ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕКТРОПРИВОД» Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии. Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода(рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства. Рисунок 1.1 – Схема автоматизированного электропривода 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный. Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Структурная схема группового трансмиссионного электропривода Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 – Структурная схема группового электропривода Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственныепомещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиямии передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность трудавследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещениярабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями. В трансмиссионном приводе при выходе из строя или при ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или группового по схеме на рисунке 2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины. Рисунок 2.3 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например в сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п. Примером использования индивидуального привода может служить продольно-фрезерный станок (рисунок 2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок) Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузокили положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным пли технологическим соображениям. Примером взаимосвязанного электропривода может служить приводцепного конвейера. На рисунке 2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2),расположеннымивдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость. Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным управлением, в бумагоделательных машинах, ротационныхмашинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях но производству шинного корда, синтетических пленок и т. д. Рисунок 2.4 – Схема взаимосвязанного привода конвейера По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения. Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем 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, магнитогидродинамическиедвигатели). По степени управляемости электропривод может быть: 1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий; 2) регулируемый — для сообщения изменяемой пли неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства; 3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой; 4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом; 5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима. Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает: 1) редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор; 2) безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор. По уровню автоматизации можно различать: 1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.; 2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров; 3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора. Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев. Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока. 3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение). Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен. Установившийся режим описывается статическими характеристиками. Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток. Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.). Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.). Переходные режимы описываются динамическими характеристиками. Релейно-контакторные системы управления Эти системы осуществляют автоматизированный или дистанционный пуск и остановку двигателя, управление разгоном, торможением, реверсом и осуществляют блокировочные связи с двигателями других механизмов. Основными аппаратами релейно - контакторных систем являются электромагнитные контакторы, разного рода реле (реле тока, напряжения, времени и т.д.) и другие контактные аппараты (кнопочные посты, командоконтроллеры и т.д.). Взаимосвязь всех элементов в системе уравнения определяется принципиальной электрической схемой, на которой изображается с помощью условных графических изображений все элементы устройства и все соединениями между ними. Чаще всего применяется разнесенный способ изображения принципиальной схемы, когда элементы на схеме располагаются так, чтобы соединения между ними были бы наиболее короткими и наглядными. При этом элементы одного аппарата могут в разных местах схемы. Для определения принадлежности элемента схемы тому или иному аппарату используются буквенно - цифровое обозначение. Все элементы одного аппарата имеют одинаковое буквенно - цифровое обозначение. Электрические контакты аппаратов изображаются в том положение, которое они имеют при полностью обесточенной схеме. По функциональному признаку принципиальная схема делится на силовую часть, в которую входят обмотки двигателя и все другие элементы, по которым протекает потребляемый из сети ток двигателя, и вспомогательную цепь или цепь управления, куда входят катушки контакторов и другие элементы, по которым протекают токи этих катушек. Силовая цепь и цепь управления могут иметь разные источники питания с разного рода током и с разным уровнем напряжения. Силовая цепь может изображаться более толстыми линиями. Системы релейно - контакторного управления разных механизмов индивидуальны, поскольку различаются технологические процессы этих