Электрический привод

Е.М. Овсянников






                ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД









Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Автомобиле- и тракторостроение»

Москва
2019

УДК 62-83(075.8)
ББК31.291я73

089

Рецензенты:





доктор технических наук, профессор МГТУ («МАМИ») Б.Б. Лохнин, преподаватель высшей квалификационной категории, председатель предметной комиссии электромеханического колледжа № 55 Б.Б. Анцыгин, преподаватель высшей квалификационной категории, Почетный работник СПО, председатель цикловой комиссии электротехнических дисциплин ГОУ СПО «МПК» О.П. Лавренцова





                2019.



      Овсянников Е.М.
089 Электрический привод : учебник / Е.М. Овсянников. — М.
      ФОРУМ, 2019. — 224 с.

        ISBN 978-5-91134-519-8


         Учебник написан с учетом тенденций развития современного электропривода. Особое внимание уделено следящим и цифровым электроприводам, а также программному управлению. Приведены современные методы расчета систем электроприводов. Даны оригинальные схемные решения. Излагаемые методы расчета иллюстрируются практическими примерами.
         Предназначен для студентов высших учебных заведений и инженерно-технических работников. Может быть полезен студентам средних профессиональных учебных заведений.


УДК 62-83(075.8)
                                                                   ББК 31.291я73







ISBN 978-5-91134-519-8

                                         ©Овсянников Е.М., 2011
© Издательство «ФОРУМ», 2011

            Список сокращений










АД    --- асинхронный двигатель                                   
АЦП   --- аналого-цифровой преобразователь                        
БДПТ  --- бесконтактный двигатель постоянного тока                
БИС   --- большая интегральная схема                              
БУ    --- блок управления                                         
БД    --- вентильный двигатель                                    
ВТ    --- вращающийся трансформатор                               
ВУ    --- внешние устройства                                      
ДПР   --- датчик положения ротора                                 
ДР    --- датчик рассогласования                                  
дптнв --- двигатель постоянного тока независимого возбуждения     
дптпв --- двигатель постоянного тока последовательного возбуждения
ид    --- исполнительный двигатель                                
им    --- исполнительный механизм                                 
ИУ    --- исполнительное устройство                               
ИУМ   --- импульсный усилитель мощности                           
кэ    --- ключевой элемент                                        
ЛБ    --- логический блок                                         
мдс   --- магнитодвижущая сила                                    
МП    --- микропроцессор                                          
мпк   --- микропроцессорный комплекс                              
ов    --- обмотка возбуждения                                     
пн    --- преобразователь напряжения                              
ппк   --- полупроводниковый коммутатор                            
РО    --- рабочий орган                                           
РП    --- регулятор положения                                     
сд    --- синхронный двигатель                                    
смв   --- специализированный микропроцессорный вычислитель        
смк   --- специализированный микроконтроллер                      
СП    --- солнечная печь                                          
СЭП   --- следящий электропривод                                  
УВВ   --- устройство ввода-вывода информации                      
УМ    --- усилитель мощности                                      

Список сокращений

УУ  --- устройство управления            
ФП  --- фотоприемник                     
ФФН --- формирователь фазных напряжений  
шд  --- шаговый двигатель                
ЦАП --- цифроаналоговый преобразователь  
ЦД  --- цифровой датчик                  
ЦП  --- центральный процессор            
цеп --- цифровой следящий электропривод  
ЦУМ --- центральная управляющая машина   
ЭБ  --- электронный блок                 
ЭВМ --- электронная вычислительная машина

            Введение








    В общем случае любое устройство, сообщающее движение рабочей машине, называется приводом. Различают ручной привод, механические приводы от ветряного двигателя, от водяной или газовой турбины, от двигателя внутреннего сгорания, а также электрический привод от электродвигателя. Первый электропривод был установлен в 1838 г. петербуржским академиком Б.С. Якоби на небольшом катере, вмещавшем 12—14 человек. Испытания проводились на реке Неве.
    Однако отсутствие пригодных источников электрической энергии не позволило внедрить электропривод в промышленность. Разработанная в 1889 г. русским инженером М.О. Доливо-Добровольским система трехфазного тока открыла широкую дорогу промышленному применению электричества. Мощность электродвигателей в мировой промышленности по отношению к общей мощности установленных двигателей составляла в 1890 г. 5 %, в 1927 г. — 75 %, в настоящее время приближается к 100 %. Высокоэффективный, экологически чистый электропривод занимает главенствующее положение среди устройств для приведения в движение рабочих механизмов. Современный электропривод, обладающий системой автоматического управления, выполняет более широкие функции, обеспечивая рациональное ведение технологического процесса с максимальной производительностью исполнительного механизма и с улучшенным качеством продукции.
    В настоящем учебнике по возможности ясно и сжато, с достаточным количеством иллюстраций излагаются основные положения электропривода. Кроме теоретической базы в изложенном материале содержатся инженерные приемы расчета и проектирования электропривода, способы пуска, торможения и регулирования скорости различных типов электроприводов, методы выбора двигателя и его проверки по нагреву, способы стабилизации параметров электропривода, а также даны практические советы применения электроприводов в производстве и на транспорте.

Глава 1


            ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ










1.1.  Структурная схема и состав электропривода

    Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительного механизма и управления этим движением.
    На рис. 1.1 представлена структурная схема автоматизированного электропривода. В состав этой схемы входят:
    ЗУ — задающее устройство;
    УУ — устройство управления;
    УП — управляемый преобразователь электрической энергии;
    М — электродвигатель;
    Р — редуктор;
    ИМ — исполнительный механизм;
    ОС] — датчики обратных связей от электродвигателей;


Эл. сеть

Рис. 1.1. Структурная схема автоматизированного электропривода

1.1. Структурная схема и состав электропривода

7

    ОС₂ — датчики обратных связей от исполнительного механизма.
    На схеме приняты обозначения:
    U₃ — сигнал задания, В;
    Uy — сигнал управления, В;
    Uₙ — выходное напряжение управляемого преобразователя, В;
    сод — угловая скорость электродвигателя, 1/с;
    юи.м — угловая скорость исполнительного механизма, 1/с;
    Л/ич — момент статической нагрузки на исполнительном механизме, Нм.
    Задающее устройство вырабатывает для устройства управления командные сигналы, которые могут изменяться во времени. В качестве задающего устройства могут быть использованы контроллер или процессор, осуществляющие программное управление электроприводом.
    Устройство управления математически обрабатывает поступающие на него сигналы задания и сигналы обратных связей с электродвигателя и с исполнительного механизма, дающих информацию о текущем состоянии электропривода и технологического процесса. На основании полученной информации устройство управления вырабатывает управляющий сигнал для управляемого преобразователя, который преобразует ток, напряжение, частоту либо изменяет иные показатели качества электрической энергии, подводимой к двигателю М для отработки управляющего сигнала с требуемой точностью и быстродействием.
    В современных электроприводах задающее устройство и устройство управления могут совмещаться в одном электронном блоке.
    Управляемые преобразователи электроэнергии бывают двух типов — статические и вращающиеся.
    К статическим управляемым преобразователям, применяемым в современных электроприводах, прежде всего относятся магнитные усилители, тиристорные преобразователи и транзисторные преобразователи.
    Основными недостатками магнитных усилителей являются большие массогабаритные показатели и высокая стоимость, которая не имеет тенденции к снижению, так как цена на медь и сталь не будет падать с течением времени.
    Тиристорные преобразователи имеют постоянную времени срабатывания Тп = 0,007 с, что затрудняет функционирование быстродействующих электромеханических систем. Кроме того, для закрывания работающего тиристора недостаточно убрать положительное на

Глава 1. Общие сведения

пряжение с управляющего электрода, надо еще поменять полярность напряжения между анодом и катодом, что затрудняет применение тиристоров в системах постоянного тока и ведет к сложным системным решениям.
    Основным недостатком транзисторных преобразователей до недавнего времени была ограниченная выходная электрическая мощность, измеряемая десятками киловатт. Более мощные электроприводы с полупроводниковыми преобразователями строились на тиристорной основе.
    Современные транзисторы пропускают ток в тысячи ампер и выдерживают обратное напряжение в тысячи вольт. Это позволило существенно потеснить тиристоры в преобразовательной технике.
    В настоящее время 90 % статических преобразователей электроэнергии создано на базе транзисторов, работающих в ключевом режиме.
    К вращающимся преобразователям электроэнергии относятся электромашинные усилители и генераторы. Особое место занимают электрические генераторы. Они незаменимы в транспортных средствах с тяговым электроприводом, получающим энергию от двигателя внутреннего сгорания. Только генератор может преобразовать механическую энергию двигателя внутреннего сгорания в электрическую, например, на тепловозах или на гибридных электромобилях.
    В современном тяговом электроприводе наиболее широкое применение получили асинхронные, синхронные и вентильные машины.
    В электроприводе применяются различные типы электродвигателей. Из всех эксплуатируемых в мировой промышленности электродвигателей 80 % составляют асинхронные трехфазные короткозамкнутые двигатели в силу их простоты, надежности, компактности и умеренной стоимости.
    Редукторы, входящие в состав электропривода, разделяются на две основные группы: редукторы, повышающие угловую скорость исполнительного вала по сравнению с угловой скоростью двигателя; редукторы, понижающие угловую скорость исполнительного вала с соответствующим увеличением вращающего момента.
    Первая группа редукторов, называемая также мультипликаторы, применяется в электроприводах с высокоскоростными исполнительными механизмами, например с центрифугами. Максимальная скорость вращения электродвигателя ограничивается механической прочностью ротора при воздействиях центробежных сил и качеством опорных подшипников. Максимальная линейная скорость движу

