Лекция 16
Электропривод исполнительных устройств автоматики
18.1 Назначение и классификация электроприводов
Электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управления этим движением, называется электрическим приводом или электроприводом (ЭП). Общая структурная схема электропривода приведена ниже, где утолщёнными линиями показаны силовые цепи, а тонкими линиями – слаботочные информационные и управляющие цепи ЭП.
1 – электрический двигатель; 2 – управляемый усилитель мощности; 3 – источник электрической энергии; 4 – контроллер; 5 – система управления электроприводом; 6 – электропривод; 7 – исполнительный орган; 8 – рабочая машина; 9 – передаточное устройство (механическое, гидравлическое, электромагнитное); ЭЭ – электрическая энергия; МЭ – механическая энергия; Uз – задающее воздействие; Uу – управляющее воздействие; Uд.с. – информационные сигналы о характере движения рабочей машины, работе отдельных узлов электропривода, возникновении аварийных ситуаций и т.п.
Рисунок 18.1 - Структурная схема электрического привода
Основным элементом любого электропривода служит электродвигатель, являющийся электромеханическим преобразователем энергии. От электродвигателя механическая энергия через механический редуктор, гидравлическую или электромагнитную муфту передаётся на исполнительный орган рабочей машины, совершающий требуемое механическое движение. Непосредственное соединение электродвигателя с исполнительным органом позволяет улучшить технико-экономические показатели электропривода.
В электроприводе используют:
1. Электродвигатели вращательного и поступательного движения постоянного и переменного тока непрерывного и дискретного перемещения.
2. Механические преобразователи в виде цилиндрических, реечных, червячных и планетарных редукторов.
3. Передачи «винт – гайка», цепные и ременные передачи, гидравлические и электромагнитные муфты.
4. Электрические преобразователи (управляемые выпрямители, инверторы тока и напряжения, регуляторы частоты и напряжения, импульсные регуляторы напряжения).
5. Устройства управления (кнопки, командоаппараты, магнитные пускатели – реверсивные и нереверсивные, - управляющие и регулирующие микропроцессорные средства).
Электропривод классифицируют по характеру движения, виду и способам реализации электрического преобразователя, количеству используемых электродвигателей, виду источников электроэнергии, способу управления, наличию или отсутствию механической передачи и т.д. Выделим самые важные составляющие классификации.
По характеру движения различают электроприводы вращательного и поступательного движения. При этом скорость электропривода может быть регулируемой или нерегулируемой, а само движение – непрерывным или дискретным, однонаправленным, реверсивным, возвратно-поступательным (вибрационным).
По количеству электродвигателей групповые, индивидуальные и взаимосвязанные электроприводы. В групповом электроприводе один двигатель приводит в движение несколько исполнительных органов одной рабочей машины или один исполнительный орган нескольких рабочих машин. Индивидуальный ЭП обеспечивает движение одного исполнительного органа рабочей машины. Взаимосвязанный ЭП представляет собой сочетание двух или нескольких электрически (механически) связанных между собой индивидуальных ЭП, работающих совместно на один или несколько исполнительных органов. Если двигатели связаны между собой механически и работают на один вал, то такой электропривод называют многодвигательным. Если же двигатели связаны между собой электрически, то такой электропривод называют «электрическим валом».
По виду электрического преобразователя, если в качестве характерного признака взять способ преобразования напряжения источника электроэнергии, различают четыре вида преобразователей: управляемые и неуправляемые выпрямители; инверторы; преобразователи частоты и напряжения переменного тока; конверторы. Элементной базой электрических преобразователей могут быть электрические машины, магнитные усилители, ионные и полупроводниковые приборы. Современные преобразователи являются, как правило, полупроводниковыми. В них используют биполярные транзисторы с изолированным затвором, диоды и тиристоры.
18.2 Выбор двигателей для электропривода
18.2.1 Выбор двигателей по роду тока и принципу действия,
конструктивному исполнению и внешним воздействиям
Род тока для электропитания двигателя (постоянный ток, переменный ток трёх- или однофазный, промышленной или повышенной частоты) определяется выбором типа двигателя: двигатель постоянного или переменного тока (синхронный либо асинхронный). Выбранный двигатель должен в наибольшей степени удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроприводу, и одновременно быть максимально экономичным и надёжным.
«Правила устройства электроустановок» регламентируют основные положения выбора двигателей для электроприводов:
Электрические и механические параметры двигателей (номинальные значения мощности, напряжения, частоты вращения, относительная продолжительность включения, перегрузочная способность, начальный пусковой момент, диапазон регулирования частоты вращения и т.п.) должны соответствовать параметрам приводимых в действие механизмов.
Для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, независимо от мощности следует применять двигатели синхронные или асинхронные с короткозамкнутым ротором.
Для привода механизмов с тяжёлыми условиями пуска или работы либо требующих изменения частоты вращения следует применять двигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска и регулирования частоты вращения, которые возможны в данной электроустановке.
Двигатели постоянного тока допускается применять только в случаях, когда двигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик механизма, в том числе экономических показателей.
