Реферат история развития электропривода

Обновлено: 02.07.2024

22 дек. 1920 г. – план ГОЭЛРО – электрификация страны.

Теорию электропривода разработали: Голован, Ринкевич, Попов, Чиркин.

1.2 Основные направления развития электропривода

1. Разработка и выпуск комплектных ЭП с использованием совершенных преобразователей и микропроцессорного управления.

2. Увеличение надежности, унификации и улучшение энергетических показателей ЭП.

3. Расширение области применения регулируемого асинхронного ЭП.

4. Использование ЭП с новыми типами электродвигателей (линейными, шаговыми, вентильными).

5. Создание математических моделей и алгоритмов технических процессов, машинных средств проектирования ЭП.

6. Подготовка инженерно – технических ресурсов и научных кадров, способных проектировать, создавать и эксплуатировать современные автоматизированные ЭП.

1.3 Структурная схема электропривода

Элктропривод – электромеханическая система, состоящая из электродвигателя, преобразователя, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение ИО рабочей машины и управления этим движение (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Структурная схема электропривода.

Механика электропривода

Статические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

где r_оя – обмотки якоря;

r_ко – компенсационной обмотки;

r_дп – добавочных полюсов;

r_щ – щеточного контакта;

R = R_я + R_д – сопротивление якорной цепи

Принимаем следующие допущения:

1) реакцией якоря пренебрегаем;

2) момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

Для вывода формул воспользуемся основными формулами:

где Ф – магнитный поток;

k – конструктивный коэффициент машины , k=pN/(2πa)

Подставим формулу (2) в (1):

Получаем уравнение электромеханической характеристики ω=f(I),

Выведем уравнение механической характеристики ω=f(М). Из формулы (3) выразим ток , а затем подставим в формулу (4):

Характеристики линейны, их можно совместить, т.к. М~I

1) точка А – точка идеального холостого хода;

2) точка В – точка короткого замыкания;

Режим к.з. машины соответствует неподвижному состоянию якоря при поданном напряжении якоря, а не замыканию его цепей друг с другом или на корпус (пример – момент пуска).

Расчет резисторов

Задача 3.2 ДПТ НВ	Из предыдущего расчета (см. пример расчета естественных характеристик): ω_н=131 рад/с kФ_н=3,05 В·с М_н=2290 Н·м ω₀=144 рад/с 1. Номинальное ЭДС, В Е_н= kФ_н·ω_н Е_н =3,05·131=400 2. Номинальное КПД 3. Сопротивление якоря, Ом 4. Сопротивление добавочное, Ом
Дано: Р=300 кВт U_н=440 В n_н=1250 об/мин I_н=750 А Динамическое торможение ω=ω_н I_т=1,5I_н
R_доб. -?
Задача 3.3
Дано: Этот же ДПТ; Режим противовключения ω = 0,7ω_н I_т=1,7I_н	Из предыдущих расчетов: R_я=0,03 Ом E_н= 400 В 1. Добавочное сопротивление, Ом:
R_доб. -?
Задача 3.4 Дано: Этот же ДПТ; Пуск двигателя U=U_н I_пуск=2,5I_н	Из предыдущих расчетов: R_я=0,03 Ом 1. Добавочное сопротивление, Ом:
R_доб. -?

Механические характеристики

Уравнение механической характеристики:

Исследуем зависимость на экстремум,→ , получаем две максимальные точки: М_к, s_к – критические.

(+) – s >0 (двигательный режим)

(–) – s ω₀ – генераторный режим;

5) s>1, ω 0) – противовключение;

Расчет пусковой диаграммы

1. Задаются моментом переключения М₂, М₂=(1,1…1,3)М_с и числом ступеней Z (см. рисунок 4.5)

2. Определяют кратность моментов при пуске:

3. Определяют пиковый момент при пуске:

4. Если М₁≤(0,8…0,9)М_к, строят пусковую диаграмму.

5. Если не выполняется вышеуказанные условия, то задаются другими значениями.

Изменение пар полюсов.

