Введение

B.I. ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК СРЕДСТВО ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Создание материально-технической базы коммунистического общества, решение глобальных экономических и социальных задач нашего общества невозможны без полной электрификации всех отраслей народного хозяйства. Осуществляемые на ее основе автоматизация и комплексная механизация производственных и технологических процессов позволяют резко повысить производительность труда и улучшить условия труда и жизни рабочих и колхозников. Как следствие этого растет материальное благосостояние советских людей, обогащается их духовный мир, постепенно исчезают грани между городом и деревней, физическим и умственным трудом.

Важную роль в реализации планов электрификации нашей страны играет электрический привод, который в настоящее время является основным видом привода самых разнообразных производственных и. транспортных механизмов, бытовых приборов, устройств водо- и газоснабжения, средств телевизионной и космической техники, медицинской аппаратуры и т.д. Более 60% вырабатываемой в стране электроэнергии потребляется электрическим приводом.

В ведущих отраслях промышленности – металлургической, машиностроительной, химической, добывающей и ряде других коэффициент электрификации, представляющий собой отношение установленной мощности электродвигателей к общей установленной мощности двигателей всех видов, приближается в настоящее время к 100 %. Чем же определяется главенствующее место электрического привода среди других возможных видов привода – теплового, гидравлического и пневматического? Известными преимуществами электрической энергии являются простота ее выработки и распределения, легкость преобразования ее в другие виды энергии. Вместе с тем электрический привод обладает и рядом собственных достоинств и отличительных черт:

1) возможностью изготовления электродвигателей на самые разнообразные мощности и скорости движения. Диапазон мощностей современного электропривода колеблется от сотых долей ватта до десятков тысяч киловатт, а пределы частоты вращения ‑ от долей оборота вала в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту;

2) возможностью создания электроприводов для работы в самых разнообразных условиях: в среде агрессивных жидкостей и газов, в условиях космического пространства, при низких и высоких температурах и т. д. Разнообразие конструктивных исполнений электродвигателей позволяет осуществлять рациональное сочленение электропривода с рабочей машиной;

3) возможностью с помощью простых средств реализовать разнообразные и сложные виды движения исполнительных органов рабочих машин, а также изменять направление движения и его параметры ‑ скорость, ускорение;

4) легкостью автоматизации производственных и технологических процессов, простотой включения электропривода в общую автоматизированную систему управления производством;

5) высоким КПД электропривода, надежностью в эксплуатации, благоприятными условиями для обслуживающего персонала, отсутствием загрязнения окружающей среды.

Отметим и то важное обстоятельство, что разработка и серийный выпуск отечественной промышленностью различных средств вычислительной техники, микроэлектроники, полупроводниковых преобразователей, электрических машин, аппаратов и других элементов автоматизированного электропривода способствуют его бурному развитию, совершенствованию и превращению в основное средство автоматизации и комплексной механизации всех отраслей народного хозяйства.

В.2. ПОНЯТИЕ «ЭЛЕКТРОПРИВОД»

Электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением [38]. Для выполнения этих функций электропривод вырабатывает механическую энергию за счет электрической энергии, получаемой им от источника электрической энергии (сети электроснабжении). Вырабатываемая электроприводом механическая энергия передается различным

Рис. В. 1. Структурная схема электропривода

исполнительным органам рабочих машин и механизмов (ленте транспортера или конвейера, шпинделю токарного станка, крыльчатке насоса, валкам прокатного стана, кабине лифта, антенне радиотелескопа и др.) и при необходимости регулируется в соответствии с технологическими требованиями к режимам работы исполнительного органа.

За счет полученной энергии исполнительный орган совершает требуемое механическое движение, обеспечивая тем самым выполнение производственных и технологических операций: перемещение грузов, обработку деталей, транспортировку жидкости или газа, слежение за небесными телами и т.д.

Структурная схема автоматизированного электропривода показана на рис. В.1. Основой любого электропривода является электродвигательное устройство (электродвигатель) ЭД, который обеспечивает преобразование электрической энергии ЭЭ в механическую МЭ.

