Электропривод — совокупность устройств для преобразования электрической энергии в механическую и регулирования потока преобразованной энергии по определённому закону. Электропривод является наиболее распространённым типом привода.
Создание первого электропривода относится к 1838, когда в России Б.С. Якоби произвел испытания электродвигателя постоянного тока с питанием от аккумуляторной батареи, который был использован для привода гребного винта судна. Однако внедрение электропривода в промышленность сдерживалось отсутствием надежных источников электроэнергии. Даже после создания в 1870 промышленного электромашинного генератора постоянного тока работы по внедрению электроприводов имели лишь частное значение и не играли заметной практической роли. Начало широкого промышленного применения электропривода связано с открытием явления вращающегося магнитного поля и созданием трехфазного асинхронного электродвигателя, сконструированного М.О. Доливо-Добровольским. В 90-х гг. широкое распространение на промышленных предприятиях получил электропривод, в котором использовался асинхронный электродвигатель с фазным ротором для сообщения движения исполнительным органам рабочих машин. В 1890 суммарная мощность электродвигателей по отношению к мощности двигателей всех типов, применяемых в промышленности, составила 5%, уже в 1927 этот показатель достиг 75%, а в 1976 приближался к 100%. Значительная доля принадлежит электроприводу, используемому на транспорте.
1. Классификация автоматизированных электроприводов
Электроприводы, используемые в различных технологических установках, разнообразны по схемному и конструктивному исполнению, что связано с большим разнообразием рабочих машин. Классификация электроприводов по отдельным признакам дана в таблице 1.
Таблица 1 Классификация автоматизированных электроприводов
|
Классификационный признак |
Классификационные градации |
|
|
По виду движения электродвигателя |
Вращательного движения; линейный; многокоординатного движения |
|
|
По способу соединения двигателя с рабочим органом |
Редукторный; безредукторный; конструктивно-интегрированный |
|
|
По регулируемости |
Нерегулируемый; многоскоростной; регулируемый |
|
|
По степени автоматизации |
С ручным управлением; с полуавтоматическим управлением; с замкнутой САР скорости с ручным заданием. С замкнутой САР положения, обеспечивающей точное позиционирование; с программным управлением; следящий |
|
|
По числу электродвигателей |
Однодвигательный; многодвигательный |
|
|
По числу рабочих органов |
Индивидуальный; групповой |
|
Классификация по виду движения. Наибольшее, а до недавнего времени исключительное применение получили электроприводы вращательного движения. Однако в последнее время значительное внимание уделяется линейным двигателям. В тех механизмах, где рабочий орган совершает поступательное или возвратно-поступательное движение применение линейных двигателей конструктивно гораздо удобнее, чем использование специальных кинематических пар: винт-гайка, шарико-винтовые передачи, кривошипно-шатунный механизм и др. Из-за низких энергетических и массогабаритных показателей линейные электродвигатели не находили применения. Создание новых эффективных конструкций линейных двигателей с питанием их от полупроводниковых преобразователей частоты открывает новые возможности использования линейных электроприводов для ряда производственных машин, в первую очередь, для металлорежущих станков.
Многокоординатные электроприводы на основе специальных шаговых электродвигателей являются отечественной разработкой и находят применение в высокоточных робототехнических установках, сборочных автоматах и для других целей.
Под регулируемостью понимается возможность изменения или точного поддержания скорости, ускорения или момента (усилия) приводного электродвигателя.
Исторически сложилось, что большинство существующих электроприводов выполнено на базе короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, не допускающих в стандартной схеме их питания регулирования скорости или момента. Модификацией односкоростных асинхронных электродвигателей являются двух и трехскоростные двигатели. Электроприводы с многоскоростными двигателями дают возможность получать две или три фиксированные рабочие скорости, но не могут обеспечить плавного регулирования скорости в заданном диапазоне. К подобным по управляемости можно также отнести электроприводы с реостатно-контакторным управлением. Такие приводы не дают возможности регулировать момент и ускорение электропривода и формировать требуемый характер изменения скорости во времени. Поэтому электропривод с многоскоростными электродвигателями и с контакторным управлением не может рассматриваться как регулируемый.
Понятие регулируемый электропривод включает в себя следующее:
- установка по заданию любой скорости в пределах заданного диапазона;
- стабилизация установленного значения скорости с заданной точностью при возмущающих воздействиях, например, изменении нагрузки на валу двигателя;
- регулирование момента, развиваемого двигателем в двигательном и тормозном режимах, и ускорения (замедления) привода;
- формирование требуемого характера изменения скорости во времени с заданной точностью:
щ=f(t)
Современной тенденцией является все более широкое использование регулируемых электроприводов.
В зависимости от диапазона регулирования скорости, регулируемые электроприводы разделяются на:
- регулируемые приводы с ограниченным диапазоном регулирования (не более 2:1);
- регулируемые приводы общего назначения с диапазоном регулирования не выше 100:1;
- широкорегулируемые электроприводы (диапазон регулирования скорости порядка 1000:1);
- высокоточные электроприводы (диапазон регулирования 10000:1);
- прецизионные электроприводы (диапазон регулирования 30000:1 и выше).
Как будет показано ниже, величина диапазона регулирования определяет точность регулирования и быстродействие электропривода. Классификация электроприводов по степени автоматизации включает в себя электроприводы с системами управления, различающимися по их функциональным возможностям и сложности. Наиболее простые системы с ручным управлением характерны для нерегулируемых электроприводов. Такие электроприводы имеют систему управления на основе релейно-контакторной аппаратуры, выполняющей функции пуска, останова, защиты и блокировки.
Электроприводы с полуавтоматическим управлением подразумевают управление электроприводом оператором с помощью командо-контроллера, кнопок управления и других аппаратов. Система управления содержит элементы автоматического управления и регулирования, обеспечивающие автоматическое изменение параметров электропривода (например, переключение ступеней сопротивления пускового реостата в функции тока или времени) в соответствии с командами оператора. Такие системы характерны, например, для электропривода грузоподъемных кранов.
Для регулируемого электропривода, как правило, используются замкнутые САР по току и скорости. В этом случае управление может осуществляться оператором, как это производится, например, машинистами экскаваторов, реверсивных прокатных станов и других машин. Задание на скорость может также определяться системой технологической автоматики (например, бумагоделательные машины, дозаторы и другие машины).
Следующей разновидностью являются позиционные электроприводы, которые обеспечивают точную остановку рабочего органа механизма в заданном положении. Системы управления такими электроприводами содержат замкнутый контур положения, действующий постоянно или при входе рабочего органа в зону точной остановки.
Если задающее воздействие на параметры движения рабочего органа задается программными средствами, то такие электроприводы составляют класс электроприводов с числовым программным управлением (ЧПУ).
Приводы с ЧПУ содержат замкнутые контуры регулирования по скорости и положению.
Если положение рабочего органа должно изменяться в соответствии с заданием, характер которого заранее неизвестен, то функцией электропривода в этом случае является слежение и отработка этого задания с необходимой точностью. Такой электропривод называется следящим.
Одним из определяющих вопросов при проектировании электромеханических комплексов является выбор системы автоматизированного электропривода. Прежде всего, нужно решить вопрос: следует ли применять регулируемый электропривод или можно обойтись более простым — нерегулируемым.
В последние годы регулируемый электропривод активно вытесняет нерегулируемый.
Технико-экономическими основаниями для применения регулируемого электропривода являются:
- технологические требования, связанные с необходимостью регулирования момента, скорости и положения в ходе технологического процесса (например, металлорежущие станки, грузоподъемные краны и др.);
- возможность оптимизации технологического процесса за счет регулирования электромеханических параметров (например, прокатные станы и др.);
- повышение эффективности использования электроэнергии, ее экономия при использовании регулируемого электропривода (насосы, вентиляторы и другие машины);
- автоматизация рабочих машин и технологических комплексов, которая в большинстве случаев невозможна без использования регулируемого электропривода;
- обеспечение стабильности качества производимой продукции (при изменении параметров сырья, условий производства, износ инструмента, требующих адаптации технологического процесса для сохранения качества продукции);
- создание гибких технологий, машинных комплексов и производств (т.е.
комплекса машинного оборудования, который может перестраиваться на выпуск новой продукции без изменения самих рабочих машин).
Приведенный перечень показывает, что регулируемый электропривод является, особенно в перспективе, определяющим видом автоматизированного электропривода.
К настоящему времени определился круг систем регулируемого электропривода, которые получили наибольшее распространение и будут использоваться в ближайшие десятилетия:
- короткозамкнутый асинхронный двигатель с питанием от полупроводникового преобразователя частоты — ПЧ-АД;
- вентильный двигатель (бесщеточный двигатель постоянного тока с полупроводниковым коммутатором) на базе синхронной машины — ВД;
- двигатель постоянного тока с питанием от тиристорного или транзисторного преобразователя — ТП-Д;
- асинхронный вентильный каскад на базе асинхронного двигателя с фазным ротором и тиристорного преобразователя -ABK.
К числу перспективных электроприводов следует также отнести шаговые электроприводы и вентильно-индукторный электропривод.
2. Монтаж электропривода
Монтаж электроприводов осуществляется кабелем марки К. Перед монтажом электропривода проверяется состояние электропривода и технической документации, работа электропривода от маховика, целостность оболочки, наличие всех крепежных деталей (болтов, гаек, шайб к др.).
А также наличие средств уплотнения (для кабеля, проводов, крышек), знак взрывозащиты, наличие предупреждающих надписей (Открывать, отключив от сети), наличие заземления и пломбирующих устройств, наличие заглушек в неиспользованных вводных устройствах и надежность их крепления. Проверяется состояние взрывозащитных поверхностей деталей, подвергнутых разборке (царапины, трещины, раковины не допускаются) возобновляется антикоррозионная смазка.
Перед монтажом электропривода составные его части очищают от пыли и грязи, а неокрашенные наружные части от смазки. Перед установкой проверяют сопротивление изоляции обмотки электродвигателя, которое не должно быть ниже 0 5 МОм. Электродвигатель соединяется с приводным механизмом эластичной муфтой, при этом следует обеспечить целостность соединяемых валов. Электропривод с установленным электродвигателем и без путевого (конечного) выключателя устанавливается на стойку задвижки и надежно закрепляется гайками.
Монтаж электропривода, например, типа ЭПВ состоит из следующих основных операций: установки электропривода, регулировки путевого выключателя, проверки цепей управления, регулировки и проверки работы электропривода в целом с работой задвижки.
Монтаж электропривода производится в следующей последовательности: выбор электродвигателя, коммутационной и защитной аппаратуры; внешний осмотр; доставка к месту монтажа; установка и выверка фундамента (рамы, салазок); установка двигателя на подготовленное основание; выверка горизонтального (вертикального) положения двигателя. Проверяется укрепление двигателя на основании; промывка, смазка подшипников; проверка сопротивления изоляции; монтаж аппаратуры управления; подсоединение к двигателю проводов (кабелей) питающей и управляющей цепей и заземляющего провода; пробная эксплуатация двигателя; устранение неисправностей в работе двигателя и цепи управления; сдача в эксплуатацию.
Монтаж электропривода, регулировка путевого выключателя, проверка монтажа электрической схемы должны быть проведены в соответствии с инструкцией по монтажу и эксплуатации электропривода.
Монтаж электропривода нагнетателя, его пусковых устройств и защиты считается законченным после заполнения монтажного формуляра монтажной организацией и производства наладочных работ по механической и электрической частям схемы.
Рекомендуется монтаж электропривода на арматуру производить в следующем порядке. Электропривод устанавливается на арматуру и закрепляется на ней гайками, под которые предварительно подкладываются пружинные шайбы.
Ведется монтаж электроприводов задвижек, устанавливаются коробки УКП и подводится питание силовых цепей от сборок.
Электросхема монтажа электроприводов определяется в каждом отдельном случае в зависимости от требуемых условий работы привода.
Для защиты арматуры и электропривода от перегрузок в электроприводах, кроме типа А, необходимо наличие реле максимального тока. Величина крутящего момента, при котором должно происходить автоматическое выключение электродвигателя, регулируется в определенных пределах.
После монтажа дистанционного электропривода регулируют концевые выключатели (устройства, выключающие электродвигатель в крайних положениях шпинделя задвижки) и проверяют соответствие направления вращения шпинделя колонки указателям.
При монтаже электропривода на арматуру необходимо предусмотреть возможность свободного доступа к нему при управлении маховиком, регулировке коробки путевых выключателей и узла выключения муфты, при поворачивании специальным ключом гайки муфты крутящего момента, при монтаже проводки к электродвигателю и к коробке путевых и моментных выключателей.
Поскольку завод выпускает электропривод полностью укомплектованным, а установку и соединение его с запорной арматурой выполняют монтажники-технологи, то электротехнический монтаж электропривода состоит в присоединении кабелей (питающего и контрольного) в проверке его действия.
По мере подготовки основания вторым путеукладочным краном УК-25 укладывают новый перевод в следующем порядке: блок из шести-десяти железобетонных шпал с инвентарными рубками (рельсовые рубки сразу же убирают).
Потом две плиты для монтажа электропривода переводного механизма стрелки; плиту А-4 с монтажными рубками, которая должна располагаться сразу же за корнями остряков, и стрелку, смонтированную полностью на трех плитах типа А-3. Затем две плиты А-4 и А-5 и семь плит типа Б; металлические части перевода, которые прикрепляют к плитам через одну подкладку; плиты В-1, В-2, В-3. Кран перемещается на боковой путь, а оставшиеся на платформе плиты перетягивают на путеукладчик. Затем укладывают три плиты типа В, крестовину и два рельса с контррельсами, четыре плиты типа В и оставшиеся четыре рельса. В конце окна кран убирает рельсы объемлющего пути, и рабочий поезд уходит с места работ.
3. Защита электропривода
Аппараты защиты предназначены для предотвращения аварий, которые могут возникнуть при сильном возрастании тока (перегрузках) электродвигателя, коротких замыканиях в его цепях и чрезмерном уменьшении или исчезновении напряжения в питающей сети. В некоторых случаях применяются и другие виды защиты: при обрыве цепи возбуждения, работе асинхронных двигателей на двух фазах. А также при чрезмерном возрастании частоты вращения, для ограничения хода приводимого механизма и т. д. Опасность той или иной перегрузки для электродвигателя зависит не только от размера перегрузки, но и от ее продолжительности, типа и конструкции двигателя, его температуры и температуры окружающей среды. Иногда большая кратковременная перегрузка представляет нормальное явление, например, при пуске асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В других случаях, например при пуске двигателя постоянного тока, большая перегрузка недопустима, так как приводит к нарушению коммутации машины и появлению на коллекторе кругового огня.
В случае возникновения в цепях двигателей токов коротких замыканий аппараты защиты должны отключать эти цепи как можно скорее. При чрезмерном понижении напряжения частота вращения двигателей при полной нагрузке уменьшается. Восстановление напряжения вызывает резкие броски тока и механические толчки, которые могут привести к повреждению двигателя и приводного механизма.
У асинхронных двигателей понижение напряжения приводит к возрастанию тока ротора и, следовательно, к перегреву машины.
Расчетный срок службы электродвигателя определяется в основном ресурсом его обмоток. Например, для асинхронных двигателей серии 4А срок службы составляет 20 лет при наработке 40 тыс. ч. Решающим фактором, обусловливающим снижение качества изоляции обмоток электромашин, является повышенная температура. Поэтому все виды защиты электроприводов имеют общую задачу — исключить возможный перегрев электродвигателей. Для всех приводов обязательными являются защита от перегрузки по току и нулевая блокировка. Для защиты при коротких замыканиях после коммутационного аппарата устанавливают плавкие предохранители.
Защита от перегрузок двигателей может быть: токовая, осуществляемая при помощи реле максимального тока; тепловая — при помощи электротепловых реле; температурная — при помощи термореле.
При больших перегрузках или коротких замыканиях в цепи якоря двигателя постоянного тока максимальное реле, срабатывая, лишает катушку линейного контактора, а последний отключает двигатель от сети. Для того чтобы максимальные реле не отключали двигатели при пусках, установки реле должны быть большими, чем пусковые токи двигателей.
Тепловая защита выполняется посредством электротепловых реле, которые включаются в две или три фазы асинхронного трехфазного двигателя.
Минимальная защита обеспечивает отключение электродвигателей при чрезмерном понижении или исчезновении напряжения в питающей сети. Эта защита предотвращает также повторное самопроизвольное включение двигателей при восстановлении исчезнувшего напряжения. Аппаратами минимальной защиты служат контакторы и реле напряжения.
В схемах включения магнитных пускателей при значительном уменьшении или исчезновении напряжения контактор отпускает свой якорь и отключает двигатель от сети. При восстановлении напряжения самопроизвольного включения двигателя не произойдет, так как замыкающий вспомогательный контакт контактора, шунтирующий кнопку, разомкнётся, и для повторного пуска двигателя необходимо вновь нажать эту кнопку.
В схемах управления с командоконтроллерами минимальная защита осуществляется с помощью реле напряжения. В нулевом положении командоконтроллера через его контакт, замкнутый только в нулевом положении (нулевой контакт), получает питание катушка реле, которое через свой замыкающий контакт подает питание всей цепи управления. В других положениях командоконтроллера его нулевой контакт разомкнут, и катушка реле получает питание через собственный контакт. При уменьшении или исчезновении напряжения реле отключает всю цепь управления и, следовательно, двигатель.
Рисунок 1 Принципиальная схема температурной защиты на позисторах
Температурная защита осуществляется на основе непосредственного контроля температуры обмоток двигателя. Защита позволяет наиболее полно реализовать тепловые возможности электродвигателя во всех режимах, при любых нагрузках. Исполнение защиты унифицировано для асинхронных машин любой мощности. Наиболее простыми элементами температурной защиты являются биметаллические термореле, непосредственно встраиваемые в лобовые части статорных обмоток. В качестве чувствительных элементов температурной защиты электродвигателей применяются терморезисторы, которые монтируют в лобовых частях обмоток.
Схема температурной защиты на позисторах (рис. 1) выполнена в виде несимметричного триггера на транзисторах VI и V2 с выходом на реле К. В исходном состоянии транзистор VI открыт, V2— закрыт. Позистор R является одним из плеч делителя напряжения Rl — R. При повышении температуры обмотки машины, а, следовательно, и позистора до порога срабатывания происходит опрокидывание триггера. Транзистор VI закрывается, V2 — открывается, реле К срабатывает, осуществляя свои защитные функции. Преимуществом схемы является ее простота, универсальность, отсутствие необходимости в дополнительных регулировках, системах компенсации и настройки. Установка срабатывания защиты зависит от типа позистора, который подбирают в соответствии с классом изоляции машины. Более чем десятикратное изменение сопротивления позистора в интервале температуры установки позволяет последовательно соединять до трех термодатчиков, контролируя нагрев машины одновременно в нескольких точках.
4. Роль электропривода в народном хозяйстве
После победы Великой Октябрьской революции в 1920 г. был поставлен вопрос о коренной реорганизации всего народного хозяйства. Был разработан план ГОЭЛРО (государственный план электрификации России), предусматривающий в течение 10-15 лет создание 30 тепловых и гидроэлектростанций общей мощностью 1 млн. 750 тыс. кВт (к 1935 году было введено около 4,5 млн. кВт).
Работая над планом ГОЭЛРО, В.И. Ленин отметил, что «электрический привод как раз наиболее надежно обеспечивает и любую быстроходность, и автоматическую связанность операций на самом обширном поле труда».
Почему уделялось такое большое внимание электроприводу и электрификации? Дело очевидно в том, что ЭП является силовой основой выполнения механической работы и автоматизации производственных процессов с высоким КПД, при этом электропривод создает все условия для высокопроизводительного труда. Вот простой пример. Известно, что в течение рабочего дня один человек может при помощи мускульной энергии выработать около 1 кВт/ч, стоимость производства которой составляет (условно) 1 коп. В высоко электрифицированных отраслях промышленности установленная мощность электродвигателей на одного рабочего составляет 4-5 кВт (этот показатель называется электровооруженность труда).
При восьмичасовом рабочем дне получаем потребление 32-40 кВт/ч. Это значит, что рабочий управляет механизмами, работа которых за смену эквивалентна работе 32-40 человек.
Еще большая эффективность ЭП наблюдается в горнодобывающей промышленности. Например, на шагающем экскаваторе типа ЭШ-125/125, имеющем стрелу 125 метров и ковш емкостью 125 кубических метров, мощностью одного асинхронного двигателя составляет 28,2 МВт. На прокатных станах установленная мощность ЭД составляет более 60 МВт, а скорость прокатки — 126 км/ч.
Именно поэтому было так важно обеспечить широкое внедрение электропривода в народное хозяйство. Количественно это характеризуется коэффициентом электрификации, равным отношению мощности электродвигателей к мощности всех установленных двигателей, в том числе и неэлектрических.
В результате выполнения плана ГОЭЛРО СССР в 1928 году по коэффициенту электрификации обогнал Англию, в 1936 г. перегнал Германию и догнал США, тем самым, ликвидировав отсталость России от ведущих мировых держав. В настоящее время ЭП занял господствующее положение в народном хозяйстве и потребляет порядка 2/3 всей производимой электрической энергии в стране (около 1,5 трл. кВт/ч).
электропривод командоконтроллер позистор
Заключение
Сейчас дальнейшее развитие электропривода определяется в рамках решения задач повышения качества, надежности, экономичности и производительности рабочих машин, а также задач комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. Исходя из этого, актуальной задачей является расширение области применения регулируемого привода переменного тока, использующего электродвигатели более простой конструкции и с меньшей металлоемкостью. Это возможно благодаря применению последних достижений в области полупроводниковой преобразовательной техники. Особенностью развития электроприводов является резкое повышение технологических требований к динамическим и точностным показателям, а также усложнение их управляющих функций. Развитие в этом вопросе идет по пути создания систем числового программного управления и расширения использования микропроцессорной элементной базы. Важнейшей практической задачей также является унификация элементной базы путем создания унифицированных комплексных электроприводов с использованием современной микроэлектроники и блочно-модульного принципа компановки. На настоящий момент уже созданы серии комплектных тиристорных электроприводов постоянного тока и электроприводов с частотным регулированием переменного напряжения, обладающих техническими показателями, удовлетворяющими требованиям широкого круга механизмов. Важнейшим направлением развития является тенденция упрощения кинематических цепей машин и механизмов на базе современного индивидуального электропривода. Одно из решений — создание безредукторного электропривода. Он позволяет обеспечить низкие скорости вращения в пределах 8-120 оборотов в минуту для таких мощных машин и механизмов как экскаваторы, прокатные станы, лифты, шахтные подъемники и т.д.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/otchet/montaj-elektroprivodov/
1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках [Текст]: учебник / Долин П.А. — Мн.: Энергоатомиздат, 1984. — 448с.
2. Постников Н.П. Электроснабжение промышленных предприятий [Текст]: учебник / Постников Н.П. -Мн.: Стройиздат, 1980. — 376с.
3. Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий [Текст]: СП 31-110-2003. — Введ. 2004-01-01. — М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. — 52с.
4. Правила устройства электроустановок [Текст]: утв. Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 №204. — СПБ.: Издательство ДЕАН, 2011. — 928с.
5. Ботян А.М. Монтаж электрооборудования в сельскохозяйственном производстве [Текст]: учебник / А.М. Ботян. — Мн.: Ураджай, 2000. — 296с.
6. Калашников, Б.Е. Проблемы «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами [Текст]: учебник / Б.Е. Калашников. — Мн.: Электротехника, 2002. — 226с.
