Электрический привод

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году


Е.М. Овсянников


ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ПРИВОД

УЧЕБНИК




Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО в качестве учебника для студентов учебных заведений, реализующих программу среднего профессионального образования по укрупненной группе специальностей
23.02.00 «Техника и технологии наземного транспорта»



            znanium.com



Москва

2022

ИНФРА-М

УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723

     О34



      Рецензенты:
         Лохнин В.В. — доктор технических наук, профессор Московского государственного технического университета («МАМИ»);
         Анцыгин В.В. — преподаватель высшей квалификационной категории, председатель предметной комиссии Электромеханического колледжа № 55;
         Лавренцова О.П. — преподаватель высшей квалификационной категории, почетный работник среднего профессионального образования Российской Федерации, председатель цикловой комиссии электротехнических дисциплин Московского политехнического колледжа


      Овсянников Е.М.
О34 Электрический привод : учебник / Е.М. Овсянников. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2022. — 224 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-00091-562-2 (ФОРУМ)
          ISBN 978-5-16-014014-8 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-108924-8 (ИНФРА-М, online)


         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 учебных заведений, реализующих программу среднего профессионального образования по укрупненной группе специальностей 23.02.00 «Техника и технологии наземного транспорта».


УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723











ISBN 978-5-00091-562-2 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014014-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108924-8 (ИНФРА-М, online)


© Овсянников Е.М., 2019
© ФОРУМ, 2019

                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).