Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012




Скачать 142.38 Kb.
НазваниеУчебное пособие для вузов Магнитогорск 2012
Дата публикации12.08.2013
Размер142.38 Kb.
ТипУчебное пособие
zadocs.ru > Физика > Учебное пособие

В.И. КОСМАТОВ



Электрический

привод

Учебное

пособие

для вузов





Магнитогорск

2012

УДК 62-83 (075.8)
Рецензенты:

Заведующий кафедрой ПИ и УСА Новотроицкого филиала Национального исследовательского технологического университета

«МИСиС» доцент, кандидат технических наук

С.Н. Басков
Начальник Центральной электротехнической лаборатории ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» кандидат технических наук

В.В. Головин
Косматов В.И.

Электрический привод: Учебное пособие. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2012. - с.

ISBN

В учебном пособии изложены основы механики электропривода, даны кинематические схемы электроприводов, рассмотрены расчётные схемы силовой механической части с учётом упругих связей и уравнения движения электромеханической системы.

Изложены основные функциональные и энергетические характеристики электроприводов постоянного и переменного тока в установившихся и переходных режимах. Особое внимание уделяется регулируемым электроприводам на базе полупроводниковых преобразователей. Рассмотрены вопросы выбора электрических двигателей для различных режимов работы.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения, начинающих изучать электропривод, и специалистов смежных профессий, заинтересованных в ознакомлении с основами современного электропривода.

УДК 62-83 (075.8)

© ГОУ ВПО «МГТУ», 2012

© Косматов В.И., 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ


Учебное пособие в первую очередь предназначено студентам технических вузов очного и заочного образования по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Оно также полезно для студентов и специалистов смежных областей: технологов, механиков, энергетиков, т.е. тем, кому нужны современные представления о физике процессов в электромеханических системах, о преобразовании электрической энергии в механическую энергию (и наоборот) и управлении преобразованной энергией в соответствии с требованиями технологических процессов.

Цель учебного пособия – дать читателям общее представление о преобразовании электроприводом электрической энергии в механическую, о движении механической части электропривода, об электромеханических свойствах различных электроприводов и областей их применения, о выборе системы электропривода – преобразователей, двигателей, передаточных устройств, о принципах управления в автоматизированном электроприводе.

В методическом отношении учебное пособие написано в традициях школы электропривода Магнитогорского горно-металлургического института (МГМИ), заложенных первым заведующим кафедрой АЭП доцентом, кандидатом технических наук Казаковым А.М.
Автор благодарен рецензентам – Баскову С.Н., доценту, кандидату технических наук, заведующему кафедрой прикладной информатики НФ МИСиС, Головину В.В., кандидату технических наук, начальнику Центральной электротехнической лаборатории ОАО «ММК» за полезные замечания, коллегам по работе за постоянную помощь и участие в подготовке учебного пособия к изданию.

Автор
^

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК СИСТЕМА

1.1 Определение понятия «электропривод». Блок-схема электропривода



В настоящее время в промышленности, на транспорте, в сельскохозяйственном производстве, в коммунальной сфере и быту практически 100% механической энергии для работы машин и механизмов получают из электрической энергии за счёт применения электроприводов.

Электропривод – это электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих электрических преобразователей, электрических машин, механических передач и систем управления, служащих для приведения в движение рабочих машин, преобразования электрической энергии в механическую энергию (или обратно), и управления преобразованной энергией в соответствии с требованиями технологического процесса. Блок-схема электропривода приведена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Блок-схема электропривода

Электропривод состоит из двух каналов: силового и информационного.

Силовой канал в свою очередь представляется электрическим и механическим каналами. В электрическую часть силового канала входит энергетическая часть системы управления ЭСУ (электромашинные или статические преобразователи электрической энергии) и электромеханический преобразователь ЭМП (электрические машины). ЭСУ передаёт и преобразовывает электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к ЭМП и обратно. ЭМП представляется как идеализированный двигатель, в котором происходит преобразование электрической энергии  в электромагнитную . Ей соответствует электромагнитный момент М, прикладываемый к реальному ротору двигателя РД с механической инерцией и механическими потерями.

Механическая часть силового канала включает в себя все вращающиеся и поступательно движущиеся элементы: ротор двигателя РД, передаточный механизм ПМ (валы, муфты, редукторы, барабаны и т.п.), и исполнительный орган рабочей машины ИМ, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Информационная часть системы управления ИСУ, т.е. информационный канал осуществляет управление потоком энергии, а также сбор и обработку сведений о состоянии и функционировании системы, защиту, и диагностику её неисправностей.

Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, ещё реже пневмопривод. Столь широкое повсеместное распространение электропривода обусловлено возможностью передачи электрической энергии на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью преобразования в другие виды энергии.

В настоящее время в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт, мощность электроприводов прокатных станов – десятки мегаватт (стан 5000 - привод валков клети потребляет 24 мВт), т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 1012. Такого же порядка и диапазон по скорости вращения: от нескольких оборотов в несколько десятков часов в установках вытягивания кристаллов полупроводников при очень жёстких требованиях к равномерности движения, до 150000 об/мин в шлифовальных станках.

С энергетической точки зрения электропривод является главным потребителем электрической энергии, более 60% всей производимой электрической энергии перерабатывается с помощью электропривода.

Электродвигатель является основным обязательным элементом электропривода, осуществляющим электромеханическое преобразование энергии. Электродвигатели различают:

- по роду тока (постоянный, переменный);

- по количеству и схеме соединения обмоток;

- по конструктивному исполнению.

Наиболее распространёнными двигателями являются:

- коллекторные двигатели постоянного тока с независимым (параллельным), последовательным и смешанным возбуждением;

- двигатели переменного тока асинхронные с короткозамкнутым ротором и фазным ротором, синхронные двигатели.

Преобразователи электрической энергии, входящие в ЭСУ, осуществляют преобразование параметров электрической энергии в электрическую же энергию, однако с другими параметрами:

- энергию переменного тока с параметрами, , в энергию постоянного тока с параметрами, ;

- энергию переменного тока с параметрами , , в энергию переменного тока с параметрами , .

Преобразователи электрической энергии необходимы для создания требуемого управляющего воздействия на координаты электропривода: напряжение, напряжение и частота, ток, момент, скорость, угол поворота вала двигателя, рабочего органа механизма. Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешённых конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надёжность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование. В системе электропривода при управлении координатами (потоком энергии) должны минимизироваться потери  во всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность.

Свойства и характеристики различных электроприводов, правильное управление их координатами в установившихся (статических) и переходных (динамических) режимах, оценка энергетических свойств, и, наконец, правильное проектирование силовой части электропривода и является предметом изучения данной дисциплины.
^

1.2 Классификация электроприводов


Классификация электроприводов производится по различным признакам. Разнообразные электроприводы с учётом их исторического развития и с точки зрения способа распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой, индивидуальный и взаимосвязанный.

^ Групповой электропривод обеспечивает движение нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных механизмов (ИМ) рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и её распределение между ними производится с помощью трансмиссий. Такой групповой электропривод называют также трансмиссионным (рис. 1.2). Другая разновидность группового электропривода – это установка на каждую рабочую машину своего электродвигателя. Однако при этом сохраняется система распределения механической энергии внутри машины между исполнительными механизмами (рис. 1.3).

Для примера можно привести групповой электропривод рабочего рольганга, где от одного двигателя приводится во вращение N роликов через трансмиссию (редуктор и конические шестерни). А также групповой электропривод рабочих валков прокатной клети с использованием шестерённой клети и универсальных шпинделей.



Рис. 1.2. Схема группового Рис.1.3. Схема группового

трансмиссионного ЭП электропривода
Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время практически не применяется, кроме группового электропривода по схеме на рис. 1.3.
^ Индивидуальный электропривод обладает существенными преимуществами перед групповым электроприводом: упрощается кинематическая схема привода, улучшаются условия безопасности труда, снижаются потери в трансмиссиях и передаточных устройствах, повышается надёжность работы, увеличивается быстродействие привода, создаются благоприятные условия для автоматизации работы рабочих машин и технологических комплексов. Индивидуальным является электропривод, в котором каждый ИМ рабочей машины приводится в движение от индивидуального двигателя, широко применяемый в различных современных машинах, например, в сложных металлорежущих станках, в прокатном производстве, конверторном производстве стали, бумагоделательных машин, в подъёмно-транспортных машинах, экскаваторах, роботах и т.п.
^ Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигателей или электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок, или положения ИМ рабочих машин. Необходимость в таком электроприводе часто возникает по конструктивным или техническим соображениям.

Примером взаимосвязанного электропривода может служить привод непрерывной группы валков прокатных клетей, связанных между собой через прокатываемый металл, где требуется постоянство соотношения скоростей клетей исходя из постоянства секундного объёма металла, проходящего через клети.