1.1. Структурная схема и состав электропривода

9

щихся поверхностей подшипников качения не может превышать 20 м/с. Чем больше размер подшипника, тем меньше его максимальная скорость вращения. Например, максимальная скорость вращения вала с диаметром 15 мм в подшипнике качения составляет 20 000 об/мин. Для увеличения скоростей вращения валов вместо подшипников скольжения и качения применяют воздушные и магнитные подвесы. Существуют вентильные электродвигатели с ротором в виде постоянного магнита без каких-либо обмоток на магнитных подвесах. Максимальная скорость вращения такого электродвигателя составляет 200 000 об/мин. Этого достаточно для любого исполнительного механизма. С появлением высокоскоростных электродвигателей применение повышающих редукторов в электроприводе резко сократилось. В большинстве случаев вал электродвигателя напрямую механически соединяется с исполнительным валом.
    Редукторы, понижающие скорость вращения исполнительного вала, широко применяются в электроприводе для приведения в соответствие скоростей электродвигателя и рабочей машины. Большинство исполнительных механизмов имеют малую рабочую скорость вращения. Например, гелиоустановка, преобразующая солнечную энергию в электрическую или тепловую, поворачивается за солнцем со скоростью часовой стрелки. В таких установках применяются понижающие редукторы с передаточным отношением в несколько сотен тысяч.
    Установленная мощность электропривода равна:

Руст =(0нМнТ1к.ц,                 GO

гдеин — номинальная угловая скорость двигателя, 1/с;
    Мн — номинальный момент двигателя, Нм;
    Вк.ц — к.п.д. кинематической цепи от вала двигателя до исполнительного вала, включая редуктор.
    При определенной установленной мощности электропривода, чем меньше номинальная скорость двигателя, тем больше его номинальный момент, пропорциональный массе и габаритам двигателя.
    Высокоскоростной электродвигатель вместе с редуктором значительно легче и меньше тихоходного двигателя с номинальным моментом, равным моменту на выходном валу редуктора. По этой простой причине, например, в авиации, где очень значимы массогабаритные показатели самолетного оборудования, применяются электродвигатели с высокой номинальной скоростью пн = 9000—12 000 об/мин.

Глава 1. Общие сведения

    К недостаткам редукторов относятся:
    • потери энергии в трущихся частях;
    • наличие кинематического люфта;
    • наличие упругой механической податливости;
    • наличие зубцовых возмущений.
    Рассмотрим эти недостатки.
    К.п.д. одной зубчатой пары шестерен равен — т)₃ п = 0,98. Соответственно к.п.д. редуктора, составляющего и п зубчатых пар, равен — Пр.з = 0,98я.
    К.п.д. одной червячной пары равен — т)ч п = 0,8. Соответственно к.п.д. редуктора, состоящего из п червячных пар, равен т|р н = 0,8я.
    Следует отметить, что потери в редукторе существенно меньше потерь в тихоходном электродвигателе соответствующего варианта безредукторного электропривода.
    Кинематический люфт, обусловленный зазорами между зубьями шестерен и в посадках валов, проявляется при пуске и реверсе электропривода, а также при изменении знака момента статической нагрузки. Это выражается в несоответствии углов и скоростей вращения электродвигателя и исполнительного механизма, что недопустимо в высокоточных электроприводах, применяемых, например, в следящих системах. Кроме того, кинематический люфт обусловливает возникновение ударных нагрузок в механической передаче. По этой причине электропривод, например, поворота экскаватора, при пуске и реверсе работает вначале в режиме выборки люфта и только затем в рабочем режиме.
    Упругая механическая податливость редуктора проявляется в скручивании входного вала относительно выходного вала при передаче момента нагрузки на угол:

Фупр — ^/^ред’

где М — передаваемый момент нагрузки, Нм;
    Сред — механическая жесткость редуктора, Нм/рад.
    Скручивание валов происходит за счет деформации нагруженных частей редуктора, как это происходит в пружине. В этом случае электропривод нельзя рассматривать как одномассовую систему. В уточненных расчетах механическую часть электропривода рассматривают как двухмассовую систему — электродвигатель и исполнительный механизм с упругим элементом между ними (рис. 1.2).