Для согласования движений ЭД и исполнительного органа ИО рабочей машины служит механическое передаточное устройство МПУ, которое обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ЭД механической энергии. Движущаяся часть ЭД (ротор), МПУ и НО образуют механическую часть электропривода. В ряде случаев МПУ отсутствует и ЭД непосредственно сочленяется с ИО.

Механическую энергию ЭД вырабатывает за счет электрической энергии, которая подводится к ЭД от источника электрической энергии ИЭЭ через электрическое преобразовательное устройство ПУ. Назначение ПУ состоит в преобразовании и регулировании параметров электрической энергии, поступающей от ИЭЭ к ЭД для управления механическим движением НО.

Управление процессом преобразования энергии осуществляется с помощью управляющего устройства УУ, которое вырабатывает управляющий сигнал Uy в функции задающего сигнала Ua (иногда его называют также входным или сигналом уставки) и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ЭД или ИО и т.д. Использование этих сигналов (на рис. В.1 они показаны штриховыми линиями) позволяет получить требуемые характеристики движения ЭД и ИО, достигнуть оптимального режима работы производственных механизмов, обеспечить защиту и блокировки при работе электропривода. Эти сигналы вырабатываются соответствующими датчиками, которые на рис. В.1 не показаны. Преобразовательное и управляющее устройство образуют систему управления СУ, которая вместе с обмотками составляет электрическую часть электропривода.

Ниже приведены наиболее распространенные примеры исполнительных органов и элементов электропривода:

1. Исполнительный орган

Шпиндель токарного станка; подвижной стол строгального станка; лента (цепь) конвейера; ковш экскаватора; кабина подъемника; крыльчатка насоса; валки прокатного стана; ходовой винт механизма подачи станка; тележка механизма передвижения крана; крюк подъемной лебедки

2. Электродвигатель

Двигатель постоянного тока с разными видами возбуждения; асинхронный двигатель с фазным или короткозамкнутым ротором; синхронный двигатель; линейные двигатели постоянного или переменного тока; вентильный двигатель; шаговый двигатель; двигатели с катящимися и волновыми роторами; редукторные двигатели

3. Механическое передаточное

устройство

Цилиндрические и червячные редукторы; планетарная передача; передача винт ‑ гайка; волновая передача; кривошипно-шатунная передача; цепная и ременная передачи; реечная передача

4. Преобразовательное

устройство

Управляемый выпрямитель; преобразователи частоты, напряжения переменного тока; импульсные преобразователи напряжения; инверторы

5. Управляющее устройство

Кнопка, ключ управления; регулятор; управляющая вычислительная машина; реле; логические элементы; усилитель; фазовый детектор

6. Источник электрической

энергии

Однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты; цеховая сеть постоянного тока; аккумуляторная батарея; дизель-генераторная установка; солнечная батарея

В.3. ФУНКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ТРЕБОВАНИЯ К НЕМУ

Настоящий период жизни общества характеризуется высоким уровнем развития средств производства, транспорта, связи, бытовой техники. Для обеспечения растущих потребностей человечества созданы, продолжают разрабатываться и совершенствоваться сотни тысяч рабочих машин, производственных и бытовых механизмов, подъемно-транспортных средств и т.д. Они осуществляют обработку материалов и изготовление разнообразных изделий, транспортировку людей и веществ, добычу полезных ископаемых, обеспечивают быт людей и выполняют многие другие функции. Представление об основных технологических процессах и рабочих машинах дает табл. В.1 (колонки 2 и 3). Рассмотрим эти примеры с целью определения требований к электроприводу и выполняемых им функций.

Для функционирования рабочих машин и механизмов к их исполнительным органам от привода должна быть подведена механическая энергия, за счет которой и совершается их движение- Характер этого движения может быть разнообразным ‑ вращательным однонаправленным (крыльчатка насоса и вентилятора, фреза фрезерного станка) и реверсивным (валки прокатного стана, шпиндель токарного станка), поступательным однонаправленным (лента транспортера, цепь конвейера) и реверсивным (стол строгального станка, подъемные механизмы), а также возвратно-поступательным (вибрационные механизмы, прессы). Иногда эти движения должны совершаться сразу в нескольких плоскостях ‑ антенна радиотелескопа, «руки» робота и манипулятора, ковш экскаватора.