Другим примером взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод, в котором двигатели работают на один вал по соображениям дробления мощности двигателей, быстродействия, надежности и конструктивного исполнения. Например, электропривод скиповой лебёдки доменных печей.

Многообразие технологических процессов обуславливает и различные виды, и характеры движения ИМ рабочих машин, а, следовательно, электроприводов.

По виду движения электроприводы могут обеспечивать: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движение. Вращательное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путём использования электродвигателя вращательного движения обычного исполнения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т.п.), либо применения электродвигателя специального исполнения для поступательного движения (так называемые линейные электродвигатели, магнитогидродинамические и др.).

По степени управляемости электроприводы могут быть:

  1. нерегулируемые – работа ИМ рабочей машины с одной рабочей скоростью, координаты электропривода изменяются только из-за возмущающих воздействий;

  2. регулируемые – работа ИМ рабочей машины происходит с различными значениями координат электропривода (скорости, момента, тока, магнитного потока) или параметров силовой цепи двигателя (сопротивления);

  3. программно-управляемыеуправляемый в соответствии с заданной программой, например, электропривод с числовым программным управлением металлорежущих станков;

  4. следящие автоматически отслеживающий перемещение ИМ рабочей машины с заданной точностью с произвольно меняющимся задающим сигналом;

  5. адаптивные автоматически избирающий параметры регуляторов при изменении условий работы рабочей машины с целью выработки оптимального режима, например, по быстродействию.


Можно классифицировать электроприводы по роду передаточного механизма:

  1. редукторный – электродвигатель передаёт вращательное движение передаточному механизму, содержащему редуктор;

  2. безредукторный.


По уровню автоматизации:

  1. неавтоматизированный электропривод с ручным управлением;

  2. автоматизированный электропривод - автоматическое регулирование координат;

  3. автоматический электропривод – управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.


Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.

^

1.3 Краткая история развития электропривода



Начало развития электропривода было положено в первой половине 19-го века на основе работоспособных образцов электрического двигателя. Первое практическое использование электродвигателя постоянного тока, оснащённого другими характерными элементами электропривода: механической передачей, органами управления и т.п. – и обеспечивающего движение катера по р. Неве, относят к 1834-1838гг. и связывают с именем академика Б.С. Якоби. Эта работа получила мировое признание, однако несовершенство технических средств и, главным образом источника питания – громоздкой гальванической батареи – не позволило блестящему изобретению Б.С. Якоби и работам его последователей найти широкое практическое применение. И только в 70-е годы 19-го века были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, демонстрировавшиеся на выставках в Вене, Париже, Мюнхене.

Условия для массового развития электропривода создались в конце девятнадцатого века благодаря открытию в 1886г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало создания многофазных электродвигателей переменного тока. Благодаря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, предложившего и реализовавшего в 1888г. трёхфазную систему передачи энергии переменного тока и разработавшего в 1889г. трёхфазный асинхронный двигатель с распределённой обмоткой статора и короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

Конец девятнадцатого – начало двадцатого веков характеризуется строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Централизованная выработка электроэнергии с её последующим распределением послужила основой для создания промышленного электропривода.

На смену групповому электроприводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическому распределению энергии пришёл групповой электропривод. Более 25 лет шла борьба между групповым и индивидуальным электроприводом, которая завершилась полным признанием индивидуального электропривода, который внедрялся на вновь строящихся предприятиях.

В России большую роль в развитии массового индивидуального электропривода сыграл план ГОЭЛРО по реконструкции старых м строительству новых электростанций, развивалась отечественная электротехническая промышленность. Одновременно электропривод вытеснял все виды механического привода. Так, мощность электродвигателей по отношению с общей мощностью установленных двигателей в 1890г. составила 5%, в 1927г. – 75%, к 1950г. – 100%.

В период интенсивного перехода к индивидуальному электроприводу, который в России практически завершился к 1934г., во всех новых производствах появилось большое количество различных типов электроприводов. В регулируемом электроприводе малой и средней мощности первое место заняли и не уступают его по настоящее время асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах – синхронные двигатели. Регулируемые электроприводы были весьма разнообразны: широко использовались двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения при реостатном регулировании или при ослаблении магнитного потока, 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 ещё в конце 19-го века система Вард-Леонарда (генератор-двигатель), состоящая из нескольких электрических машин, но обладающая отличными регулировочными свойствами, как в статике, так и в динамике.