механизмов. Тем не менее во множестве индивидуальных систем управления можно выделить относительно небольшой набор типичных управленческих функций, которые имеют стандартные технические решения. Теперь релейно-контакторные системы применяются в относительно простых приводах для выполнения несложных операций. Релейно-контакторные системы управления, несмотря на их широкое распространение, обладают существенными недостатками, обусловленными в первую очередь тем, что аппараты управления имеют движущиеся части и подвижные замыкающие и размыкающие контакты. Контакты и подвижные части довольно быстро изнашиваются, что приводит к нарушению соединения между контактами и выходу из строя некоторых аппаратов и всей схемы управления. Вероятность нарушения контактов становится весьма существенной и работа системы - ненадежной. Разработанные и внедренные релейно-контакторные системы были доведены до высокой степени автоматизации, например система загрузки доменной печи, когда скипы с рудой, коксом и флюсами автоматически доставляются к печи, в соответствии с заданной программой разгружаются в печь, автоматически измеряется уровень шихты в печи и выполняются другие операции, В большинстве приводов, даже при ручном управлении, ряд операций выполняется автоматически. В первой главе изложены примеры релейно-контакторных систем электропривода. Вторая глава посвящена изучению способов формирования процессов пуска и торможения в замкнутых системах электропривода; третья - способов поддержания заданного значения скорости. Хронологически первыми автоматизированными устройствами управления электроприводами появились релейно-контакторные системы, в которых используют в качестве основных аппаратов контакторы реле, командные аппараты и другие контактные устройства, позволяющие осуществить автоматический или дистанционный пуск двигателя, ускорение, изменение скорости, остановку, реверс, торможение, блокировочные связи с другими механизмами. Примером систем формально логического действия могут являться релейно-контакторные системы управления. Примером их могут служить многие САУ, в том числе самонастраивающиеся системы, рассматриваемые ниже. Повышение надежности комплектных устройств управления осуществляется как за счет замены релейно-контакторных систем управления бесконтактными, так и за счет электрической разгрузки аппаратов и изменения нагружения привода. Важнейшим путем повышения системной надежности буровых электроприводов является применение новых технических решений. Вопросу изучения показателей надежности бурового электрооборудования посвящено множество работ, однако проводившиеся исследования касались электрооборудования серийных буровых установок, где в качестве приводов основных механизмов использованы двигатели переменного тока с релейно-контакторной системой управления. Эти системы построены на основе созданных на микропроцессорной элементной базе устройств, совместимых по интерфейсу и протоколу с устройствами ввода-вывода УВК. Конвейеры оборудованы релейно-контакторными системами управления электроприводом секций и датчиками состояния и положения секций. Контроль и управление движением товарных единиц осуществляются УВК, в который поступают все сигналы от датчиков и вырабатываются управляющие сигналы к релейно-контакторным системам. В период разгона не требуется большой точности в отношении величины пройденного пути подъемным сосудом и времени разгона. Поэтому период разгона легко автоматизируется с помощью обычной релейно-контакторной системы в функции времени с дополнительной корректировкой по, току. Кроме того, электроприводы кранов и других подъемно-транспортных механизмов, имеющие двигатели с фазным ротором, снабжаются устройствами, обеспечивающими автоматический контроль за режимом пуска электродвигателей, во избежание возможности разгона электродвигателей без задержки на промежуточных положениях контроллера или командоконтроллера. Управление электродвигателями подъемно-транспортных машин осуществляется при помощи контроллеров, магнитных пускателей, контакторов или релейно-контакторных систем. Управление такими электроприводами осуществляется релейно-контакторной аппаратурой. Релейно-контакторные системы управления ( РКСУ) осуществляют автоматические пуск, торможение, реверсирование и останов двигателей. Более 90 % всех установленных электроприводов управляются сегодня по схемам РКСУ. Электропромышленность поставляет ре-лейно-контакторные схемы в виде законченных изделий - станций управления, предназначенных для оснащения электроприводов постоянного тока ( с двигателями независимого и последовательного возбуждения), асинхронных ( коротко-замкнутых и с фазным ротором) и роторных цепей синхронных двигателей. На этих станциях управления собраны типовые схемы, с помощью которых осуществляется управление движением электропривода, а также необходимые защиты. Применение усилителей позволяет отказаться от использования тяжелых контакторов в главных цепях, требующих постоянного наблюдения, что существенно облегчает эксплуатацию, значительно снижает потери энергии в обмотках коммутирующих аппаратов и в резисторах главных и управляющих цепей. Подобные системы позволяют более качественно управлять процессами: в них. Эти причины обусловили переход в мощных и регулируемых приводах от громоздких релейно-контакторных систем с большими, трудно коммутируемыми токами к автоматическим системам с управлением при помощи усилителей. Такие системы используются для автоматического регулирования скорости, напряжения, тока и других параметров приводов, для получения требуемых характеристик, в следящих системах и для выполнения ряда других функций. Теперь они вытесняются тиристорными приводами и потому имеют ограниченное применение. Электромашинные и ионные преобразователи электрической энергии заменяют тиристорньши преобразовательными устройствами. В системах управления электроприводами наметился полный переход от электромашинных и магнитных силовых усилителей к полупроводниковым усилителям и регуляторам; релейно-контакторные системы автоматического управления все в большей степени уступают место бесконтактным логическим элементам и силовым переключающим устройствам. Переход в технике электропривода на новую элементную основу позволил не только повысить технические показатели электроприводов, но и унифицировать технические решения в области автоматизированного электропривода по функциональному принципу, независимо от отраслевого применения. Эти системы построены на основе созданных на микропроцессорной элементной базе устройств, совместимых по интерфейсу и протоколу с устройствами ввода-вывода УВК. Конвейеры оборудованы релейно-контакторными системами управления электроприводом секций и датчиками состояния и положения секций. Контроль и управление движением товарных единиц осуществляются УВК, в который поступают все сигналы от датчиков и вырабатываются управляющие сигналы к релейно-контакторным системам. Асинхронные электроприводы в подобных системах практически еще не находят применения, даже в тех случаях, когда не лимитируется использование их по условиям нагревания. Это прежде всего объясняется отсутствием в специальной литературе надлежащих исследований по методике построения замкнутых систем автоматического управления асинхронными двигателями с примене-тием счетно-решающих устройств, в том числе цифровых, а также традиционно сложившимся мнением о трудности осуществления сложных законов автоматического управления асинхронными электроприводами. Большую роль в этом играют вопросы надежности, экономичности, точности и стабильности отработки командных мпульсов. В случае применения релейно-контакторных систем управления приобретают значение вопросы надежности и стабильности отработки динамических режимов малоинерционными электроприводами ( типичными для современной практики) из-за значительного влияния электромагнитных переходных процессов. Так как работа электропривода грузоподъемных машин происходит в повторно-кратковременном режиме весьма важно обеспечить защиту электродвигателя и пусковой аппаратуры от перегрузки и перегрева. Поэтому все машины имеют различные автоматические защитные и блокировочные устройства. Электроприводы с двигателем с фазным ротором имеют устройства, обеспечивающие автоматический контроль за режимом пуска электродвигателей. Управление электродвигателями подъемно-транспортных машин осуществляется с помощью контроллеров, магнитных пускателей, контакторов или релейно-контакторных систем. Электрическая схема управления электродвигателями грузоподъемной машины должна исключать возможность самозапуска двигателей после восстановления прерванного ранее по какой-либо причине напряжения в сети, питающей грузоподъемную машину. Электротехническая промышленность выпускает стандартные панели управления для электродвигателей всех типов для различных механизмов грузоподъемных машинОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕКТРОПРИВОД» Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии. Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода(рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства. Рисунок 1.1 – Схема автоматизированного электропривода 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный. Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Структурная схема группового трансмиссионного электропривода Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 – Структурная схема группового электропривода Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственныепомещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиямии передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность трудавследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещениярабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями. В трансмиссионном приводе при выходе из строя или при ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или группового по схеме на рисунке 2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины. Рисунок 2.3 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например в сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п. Примером использования индивидуального привода может служить продольно-фрезерный станок (рисунок 2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок) Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузокили положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным пли технологическим соображениям. Примером взаимосвязанного электропривода может служить приводцепного конвейера. На рисунке 2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2),расположеннымивдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость. Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным управлением, в бумагоделательных машинах, ротационныхмашинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях но производству шинного корда, синтетических пленок и т. д. Рисунок 2.4 – Схема взаимосвязанного привода конвейера По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения. Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем 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, магнитогидродинамическиедвигатели). По степени управляемости электропривод может быть: 1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий; 2) регулируемый — для сообщения изменяемой пли неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства; 3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой; 4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом; 5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима. Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает: 1) редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор; 2) безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор. По уровню автоматизации можно различать: 1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.; 2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров; 3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора. Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев. Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока. 3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение). Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен. Установившийся режим описывается статическими характеристиками. Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток. Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.). Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.). Переходные режимы описываются динамическими характеристиками. Релейно-контакторные системы управления Эти системы осуществляют автоматизированный или дистанционный пуск и остановку двигателя, управление разгоном, торможением, реверсом и осуществляют блокировочные связи с двигателями других механизмов. Основными аппаратами релейно - контакторных систем являются электромагнитные контакторы, разного рода реле (реле тока, напряжения, времени и т.д.) и другие контактные аппараты (кнопочные посты, командоконтроллеры и т.д.). Взаимосвязь всех элементов в системе уравнения определяется принципиальной электрической схемой, на которой изображается с помощью условных графических изображений все элементы устройства и все соединениями между ними. Чаще всего применяется разнесенный способ изображения принципиальной схемы, когда элементы на схеме располагаются так, чтобы соединения между ними были бы наиболее короткими и наглядными. При этом элементы одного аппарата могут в разных местах схемы. Для определения принадлежности элемента схемы тому или иному аппарату используются буквенно - цифровое обозначение. Все элементы одного аппарата имеют одинаковое буквенно - цифровое обозначение. Электрические контакты аппаратов изображаются в том положение, которое они имеют при полностью обесточенной схеме. По функциональному признаку принципиальная схема делится на силовую часть, в которую входят обмотки двигателя и все другие элементы, по которым протекает потребляемый из сети ток двигателя, и вспомогательную цепь или цепь управления, куда входят катушки контакторов и другие элементы, по которым протекают токи этих катушек. Силовая цепь и цепь управления могут иметь разные источники питания с разного рода током и с разным уровнем напряжения. Силовая цепь может изображаться более толстыми линиями. Системы релейно - контакторного управления разных механизмов индивидуальны, поскольку различаются технологические процессы этих механизмов. Тем не менее во множестве индивидуальных систем управления можно выделить относительно небольшой набор типичных управленческих функций, которые имеют стандартные технические решения. Теперь релейно-контакторные системы применяются в относительно простых приводах для выполнения несложных операций. Релейно-контакторные системы управления, несмотря на их широкое распространение, обладают существенными недостатками, обусловленными в первую очередь тем, что аппараты управления имеют движущиеся части и подвижные замыкающие и размыкающие контакты. Контакты и подвижные части довольно быстро изнашиваются, что приводит к нарушению соединения между контактами и выходу из строя некоторых аппаратов и всей схемы управления. Вероятность нарушения контактов становится весьма существенной и работа системы - ненадежной. Разработанные и внедренные релейно-контакторные системы были доведены до высокой степени автоматизации, например система загрузки доменной печи, когда скипы с рудой, коксом и флюсами автоматически доставляются к печи, в соответствии с заданной программой разгружаются в печь, автоматически измеряется уровень шихты в печи и выполняются другие операции, В большинстве приводов, даже при ручном управлении, ряд операций выполняется автоматически. В первой главе изложены примеры релейно-контакторных систем электропривода. Вторая глава посвящена изучению способов формирования процессов пуска и торможения в замкнутых системах электропривода; третья - способов поддержания заданного значения скорости. Хронологически первыми автоматизированными устройствами управления электроприводами появились релейно-контакторные системы, в которых используют в качестве основных аппаратов контакторы реле, командные аппараты и другие контактные устройства, позволяющие осуществить автоматический или дистанционный пуск двигателя, ускорение, изменение скорости, остановку, реверс, торможение, блокировочные связи с другими механизмами. Примером систем формально логического действия могут являться релейно-контакторные системы управления. Примером их могут служить многие САУ, в том числе самонастраивающиеся системы, рассматриваемые ниже. Повышение надежности комплектных устройств управления осуществляется как за счет замены релейно-контакторных систем управления бесконтактными, так и за счет электрической разгрузки аппаратов и изменения нагружения привода. Важнейшим путем повышения системной надежности буровых электроприводов является применение новых технических решений. Вопросу изучения показателей надежности бурового электрооборудования посвящено множество работ, однако проводившиеся исследования касались электрооборудования серийных буровых установок, где в качестве приводов основных механизмов использованы двигатели переменного тока с релейно-контакторной системой управления. Эти системы построены на основе созданных на микропроцессорной элементной базе устройств, совместимых по интерфейсу и протоколу с устройствами ввода-вывода УВК. Конвейеры оборудованы релейно-контакторными системами управления электроприводом секций и датчиками состояния и положения секций. Контроль и управление движением товарных единиц осуществляются УВК, в который поступают все сигналы от датчиков и вырабатываются управляющие сигналы к релейно-контакторным системам. В период разгона не требуется большой точности в отношении величины пройденного пути подъемным сосудом и времени разгона. Поэтому период разгона легко автоматизируется с помощью обычной релейно-контакторной системы в функции времени с дополнительной корректировкой по, току. Кроме того, электроприводы кранов и других подъемно-транспортных механизмов, имеющие двигатели с фазным ротором, снабжаются устройствами, обеспечивающими автоматический контроль за режимом пуска электродвигателей, во избежание возможности разгона электродвигателей без заде
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕКТРОПРИВОД»
Электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины, и системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и ряд других факторов. С другой стороны, нагрузка механической части привода, условия движения ее связанных масс, точность передач и т. п. оказывают влияние на условия работы двигателя и системы управления, поэтому электрические и механические элементы электропривода образуют единую электромеханическую систему, составные части которой находятся в тесном взаимодействии.
Свойства электромеханической системы оказывают решающее влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значительной мере определяют качество и экономическую эффективность технологических процессов. Развитие автоматизированного электропривода(рисунок 1.1) ведет к совершенствованию конструкций машин, к коренным изменениям технологических процессов, к дальнейшему прогрессу во всех отраслях народного хозяйства.
Рисунок 1.1 – Схема автоматизированного электропривода
2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Электроприводы по способам распределения механической энергии можно разделить на три основных типа: групповой электропривод; индивидуальный и взаимосвязанный.
Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины. Передача механической энергии от одного двигателя к нескольким рабочим машинам и ее распределение между ними производится с помощью одной или нескольких трансмиссий. Такой групповой привод называют также трансмиссионным (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Структурная схема группового трансмиссионного электропривода
Вследствие своего технического несовершенства трансмиссионный электропривод в настоящее время почти не применяется, он уступил место индивидуальному и взаимосвязанному, хотя в ряде случаев еще находит применение и групповой привод по схеме на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Структурная схема группового электропривода
Индивидуальный привод по сравнению с трансмиссионным и групповым обладает рядом преимуществ: производственныепомещения не загромождаются тяжелыми трансмиссиямии передаточными устройствами; улучшаются условия работы и повышается производительность трудавследствие облегчения управления отдельными механизмами, уменьшения запыленности помещений, лучшего освещениярабочих мест; снижается травматизм обслуживающего персонала. Кроме того, индивидуальный электропривод отличается более высокими энергетическими показателями.
В трансмиссионном приводе при выходе из строя или при ремонте электродвигателя выбывает из работы группа машин, тогда как в случае индивидуального привода или группового по схеме на рисунке 2.2 остановка одного электродвигателя вызывает остановку лишь одной рабочей машины.
Рисунок 2.3 – Индивидуальные электроприводы рабочих органов (шпинделей) продольно-фрезерного станка
Индивидуальный электропривод широко применяется в различных современных машинах, например в сложных металлорежущих станках, в прокатных станах металлургического производства, в подъемно-транспортных машинах, экскаваторах, в роботах-манипуляторах и т. п.
Примером использования индивидуального привода может служить продольно-фрезерный станок (рисунок 2.3), имеющий отдельные электроприводы главных движений (приводы трех шпиндельных бабок)
Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электродвигательных устройства (или электроприводов), при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузокили положение исполнительных органов рабочих машин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным пли технологическим соображениям.