Многие машины и механизмы при своей работе требуют изменения не только направления, но и скорости движения исполнительных органов. Так, угловая скорость валков прокатного стана должна быть различной в зависимости от профиля прокатываемого металла. Также необходимо изменять скорость подачи режущего инструмента или стола металлообрабатывающего станка в зависимости от твердости материала обрабатываемой детали, ее конфигурации и стойкости режущего инструмента. Для большинства подъемно-транспортных машин-кранов, лифтов, подъемников ‑ для обеспечения точного останова исполнительных органов их скорость должна быть предварительно снижена.

Еще одно важное требование к электроприводу связано с поддержанием с заданной точностью скорости движения исполнительного органа (металлорежущие станки, испытательные стенды, прокатные станы и т.д.).

Все перечисленные требования к характеру движения исполнительных органов, которые должны быть обеспечены приводом, отражены в табл. В.1.

Наряду с обеспечением движения исполнительных органов электропривод одновременно выполняет и разнообразные функции по автоматизации технологических процессов и операций. Наиболее распространенные задачи, которые чаще всего возникают и решаются, также указаны в табл. В.1. Круг этих задач очень разнообразен. Большинство может быть решено только с применением автоматизированного электропривода, в котором используются самые последние достижения электроники, автоматики, электромеханики и электромашиностроения.

Немаловажной функцией, возлагаемой на электропривод, является обеспечение защит, блокировок и сигнализаций при работе технологического оборудования. Для этого в структуру электропривода вводятся соответствующие элементы и устройства, предотвращающие неправильную последовательность операций или ошибочные действия оператора и осуществляющие ограничение хода исполнительных органов, останов машины или механизма при возникновении аварийных ситуаций и т. д.

Таблица В.1

Технологический процесс	Рабочие машины и механизмы, осуществляющие процесс	Характерные требования к движению исполнительных органов	Функции электропривода как средства автоматизации процессов
Изготовление и обработка материалов и изделий Перемещение материалов и изделий Перемещение людей Перемещение жидкости и газов Обеспечение быта людей Разработка полезных ископаемых Обеспечение теле- и радио- связи, вспомогательных операций, испытание материалов и изделий	Металлообрабатывающие и деревообрабатывающие станки. Прокатные станы. Прессы. Ткацкие станки. Бумагоделательные машины. Электроинструмент Транспортеры. Лебедки. Подъемные краны. Лифты. Эскалаторы. Подвесные дороги Насосы. Вентиляторы. Дымососы. Компрессоры Холодильники. Стиральные машины. Электромясорубки Экскаваторы. Буровые Установки. Угольные комбайны. Радиотелескопы. Роботы. Манипуляторы. Графопостроители. Испытательные стенды	Поступательное однонаправленное или реверсивное движение. Вращательное однонаправленное или реверсивное движение. Возвратно-поступательное движение. Точная установка исполнительного органа в заданное положение в пространстве. Изменение скорости и ускорения. Постоянство скорости движения	Пуск, реверс и останов (торможение). Регулирование скорости и ускорения. Обеспечение заданного натяжения обрабатываемого материала. Согласование движения нескольких исполнительных органов. Обеспечение движения по заданной программе. Обеспечение движения в функции произвольно изменяющегося входного сигнала (слежение). Достижение оптимального режима процесса. Адаптация к изменяющимся условиям процесса. Комплексная автоматизация сложных процессов. Обеспечение защит и блокировок при работе оборудования

В.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Данные табл. В.1 позволяют сделать вывод о большом разнообразии существующих электроприводов. Их классификация обычно производится по виду движения и степени управляемости электропривода, роду электрического и механического передаточных устройств, способу передачи механической энергии исполнительным органам и ряду других признаков.