→ ступенчатость регулирования скорости ω₀ вследствие ступенчатости регулирования числа полюсов p.

Статорная обмотка состоит из двух одинаковых секций – полуобмоток. Используются различные схемы их подключения благодаря чему меняется число пар полюсов (рисунок 4.14).

Чаще на практике используют две схемы переключения многоскоростных статорных обмоток:

а) переключение треугольник – двойная звезда ;

б) переключение звезда – двойная звезда ;

А_1н и А_2н – начала 1 и 2 секции фаз.

А_1к и А_2к – концы этих фаз.

Переключение определяет уменьшение числа пар полюсов в 2 раза.

Целесообразно применять при нагруженном ЭП.

Также характеризуется уменьшением числа пар полюсов в 2 раза.

· Достаточная нагрузочная способность.

Целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки

- ступенчатость изменения скорости;

- небольшой диапазон регулирования.

Схема включения

Схема включения СД приведена на рисунке 4.17:

В – возбудитель (генератор постоянного тока, мощностью Р=(0,3..3%)·Р_СД), установленный на одном валу с СД

Статор СД аналогичен статору АД, подключается к трехфазной сети переменного тока.

Ротор имеет обмотку возбуждения и пусковую короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки. Обмотка возбуждения ротора питается от возбудителя. Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля статора и ротора. Максимальный момент М_max определяется по угловой характеристике М=f(θ) (рисунок 4.19).

Участок 1 – режим устойчивой работы. Участок 2 (при θ >π/2) – режим неустойчивой работы (выход из синхронизма).

θ – угол между напряжением U_ф и ЭДС Е

При θ=π/2 – М = М_max;

Номинальный угол θ_н = 25. 30°.

СД может работать во всех основных энергетических режимах.

Пуск синхронного двигателя

1. СД разгоняется с помощью вспомогательного двигателя до ω=0,95ω₀, а затем дают ток возбуждения в обмотку ротора и ротор втягивается в синхронизм.

2. Асинхронный пуск СД – для этого служит КЗ обмотка. СД разгоняется как АД (в обмотке ротора нет питания) до подсинхронной скорости ω=0,95ω₀, а затем на обмотку ротора подается ток возбуждения, ротор втягивается в синхронизм.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка СД обеспечивает 2 основных вида механической характеристики (рисунок 4.20). Выбор характеристики определяется условиями работы СД. Для тяжелых условий пуска выбирают характеристику 2, т.к. М_п2> М_п1, но на характеристике 1 СД легче втягивается в синхронизм, т.к. М_вх1> М_вх2.

При пуске используются две основные схемы возбуждения:

· с глухоподключенным возбуждением (см. схему без К1, R, К2), для легких условий пуска (характеристика 1);

· возбудитель подключается в конце пуска контактом К2. В начале пуска К1 замкнут, К2 разомкнут; в конце наоборот (характеристика 2).

Для небольших мощностей при мощной питающей сети пуск СД происходит без ограничений пускового тока (I_пуск=(4..5) I_н)

При больших мощностях (МВт), соизмеримых с мощностью питающей сети, возникает необходимость ограничения пусковых токов, что чаще всего достигается использованием добавочных сопротивлений R_доб, реакторов и автотрансформаторов.

КПД и коэффициент мощности

КПД для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный):

где А_пол , А_потр – полезная и потребленная энергия;

∆А – потери энергии;

Р_пол _i – полезная механическая энергия на i-ом участке цикла;

∆Р_i – потери механической энергии;

n – число участков работы ЭП.

КПД для ЭП в установившемся режиме:

КПД ЭП как системы:

η_пу – КПД преобразующего устройства;

η_уу – КПД управляющего устройства;

η_мп – КПД механической передачи;

Более мощные и скоростные ЭД характеризуются более высоким КПД. КПД зависит от развиваемой ЭД полезной механической на валу (рисунок 5.1).

Способы повышения КПД:

§ ограничение времени работы ЭД на холостом ходу;

§ обеспечение нагрузки ЭД при работе близкой к номинальной;

§ применение регулятора экономичности;

§ снижение потерь энергии в переходных режимах;

§ использование частотного регулирование скорости АД.