Двигатели, устанавливаемые на открытом воздухе, должны иметь исполнение по степени защиты не менее IP44 или специальное исполнение, которое соответствует условиям работы конкретного электропривода (например, для химических установок, взрыво- или пожароопасных сред, эксплуатации для особо низких температур окружающей среды и т.п.).
Двигатели, устанавливаемые в помещениях, где возможно оседание на обмотках пыли, волокон или других веществ, нарушающих режим охлаждения, должны иметь закрытое исполнение по степени защиты не менее IP44 или защищённое исполнение при условии продувания внутренней полости двигателя чистым воздухом, поступающим извне по воздуховодам. При этом корпус продуваемого двигателя, воздуховоды, все сопряжения и стыки должны иметь уплотнение, исключающее присос воздуха из помещения, где установлен двигатель.
При установке двигателей в помещениях с температурой окружающей среды более
40 0С должны быть выполнены мероприятия, исключающие возможность
недопустимого перегрева двигателя. Например, применить двигатели, которые
рассчитаны на температуру внешней среды превышающую 40 0С (двигатели
металлургических серий), или же применить принудительную вентиляцию с подводом
охлаждённого воздуха и т.п.
Двигатели, устанавливаемые в сырых и особо сырых местах, должны иметь закрытое
исполнение и влагостойкую изоляцию обмоток.
Вибрационные и ударные воздействия на двигатель не должны превышать значений
допускаемых для данного типа двигателя.
Двигатели, устанавливаемые во взрывоопасных и пожароопасных зонах, должны
выбираться в соответствии с рекомендациями по взрыво- и пожарозащите.
Для электропривода с глубоким регулированием частоты вращения приходится делать выбор между двигателем постоянного тока и асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором при его питании от преобразователя частоты переменного тока. Применение преобразователей частоты хотя и является прогрессивным, но в ряде случаев сдерживается их повышенной стоимостью. При решении вопроса об использовании преобразователя частоты следует помнить о его энергосберегающем эффекте, снижающем эксплуатационные расходы электропривода, и о возможности «мягкого» пуска двигателя, что повышает надёжность электропривода.
Исходя из характера работы электропривода, требуемых механических характеристик, номинальной частоты вращения и диапазона её регулирования, определяют тип двигателя: асинхронный, синхронный, коллекторный или вентильный постоянного тока.
Выбор двигателя по виду механической характеристики предполагает четыре группы нагрузки рабочей машины:
Момент сопротивления не зависит от скорости. Такую механическую характеристику имеют подъёмные краны, лебёдки, механизмы подачи резца металлорежущих станков, конвейеры с постоянной массой передвигаемого материала, т.е. механизмы, у которых момент сопротивления создаётся, в основном, силами трения, мало изменяющимися в рабочих пределах изменения скорости.
Момент сопротивления увеличивается по линейному закону с увеличением скорости, например, генератор постоянного тока с независимым возбуждением, у которого нагрузкой является электроприёмник с постоянным электрическим сопротивлением.
Момент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости. Эту механическую характеристику имеют механизмы подачи некоторых металлорежущих станков (токарных, фрезерных и др.).
Момент сопротивления увеличивается по параболическому закону с увеличением скорости, что характерно для механических характеристик вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов, пропеллеров и т.п.
В электроприводе большой мощности (более 400 кВт) оправдано применение трёхфазных синхронных двигателей, имеющих наиболее высокие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). Двигатели постоянного тока в 2 – 3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Для электроприводов подъёмных устройств с тяжёлыми условиями пуска, реверсом и перегрузками возможно применение двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Параметры питающей сети определяют выбор номинального напряжения и предельную токовую нагрузку, которая не вызывала бы в этой сети падения напряжения, превышающего допустимые значения.
Способ монтажа и условия эксплуатации определяют форму конструктивного исполнения двигателя: способ сопряжения с рабочими машинами (горизонтальное или вертикальное расположение вала), степень защиты, способ охлаждения и способ монтажа (двигатель на лапах или фланцевого крепления), с использованием стояковых или щитовых подшипников и его климатическое исполнение (для умеренного, холодного, тропического климата). Например, в электроприводе с широким диапазоном регулирования частоты вращения «вниз» от номинальной целесообразно применение электродвигателей с независимой вентиляцией, так как с уменьшением частоты вращения эффективность самовентиляции значительно снижается.
Режим работы электропривода определяет требования к статическим и динамическим свойствам двигателя. Статические свойства определяются значением статического момента сопротивления рабочей машины, требуемой частотой вращения, необходимостью регулирования частоты вращения и его диапазоном, возможностью кратковременных перегрузок и т.п. Динамические свойства определяются показателями переходных режимов: частотой пуска, реверса и торможения. Например, при частых пусках, торможении или реверсе требуется двигатель с малым моментом инерции ротора (якоря).
Большое значение при выборе двигателя имеют экономические требования: стоимость двигателя, его КПД и коэффициент мощности, масса и габариты, эксплуатационные расходы, в том числе, на ремонт и профилактику.