По виду движения различаются электроприводы вращательного и поступательного однонаправленного и реверсивного движения, а также электроприводы возвратно-поступательного движения. Эти движения могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер.

По принципам регулирования скорости и положения электропривод может быть:

нерегулируемый (исполнительный орган приводится в движение с одной постоянной скоростью);

регулируемый (путем воздействия на электропривод скорость движения исполнительного органа изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса);

следящий (с помощью электропривода воспроизводится перемещение исполнительного органа в соответствии с произвольно изменяющимся задающим сигналом);

программно-управляемый (электропривод обеспечивает перемещение исполнительного органа в соответствии с заданной программой);

адаптивный (электропривод автоматически обеспечивает оптимальный режим движения исполнительного органа при изменении условий его работы);

позиционный (электропривод обеспечивает регулирование положения исполнительного органа рабочей машины).

По роду механического передаточного устройства различают редукторный электропривод, содержащий один из видов механического передаточного устройства, и безредукторный, в котором электродвигатель непосредственно соединен с исполнительным органом.

По роду электрического преобразовательного устройства различают:

вентильный электропривод, преобразовательным устройством которого является вентильный преобразователь энергии. Разновидностями вентильного электропривода являются ионный и полупроводниковый электроприводы. Полупроводниковый электропривод, в свою очередь, делится на тиристорный и транзисторный электроприводы, преобразовательным устройством в которых является соответственно тиристорный или транзисторный преобразователь электроэнергии;

система управляемый выпрямитель ‑ двигатель (УВ ‑ Д) ‑ вентильный электропривод постоянного тока, преобразовательным устройством которого является регулируемый выпрямитель;

система преобразователь частоты ‑ двигатель (ПЧ ‑ Д) ‑ вентильный электропривод переменного тока, преобразовательным устройством которого является регулируемый преобразователь частоты;

система; генератор ‑ двигатель (Г ‑ Д) и магнитный усилитель ‑ двигатель (МУ ‑ Д) ‑ регулируемый электропривод, преобразовательным устройством которого является соответственно электромашинный преобразовательный агрегат или магнитный усилитель.

По способу передачи механической энергии исполнительному органу электроприводы делятся на индивидуальный, взаимосвязанный и групповой.

Индивидуальный электропривод характеризуется тем, что каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение своим отдельным двигателем. Этот вид привода в настоящее время является основным, так как .при индивидуальном электроприводе упрощается кинематическая передача от двигателя к исполнительному органу, легко осуществляется автоматизация технологического процесса, улучшаются условия обслуживания рабочей машины.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов. Частным случаем взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод, при котором несколько двигателей работают на общий вал, приводя в движение один исполнительный орган.

Групповой электропривод характеризуется тем, что от одного двигателя приводится в движение несколько исполнительных органов одной или нескольких рабочих машин. Такая система электропривода, широко применявшаяся на раннем этапе его развития, имеет разветвленную кинематическую цепь (трансмиссию), что усложняет ее эксплуатацию и автоматизацию технологических процессов.

B.5. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

История электропривода начинается в 30—40-х годах XIX в. с создания петербургским академиком Б. С. Якоби электрического двигателя постоянного тока. Этот двигатель был установлен на небольшом судне, которое в 1883 г. сделало несколько рейсов по Неве. Однако из-за отсутствия экономичных источников электроэнергии дальнейшего развития электропривод постоянного тока не получил, и вплоть до конца XIX в. основными типами двигателей являлись паровой и водяной, осуществлявшие с помощью трансмиссий групповой привод рабочих машин.

Предпосылкой для создания экономичных промышленных электроприводов явилась разработка многофазных систем переменного тока и открытие в 80-е годы Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля. Особое значение для развития электропривода имела разработка русским инженером М. О. Доливо-Добровольским основ теории наиболее экономичной ‑ трехфазной системы переменного, тока и создание в 1889 г. самого распространенного ныне трехфазного асинхронного двигателя. С этого времени начинается эпоха широкого производства и всестороннего использования электрической энергии и бурное развитие электрического привода. Так, если в 1890 г. доля мощности электродвигателей составляла только 5% мощности всех установленных двигателей, то в 1927 г. ‑ уже 75, а в настоящее время она близка к 100 %.

В нашей стране уже в первые годы Советской власти по указанию В. И. Ленина и под руководством Коммунистической партии ученые и инженеры создали государственный план электрификации России ‑ ГОЭЛРО, который положил начало электрификации страны. План ГОЭЛРО был успешно выполнен. В годы пятилеток продолжалось широкое строительство тепловых и гидравлических электростанций. Из года в год росла выработка электроэнергии, что создавало предпосылки для полной электрификации народного хозяйства страны и широкого использования электрического привода. К 1960 г. коэффициент электрификации в угольной промышленности достиг 99, в металлургической 87, в химической 98, в машиностроительной 98,5%. Такой быстрый рост электровооруженности труда позволил резко повысить его производительность и на этой основе успешно решить многие экономические и социальные задачи развития нашей страны.

Широкому внедрению и совершенствованию электропривода способствовало создание мощной электротехнической промышленности и целой сети научно-исследовательских и проектных институтов. От электромашинной техники управления электроприводами к ионной, от ионных приборов и устройств к системам управления на магнитных усилителях, от магнитных усилителей к полупроводниковой технике управления ‑ такие этапы развития прошел автоматизированный электропривод благодаря целенаправленной работе многих организаций и предприятий, таких, как ХЭМЗ, «Электросила», «Динамо», ВНИИэлектропривод, ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», ЭНИМС и многих других:

Большой вклад в становление и развитие автоматизированного электропривода внесли и продолжают вносить Высшие учебные заведения. В трудах советских ученых С. А. Ринкевича, В. К. Попова, А. Т. Голована, Д. П. Морозова, Н. П. Костенко, В. С. Кулебакина, М. Г. Чиликина, А. С. Сандлера и др. разработаны основы теории электропривода. Созданные ими научные монографии и учебники являются фундаментальными трудами в области автоматизированного электропривода, по которым учились и продолжают учиться все поколения электроприводчиков. Эти книги стали классическими трудами в области электропривода и изданы во многих странах мира.

Зародившись полтора века тому назад, электропривод в настоящее время переживает период бурного развития и совершенствования. Это • в первую очередь определяется тем, что все новые открытия и достижения в смежных областях науки и техники ‑ в электромашиностроении и электроаппаратостроении, в вычислительной технике и электронике, в теории автоматического управления и регулирования ‑ сразу же начинают использоваться в теории и практике электропривода, позволяя создавать более совершенные автоматизированные системы.

Так, в свое время поистине революционизирующее влияние на развитие электропривода оказали разработка и производство полупроводниковых управляемых вентилей ‑ тиристоров. Созданные на их основе полупроводниковые преобразователи постоянного и переменного тока постепенно заменили применявшиеся до этого электромашинные и ионные преобразователи, позволив резко повысить технико-экономические показатели электроприводов.

Большое значение для развития электропривода имеют успехи микроэлектроники и создаваемой на этой базе микропроцессорной техники. Применение управляющих вычислительных машин (УВМ) в электроприводе открывает новые горизонты его развития и сулит получение значительного технико-экономического эффекта при автоматизации сложных технологических процессов.

Новые возможности для электропривода связаны с созданием и применением электрических двигателей специального назначения. К их числу относятся линейные электродвигатели поступательного движения, малоинерционные двигатели с гладким, полым или дисковым якорем, многокоординатные шаговые двигатели, двигатели с катящимся и волновым роторами и др. Использование в электроприводе таких двигателей позволяет повысить его быстродействие и точность работы, в ряде случаев упростить или совсем устранить механическое передаточное устройство, обеспечить несколько степеней свободы движения исполнительного органа, повысить экономичность работы привода и т. д.

Современный автоматизированный электропривод ‑ это высоконадежная и экономичная электромеханическая система, способная полностью обеспечить автоматизацию любого технологического процесса, достигнуть высокого быстродействия и точности при своей работе, улучшить условия труда обслуживающего персонала.

Глава первая

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА