Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

УДК 62-83 (075.8)

Рецензенты:

Заведующий кафедрой ПИ и УСА Новотроицкого филиала Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» доцент, кандидат технических наук

С.Н. Басков

Начальник Центральной электротехнической лаборатории ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» кандидат технических наук В.В. Головин

Косматов В.И.

Электрический привод: Учебное пособие. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - с.

ISBN

В учебном пособии изложены основы механики электропривода, даны кинематические схемы электроприводов, рассмотрены расчѐтные схемы силовой механической части с учѐтом упругих связей и уравнения движения электромеханической системы.

Изложены основные функциональные и энергетические характеристики электроприводов постоянного и переменного тока в установившихся и переходных режимах. Особое внимание уделяется регулируемым электроприводам на базе полупроводниковых преобразователей. Рассмотрены вопросы выбора электрических двигателей для различных режимов работы.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения, начинающих изучать электропривод, и специалистов смежных профессий, заинтересованных в ознакомлении с основами современного электропривода.

УДК 62-83 (075.8)

© ГОУ ВПО «МГТУ», 2012 © Косматов В.И., 2012

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие в первую очередь предназначено студентам технических вузов очного и заочного образования по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Оно также полезно для студентов и специалистов смежных областей: технологов, механиков, энергетиков, т.е. тем, кому нужны современные представления о физике процессов в электромеханических системах, о преобразовании электрической энергии в механическую энергию (и наоборот) и управлении преобразованной энергией в соответствии с требованиями технологических процессов.

Цель учебного пособия – дать читателям общее представление о преобразовании электроприводом электрической энергии в механическую, о движении механической части электропривода, об электромеханических свойствах различных электроприводов и областей их применения, о выборе системы электропривода – преобразователей, двигателей, передаточных устройств, о принципах управления в автоматизированном электроприводе.

В методическом отношении учебное пособие написано в традициях школы электропривода Магнитогорского горнометаллургического института (МГМИ), заложенных первым заведующим кафедрой АЭП доцентом, кандидатом технических наук Казаковым А.М.

Автор благодарен рецензентам – Баскову С.Н., доценту, кандидату технических наук, заведующему кафедрой прикладной информатики НФ МИСиС, Головину В.В., кандидату технических наук, начальнику Центральной электротехнической лаборатории ОАО «ММК» за полезные замечания, коллегам по работе за постоянную помощь и участие в подготовке учебного пособия к изданию.

Автор

2

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК СИСТЕМА

1.1 Определение понятия «электропривод». Блок-схема электропривода

В настоящее время в промышленности, на транспорте, в сельскохозяйственном производстве, в коммунальной сфере и быту практически 100% механической энергии для работы машин и механизмов получают из электрической энергии за счѐт применения электроприводов.

Электропривод – это электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих электрических преобразователей, электрических машин, механических передач и систем управления, служащих для приведения в движение рабочих машин, преобразования электрической энергии в механическую энергию (или обратно), и управления преобразованной энергией в соответствии с требованиями технологического процесса. Блок-схема электропривода приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Блок-схема электропривода

3

Электропривод состоит из двух каналов: силового и информационного.

Силовой канал в свою очередь представляется электрическим и механическим каналами. В электрическую часть силового канала входит энергетическая часть системы управления ЭСУ (электромашинные или статические преобразователи электрической энергии) и электромеханический преобразователь ЭМП (электрические машины). ЭСУ передаѐт и преобразовывает электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к ЭМП и обратно. ЭМП представляется как идеализированный двигатель, в котором про-

исходит преобразование электрической энергии Aэл.д в электромагнитную Aэм . Ей соответствует электромагнитный момент М, прикла-

дываемый к реальному ротору двигателя РД с механической инерцией Jдв и механическими потерями.

Механическая часть силового канала включает в себя все вращающиеся и поступательно движущиеся элементы: ротор двигателя РД, передаточный механизм ПМ (валы, муфты, редукторы, барабаны и т.п.),

иисполнительный орган рабочей машины ИМ, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Информационная часть системы управления ИСУ, т.е. информационный канал осуществляет управление потоком энергии, а также сбор

иобработку сведений о состоянии и функционировании системы, защиту, и диагностику еѐ неисправностей.

Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, ещѐ реже пневмопривод. Столь широкое повсеместное распространение электропривода обусловлено возможностью передачи электрической энергии на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью преобразования в другие виды энергии.

Внастоящее время в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт, мощность электроприводов прокатных станов – десятки мегаватт (стан 5000

- привод валков клети потребляет 24 мВт), т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 1012. Такого же порядка и диапазон по скорости вращения: от нескольких оборотов в несколько десятков часов в установках вытягивания кристаллов полупроводников

4

при очень жѐстких требованиях к равномерности движения, до 150000 об/мин в шлифовальных станках.

С энергетической точки зрения электропривод является главным потребителем электрической энергии, более 60% всей производимой электрической энергии перерабатывается с помощью электропривода.

Электродвигатель является основным обязательным элементом электропривода, осуществляющим электромеханическое преобразование энергии. Электродвигатели различают:

-по роду тока (постоянный, переменный);

-по количеству и схеме соединения обмоток;

-по конструктивному исполнению.

Наиболее распространѐнными двигателями являются:

-коллекторные двигатели постоянного тока с независимым (параллельным), последовательным и смешанным возбуждением;

-двигатели переменного тока асинхронные с короткозамкнутым ротором и фазным ротором, синхронные двигатели.

Преобразователи электрической энергии, входящие в ЭСУ, осуществляют преобразование параметров электрической энергии в электрическую же энергию, однако с другими параметрами:

-энергию переменного тока с параметрамиU с , I с , f с в энергию

Преобразователи электрической энергии необходимы для создания требуемого управляющего воздействия на координаты электропривода: напряжение, напряжение и частота, ток, момент, скорость, угол поворота вала двигателя, рабочего органа механизма. Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешѐнных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надѐжность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование. В системе электропривода при управлении координатами (потоком энергии) должны

минимизироваться потери Р во всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность.

Свойства и характеристики различных электроприводов, правильное управление их координатами в установившихся (статических)

5

ипереходных (динамических) режимах, оценка энергетических свойств, и, наконец, правильное проектирование силовой части электропривода

иявляется предметом изучения данной дисциплины.

1.2 Классификация электроприводов

Классификация электроприводов производится по различным признакам. Разнообразные электроприводы с учѐтом их исторического развития и с точки зрения способа распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой, индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение не-

скольких рабочих машин или нескольких исполнительных механизмов (ИМ) рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и еѐ распределение между ними производится с помощью трансмиссий. Такой групповой электропривод называют также трансмиссионным (рис. 1.2). Другая разновидность группового электропривода – это установка на каждую рабочую машину своего электродвигателя. Однако при этом сохраняется система распределения механической энергии внутри машины между исполнительными механизмами (рис. 1.3).

Для примера можно привести групповой электропривод рабочего рольганга, где от одного двигателя приводится во вращение N роликов через трансмиссию (редуктор и конические шестерни). А также групповой электропривод рабочих валков прокатной клети с использованием шестерѐнной клети и универсальных шпинделей.

Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время практически не применяется, кроме группового электропривода по схеме на рис. 1.3.

Индивидуальный электропривод обладает существен-

ными преимуществами перед групповым электроприводом: упрощается кинематическая схема привода, улучшаются условия безопасности труда, снижаются потери в трансмиссиях и передаточных устройствах, повышается надѐжность работы, увеличивается быстродействие привода, создаются благоприятные условия для автоматизации работы рабочих машин и технологических комплексов. Индивидуальным является электропривод, в котором каждый ИМ рабочей машины приводится в движение от индивидуального двигателя, широко применяемый в различных современных машинах, например, в сложных металлорежущих станках, в прокатном производстве, конверторном производстве стали, бумагоделательных машин, в подъѐмно-транспортных машинах, экскаваторах, роботах и т.п.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или не-

сколько электрически или механически связанных между собой электродвигателей или электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок, или положения ИМ рабочих машин. Необходимость в таком электроприводе часто возникает по конструктивным или техническим соображениям.

Примером взаимосвязанного электропривода может служить привод непрерывной группы валков прокатных клетей, связанных между собой через прокатываемый металл, где требуется постоянство соотношения скоростей клетей исходя из постоянства секундного объѐма металла, проходящего через клети.

Другим примером взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод, в котором двигатели работают на один вал по соображениям дробления мощности двигателей, быстродействия, надежности и конструктивного исполнения. Например, электропривод скиповой лебѐдки доменных печей.

Многообразие технологических процессов обуславливает и различные виды, и характеры движения ИМ рабочих машин, а, следовательно, электроприводов.

7

По виду движения электроприводы могут обеспечивать: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движение. Вращательное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путѐм использования электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т.п.), либо применения электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (так называемые линейные электродвигатели, магнитогидродинамические и др.).

По степени управляемости электроприводы могут быть:

1)нерегулируемые – работа ИМ рабочей машины с одной рабочей скоростью, координаты электропривода изменяются только из-за возмущающих воздействий;

2)регулируемые – работа ИМ рабочей машины происходит с различными значениями координат электропривода (скорости, момента, тока, магнитного потока) или параметров силовой цепи двигателя (сопротивления);

3)программно-управляемые – управляемый в соответствии с заданной программой, например, электропривод с числовым программным управлением металлорежущих станков;

4)следящие – автоматически отслеживающий перемещение ИМ рабочей машины с заданной точностью с произвольно меняющимся задающим сигналом;

5)адаптивные – автоматически избирающий параметры регуляторов при изменении условий работы рабочей машины с целью выработки оптимального режима, например, по быстродействию.

Можно классифицировать электроприводы по роду передаточного механизма:

1)редукторный – электродвигатель передаѐт вращательное движение передаточному механизму, содержащему редуктор;

2)безредукторный.

По уровню автоматизации:

1)неавтоматизированный электропривод – с ручным управле-

нием;

8

2)автоматизированный электропривод - автоматическое регу-

лирование координат;

3)автоматический электропривод – управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.

1.3 Краткая история развития электропривода

Начало развития электропривода было положено в первой половине 19-го века на основе работоспособных образцов электрического двигателя. Первое практическое использование электродвигателя постоянного тока, оснащѐнного другими характерными элементами электропривода: механической передачей, органами управления и т.п. – и обеспечивающего движение катера по р. Неве, относят к 1834-1838гг. и связывают с именем академика Б.С. Якоби. Эта работа получила мировое признание, однако несовершенство технических средств и, главным образом источника питания – громоздкой гальванической батареи – не позволило блестящему изобретению Б.С. Якоби и работам его последователей найти широкое практическое применение. И только в 70-е годы 19-го века были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, демонстрировавшиеся на выставках в Вене, Париже, Мюнхене.

Условия для массового развития электропривода создались в конце девятнадцатого века благодаря открытию в 1886г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало создания многофазных электродвигателей переменного тока. Благодаря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, предложившего и реализовавшего в 1888г. трѐхфазную систему передачи энергии переменного тока и разработавшего в 1889г. трѐхфазный асинхронный двигатель с распределѐнной обмоткой статора и короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

Конец девятнадцатого – начало двадцатого веков характеризуется строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Централизованная выработка электроэнергии с еѐ последующим

9