Теория электропривода (лекция № 1)

1. Лекция №1 по дисциплине: «Теория электропривода»

Тема: «Введение в электрический
привод»

2. Что такое электропривод?

Электрическим
приводом называется электромеханическая
система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного
и управляющего устройств, предназначенная для приведения в
движение исполнительных органов рабочей машины и управления
этим движением.
Согласно
ГОСТ
Р50369–92
–
электропривод
–
это
электромеханическая система, состоящая в общем случае из
взаимодействующих
электрических,
электромеханических
и
механических преобразователей, управляющих и информационных
устройств и устройств сопряжения с внешними сопредельными
электрическими,
механическими,
управляющими
и
информационными системами, предназначенная для приведения в
движение исполнительных органов рабочей машины и управления
этим движением в целях осуществления технологического процесса

3. Для чего нужен электропривод?

Электропривод
(далее
возможно
сокращение
ЭП)
вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет
электрической энергии (ЭЭ), получаемой от источника
электрической
энергии
(сети
электроснабжения).
Вырабатываемая электроприводом механическая энергия
передается исполнительным органам рабочих машин и
механизмов (ленте транспортера или конвейера, шпинделю
токарного станка, крыльчатке насоса, кабине лифта, антенне
радиотелескопа, валкам прокатного стана и т. д.) и при
необходимости
регулируется
в
соответствии
с
технологическими
требованиями
к
режимам
работы
исполнительного органа.
За счет полученной энергии исполнительный орган совершает
требуемое механическое движение, обеспечивая выполнение
производственных и технологических операций: перемещение
грузов, обработку деталей, транспортировку жидкости и газа,
слежение за небесными телами и т. д.

4. Функциональная схема электропривода

Обозначения:
ЭЭ – электрическая энергия;
МЭ – механическая энергия;
СУ – система управления;
ЭД – электрический двигатель;
МЧ – механическая часть привода;
ИЭЭ – источник электроэнергии;
ЭП – электрический преобразователь;
УУ – управляющее устройство;
ЭМП – электромеханический
преобразователь;
РД – ротор двигателя (якорь);
МП – механический преобразователь;
РМ – рабочая машина;
Uз – напряжение задания;
Uу – напряжение управления.
Электропривод имеет два канала – силовой и информационный. По первому каналу
транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки), по второму каналу
осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии
и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки).

5. Требования, предъявляемые к электроприводу:

1. Надежность. Как и любой технический объект, электропривод обязан выполнять
заданные функции в оговоренных условиях в течение определенного промежутка
времени. Если это не обеспечено, все остальные его качества окажутся бесполезными,
именно поэтому требование надежности является основным показателем,
характеризующим электропривод.
2. Точность. Этот показатель относится к главной функции электропривода –
осуществлять управляемое движение. Правильнее говорить не о точности вообще, а об
обеспечении приводом необходимой точности, т. е. об отличии какого-либо показателя
движения от заданного, не превышающего допустимого значения. Так, неточность
остановки кабины даже очень хорошего лифта может достигать ±1 мм; по грешность
позиционирования щупа, осуществляющего тестирование микросхемы в процессе ее
изготовления, не должна превышать ±10 мкм и т. д. Электропривод должен
поддерживать на заданном уровне скорость движения ленты транспортера независимо
от его загрузки, силу натяжения проволоки или нити при их перемотке, ускорение
центрифуги при испытании в ней биологических объектов; при этом всегда
существуют допустимые отклонения от заданных значений, выходить за которые уже

6. Требования, предъявляемые к электроприводу:

Быстродействие – способность системы достаточно быстро
реагировать на различные воздействия. Здесь, конечно, опять речь идет о
необходимом, нужном быстродействии. Например, нужно очень быстро, за
сотые доли секунды, устранять отклонения от заданного положения антенны
радиотелескопа, вызванные порывами ветра. Напротив, неумеренно быстрое
трогание с места трамвая приводит к неприятным последствиям.
Быстродействие, очевидно, связано с какими-то изменениями во времени, с
динамическими процессами в системе.
4. Качество динамических процессов, т. е. обеспечение определенных
закономерностей их протекания во времени. Например, в лифте хорошее
качество электропривода не чувствительно для человека при трогании и
замедлении. Например, в лифте каждый испытывал разницу между хорошо
функционирующим приводом, когда ускорение и замедление неощутимы, и
плохим приводом, когда динамический процесс сопровождается
неприятными ощущениями даже у абсолютно здоровых пассажиров.
3.

7. Требования, предъявляемые к электроприводу:

5. Энергетическая эффективность. Этот показатель стал особенно
существенным
в
последнее
время.
Часто
энергетическую
эффективность оценивают коэффициентом полезного действия (КПД) –
отношением полезно истраченной энергии к ее полному расходу в
данном процессе.
6. Совместимость электропривода с системой электроснабжения и
информационной системой более высокого уровня является важным
показателем, который стал существенным лишь в последнее время,
когда в состав электропривода вошли полупроводниковые
преобразователи, генерирующие высшие гармоники и в силу этого
вредно влияющие на питающую сеть, а иногда и на электронные
управляющие устройства.
7. Ресурсоемкость, т. е. материалоемкость и энергоемкость,
заложенные в конструкцию и технологию производства, трудоемкость
при изготовлении, монтаже, наладке, эксплуатации, ремонте.

8. Классификация электропривода:

По виду движения:
вращательного;
поступательного (однонаправленного, реверсивного);
возвратно-поступательного.
По роду тока:
электропривод постоянного тока;
электропривод переменного тока.
По уровню автоматизации:
неавтоматизированный (ручное управление);
автоматизированный
(оператор
следит
за
регулированием
параметров);
автоматический (без участия оператора).

9. Классификация электропривода:

По степени управляемости:
нерегулируемый;
регулируемый (скорость движения исполнительного органа меняется
в соответствии с требованием тех. процесса);
следящий (воспроизводится перемещение исполнительного органа в
соответствии с произвольно меняющимся сигналом);
программно-управляемый;
адаптивный;
позиционный.
По способу соединения с рабочим органом:
редукторный;
безредукторный.

10. Классификация электропривода:

По роду электрического преобразователя:
Вентильный электропривод (Преобразователь
регулирует поток электроэнергии дискретно –
через интервал дискретности, величина
которого может быть различной);
Управляемый
выпрямитель – двигатель
постоянного тока (УВ-Д);
Преобразователь
частоты
–
двигатель
переменного тока (ПЧ-АД; ПЧ-СД);
Генератор – двигатель (Г-Д);
Магнитный усилитель – двигатель (МУ-Д).
По способу передачи механической энергии:
индивидуальный привод;
взаимосвязанный;
групповой.

11. Роль электропривода в современном мире:

С энергетической точки зрения электропривод – главный
потребитель электрической энергии: сегодня в развитых
странах он потребляет более 60 % всей производимой
электроэнергии. В условиях дефицита энергетических
ресурсов
это
делает
особенно
острой
проблему
энергосбережения в электроприводе.
В связи с этим энергетические показатели как уникальных,
так и массовых электроприводов малой и средней мощности
имеют важнейшее народнохозяйственное значение и в
решении экономических проблем вопрос рационального,
экономичного расходования электроэнергии требует большого
внимания. Соответственно, в развитии электропривода
особенно острой является проблема рационального
проектирования
электроприводов
с
точки
зрения
энергопотребления.

12. Механическая часть электропривода:

Двигатель как звено механической части привода представляет собой источник или
потребитель механической энергии. В механическую часть привода входит лишь
вращающийся элемент двигателя – его ротор (или якорь в машинах постоянного тока),
который обладает определенным моментом инерции (J), может вращаться с некоторой
скоростью (ω) и развивать движущий или тормозящий момент (M). Механический
преобразователь (МП) осуществляет преобразование движения в механической части
электропривода. При помощи МП может увеличиваться или уменьшаться скорость,
изменяться вид движения, например, осуществляться преобразование вращательного
движения в поступательное и т. д. Механический преобразователь характеризуется
коэффициентом передачи, представляющим собой от ношение скорости на входе к
скорости на выходе, механической инерционностью и упругостью его элементов,
зазорами и трением в зацеплениях и сочленениях преобразователя.

13. Примеры механических преобразователей движения:

А – редукторы;
Б – зубчато-реечные;
В – ременные передачи, барабан с торсом;
Г – кривошипно-шатунный механизм;

14. Механика электропривода:

Согласно второму закону Ньютона преобразованного для тел вращения:
M-Мс=Мдин ;
где М – момент движения; Мс – момент сопротивления (статический момент
нагрузки); Мдин – динамический момент.
Единица изменения моментов – ньютон умноженный на метр [Н∙м].
Данное уравнение в электроприводе получило название «основное уравнение
движения».
Если Мдин>0, то электропривод ускоряется.
Если Мдин=0, то электропривод находится в состоянии покоя или равномерного
установившегося движения (скорость вращения постоянна).
Если Мдин<0, то электропривод замедляется или тормозит.

15. Механика электропривода:

Динамический момент определяется угловым ускорением (замедлением) и моментом
инерции системы электропривода:
Мдин=J∙dω/dt;
где J – момент инерции всех движущихся частей, кг∙м2;
dω/dt – угловое ускорение (замедление), рад/с2;
ω – угловая скорость, рад/с;
t – время, с.
При постоянном моменте инерции уравнение движения электропривода:

16. Режимы движения электропривода:

17. Составляющие электромагнитного момента:

Вращающий (или электромагнитный) момент электродвигателя М создается в
результате взаимодействия магнитного потока с током, протекающим по ротору или
якорю электродвигателя. Момент на валу электродвигателя Мв отличается от
электромагнитного момента М на величину момента потерь холостого хода М0,
определяемого трением в подшипниках, щеток о коллектор или кольца, вентиляторными
потерями и потерями в стали. Момент на валу электродвигателя зависит от режима
работы электропривода. В двигательном режиме момент М0 уменьшает момент на валу, а
в тормозном режиме увеличивает его. Поэтому
Мв = М ± М0 .
Величина М0 составляет несколько процентов от номинального момента Мн на валу
электродвигателя.

18. Составляющие электромагнитного момента:

Вращающий момент электродвигателя считается положительным, если он направлен
в сторону движения рабочей машины, и отрицательным – если против движения (режим
торможения).
Момент статического сопротивления Мс состоит из момента полезной работы
(например, подъем груза) и момента трения Мтр, который учитывается коэффициентом
полезного действия механизма.

19. Активный и реактивный моменты:

Моменты, соответствующие полезной работе, бывают двух видов: реактивные и
активные.
Реактивные моменты – это моменты, которые во всех случаях являются
тормозящими, противодействующими движению. К ним относятся моменты резания,
кручения, давления, сжатия неупругих тел и моменты трения. Реактивные моменты
меняют свой знак при изменении направления вращения привода.
Активные (или потенциальные) моменты – это моменты от веса, сжатия,
растяжения и скручивания упругих тел. В отличие от реактивных активные моменты
сохраняют направление своего действия при изменении направления вращения привода.
Они могут быть направлены как по направлению движения, так и против него. Активные
моменты, препятствующие движению, принимаются со знаком «минус», а
способствующие движению – со знаком «плюс».

20. Время разгона и торможения электропривода:

Время переходного режима для некоторых производственных механизмов в
значительной степени определяет их производительность, влияет на выбор
электродвигателя и т.д.
Для определения времени переходного процесса необходимо решить уравнение
движения электропривода относительно времени:
dt = J dω /(М – Мс),
откуда
t = ∫ J dω / (М – Мс).
Для решения данного уравнения необходимо знать зависимости момента двигателя М
и момента сопротивления Мс от угловой скорости ω. Частные случаи этой задачи должны
учитывать знаки мо-ментов и пределы интегрирования.

21. Время разгона и торможения электропривода:

При пуске без нагрузки (статический момент равен нулю):
Мкз – пусковой момент (момент короткого замыкания); ω0 – скорость, до которой
разгоняется электропривод.
Время торможения под действием нагрузки:
При торможении с использованием тормозного момента (механический тормоз).

22. Время разгона и торможения электропривода:

Анализ полученных выражений для времени разгона и торможения
показывает, что одним из существенных факторов, определяющих
длительность
переходного
процесса,
является
момент
инерции
электропривода. Поэтому в электроприводах с частыми пусками и
торможениями применяют специальные электродвигатели с уменьшенным
диаметром
при
соответствующем
удлинении
ротора
(крановые
электродвигатели). В электроприводах большой мощности вместо одного
двигателя устанавливают два – каждый половинной мощности, что позволяет
сократить время переходного режима в два раза.

23. Пример расчета времени пуска двигателя:

Дано:
Трехфазный АДК: Pном=160кВт, nном=1487 об/мин, 2p=2, Jдв=2,9 кг∙м2, Mном=1028 Н∙м,
mп=Mпуск/Мном=2,4, mк=Ммакс/Мном=2,9,
Момент инерции нагрузки: Jнагр=2,9 кг∙м2;
Момент сопротивления нагрузки: Мнаг=1600 Н∙м;
Коэффициент нагрузки
Частота сети: f=50 Гц.
Требуется рассчитать время пуска приводов лифта и вентилятора

24. Пример расчета времени пуска двигателя:

ном
Номинальная угловая скорость двигателя:
Суммарный момент инерции:
2 nном
60
J J дв J нагр;
Динамический момент в момент пуска приближенно можно определить по
формуле:
Время пуска:
М дин M M с 0,45 ( mп mк ) М ном Кс М нагр;
tп J
ном
М дин
;

25. Пример расчета времени пуска двигателя:

26. Контрольные вопросы:

1. Запишите уравнения движения электропривода. Поясните возможные состояния
электропривода на основании уравнения движения.
2. Какие элементы относятся к механической части электропривода?
3. Что такое динамический момент электропривода? Когда он возникает?
4. Как рассчитывается время разгона и торможения в электрическом приводе?
5. Какие двигатели используются в электроприводах с частыми разгонами и
торможениями?