ЭП, подключаемые к сети ~I, потребляют активную и реактивную мощность. Активная мощность расходуется на полезную работу ЭП и покрытие в нем потерь. Реактивная создает электромагнитное поле, но непосредственно работы не совершает. Соотношение между активной и реактивной мощностью характеризуется коэффициентом мощности:

Стараются обеспечить максимальный коэффициент мощности cosφ.

Коэффициент мощности cosφ для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный)

, где А_п – полная энергия.

Более высокое значение cosφ соответствует ЭД с большими номинальными мощностями и скоростями вращения.

Способы повышения cosφ:

§ замена малозагруженных АД на ЭД меньшей мощности;

§ ограничение работы ЭД на хх;

§ понижение питающего напряжения;

§ замена АД на СД.

Системы электропривода

Системы ЭП бывают:

а) разомкнутые – без обратной связи;

б) замкнутые – сигнал с выхода идет обратно на вход

Следящий электропривод

ЭП, который обеспечивает, воспроизводит с заданной точностью движение ИО РМ в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления.

По своей структуре следящий ЭП представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения. Система управления состоит из усилителя и силового преобразователя (рисунок 6.16).

1;5 – датчики входного и выходного сигнала;

2 – измеритель рассогласования;

3 – система управления;

6 – исполнительный орган рабочей машины.

Классификации следящего ЭП.

1) скоростной (воспроизводит заданной точностью скорость движения);

2) позиционный (воспроизводит положение);

По способу управления:

1) непрерывного действия (U рассогласования подается на ЭД постоянно);

2) релейного действия (сигнал подается при достижении U определенного уровня);

3) импульсно следящий ЭП (управляющий сигнал в виде импульсов. Амплитуда, f и заполнение их изменяется в зависимости от U∆). В этом случае говорят об амплитудно-частотной и широтно-импульсной модуляции.

2) ЭД переменного тока.

Библиография

1. Москаленко, В.В. Электрический привод [текст]: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000 368 с.

3. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам [текст]: В 2 т./С74 Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.: ил.

Приложение А

· Момент инерции: = m∙r 2 [кг∙м 2 ]

· Маховый момент: M_м=G·D 2

· Уравнение движения электропривода в общем виде:

· жесткость характеристик: ;

· общая формула приведения статического момента:

· общая формула приведения момента инерции:

· Основные формулы для вывода:

· Уравнение электромеханической характеристики:

· Уравнение механической характеристики:

· Расчет номинальных величин:

· Ток переключения при форсированном пуске:

· Пиковый ток при нормальном пуске:

· Добавочное сопротивление в переходных процессах:

· Синхронная скорость двигателя: ;

· Уравнение механической характеристики АД:

· Критический момент АД:

· Критическое скольжение АД:

· Упрощенная формула Клосса:

· Уравнение механической характеристики СД:

· Переменные потери в ДПТ и роторе АД:

· Полные переменные потери в АД:

· Потери энергии в якоре ДПТ и роторе АД при переходных процессах:

· КПД для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный):

· Время переходного процесса при постоянном динамическом моменте:

· Время переходного процесса при линейных характеристиках ЭД и механизма:

· Электромеханическая постоянная времени:

· Время переходного процесса при изменяющемся динамическом моменте:

· Средний динамический момент:

· Уравнения нагрева и охлаждения:

· Коэффициент повторного включения:

Приложение Б

Специальность	индекс	наименование циклов, дисциплин, основные дидактические единицы	всего обязательных учебных занятий
Электрические машины и аппараты	СД.05	электрический привод: классификация электрического привода, его назначение; типы и характеристики приводных механизмов и электродвигателей; механика электрического привода, уравнение движения; электромеханические свойства двигателей постоянного и переменного тока; регулирование частоты вращения; установившиеся и переходные режимы работы электрического привода; элементы схем управления; расчет мощности, выбор электродвигателей и элементов схем управления; теоретические основы автоматизированного электропривода; принципы автоматического управления электрического привода; типовые схемы и узлы разомкнутых и замкнутых систем автоматического управления электрического привода; преобразовательные устройства