К началу 40-х годов 20-го века электромеханическая часть электропривода приобрела современные черты – это индивидуальный и многодвигательный электропривод. Его характерной особенностью оставалось релейно-контакторное управление, хотя уже стали применяться системы непрерывного управления, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей различных типов. В 1935г. во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ) разработана система электропривода с преобразователем на тиратронах – прообраз широко распространённых сейчас регулируемых электроприводов по системе статический преобразователь – двигатель. Большую роль в развитии регулируемого электропривода в металлургии сыграла система управляемый ртутный выпрямитель – двигатель (УРВ-Д), введённая в производство с 1949 года.

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошёл прорыв в области силовой электроники на твердотельных элементах, изменивший многие сферы техники, и в частности, электропривод. В 1948 году Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В технику электропривода стали внедряться электронные ключи и построенные на их основе устройства.

Революционное воздействие на технику электропривода оказал тиристор – мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955г. усилиями Дж. Молла, М. Таненбаума, Дж. Голдея, И. Голоньяка (США). Появление тиристоров на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от систем УРВ-Д и перейти на управляемые тиристорные преобразователи в электроприводах постоянного тока (системы ТП-Д).

Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, положили начало созданию систем асинхронного электропривода с векторным управлением.

В СССР получили развитие начатые ещё 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 с автономными инверторами на доступной в то время элементной базе – тиристорах. Здесь же были сформированы и детально исследованы принципы автоматического управления электропривода с преобразователем частоты.

Транзисторы и многочисленные устройства на их основе позволили перейти к практической реализации ряда эффективных идей в области систем управления электропривода.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная ещё в середине 50-х годов Кесслером (ФРГ) и состоящая в подчинённом регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Во ВНИИ Электропривод 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-ч годов однокристальных микропроцессоров и программируемых контроллеров ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода – микропроцессорному управлению координатами.

Глубокие изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала в массовых устройствах - полностью управляемые ключи на токи до 600А, напряжение до 1200В с частотами 30кГц и выше, появившиеся на рынке в последние 15-20 лет, и средства управления ими. В последние годы на рынке появились IGBT-модули на токи до 3600А и напряжением до 6500В.

В последние годы в мире отчётливо сформировались и интенсивно реализуются тенденции: переход от регулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях и от систем регулируемого электропривода постоянного тока к регулируемым частотно-управляемым электроприводам переменного тока.


Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие Омск 2012 удк 616. 8(075) ббк 56. 12я73
Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов медицинских вузов

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconКультура России
Социология культуры: Учебное пособие для вузов. — М.: Академический Проект; Киров: Константа, 2012. — 575 с. — (Gaudeamus)

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие для театральных вузов М., «Искусство»
Н. П. Вербовая, О. М. Головина, В. В. Урнова. «Искусство речи» (Учебное пособие для театральных вузов) М., «Искусство», 1977 Г

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconШендрик А. И. Теория культуры: Учебное пособие для вузов
Шендрик А. И. Теория культуры: Учебное пособие для вузов. М.: Юнити-дана, Единство, 2002. 519с

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие составлено на основании рабочей программы для специальностей:...
Военная гигиена: учебное пособие для аудиторной работы студентов медицинских вузов / сост.: Л. Г. Климацкая, Н. С. Шибанова, О. Ю....

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие для студентов педагогических учебных заведений
Педагогика. Учебное пособие для студентов педаго гических вузов и педагогических колледжей / Под ред. П. И. Пидкасистого. М: Педагогическое...

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие для педагогических учебных заведений
Рекомендовано умо вузов РФ в качестве учебного пособия для студентов педагогических вузов

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconУчебное пособие для вузов / А. И. Богатырев. Екатеринбург: угк им. М. П. Мусоргского, 2013. с
Политология. Коммуникативный практикум: Учебное пособие для вузов / А. И. Богатырев. Екатеринбург: угк им. М. П. Мусоргского, 2013....

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconН. Н. Рощина педагогика
Учебное пособие предназначено для студентов педагогических вузов, педагогических отделений вузов и магистрантов

Учебное пособие для вузов Магнитогорск 2012 iconА. А. Шарц Учебное пособие
Учебное пособие предназначено для студентов второго курса и содержит краткое изложение основного материала подраздела «Термодинамика»...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов