Состав и функции электропривода

Рассмотрим подробнее силовой (энергетический) канал электропривода (рис. 1.2). Будем полагать, что мощность Р передается от сети

к рабочему органу , что этот процесс управляем и что передача и преобразование мощности сопровождаются некоторыми ее потерями в каждом элементе силового канала.

Функция электрического преобразователя ЭП (если он используется) состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой источником (сетью) С и характеризуемой напряжением и током сети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами U, I. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и чаще — управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты), они могут иметь одностороннюю (выпрямитель) или двустороннюю (мотор-генератор, управляемый выпрямитель с двумя комплектами тиристоров) проводимость. При односторонней проводимости преобразователя и обратном (от нагрузки) потоке энергии используется дополнительный резистор R для «слива» тормозной энергии.

Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию в механическую и обратно.

Механический преобразователь (передача) — редуктор, пара винт-гайка, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. — осуществляет согласование момента и скорости со двигателя с моментом (усилием ) и скоростью рабочего органа РО технологической машины.

Величины, характеризующие преобразуемую энергию, — напряжения, токи, моменты (силы), скорости — называют координатами электропривода.

Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса.

Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, назначенными производителями оборудования и обеспечивающими его оптимальное использование.

В правильно организованной системе при управлении координатами (потоком энергии) должны минимизироваться потери во всех элементах и к рабочему органу должна подводиться требуемая в данный момент мощность.

Эти вопросы—свойства и характеристики различных электроприводов, как правильно управлять их координатами в установившихся—статических — и переходных — динамических — режимах, как оценивать энергетические свойства и, наконец, как правильно проектировать силовую часть электропривода — будут основным предметом книги.

В книге практически не будут затрагиваться задачи, относящиеся к информационным каналам электропривода: мы будем полагать, что современные технические средства смогут обеспечить любые нужные воздействия, и будем акцентировать внимание на том, что должна делать система управления электропривода, а не на том, как это может быть практически осуществлено.

Даже беглого взгляда на структуру силовой части электропривода (рис. 1.2) достаточно, чтобы понять, что объект изучения весьма сложен: разнородные элементы — электрические и электронные, электромеханические, механические, совсем непростые процессы, которыми нужно управлять, и т.п. Очевидно, что эффект при изучении предмета — глубокое понимание основных явлений и умение решать простые, но важные для практики задачи — может быть достигнут лишь при выполнении ряда условий.

Во-первых, надо научиться работать с моделями реальных, как правило, очень сложных объектов, т.е. с искусственными простыми

объектами, отражающими, тем не менее, именно те свойства реального объекта, которые изучаются.

Во-вторых, надо стараться использовать лишь модели, отражающие то, что нужно, и так, как нужно, не избыточные, но и не примитивные. Это совсем не просто, и этому будет уделено значительное внимание.

В-третьих, нужно строго оговаривать условия, при которых получена та или иная модель. Если этого не сделать, результаты могут просто не иметь смысла.

И, наконец, надо уметь выделять главное и отбрасывать второстепенное, частное. Именно глубокое понимание основных принципов, соразмерностей, главных соотношений, закономерностей и умение применять их на практике — основная цель книги.

Из истории электропривода

История развития электрического привода, являющегося целенаправленным органичным сочетанием электрических машин, аппаратов, преобразователей и устройств управления, обусловлена образующими электропривод компонентами. Вместе с тем электропривод как система, осуществляющая управляемое электромеханическое преобразование энергии, имеет свою собственную историю.

Начало развития электропривода было положено созданием в первой половине XIX в. работоспособных образцов электрического двигателя. Первое практическое использование электродвигателя постоянного тока, оснащенного другими характерными элементами электропривода: механической передачей, органами управления и т.п. — и обеспечивавшего движение катера вверх по р. Неве, относят к 1834—1838 гг. и связывают с именем акад. Б. С. Якоби. Эта работа получила мировую известность, однако несовершенство технических средств и, главным образом, источника питания — гальванической батареи —• не позволило блестящему изобретению Б. С. Якоби и работам его последователей найти широкое практическое применение. Лишь в 70-е годы XIX в. были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, демонстрировавшиеся на выставках в Вене, Париже, Мюнхене.

Условия для развития массового электропривода создались в конце XIX в. благодаря открытию в 1886 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока, и, главным образом, благодаря комплексу выдающихся работ М. О. Доливо-Добровольского, который в 1888г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока и разработал в 1889 г. трехфаз-

ный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с ко-роткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

Конец XIX — начало XX в. характеризуются строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Централизованная выработка электроэнергии с ее последующим распределением послужила основой для создания промышленного электропривода.

На замену использовавшемуся ранее групповому приводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическим распределением энергии с помощью ремней и канатов пришел групповой электропривод. Не изменяя общей компоновки, он позволял не иметь на каждой фабрике свою тепловую станцию с паровыми котлами или гидравлическую с водяными колесами и основывался на использовании централизованного электроснабжения — электрической сети.

Это нововведение вызывало вначале у многих недоумение вследствие удорожания оборудования, его усложнения и возникновения потерь энергии при передаче ее по проводам на значительные расстояния.

Еще большее недоумение и возражения в начале XX в. вызывала идея перехода к одиночному электроприводу, т.е. к замене механического распределения энергии электрическим, приближению электродвигателя к рабочей машине. Несмотря на уже имевшиеся положительные примеры таких решений, можно утверждать, что всю первую четверть XX в. шла борьба между сторонниками группового и индивидуального электропривода.

Естественным итогом продолжавшегося более 25 лет непростого соревнования группового и индивидуального электропривода была полная победа последнего на всех вновь строящихся предприятиях.

В России большую роль в развитии массового индивидуального электропривода сыграл план ГОЭЛРО, в соответствии с которым осуществлялись реконструкция старых и строительство новых электростанций, развивалась отечественная электротехническая промышленность.

Одновременно электрический привод вытеснял все виды механического привода. Так, мощность электродвигателей по отношению к общей мощности установленных двигателей в 1890 г. составляла 5 %, в 1927 г. — 75 %, к 1950 г. — около 100 %.

В период интенсивного перехода к индивидуальному электроприводу, который в России практически завершился к 1934 г., во всех новых производствах появилось большое количество различных типов электроприводов. Если в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место и не уступили его до настоящего времени асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах — синхронные двигатели, то регулируемые электроприводы были весьма разнообразны: широко использовались двигатели постоянного

тока с различными схемами возбуждения (независимой, параллельной, последовательной, смешанной) при реостатном регулировании или при ослаблении магнитного поля, 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 еще в конце XIX в. система Вард—Леонарда (генератор — двигатель), состоящая из нескольких электрических машин, но обладающая отличными регулировочными возможностями как в статике, так и в динамике.

Индивидуальный электропривод сыграл большую роль в развитии и совершенствовании многих технологических машин и агрегатов. Это осуществлялось главным образом за счет приближения двигателя к рабочему органу и исключения благодаря этому значительной части громоздких механических передач, а также за счет перехода от механического к электрическому управлению скоростью.

Идеи автоматического управления, зародившиеся задолго до создания работоспособного электропривода (идеи Уатта—Ползунова и др.), в 30-е годы начали интенсивно развиваться применительно к электроприводу.

К началу 40-х годов электромеханическая часть индивидуального, в том числе многодвигательного электропривода, приобрела современные черты. Его характерной особенностью оставалось релейно-контак-торное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей разных типов: машинных, электронно-ионных, несколько позже магнитных.

В 1941 г. начала интенсивно развиваться военная электротехника, в частности специальные следящие электроприводы для управления орудийным огнем, радиолокации и т.п. Большую роль в создании новых, оригинальных специальных электроприводов сыграл завод № 627, преобразованный затем во ВНИИЭМ.

В середине 40-х годов были разработаны первые отечественные автоматические линии станков: для обработки головки блока цилиндров тракторного двигателя (ЭНИМС, завод «Стальконструкция»), для обработки блока цилиндров двигателя грузового автомобиля (станкостроительный завод им. С. Орджоникидзе) и др. Появились первые заводы-автоматы с автоматизированными основными и вспомогательными производственными процессами.

В 1935 г. в ВЭИ разработана первая версия электропривода с преобразователем на тиратронах — прообраз широко распространенных сейчас регулируемых электроприводов по системе статический преобразователь — двигатель. С 1949 г. электроприводы с ртутными выпрямителями широко внедрялись в качестве главных приводов прокатных станов.

К 1948—1950 гг. относится появление отечественных вентильных каскадов на прокатных станах с введением в цепь ротора главного асинхронного двигателя управляемого ртутного выпрямителя.

В 40—50-е годы формируются научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации, внесшие весомый вклад в развитие отечественного электропривода. Это ВЭИ (регулируемые электроприводы широкого применения), ГПИ «Тяжпромэлектропроект» (электрооборудование металлургических производств), Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения -- ЦНИИТмаш (электропривод станов холодной прокатки), трест «Электропривод», позднее ВНИИэлектропривод (электропривод текстильных агрегатов, бумагоделательных и полиграфических машин, скоростных лифтов, экскаваторов), ЭНИМС (электроприводы металлорежущих станков), ВНИИЭМ (прецизионные электроприводы) и другие организации. Практическая реализация электроприводов осуществлялась заводами «Электросила», ХЭМЗ, «Динамо», им. Я. М. Свердлова, им. С. Орджоникидзе и многими другими.