История развития электропривода

1834 г. – академик Якоби создал первый двигатель постоянного тока, работающий от гальванической батареи;

1838 г. – этот двигатель использовании в первом ЭП (катер; 12 – 14 человек; испытан на Неве; не нашел применения из-за отсутствия источников питания);

1889 г. – Доливо – Добровольский изобрел систему трехфазного переменного тока;

1891 г. – Доливо – Добровольский изобрел асинхронный двигатель;

22 дек. 1920 г. – план ГОЭЛРО – электрификация страны.

Теорию электропривода разработали: Голован, Ринкевич, Попов, Чиркин.

1.2 Основные направления развития электропривода

2. Увеличение надежности, унификации и улучшение энергетических показателей ЭП.

3. Расширение области применения регулируемого асинхронного ЭП.

4. Использование ЭП с новыми типами электродвигателей (линейными, шаговыми, вентильными).

5. Создание математических моделей и алгоритмов технических процессов, машинных средств проектирования ЭП.

1.3 Структурная схема электропривода

Рисунок 1.1 – Структурная схема электропривода.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

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

Условия для развития массового электропривода создались в конце XIX в. благодаря открытию в 1886 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока, и, главным образом, благодаря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, который в 1888 г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока, и разработал в 1889 г. трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

Конец XIX – начало XX вв. характеризуются строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Централизованная выработка электроэнергии с ее последующим распределением послужила основой для создания промышленного, индивидуального и группового электропривода.

Одновременно электрический привод вытеснял все виды механического привода. Так, мощность электродвигателей по отношению к общей мощности установленных двигателей в 1890 г. составляла 5 %, в 1927 г. – 75 %, к 1950 г. – около 100 %.

В период интенсивного перехода к индивидуальному электроприводу, во всех новых производствах появилось большое количество различных типов электроприводов. Если в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место и не уступили его до настоящего времени асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах – синхронные двигатели, то регулируемые электроприводы были весьма разнообразны: широко использовались двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения (независимой, параллельной, последовательной, смешанной) при реостатном регулировании или при ослаблении магнитного поля, асинхронные двигатели с фазным ротором, коллекторные двигатели переменного тока, двигатели Бушеро и т. п.

Наибольшее применение в регулируемых электроприводах средней и большой мощности в этот период и в дальнейшем нашла предложенная еще в конце XIX в. система Вард-Леонарда (генератор-двигатель), состоящая из нескольких электрических машин, но обладающая отличными регулировочными возможностями как в статике, так и в динамике.

Идеи автоматического управления, зародившиеся задолго до создания работоспособного электропривода (идеи Уатта–Ползунова и др.), в 30-е годы начали интенсивно развиваться применительно к электроприводу. К началу 40-х годов электромеханическая часть индивидуального, в т. ч. многодвигательного электропривода, приобрела современные черты. Его характерной особенностью оставалось релейно-контакторное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей разных типов: машинных, электронно-ионных, несколько позже магнитных.

В 1941 г. начала интенсивно развиваться военная электротехника, в частности специальные следящие электроприводы для управления орудийным огнем, радиолокации и т. п. Большую роль в создании новых, оригинальных специальных электроприводов сыграл завод № 627, преобразованный затем во ВНИИЭМ.

В 1935 г. в ВЭИ разработана первая версия электропривода с преобразователем на тиратронах – прообраз широко распространенных сейчас регулируемых электроприводов по системе статический преобразователь-двигатель. С 1949 г. электроприводы с ртутными выпрямителями широко внедрялись в качестве главных приводов прокатных станов.

К 1948–1950 гг. относится появление отечественных вентильных каскадов на прокатных станах с введением в цепь ротора главного асинхронного двигателя управляемого ртутного выпрямителя.

В США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, впоследствии широко использовавшиеся в практике разработки управляемого электропривода.

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г. Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В технику электропривода начали входить электронный управляемый ключ и, построенные на его основе, устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода оказал тиристор – мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955 г. усилиями Дж. Молла, М. Танненбаума, Дж. Голдея и Н. Голоньяка (США). Появление тиристоров на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и тиратронов и перейти на управляемые тиристорные выпрямители в цепях электроприводов постоянного тока. Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с так называемым векторным управлением (система трансвектор).

В СССР получили развитие начатые еще в начале 40-х годов (А.А. Булгаков, М.П. Костенко) перспективные работы в области частотно-регулируемого электропривода. В трудах А.С. Сандлера и его учеников в 70-х годах нашли отражение вопросы построения преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на доступной в то время элементной базе – тиристорах, были сформулированы и детально исследованы принципы автоматического управления электропривода с преобразователями частоты.

В 60–70-е годы в МЭИ под руководством М.Г. Чиликина проведены интенсивные исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями (Б.А. Ивоботенко), широко внедренные в металлургической, станкостроительной и других отраслях промышленности, получившие признание технической общественности и заложившие основы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода. В этот же период развивается электропривод с вентильными двигателями, в которых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная еще в середине 50-х годов Кесслером (Германия) и состоящая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Во ВНИИЭлектроприводе в 60–70-е годы были созданы нашедшие широкое применение в промышленности комплексы средств управления электропривода — аналоговая ветвь УБСР-АИ и цифровая ветвь УБСР-ДИ.

Создание в США на границе 60-70-х годов четырехразрядного однокристального микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) PDP 14 ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода. Уже в 70-е годы в мировой практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м годам схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК.

По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко, почти скачкообразно, наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий.

Концептуальные изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала в массовых устройствах – полностью управляемые ключи на токи до 600 А, напряжение до 1200 В с частотами 30 кГц и выше, появившиеся на рынке в последние 10–15 лет, и средства управления ими. Эти приборы, объединенные в модули с встроенными быстрыми обратными диодами и управляемые указанными выше современными средствами, послужили основой для построения преобразователей частоты со структурой неуправляемый выпрямитель – L-С-фильтр – автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), ставших основным техническим решением в регулируемом электроприводе переменного тока мощностью до 600 кВт. В последние годы на рынке появились IGBT-модули на токи до 3600 А и напряжения до 6500 В.

Интенсивно осваиваются новые виды регулируемого электропривода – вентильно-индукторный, с другими нетрадиционными электрическими машинами. В микроприводе миниатюрных роботов применяются тонкопленочные диэлектрические двигатели.

В последние годы в мире отчетливо сформировалось и интенсивно реализуется тенденция перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях: насосы, вентиляторы, конвейеры и т. п., благодаря чему резко повышается технологический уровень оборудования, экономятся значительные энергетические ресурсы.

В статье представлена краткая историческая справка о появлении первых электроприводов и их дальнейшем развитии, а также приведен пример современного оборудования в этой области — сервоусилителя SERVOSTAR S700 от компании Kollmorgen.

Рис. 1. Действующая модель электродвигателя Б. С. Якоби

История электропривода насчитывает уже более 190 лет. Началась она еще в 1821 г., когда знаменитый ученый Майкл Фарадей (Michael Faraday) проводил опыты, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом , и показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника с током. В 1834 г. немецкий физик и изобретатель Мориц Герман Якоби (Moritz Hermann von Jacobi), более известный нам как Борис Семенович Якоби, создал первый электродвигатель (рис. 1), пригодный на практике, который развивал мощность 15 Вт и состоял из двух групп магнитов: четыре неподвижных были установлены на раме, а остальные — на вращающемся роторе. Попеременно изменять полярность подвижных электромагнитов позволял придуманный ученым коммутатор, принцип устройства которого используется до настоящего времени в коллекторных электродвигателях.

Следующий шаг на пути развития электропривода состоялся в 1886 г., когда Галилео Феррарис (Galileo Ferraris) и Никола Тесла (Nikola Tesla) представили публике явление вращающегося магнитного поля, положившее начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока. Затем, в 1888 г., Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока, а в 1889 г. он же разработал трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором, который принял вид всем нам знакомого беличьего колеса.

В дальнейшем развитие электропривода разделилось на две основные ветви в соответствии с типами данных устройств: нерегулируемым и регулируемым. В нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место (и находятся там по сей день) асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах — синхронные двигатели. Что касается регулируемого электропривода, то его эволюция сопровождалась бо́льшим разнообразием видов и технологий. Так, до недавних пор широкое применение в этой области находили двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной. Были доступны технологии ослабления магнитного поля или регулирования реостатом, асинхронные двигатели с фазным ротором, коллекторные двигатели переменного тока, двигатели Бушеро и т. д.

Рис. 2. Робот KUKA KR Agilus с приводами Kollmorgen выполняет функции укладчика

Сегодня широкое распространение получила технология частотно-регулируемого электропривода, вытеснив практически все известные до этого момента методы управления электродвигателем. Частотно-регулируемый привод состоит из инвертора, он же частотный преобразователь, и электродвигателя. Данную технологию начали разрабатывать в 1925 г., когда советский академик Михаил Полиевктович Костенко опубликовал статью о принципах регулирования скорости асинхронного электродвигателя при помощи изменения частоты питающего тока. Благодаря дальнейшему развитию и мощному скачку эффективности силовых полупроводниковых приборов в 1990 г., стало возможным массово выпускать инверторы, и технология частотно-регулируемого электропривода прочно заняла свое место в промышленности. Сейчас такая связка, как инвертор — электродвигатель, находит применение в самых разных областях науки и техники. От жилищно-коммунального хозяйства, где электропривод играет роль регулятора подачи воды, воздуха, топлива и других ресурсов, и подъемно-транспортного оборудования, где частотно-регулируемый электропривод потеснил релейно-контактные схемы, до сервопривода, который обеспечивает высокую скорость и точность позиционирования в обрабатывающих и заготовительных комплексах. Не будем также забывать и о быстрорастущем сегменте робототехники, где частотно-регулируемый электропривод дает возможность автоматизировать процессы сборки, сварки, укладки и другие рутинные действия на производстве (рис. 2).

Стоит отметить, что сейчас в умах конструкторов и инженеров твердо засела мысль о том, что регулируемый электропривод обязательно содержит два компонента: электродвигатель и управляющее им устройство, инвертор. Задавшись целью перемещать объект из точки А в точку Б по линейной плоскости, они считают, что для этого нужно взять частотник, прикрепить электромотор к исполнительному органу и совершать необходимое перемещение, изменяя скорость вращения этого электромотора, а также добавить к этому редуктор или ременную передачу, снабдить направляющими и роликами скольжения. Но насколько оптимален такой подход? Возможно, стоит вернуться к истокам зарождения электропривода и вспомнить опыт Фарадея, абстрагировавшись от ГОСТов и определений и сконцентрировавшись на мысли о том, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита.

Такой подход взяла на вооружение немецкая компания tecodrive GmbH, которая совместно с Университетом Вильгельма Лейбница создала машину подачи листового металла под названием fleXfeed (рис. 3). Особенностью данной машины является то, что листовой металл подается по технологической линии, не имея контакта с поверхностью машины. Таким образом, машина выполняет задачу электропривода без участия электродвигателя и других вспомогательных механических элементов.

Рис. 3. Машина подачи листового металла fleXfeed

Бесконтактная подача основана на принципе магнитного притяжения и отталкивания. Два статора, расположенные друг напротив друга, создают движущееся магнитное поле в металлическом листе, который перемещается и удерживается в середине направляющего канала (рис. 4).

Рис. 4. Принцип действия fleXfeed

Реализовать такую технологию подачи удалось благодаря применению сервоусилителя с расширенным функционалом SERVOSTAR S700 (рис. 5) от компании Kollmorgen. Гибкая система настройки параметров позволяет данному сервоусилителю выполнять функцию регулятора магнитного поля в статорных обмотках и обеспечивать регулировку скорости подачи листового металла.

Рис. 5. Сервоусилитель SERVOSTAR S700

SERVOSTAR S700 можно использовать практически в любых задачах управления движением. Он обладает следующими отличительными характеристиками:

Усилитель легко совместим с роторными, линейными и прямыми серводвигателями Kollmorgen и серводвигателями сторонних производителей, что позволяет сделать подбор элементов машины более гибким. Также имеется возможность управлять асинхронными, синхронными электродвигателями и двигателями постоянного тока с устройствами обратной связи или без них.
Поддержка двадцати пяти видов устройств обратной связи позволяет обеспечить необходимую степень точности.
Встроенные фильтр ЭМС, источник питания 24 В и тормозной резистор предоставляют пользователям возможность уменьшить габариты шкафа распределительного устройства и сократить общее количество элементов в системе.
Встроенный слот для карт памяти типа ММС используется с целью резервного копирования и легкого переноса параметров.
Поддержка макроязыка программирования IEC 61131 дает возможность использовать сервоусилитель как независимый одноосевой контроллер движения.

Простое программирование при помощи бесплатного программного обеспечения DriveGUI (рис. 6).

Рис. 6. Программное обеспечение DriveGUI. Экран базовых настроек

Пользователям также доступна база знаний KDN Kollmorgen, накопленная за годы проектирования и эксплуатации сервосистем, где можно найти необходимую документацию и примеры применения, скачать необходимое программное обеспечение и прошивку, воспользоваться калькулятором расчета и подбора оборудования.

Первый электрический привод был осуществлен в 1838 г. петербургским академиком Б. С. Якоби, который на основе разработанного им в 1834 г. двигателя постоянного тока с вращающимся валом использовал его с питанием от гальванической батареи для привода гребных колес прогулочного катера. Вместе с тем, отсутствие экономически целесообразных источников электрической энергии не позволяло на том уровне развития электрического привода использовать его в производстве.

По существу электрический привод стали внедрять в производство и заменять им тепловой и другие приводы машин и механизмов после разработки русским инженером-электротехником М. О. Доливо-Добровольским в 1889-1891 гг. системы производства, распределения и потребления трехфазного переменного тока, в том числе разработки им трехфазного асинхронного двигателя. Очевидные экономические преимущества централизованного производства электроэнергии трехфазного переменного тока и простота ее распределения привели к тому, что электрический привод, постепенно вытесняя другие виды привода машин и механизмов, занял главенствующее место во многих отраслях народного хозяйства.

Исторически сложилось так, что электрический привод из-за своего исключительного значения и широкого распространения, в результате которого на долю ЭП приходится потребление свыше 60 %вырабатываемой в стране электроэнергии, выделен из общих технологических электроустановок для отдельного рассмотрения.

Электрический привод

Электрическим приводом называют электромеханическую систему, состоящую в обобщенном виде из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением (рис. 1.1).

Основное назначение электропривода как технологической электроустановки – преобразование электрической энергии в механическую энергию движения исполнительных органов машин и механизмов. В отдельных случаях при реализации генераторных режимов торможения возможно и обратное преобразование энергии.

Электродвигательное устройство обеспечивает непосредственное преобразование электрической энергии в механическую.

Преобразовательное устройство осуществляет преобразование электрической энергии источника в необходимый для электродвигательного устройства вид. В простейшем случае функции преобразовательного устройства в электроприводе выполняет различного рода коммутационная аппаратура: контакторы, магнитные пускатели, тиристорные коммутаторы и т. д. В более сложном случае – управляемые полупроводниковые преобразователи: выпрямители, регуляторы напряжения, преобразователи частоты и т. д.

Рис. 1.1. Функциональная схема автоматизированного электропривода:

М – электродвигательное устройство; ПРБ – преобразовательное устройство; ПРД – передаточное устройство; УУ – управляющее устройство.

Передаточное устройство механическую энергию электродвигательного устройства преобразует в вид, необходимый для потребителя механической энергии. В качестве передаточного устройства в электроприводе используют муфты, ременные и цепные передачи, редукторы. По функциональному назначению передаточное устройство сходно с преобразовательным с тем лишь отличием, что преобразовательное преобразует электрическую энергию, а передаточное – механическую.

Потребители механической энергии – это исполнительные органы рабочих машин и механизмов различных технологических установок.

Преобразовательное, электродвигательное и передаточное устройства образуют энергетическую часть электропривода.

Информационную часть электропривода представляет управляющее устройство, которое в ряде случаев классифицируют как информационно-управляющее. Оно на входе получает сигналы задания и обратных связей, а на выходе вырабатывает сигналы управления энергетической частью электропривода. В состав управляющего устройства высокого уровня включают микропроцессорные средства, микро- и мини-ЭВМ.

Важный энергетический показатель электропривода – это коэффициент полезного действия (к. п. д.), значение которого при пренебрежении сравнительно малым потреблением электроэнергии устройством управления определяется выражением

где , , , – соответственно к. п. д. электропривода, преобразовательного, электродвигательного и передаточного устройств.

Так как значения к. п. д. преобразовательного и передаточного устройств достаточно близки к единице и мало зависят от степени нагрузки, то в целом к. п. д. электропривода определяется значением к. п. д. электродвигательного устройства. Как известно, он тоже достаточно высокий и для электродвигателей вращательного движения составляет при номинальной нагрузке 60-95 %. Меньшие значения к. п. д. соответствуют тихоходным электродвигателям малой мощности. При мощностях же свыше 1 кВт номинальное значение к. п. д. электродвигателей, а соответственно и электропривода, как правило, превышает 70 %.

Преимущества электропривода – малый уровень шума при работе и отсутствие загрязнения окружающей среды, широкий диапазон мощностей и угловых скоростей, доступность регулирования угловой скорости и соответственно производительности технологических установок, относительная простота автоматизации, монтажа и эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например внутреннего сгорания.

Классификация электропривода

По основным характерным признакам электроприводы классифицируют следующим образом.

По способу передачи механической энергии исполнительному органу технологической установки различают: групповой, одиночный, индивидуальный и взаимосвязанный электропривод. В групповом электроприводе электродвигатель приводит в движение несколько исполнительных органов одной или нескольких рабочих машин. В одиночном – один исполнительный орган. В индивидуальном – отдельные части электродвигателя представляют собой часть исполнительного органа, например двигатель и исполнительный орган в виде моторколеса. Во взаимосвязанном электроприводе несколько двигателей осуществляют привод одного исполнительного органа, например привод тягового органа протяженного конвейера несколькими электродвигателями.

По наличию механического передаточного устройства выделяют редукторный электропривод и безредукторный. В редукторном электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор. В безредукторном передача движения от электродвигателя осуществляется либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

По роду тока и виду электродвигательного устройства различают электроприводы переменного и постоянного тока; асинхронные, синхронные, вентильные и др.

По виду используемого преобразовательного устройства различают электроприводы следующих систем: УВ-Д (управляемый выпрямитель – двигатель), ШИП-Д (широтно-импульсный преобразователь – двигатель), МУ-Д (магнитный усилитель – двигатель), ТРН-АД (тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель), ПЧ-АД (преобразователь частоты – асинхронный двигатель) и др.

По степени (уровню) автоматизации электропривод может быть: неавтоматизированным, автоматизированным и автоматическим. Неавтоматизированные электроприводы – с ручным управлением, в производственных процессах по требованиям обеспечения безопасности производства не используют. Автоматизированные электроприводы – управляемые автоматическим регулированием параметров; наиболее распространены асинхронные электроприводы мощностью до 200 кВт с синхронными частотами вращения от 750 до 3000 об/мин, которые имеют невысокую стоимость, просты в монтаже и эксплуатации и обладают повышенной надежностью по сравнению с другими типами электроприводов. Автоматические электроприводы – в которых управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора, обеспечивают гибкое управление технологическими процессами и их полную автоматизацию на основе аппаратных либо программных средств.

Литература

1. Шичков Л.П. Электрический привод. - М.: КолосС, 2006. – 279 с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений) .

2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с., ил.

Читайте также: