ. При сохранении традиционной структуры прежнего курса «Основы электропривода», хорошо соответствующей структуре электропривода, программа нового курса «Теория электропривода» отразила современный уровень автоматизированного электропривода, его методологию и главные направления развития.

Уже в первом издании учебника была существенно расширена методическая база курса за счет систематического использования методов теории обобщенной электрической машины и теории автоматического регулирования. Это позволило укрепить теоретические основы специальной подготовки, развить рассмотрение вопросов динамики разомкнутых и замкнутых электромеханических систем, в том числе с учетом упругих механических связей, дополнить изучение статических характеристик автоматически регулируемых электроприводов анализом их динамических свойств при стандартных настройках контуров регулирования на модульный или симметричный оптимум. За счет этого была обеспечена база для изучения современных систем электропривода постоянного и переменного тока.

Во втором издании учебника учтен опыт использования его в учебном процессе и отражена современная методологическая концепция, направленная на развитие самостоятельной работы студентов. В соответствии с программой глава «Основы выбора мощности электропривода» переработана и перемещена в середину книги в завершение изучения свойств разомкнутых систем электропривода чем обеспечивается рациональное изложение вопросов, важных для работы над курсовым проектом. Учебник дополнен заключительной главой «Основы выбора системы электропривода», в которой получили освещение вопросы энергетики и надежности регулируемого электропривода, значение которых сильно возросло в связи с развитием вентильных электроприводов. Изложение вопросов динамики упругих электромеханических систем дополнено современными аналитическими методами оптимизации таких систем по критерию минимума колебательности. Способствовать развитию самостоятельной работы студентов должно также введение ряда новых примеров расчета и контрольных вопросов в каждой главе.

Большую финансовую поддержку в издании книги оказала всемирно известная фирма Siemens. Вклад фирмы Siemens в развитие теории и практики современного автоматизированного электропривода весьма велик, и фундаментальные разработки ее специалистов нашли отражение в содержании данной книги. В частности, изложение общих свойств, статических характеристик и динамики регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока при стандартных настройках контуров регулирования момента (тока), скорости, положения в гл. 6-9 базируются на методе последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат (Kessler С.). При изложении вопросов частотного регулирования координат асинхронного электропривода (§ 6.7, 7.7, 8.11, 8.12) используется принцип ориентирования по полю двигателя (Blaschke F.) и обстоятельно рассмотрена система «Трансвектор», разработанная фирмой Siemens, принципы построения которой нашли широкое применение в современных векторных системах частотного регулирования координат асинхронного электропривода.

Шаговые двигатели серии ШД с оптическим энкодером

Установленные на шаговые двигатели инкрементные оптические энкодеры с разрешением 1000 импульсов на оборот
могут
использоваться контроллером для коррекции угла поворота двигателя, контроля скорости вращения, компенсации
возможных
пропусков шагов. Это позволяет использовать двигатели с энкодером в аналитическом приборостроении,
устройствах точного
позиционирования, работе с нагрузкой, близкой к максимально допустимой.

Назад

Вперед

Электромеханический привод

Электромеханический привод обычно состоит из электродвигателя постоянного тока с редуктором. При включении электродвигателя вращение передается через муфту ходовому винту, по которому поступательно перемещается гайка, раскрывающая и закрывающая пакер. Основными преимуществами привода этого типа являются: а) возможность управления работой пакера по сигналу оператора; б) многократность открытия и закрытия пакера.
 

Электромеханический привод аналогичен ручному дистанционному, но вместо штурвала имеется электродвигатель с понижающей передачей.
 

Электромеханический привод, как и гидравлический, применяется в роботах с цикловым, позиционным и контурным управлением. Соответственно он может быть регулируемым и нерегулируемым, замкнутым и разомкнутым.
 

Электромеханический привод предназначен для измерения твердости внедрением индентора в образец с необходимой скоростью и включает в себя задающее устройство скорости внедрения, следящую электрическую схему, испытательный привод.
 

Электромеханический привод применяют для перемещения зажимных устройств приспособления при зажиме и разжиме деталей, обрабатываемых на токар-но-револьверных, фрезер — ных, агрегатных станках и автоматических линиях.
 

Электромеханический привод состоит из электромотора, редуктора и винтовой пары. На рис. V.30, а дана схема зажимного устройства с электромеханическим приводом для вращающегося приспособления.
 

Электромеханический привод позволяет производить разворот лопастей на заданный угол с пульта управления как на ходу, так и при остановленном насосе. Конструкция привода позволяет производить и ручной разворот лопастей при остановленном насосе.
 

Электромеханические приводы создают большие усилия зажима, отличаются простотой конструкции и небольшим расходом электрической энергии, так как после зажима заготовки электродвигатель выключается. Электромеханические приводы могут применяться на станках без гидравлической системы. Они широко применяются в крупных станках.
 

Электромеханический привод 13 связан с механизмом свободного расцепления.
 

Электромеханический привод 5 применен в качестве исполнительного механизма для поворота затвора при изменении расхода потока регулирующей среды, в том числе абразивных гидросмесей. Для повышения износостойкости наружная сферическая поверхность затвора и седло покрыты износостойкими наплавками. На затворе сделан вырез специальной конфигурации.
 

Электромеханические приводы используют для генерации колебаний с частотами 1 — 25 с 1 и амплитудами до 15 — 20 мм. Татше механизмы имеют кривошип и узел, трансформирующий вращательное движение кривошипа в возвратно-поступательное движение штока или штанги с дисками насадки. В качестве кривошипа обычно — используют коленчатые валы или планшайбы с эксцентрично закрепленным пальцем или грузом.
 

Подбор электродвигателя

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого электрического двигателя, что в свою очередь обеспечивает продолжительную надёжную работу электропривода и высокую эффективность технологических и производственных процессов в промышленности, на транспорте, в строительстве и других областях.

При выборе электрического двигателя для привода производственного механизма руководствуются следующими рекомендациями:

• Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду механической характеристики, продолжительности включения, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.
• Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надёжный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имеющий наименьшие габариты, массу и стоимость.
• Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надёжность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но и технико-экономические показатели всего электропривода в целом.

Основные характеристики и классификация электроприводов

Такие устройства имеют свою классификацию. Она осуществляется по определенным признакам.

Электроприводы взаимодействуют с системами и устройствами. В данном случае можно выделить три стороны. Первая – система электроснабжения и источник энергии. Вторая – технологическая установка или машина. Третья – контакт с человеком-оператором посредством применения информационного преобразователя. Такой прибор – часть всей системы.

Микропроцессорная техника развивается стремительными темпами. Это привело к тому, что в системах управления электроприводом стали применяться цифровые регуляторы.

Такое внедрение существенным образом позволяет расширить набор реализуемых линейных и нелинейных законов и алгоритмов для контроля устройством с одной стороны. Однако с другой это вносит определенные особенности. Они присущи цифровым системам. Это непосредственно импульсный характер информации.

Другими словами присутствует квантование по времени и по уровню. Также имеется запаздывание в канале управления. Оно необходимо для обработки данных и формирования сигналов.

На этом фоне возникла потребность в применении новых алгоритмов управления и методов синтеза этих систем. Так, современные электроприводы с цифровым управлением имеют следующую схему.

Такие машины обладают рядом уникальных свойств:

1. Арифметические или логические возможности являются развитыми. Такая особенность способствует реализации сложных линейных и нелинейных законов управления, функциональной экстраполяции, трансцендентных зависимостей и пересчету координат из одной системы в другую в электроприводе многосвязного типа.
2. Имеется свободная память. За счет этого производится формирование текущего управления с учетом накопительной информации.
3. Программируемость. Именно посредством этого можно создавать многорежимные и многофункциональные устройства, которые базировались бы на микропроцессорных системах.

Электроприводы – приборы, позволяющие решить множество задач в промышленности.

Больше о современных электроприводах и системах можно узнать на ежегодной выставке «Электро».

Шаровые краны с электроприводомЭксплуатация, управление, ремонт электроприводомВысоковольтные электрические аппараты

Достоинства и недостатки

Электроприводу не страшен сибирский мороз…

…и пески Сахары

Достоинства

Широкое применение электропривода для управления арматурой объясняется рядом его достоинств и преимуществ по сравнению с другими видами приводов:

• он может обеспечить централизованное управление любыми типами и классами арматуры;
• не требуется внутренний подогрев при температурах окружающей среды до -50С и до -60С;
• способен обслуживать арматуру разных размеров условного прохода, от минимального до максимального;
• к электроприводу требуется подвод только одного вида энергии, а при монтаже схемы управления приводом имеется мало вынесенных и при этом несложных электрических соединений;
• в отличие от большинства других приводов он может монтироваться не только непосредственно на арматуре, но и на расстоянии от неё;
• может быть снятым с действующей арматуры (для ремонта), не создавая опасности самопроизвольного изменения положения рабочего органа;
• возможно его использование для механизации действующей арматуры, снабженной маховиком ручного управления, без переделки последней;
• при наличии встроенного блока суперконденсаторов, привод может возращаться в крайние положения «нормально закрыто» или «нормально открыто»
• может использоваться для постоянного регулирования трубопроводной арматуры
• электросеть свободна от недостатков, свойственных другим сетям (засорение, обмерзание и т. д.).

Не существует других приводов, использующих один вид энергии, которые были бы в состоянии обеспечить местную и дистанционную сигнализацию как крайних положений рабочего органа арматуры, так и промежуточных; подачу сигнала на пульт в случае заедания подвижных частей арматуры или попадания посторонних предметов в её полости; блокировку работы арматуры; остановку рабочего органа арматуры в промежуточном положении без опасности его самопроизвольного перемещения.

Недостатки

Электрические приводы имеют и ряд недостатков:

• детали электроприводов подвержены износу в большей степени, чем детали некоторых других, поэтому они нуждаются в регулярном обслуживании, уходе;
• контакты привода являются источниками радиопомех;

Не рекомендуется использовать электропривод для управления , что связано с трудностью уменьшения влияния на арматуру инерционных масс привода. Нецелесообразно применение электропривода в случаях, когда его питание должно осуществляться от автономного источника энергии (наиболее целесообразная форма хранения энергии — сжатый воздух). Не используется электропривод для работы на объектах особой взрывоопасности.

Систематизация по типу передаточного устройства

Существуют электроприводы, в которых двигатель соединяется с исполнительным органом напрямую, без механического передаточного устройства. Такие приводы относятся к безредукторным. Соответственно, редукторными называются приводы, оборудованные каким-либо передаточным механизмом.

В качестве электронного преобразователя для вентильных электроприводов могут применяться транзисторные или тиристорные устройства. Электроприводы, в основу работы которых положена система «электронный преобразователь-двигатель (Д)», имеют следующие обозначения:

• УВ-Д, вентильные приводы с управляемым выпрямителем напряжения;
• ПЧ-Д, приводы вентильного типа (переменного тока), оснащенные преобразователем частоты, который можно регулировать;
• Г-Д, регулируемый электропривод с генератором (электромашинным преобразовательным агрегатом);
• МУ-Д, привод с магнитным усилителем в качестве преобразователя.

Характеристики привода

Статические характеристики

Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика.

Механическая характеристика

Механическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала от электромагнитного момента M (или от момента сопротивления Mc). Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Электромеханическая характеристика двигателя

Электромеханическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала ω от тока I.

Динамическая характеристика электропривода — это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы.

Характеристики привода

Статические характеристики

Под статическими характеристиками чаще всего подразумеваются электромеханическая и механическая характеристика.

Механическая характеристика

Механическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала от электромагнитного момента M (или от момента сопротивления Mc). Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Электромеханическая характеристика двигателя

Электромеханическая характеристика — это зависимость угловой скорости вращения вала ω от тока I.

Динамическая характеристика электропривода — это зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы.

Разделение по способу передачи механической энергии

Рассматривая оборудование с точки зрения процесса передачи энергии (механической) исполнительным устройствам, можно выделить следующие виды электроприводов:

• менее экономичные групповые (или трансмиссионные), особенностью которых является возможность приведения в действие сразу нескольких исполнительных органов от одного двигателя (через коробку);
• более распространенные личные (персональные), которые отличает применение отдельных движков для каждого исполнительного органа рабочих машин, что способствует повышению уровня автоматизации рабочих процессов;
• взаимосвязанные, которые, как следует из названия, представляют собой комплекс электроприводов персонального типа, объединенных между собой электрическим или механическим способом.

Исходя из уровня автоматизации, которым характеризуется электропривод, можно отнести его к одной из разновидностей:

• к автоматическим;
• к автоматизированным;
• к неавтоматизированным (используются реже).

Знание принципов классификации электроприводов помогает подобрать оптимально подходящее оборудование для решения конкретных производственных задач.

Характеристики основных видов электроприводов

Групповые электроприводы на сегодняшний день практически не используются. Причина тому – многочисленные недостатки в работе. К таковым относятся:

• потеря энергии в трансмиссиях;
• остановка всех приборов в случае поломки электрического двигателя;
• сложность соблюдения правил по технике безопасности.

В настоящий момент такие виды электроприводов, как одиночные и многодвигательные, вытеснили образцы группового типа, и последние практически не применяются. В условиях использования одиночного электропривода в действие запускается только один агрегат на предприятии.

На начальном этапе установки такого типа представали в виде аппарата, который устанавливался независимо от самого механизма. Они были связаны между собой исключительно ременной передачей.

На следующей стадии такие устройства стали выполнятся в виде единого производственного агрегата. Часто подобное устройство именуется индивидуальным.

Его преимущества заключаются в следующем:

• возможным является осуществление функционирования на максимально выгодных скоростях;
• пуск выполняется быстрее;
• остановка агрегата или смена направленности вращения осуществляется оперативно.

Наглядно можно оценить, как происходило поэтапное сближение приводного двигателя непосредственно с производственным механизмом.

В условиях проектирования образцов данного типа разработчики нацелены на создание максимально тесного конструктивного сопоставления двигателя с производственным механизмом. Так создаются действительно простые и удобные в эксплуатации агрегаты.

Многодвигательные приводы состоят из нескольких одиночных установок. Каждая из них предназначена для активации действия конкретных составляющих производственного механизма.

На сегодня такой вид электроприводов становится более востребованным, они применяются в сложных производственных установках, способствуя:

• производительности;
• улучшению качества выполняемых работ;
• сокращению энергоутрат в условиях промежуточных передач;
• облегчению обслуживания.

В условиях проведения строительных работ такая установка, как многодвигательный электропривод, востребована в экскаваторах электрифицированного типа, производительность которых характеризуется большими и средними объемами.

Применяя рассмотренные виды электроприводов на предприятии, можно существенно расширить спектр возможностей для выполнения автоматизации производственного процесса, управления механизмами и существенного увеличения показателя продуктивности.

Обсуждаемые виды электроприводов характеризуют основные данные использования самого устройства, а именно его:

• производительность;
• надежность функционирования;
• простоту обслуживания;
• в отдельных ситуациях даже вес агрегата.

В условиях применения индивидуального электропривода его соединение с производственным механизмом может быть настолько тесным, что конструктивно они предстают в виде единой, целостной установки.

Больше о различных видах электроприводов, характеристиках и существующих классификаций можно узнать на выставке «Электро».

Новое в электроэнергетикеПроизводство электротехнической продукцииСовременная электроэнергетика