Примером взаимосвязанного электропривода может служить приводцепного конвейера. На рисунке 2.4 показана схема такого привода, рабочим органом которого является цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями (М1, М2),расположеннымивдоль цепи. Эти двигатели имеют вынужденно одинаковую скорость.
Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например в копировальных металлорежущих станках и станках с программным управлением, в бумагоделательных машинах, ротационныхмашинах полиграфического производства, и текстильных агрегатах, в прокатных станах металлургического производства, в поточных технологических линиях но производству шинного корда, синтетических пленок и т. д.
Рисунок 2.4 – Схема взаимосвязанного привода конвейера
По виду движения электроприводы могут обеспечить: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения.
Вращательное однонаправленное, а также реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем 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, магнитогидродинамическиедвигатели).
По степени управляемости электропривод может быть:
1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий;
2) регулируемый — для сообщения изменяемой пли неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства;
3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой;
4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом;
5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима.
Можно классифицировать электроприводы и по роду передаточного устройства. В этом смысле электропривод бывает:
1) редукторный, в котором электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор;
2) безредукторный, в котором осуществляется передача движения от электродвигателя либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.
По уровню автоматизации можно различать:
1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;
2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;
3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.
Два последних типа электропривода находят применение в подавляющем большинстве случаев.
Наконец, по роду тока применяются электроприводы постоянного и переменного тока.
3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Все режимы в электроприводе делятся на установившиеся (номинальный режим работы) и переходные (пуск, реверс, торможение).
Установившийся режим работы электропривода определяется из условия равенства нулю динамического момента. Этот режим характеризуется работой двигателя с неизменной угловой скоростью, постоянными во времени и равными по величине моментом двигателя и моментом сопротивления. Так как момент, развиваемый двигателем в установившемся режиме, есть функция скорости, то равенство М=Мс возможно только при условии, что момент сопротивления — постоянная величина или функция скорости. Если МС есть функция, например, пути (угла поворота), то даже при постоянной угловой скорости момент сопротивления изменяется во времени и установившийся режим невозможен.
Установившийся режим описывается статическими характеристиками.
Переходным режимом электропривода называют режим работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяются скорость, момент и ток.
Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т. е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т. п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т. п.).
Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа примененного двигателя и механической передачи, принципа действия и свойств аппаратуры управления, а также от режима работы двигателя (пуск, торможение, прием и сброс нагрузки и т. д.).
Переходные режимы описываются динамическими характеристиками.
Релейно-контакторные системы управления
Эти системы осуществляют автоматизированный или дистанционный пуск и остановку двигателя, управление разгоном, торможением, реверсом и осуществляют блокировочные связи с двигателями других механизмов. Основными аппаратами релейно - контакторных систем являются
электромагнитные контакторы, разного рода реле (реле тока, напряжения, времени и т.д.) и другие контактные аппараты (кнопочные посты, командоконтроллеры и т.д.).
Взаимосвязь всех элементов в системе уравнения определяется принципиальной электрической схемой, на которой изображается с помощью условных графических изображений
все элементы устройства и все соединениями между ними. Чаще всего применяется разнесенный способ изображения принципиальной схемы, когда элементы на схеме располагаются так, чтобы соединения между ними были бы наиболее короткими и наглядными. При этом элементы одного аппарата могут в разных местах схемы. Для определения принадлежности элемента схемы тому или иному аппарату используются буквенно - цифровое обозначение. Все элементы одного аппарата имеют одинаковое буквенно - цифровое обозначение.
Электрические контакты аппаратов изображаются в том положение, которое они имеют при полностью обесточенной схеме.
По функциональному признаку принципиальная схема делится на силовую часть, в которую входят обмотки двигателя и все другие элементы, по которым протекает потребляемый из сети ток двигателя, и вспомогательную цепь или цепь управления, куда входят катушки контакторов и другие элементы, по которым протекают токи этих катушек. Силовая цепь и цепь управления могут иметь разные источники питания с разного рода током и с разным уровнем напряжения. Силовая цепь может изображаться более толстыми линиями.
Системы релейно - контакторного управления разных механизмов индивидуальны, поскольку различаются технологические процессы этих механизмов. Тем не менее во множестве индивидуальных систем управления можно выделить относительно небольшой набор типичных управленческих функций, которые имеют стандартные технические решения.
Теперь релейно-контакторные системы применяются в относительно простых приводах для выполнения несложных операций.
Релейно-контакторные системы управления, несмотря на их широкое распространение, обладают существенными недостатками, обусловленными в первую очередь тем, что аппараты управления имеют движущиеся части и подвижные замыкающие и размыкающие контакты. Контакты и подвижные части довольно быстро изнашиваются, что приводит к нарушению соединения между контактами и выходу из строя некоторых аппаратов и всей схемы управления. Вероятность нарушения контактов становится весьма существенной и работа системы - ненадежной.
Разработанные и внедренные релейно-контакторные системы были доведены до высокой степени автоматизации, например система загрузки доменной печи, когда скипы с рудой, коксом и флюсами автоматически доставляются к печи, в соответствии с заданной программой разгружаются в печь, автоматически измеряется уровень шихты в печи и выполняются другие операции, В большинстве приводов, даже при ручном управлении, ряд операций выполняется автоматически.
В первой главе изложены примеры релейно-контакторных систем электропривода. Вторая глава посвящена изучению способов формирования процессов пуска и торможения в замкнутых системах электропривода; третья - способов поддержания заданного значения скорости.
Хронологически первыми автоматизированными устройствами управления электроприводами появились релейно-контакторные системы, в которых используют в качестве основных аппаратов контакторы реле, командные аппараты и другие контактные устройства, позволяющие осуществить автоматический или дистанционный пуск двигателя, ускорение, изменение скорости, остановку, реверс, торможение, блокировочные связи с другими механизмами.
Примером систем формально логического действия могут являться релейно-контакторные системы управления. Примером их могут служить многие САУ, в том числе самонастраивающиеся системы, рассматриваемые ниже.
Повышение надежности комплектных устройств управления осуществляется как за счет замены релейно-контакторных систем управления бесконтактными, так и за счет электрической разгрузки аппаратов и изменения нагружения привода. Важнейшим путем повышения системной надежности буровых электроприводов является применение новых технических решений.
Вопросу изучения показателей надежности бурового электрооборудования посвящено множество работ, однако проводившиеся исследования касались электрооборудования серийных буровых установок, где в качестве приводов основных механизмов использованы двигатели переменного тока с релейно-контакторной системой управления.
Эти системы построены на основе созданных на микропроцессорной элементной базе устройств, совместимых по интерфейсу и протоколу с устройствами ввода-вывода УВК. Конвейеры оборудованы релейно-контакторными системами управления электроприводом секций и датчиками состояния и положения секций. Контроль и управление движением товарных единиц осуществляются УВК, в который поступают все
сигналы от датчиков и вырабатываются управляющие сигналы к релейно-контакторным системам.
В период разгона не требуется большой точности в отношении величины пройденного пути подъемным сосудом и времени разгона. Поэтому период разгона легко автоматизируется с помощью обычной релейно-контакторной системы в функции времени с дополнительной корректировкой по, току.
Кроме того, электроприводы кранов и других подъемно-транспортных механизмов, имеющие двигатели с фазным ротором, снабжаются устройствами, обеспечивающими автоматический контроль за режимом пуска электродвигателей, во избежание возможности разгона электродвигателей без задержки на промежуточных положениях контроллера или командоконтроллера. Управление электродвигателями подъемно-транспортных машин осуществляется при помощи контроллеров, магнитных пускателей, контакторов или релейно-контакторных систем.
Управление такими электроприводами осуществляется релейно-контакторной аппаратурой. Релейно-контакторные системы управления ( РКСУ) осуществляют автоматические пуск, торможение, реверсирование и останов двигателей. Более 90 % всех установленных электроприводов управляются сегодня по схемам РКСУ. Электропромышленность поставляет ре-лейно-контакторные схемы в виде законченных изделий - станций управления, предназначенных для оснащения электроприводов постоянного тока ( с двигателями независимого и последовательного возбуждения), асинхронных ( коротко-замкнутых и с фазным ротором) и роторных цепей синхронных двигателей. На этих станциях управления собраны типовые схемы, с помощью которых осуществляется управление движением электропривода, а также необходимые защиты.
Применение усилителей позволяет отказаться от использования тяжелых контакторов в главных цепях, требующих постоянного наблюдения, что существенно облегчает эксплуатацию, значительно снижает потери энергии в обмотках коммутирующих аппаратов и в резисторах главных и управляющих цепей. Подобные системы позволяют более качественно управлять процессами: в них. Эти причины обусловили переход в мощных и регулируемых приводах от громоздких релейно-контакторных систем с большими, трудно коммутируемыми токами к автоматическим системам с управлением при помощи усилителей. Такие системы используются для автоматического регулирования скорости, напряжения, тока и других параметров приводов, для получения требуемых характеристик, в следящих
системах и для выполнения ряда других функций. Теперь они вытесняются тиристорными приводами и потому имеют ограниченное применение.
Электромашинные и ионные преобразователи электрической энергии заменяют тиристорньши преобразовательными устройствами. В системах управления электроприводами наметился полный переход от электромашинных и магнитных силовых усилителей к полупроводниковым усилителям и регуляторам; релейно-контакторные системы автоматического управления все в большей степени уступают место бесконтактным логическим элементам и силовым переключающим устройствам. Переход в технике электропривода на новую элементную основу позволил не только повысить технические показатели электроприводов, но и унифицировать технические решения в области автоматизированного электропривода по функциональному принципу, независимо от отраслевого применения.
Эти системы построены на основе созданных на микропроцессорной элементной базе устройств, совместимых по интерфейсу и протоколу с устройствами ввода-вывода УВК. Конвейеры оборудованы релейно-контакторными системами управления электроприводом секций и датчиками состояния и положения секций. Контроль и управление движением товарных единиц осуществляются УВК, в который поступают все сигналы от датчиков и вырабатываются управляющие сигналы к релейно-контакторным системам.
Асинхронные электроприводы в подобных системах практически еще не находят применения, даже в тех случаях, когда не лимитируется использование их по условиям нагревания. Это прежде всего объясняется отсутствием в специальной литературе надлежащих исследований по методике построения замкнутых систем автоматического управления асинхронными двигателями с примене-тием счетно-решающих устройств, в том числе цифровых, а также традиционно сложившимся мнением о трудности осуществления сложных законов автоматического управления асинхронными электроприводами. Большую роль в этом играют вопросы надежности, экономичности, точности и стабильности отработки командных мпульсов. В случае применения релейно-контакторных систем управления приобретают значение вопросы надежности и стабильности отработки динамических режимов малоинерционными электроприводами ( типичными для современной практики) из-за значительного влияния электромагнитных переходных процессов.
Так как работа электропривода грузоподъемных машин происходит в повторно-кратковременном режиме
весьма важно обеспечить защиту электродвигателя и пусковой аппаратуры от перегрузки и перегрева. Поэтому все машины имеют различные автоматические защитные и блокировочные устройства. Электроприводы с двигателем с фазным ротором имеют устройства, обеспечивающие автоматический контроль за режимом пуска электродвигателей. Управление электродвигателями подъемно-транспортных машин осуществляется с помощью контроллеров, магнитных пускателей, контакторов или релейно-контакторных систем. Электрическая схема управления электродвигателями грузоподъемной машины должна исключать возможность самозапуска двигателей после восстановления прерванного ранее по какой-либо причине напряжения в сети, питающей грузоподъемную машину. Электротехническая промышленность выпускает стандартные панели управления для электродвигателей всех типов для различных механизмов грузоподъемных машин