В середине 50-х годов сформировалась теория и практика «дополупро-водникового» электропривода. Были созданы и получили широкое признание учебники по электроприводу С. А. Ринкевича «Теория электропривода» (1938 г.), А. Т. Голована «Электропривод» (1948 г.), Д. П. Морозова «Основы электропривода» (1950 г.), В. К. Попова «Основы электропривода» (1951 г.) и многие другие. Особенно следует отметить учебник М. Г. Чиликина «Общий курс электропривода», вышедший в 1953 г., выдержавший шесть изданий и внесший благодаря высокому уровню и доступности изложения весомый вклад в подготовку специалистов в СССР.

В США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, впоследствии широко использовавшиеся в практике разработки управляемого электропривода.

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г. Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В технику электропривода начали входить электронный управляемый ключ и построенные на его основе устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода оказал тиристор — мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955 г. усилиями Дж. Молла, М. Танненбаума, Дж. Голдея и Н. Голоньяка (США). Появление тиристоров на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и тиратронов и перейти на управляемые тиристорные выпрямители в цепях электроприводов постоянного тока.

Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с так называемым векторным управлением (система трансвектор).

В СССР получили развитие начатые еще 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 частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на доступной в то время элементной базе — тиристорах, были сформулированы и детально исследованы принципы автоматического управления электропривода с преобразователями частоты.

В 60—70-е годы в МЭИ под руководством М. Г. Чиликина проведены интенсивные исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями (Б. А. Ивоботенко), широко внедренные в металлургической, станкостроительной и других отраслях промышленности, получившие признание технической общественности и заложившие основы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода. В этот же период развивается электропривод с вентильными двигателями, в которых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора.

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 еще в середине 50-х годов Кесслером (Германия) и состоящая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Во ВНИИЭлектроприводе 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-х годов четырехразрядного однокристального микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) PDP 14 ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода. Уже в 70-е годы в мировой практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м годам схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК.

По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко, почти скачкообразно, наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий.

Концептуальные изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала в массовых устройствах — полностью управляемые ключи на токи до 600 А, напряжение до 1200 В с частотами 30 кГц и выше, появившиеся на рынке в последние 10—15 лет, и средства управления ими. Эти приборы, объединенные в модули с встроенными быстрыми обратными диодами и управляемые указанными выше современными средствами, послужили основой для построения преобразователей частоты со структурой неуправляемый выпрямитель — L—С-фильтр — автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), ставших основным техническим решением в регулируемом электроприводе переменного тока мощностью до 600 кВт. В последние годы на рынке появились на токи до 3600 А и напряжения

до 6500 В.

Интенсивно осваиваются новые виды регулируемого электропривода — вентильно-индукторный, с другими нетрадиционными электрическими машинами. В микроприводе миниатюрных роботов применяются тонкопленочные диэлектрические двигатели.

В последние годы в мире отчетливо сформировалось и интенсивно реализуется тенденция перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях: насосы, вентиляторы, конвейеры и т.п., благодаря чему резко повышается технологический уровень оборудования, экономятся значительные энергетические ресурсы.

Упражнения

1.4.1. Вас окружает множество устройств, в которых используется электрический привод. Выберите самые знакомые и попытайтесь найти блоки, представленные на рис. 1.1, показанные там связи и границы с соседними областями техники.

1.4.2. В состав электропривода (см. рис. 1.1) входит информационный канал или некоторая система управления потоком энергии. В литературе можно встретить два разных выражения: «схема управления электроприводом» и «схема управления электропривода». Равноценны ли эти выражения? Какое из них точнее?

1.4.3. Специалисты в области силовой электроники иногда называют электроприводом электронный преобразователь (см. рис. 1.1); специалисты в области электрических машин часто считают, что электропривод — это машина, к которой «что-то прицеплено». Как бы вы прокомментировали эти бытующие определения?

1.4.4*. Составьте краткий реферат, отражающий основные этапы развития современного электропривода.

Резюме

Электропривод — система, состоящая из электромеханического (обязательно), электрического, механического преобразователей и управляющей (информационной) части, осуществляет управляемое преобразование электрической энергии в механическую и обратное, взаимодействует с системой электроснабжения, рабочей машиной и системой управления более высокого уровня.

Диапазон мощностей и частот вращения — больше 10 .

Электропривод обслуживает практически все виды технологий, за исключением тех, где используются неэлектрические двигатели (автомобильный транспорт и т.п.).

Электропривод потребляет более 60 % всей электроэнергии.

* * *

Основное внимание в книге уделено общим вопросам современного электропривода, его физическим основам, а также электроприводам общего назначения.

Не рассматривается специфический электропривод бытовой техники, занимающий заметный сегмент мирового рынка. Не рассматриваются специальные электроприводы, используемые в станках, роботах, прецизионных и приборных системах и т.п.

Информационная и управляющая часть электропривода анализируется лишь с позиций функций, которые она должна осуществлять, но не в плане ее аппаратной и программной реализации.

Практически полностью исключены из рассмотрения многочисленные принципы и методы управления, используемые в современном электроприводе, — они изучаются студентами, избравшими электропривод своей основной специальностью.

Глава вторая