Основы электропривода

ЛЕКЦИИ ПО ОСНОВАМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ – 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий» Литература 1. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебное прособие для студ. учреждений сред. проф. образования - М.: Мастерство; Высшая школа,2001. –368 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. техн. - М.: Высш. шк., 1991. – 430 с. 3. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с. 3. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 4. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.-М.:Энергоатомиздат, 1986.- 416 с. 5. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1998.- 704 с. 6. ГОСТ Р 50369 –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 7. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, 1999.-569 с. Лекция 1 История электропривода (ЭП). Понятие, классификация ЭП Вопросы 1 История развития ЭП 2 Понятие ЭП, достоинства ЭП 3 Классификация ЭП 4 Механические характеристики электродвигателей 5 Понятие жёсткости механической характеристики 1 История развития ЭП История развития ЭП, являющаяся оптимальным сочетанием электрических машин (ЭМ), аппаратов, преобразователей и устройств управления, неразрывно обусловлена образующими ЭП компонентами. Вместе с тем ЭП, как система имеет свою собственную историю. Начало развития ЭП было положено созданием в первой половине 19 века работоспособностью образцов ЭМ. Это стало возможным благодаря успехам в области электромагнетизма. Первый электродвигатель, с помощью которого осуществлялся ЭП, был построен в 1834…1838г. Петербургским академиком Борисом Семеновичем Якоби. В 1838г на Неве были проведены испытания этого двигателя, установленного на катере (12…14 чел). Это было первое судно с ЭП. Однако несовершенство технических средств, в частности, источника питания (гальванические батареи), не позволили блестящему изобретателю и его ученикам дальше продолжать практическое применение. В 50-60-х годах 19 века некоторое распространение получили электродвигатели французского электротехника Фромана (типографические и ткацкие станки). И все же почти до конца 19 века пар и вода оставались основной силой в промышленном производстве. Несмотря на успехи, достигнутые к семидесятым годам 19 века в области конструирования ЭД постоянного тока, электрическая энергия использовалась только на освещение (распределение электроэнергии оставалось неудовлетворительной). Появление переменного однофазного тока сыграло существенную роль в развитии электротехники вообще, однако в ЭП – нет, так как ЭД однофазного переменного тока не имели пускового вращающего момента. И только в 1888г. предложенная и реализованная 3-х фазная система передачи эл. энергии позволила сделать прорыв в развитии ЭП. В 1889 г. создается 3-х.фазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в виде беличьей клетки. Несомненные преимущества централизованного производства электроэнергии, привели к тому, что электродвигатель, вытесняя другие виды двигателей, занял лидирующие позиции в ЭП промышленных установок. Мощность ЭД по отношению к общей мощности установленных двигателей составляла: 1890г-5%, 1927-75%, сегодня - 100 %. В Советском Союзе ЭП получил большое развитие в годы первых пятилеток. Большую роль в развитии ЭП сыграла подготовка кадров. В 1922г. в Ленинградском электротехническом институте под руководством профессора С.А. Ринкевича создается специальность «Электрификация промышленности», которая положила начало регулярному выпуску специалистов в области ЭП. В 1925г. – выходит книга С.А.Ринкевича «Электрическое распределение электроэнергии» - первый труд в области ЭП. В 30-е годы были разработаны принципы следящего ЭП (автоматическое управление). В 40-е годы проектируются электромашинные усилители, интенсивно развивается военная электротехника (система управления), первые автоматические линии станков. Большой прорыв в ЭП наблюдается с появлением полупроводниковой техники. Транзистор изобретен (США) –1948г. В 50-х…60-х годах – множество схем для питания маломощных двигателей (I=5А; U=60В). Система тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока ТП – ДПТ становится с середины 60-х г. практически единственным решением в регулируемом ЭП. В 70-е годы появляются частотные преобразователи для асинхронных ЭП. 60-е – 70-е годы – шаговый, линейный ЭП. ( Ивоботенко Б.А., Гурницкий В.Н) В 70-е годы – с развитием микропроцессоров резко возрастают функциональные возможности в управлении координат ЭП, защите, диагностике. Развитие современного ЭП идет с развитием элементной базой. Сегодня силовые ключи (I до 600 А, U= до1200В, f=30кГц и …), преобразователи частоты до 600кВт. В 2002г. европейский рынок регулируемых ЭП состоит: на 68% из ЭП переменного тока; 15%-постоянного тока, 10% гидроприводов, 7 % - механических. На сегодня мощности отдельных приводов составляют десятки МВт с регулированием частоты вращения от 1оборота в час до 150.000 оборотов в минуту. Диапазон применения современного ЭП - от искусственного сердца до шагающего экскаватора. 2 Понятие ЭП. Достоинства ЭП Электрическим приводом или электроприводом называют электромеханическую систему, состоящую в общем виде из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и управления этим движением рисунок 1. обратные связи Рисунок 1 – Структурная схема ЭП Основное назначения ЭП - преобразование электроэнергии в механическую энергию исполнительных органов машин и механизмов. В отдельных случаях (генераторный режим, торможение) возможно и обратное преобразование. На долю ЭП приходится 60% вырабатываемой в стране электроэнергии. На рисунке 1 представлены: • потоки электрической энергии -, потоки механической энергии - ; • ПРБ - преобразовывают эл.энергию в необходимый вид (магнитные пускатели, тиристорные коммутаторы регуляторы , преобразователи f и т.д.); • ПРД- преобразовывают механическую энергию в необходимый вид для потребителя механической энергии (ПМЭ) (муфты, шкиво-ременные передачи, редукторы и т.д.) • УУ - информационная часть (микропроцессорные средства, микро-ЭВМ). Как для всякого устройства важным показателем является КПД ЭП= ПРБ· ЭД· ПРД, т.к. коэффициент полезного действия ПРБ и ПРД ≈1 и мало зависит от нагрузки, то ЭП определяется ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки составляет 60-95%. Малое КПД соответствует тихоходным двигателям малой мощности. При повышении мощности выше 1кВт ЭД и соответственно ЭП превышает 70%. Достоинства ЭП: 1) низкий уровень шума при работе, 2) отсутствие загрязнения окружающей среды, 3) широкий диапазон мощностей и угловых скоростей вращения, 4)доступность регулирования угловой скорости вращения и соответственно производительности технологической установки, 5)относительная простота автоматизации, монтажа, эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания. 3 Классификация ЭП По основным характерным признакам ЭП классифицируют следующим образом: 1) по способу передачи механической энергии исполнительному органу различают: групповой, индивидуальный., взаимосвязанный ЭП; Групповой ЭП - обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины (рис.2). Рисунок 2 – групповой ЭП Разновидностью группового является трансмиссионный ЭП (рис.3) Рисунок 3 - Трансмиссионный ЭП Индивидуальный ЭП (на каждую рабочую машину свой электродвигатель), рисунок 4. Рисунок 4 – Индивидуальный ЭП Преимущества индивидуального ЭП: • не загромождаются, тяжелыми трансмиссиями и передаточными устройствами; • улучшаются условия труда; • улучшается производительность; • уменьшается запыленность ; • улучшается освещение рабочего места; • снижается травматизм; • при ремонте простой только одного ЭП; • упрощается механическая передача; • благоприятные условия для автоматизации. Взаимосвязанный ЭП - содержит два или несколько связанных между собой ЭП, при работе поддерживается равенство скоростей или нагрузок. Пример - цепной конвейер (рис.5). Рисунок 5 – Схема взаимосвязанного электропривода Широко применяется разновидность взаимосвязанного - многодвигательный ЭП. Двигательные устройства работают на один вал (привод платформы экскаватора - позволяет осуществить равномерное распределение статических и динамических нагрузок при поворотах). 2) по виду движения ЭП обеспечивают: - вращательное; -поступательное (реечная винтовая передача или линейный ЭД); -поступательное реверсивное; 3) по роду тока: постоянные и переменные; 4) по принципу управления: нерегулируемый, регулируемый (следящий и программируемый); 5) по степени автоматизации: неавтоматизированный, автоматизированный, автоматический (без операторов). Автоматизированный и автоматический ЭП получил наибольшее применение. 4. Механические характеристики электродвигателей Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента = f(M) Скоростная или электромеханическая характеристика - = f(Iдв). Рисунок 3 дает представление о типичных механических характеристиках электродвигателей. Рисунок 3 – Механические характеристики электродвигателей: 1-синхронного; 2-постоянного тока независимого возбуждения; 3- асинхронного; 4-постоянного тока последовательного возбуждения. Естественные механические характеристики соответствует паспортной схеме включения и номинальным параметром питающей сети. Искусственные механические характеристики соответствуют схемам включения электродвигателей с дополнительными элементами (резисторы, конденсаторы и т.д.), а также при варьировании питающих напряжений, частоты тока. Данные характеристики могут называться могут называться регулировочными. 5 Жесткость механических характеристик ЭД и рабочих машин Почти все ЭД обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя. Это обычно относится ко всем двигателям, однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется критерием, так называемой жесткостью их механических характеристик. Это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых электродвигателем, к соответствующий разности угловых скоростей ЭП (рис.4), т.е. = =; Рисунок 4 - К определению жесткости механических характеристик Жесткость механических характеристик электродвигателей различна, что иллюстрируется рисунком 5. Рисунок 5 – Механические характеристики электродвигателей: 1 – абсолютно жесткая синхронного ЭД, β = ∞; 2 – жесткая двигателя постоянного тока независимого возбуждения (такая же асинхронного двигателя на рабочем участке характеристики; 3- мягкая двигателя постоянного тока параллельного возбуждения; 4 – жесткость равна нулю, двигатель постоянного тока независимого возбуждения при питании от источника тока Графически жесткость определяется как tg угла наклона между осью скоростей и касательной к данной точки механической характеристики (рис.6) =. tg , угол отсчитывается по часовой стрелке от оси скоростей до касательной. 1 Статическая устойчивость ЭП Работа электродвигателя и рабочей машины в установившемся режиме соответствует равновесию МД=МС точка А на рисунке7. Изменение момента сопротивления на валу двигателя приводит к тому, что скорость двигателя и момент, который он развивает, могут автоматически меняться и привод будет работать устойчиво при другой скорости с новым значением момента. Для восстановления равновесия между изменившемся сопротивлением и моментом двигателя во всех неэлектрических двигателях требуется участие специальных регуляторов. В электродвигателях роль автоматического регулятора выполняет ЭДС двигателя. Эта особенность автоматического поддержания равновесия очень ценно в ЭП. Рисунок 7 – К определению устойчивости электропривода Предположим вырос Мс до 1, при этом момент нагрузки Мс1 больше момента двигателя М1 тогда в соответствии с уравнением движения электропривода МдвМс= в системе будет действовать отрицательный динамический момент, начнется процесс торможения, который закончится в точке уст. Рассмотрим положение, при котором кратковременное возмущение вызвало снижение скорости до 2 ‹ уст. В этом случае М2 › Мс2 и уже под действием положительного динамического момента скорость начнет возрастать, пока не достигнет уст. Таким образом система обладает свойством возвращаться к скорости установившегося движения при возможных отклонениях от нее, т.е. движение в такой системе является устойчивым. Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы ЭП, когда при случайно возникшем отклонении скорости от установившегося значения привод возвращается в точку установившегося режима. Привод статически устойчив, если в точке установившегося режима выполняется условие с использованием понятия жесткости характеристик 0, д-с0, дс . Контрольные вопросы: 1. Приведите определение электропривода 2. Из каких составных элементов состоит электропривод? 3. Укажите назначение элементов электропривода 4. Укажите основные достоинства электропривода по сравнению с другими системами привода 5. Укажите отличия группового и индивидуального электроприводов 6. Приведите области применения взаимосвязанного электропривода 7.Приведите преимущества индивидуального электропривода 8. В чём отличия автоматизированного электропривода от автоматического? 9. Приведите определение механической характеристики 10 В чём отличия жёстких механических характеристик от мягких? 11. Приведите пример мягкой механической характеристики.