Понятие об электрическом приводе. Типы электроприводов и области их применения

Электроприводом называется электромеханическая система, преобразующая электрическую энергию в механическую одного или нескольких рабочих механизмов.

Электропривод включает в себя системы преобразования, Передачи распределения энергии и управление этими процессами и бывает групповой, индивидуальный и взаимосвязанный.

В групповом приводе один электродвигатель приводит в движение с помощью разветвленной передачи группу механизмов или группу рабочих органов одного механизма, например несколько станков или различные рабочие органы одного станка.

В таком приводе кинематическая схема оказывается сложной и громоздкой, а сам привод неэкономичным, поэтому в настоящее время он находит лишь ограниченное применение.

Привод, в котором электродвигатель приводит в движение только один рабочий орган, получил название индивидуального.

Индивидуальный электропривод существенно упрощает кинематическую схему механизма, повышает экономичность и позволяет в ряде случаев встраивать электродвигатель непосредственно в механизм, что уменьшает его металлоемкость. Примером такого сочетания электродвигателя с рабочим органом может служить различный электроинструмент: электродрель, электроточило, электрошпиндель и др.

Взаимосвязанным называют привод, в котором рабочие органы одного механизма приводятся в движение несколькими электродвигателями.

Взаимосвязанный электропривод может состоять из нескольких индивидуальных электроприводов, участвующих в общем технологическом процессе и установленных на одном производственном комплекте. Например, в металлорежущих станках устанавливают отдельные приводы главного движения заготовки режущего инструмента и приводы подач. Промышленные роботы снабжаются несколькими отдельными приводами. Во взаимосвязанном приводе возможна работа нескольких электродвигателей на один рабочий орган, что позволяет снизить усилия в рабочем органе и передаче, распределить их в механизме более равномерно, избежать перекосов и т. д.

Основная функция электропривода - приводить в движение рабочий механизм и изменять его режим работы в соответствии с требованиями технологического процесса.

Для выполнения этой функции электропривода должно быть выдержано определенное соответствие между механическими свойствами электродвигателя и рабочего механизма. Рабочий орган механизма реализует подведенную к нему механическую энергию в полезную работу. Передача механической энергии от вала двигателя к рабочему органу сопровождается потерями, причиной возникновения которых является трение в подшипниках, направляющих, зацеплениях и т. д.

Для удобства выбора электродвигателя момент или усилие, создаваемые рабочим органом, и потери в передачах приводят к моменту на валу двигателя. Мощность на валу электродвигателя равна сумме мощности рабочего органа Р_Р.О и мощности потерь в передаче

ΔР:Р = Р’_Р.О. + ΔР,

где Р’_Р.О. = Р’_Р.О./i - мощность, приведенная к валу двигателя, i - передаточное число редуктора.

С учетом кпд передачи η_ПЕР мощность на валу двигателя и момент определяются по выражениям

Р = Р_Р.О./ η_ПЕР; М = М_Р.О/ η_ПЕР

От свойств электропривода зависят механические характеристики рабочего механизма и электродвигателя. При этом различают два режима работы электропривода: установившийся (статический) и переходный (динамический). В первом режиме момент или усилие нагрузки не изменяется. Во втором режиме момент или усилие нагрузки и двигателя изменяются во времени. В переходных режимах двигатель работает с ускорением или замедлением: разгоняется при пуске, замедляется при торможении.

Несмотря на большое разнообразие рабочих механизмов их механические характеристики практически могут быть объединены в три группы. Первая группа характеризуется тем, что момент на валу электродвигателя остается постоянным при любой частоте вращения. К этой группе относятся подъемно-транспортные механизмы. Действительно, если кабина лифта заполнена пассажирами, то независимо от частоты вращения момент сопротивления остается постоянным. Такая же картина наблюдается при подъеме груза краном.

Вторая большая группа характеризуется степенной зависимостью момента от частоты вращения. Примером могут служить вентиляторы, насосы, компрессоры центробежного типа и другие механизмы. Так, момент на валу вентилятора может характеризоваться квадратичной и большей степенью в зависимости от его конструктивных особенностей.

Третья группа характеризуется постоянством мощности на валу: Р = const. Примером может служить токарный станок, где обработка детали ведется от периферийной окружности к центру. По мере продвижения резца момент сопротивления падает, а частота вращения обычно увеличивается.

Выбор электродвигателя определяется условиями работы и требованиями производственного механизма. При этом наиболее целесообразно выбирать электродвигатель более простой, надежный в эксплуатации и имеющий наименьшую массу, размеры и стоимость. Если требуется выбрать регулируемый по скорости привод, то необходимо одновременно выбирать электродвигатель и преобразователь.

В последнее время регулируемый привод выпускается комплектно, т. е. электродвигатель поставляется совместно с преобразователем.

В любом случае выбирают следующие параметры электродвигателя: род тока, номинальное напряжение, мощность и частоту вращения, способ регулирования, режим работы и конструктивное исполнение.

Наиболее простыми по конструкции, надежными в эксплуатации, имеющими наименьшую массу, размеры и стоимость, являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Управление ими обычно осуществляется непосредственно от трехфазной сети переменного тока без каких-либо сложных преобразователей. Эти двигатели получили наиболее широкое применение во всех отраслях производства для механизмов, не требующих регулирования скорости, при небольшой частоте включений.

Асинхронные двигатели с фазным ротором по конструкции сложнее двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют большую массу, размеры и стоимость, а также более сложное управление. Однако они позволяют простыми средствами - резисторами в цепи ротора - регулировать частоту вращения, пусковой ток и момент. Такие двигатели используются в режимах работы с частыми пусками и остановками, например в подъемно-транспортных механизмах.

Номинальную угловую скорость Ω_H электродвигателя выбирают в зависимости от известного передаточного числа редуктора i_P и заданной угловой скорости Ω_РО рабочего механизма, т. е. Ω_H = Ω_РО i_P.

Наивыгоднейшее значение номинальной угловой скорости двигателя и передаточного числа редуктора для данного механизма определяется путем сравнения нескольких технико-экономических показателей. Правильное определение этих параметров особенно важно для приводов, работающих в режимах частых пусков и торможений, поскольку это влияет на производительность механизма и потери энергии.

Важное значение для надежной работы электропривода имеет выбор конструкции двигателя. Для большинства производственных механизмов используются двигатели с горизонтальным расположением вала и лапами для его крепления к несущим конструкциям, а также с фланцевым креплением. Более совершенными являются встраиваемые двигатели, которые не имеют станины, подшипниковых щитов, а иногда и вала. Их монтируют в корпусах самих рабочих механизмов. Линейные двигатели применяются в механизмах с поступательным движением рабочего органа.

По способу защиты от действия окружающей среды электродвигатели делятся на открытые, защищенные, в том числе каплезащищенные и герметичные.

При выборе мощности двигателя исходят из того, что нагрузка на его валу изменяется во времени.

Для определения нагрузки в этих случаях строятся так называемые нагрузочные диаграммы - зависимости развиваемых двигателем момента и мощности от времени, т. е. M(t) и P(t).

В случае завышения номинальной мощности двигателя снижаются кпд и коэффициент мощности, что приводит к росту тока в обмотках, а значит, и к перегреву двигателя и снижению срока его службы.

Продолжительный режим работы двигателя характеризуется такой длительностью, при которой его температура достигает своего установившегося значения τ_УСТ. В таком режиме работают, например, приводы вентиляторов, насосов, преобразовательных установок.

В повторно-кратковременном режиме двигатель за время работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы между включениями не успевает остыть до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для электроприводов подъемных кранов, лебедок, лифтов, циклических конвейеров и т. п. Графики нагрузки, мощности потерь в двигателе и его температуры τ при повторно-кратковременном режиме работы приведены на рис. 2. На графиках t_Р1, t_Р2, t_P3 - время работы двигателя при первом, втором и третьем включениях; t₀₁ t₀₂, t₀₃ - время пауз между включениями двигателя; T_Ц - время цикла, после которого график нагрузки повторяется. Время цикла при повторно-кратковременном режиме не должно превышать 10 мин. На это время рассчитывается тепловой режим двигателя при его конструировании.

При кратковременном режиме работы двигатель не успевает в рабочий период нагреться до установившейся температуры, а пауза столь длительна, что температура снижается до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для приводов шлюзов, вспомогательных механизмов электротермических установок, зажимов колонн металлорежущих станков и др.

В продолжительном режиме двигатель работает либо с неизменной нагрузкой, либо с изменяющейся во времени нагрузкой.

При постоянной нагрузке на валу номинальная мощность Р_H двигателя должна быть выбрана равной мощности Р_с нагрузки. В этом случае по каталогу выбирается двигатель, удовлетворяющий условию Р_H≥Р_С.

Если при продолжительном режиме работы нагрузка на валу двигателя изменяется, то для выбора мощности по нагреву используют методы средних потерь за цикл или эквивалентных величин: тока, момента и мощности.

На практике для определения мощности двигателя пользуются нагрузочными диаграммами, представляющими собой зависимости момента или мощности от времени. Значение эквивалентной (среднеквадратичной) мощности двигателя определяют по формуле

,

где п - число участков с различными значениями мощности Р_i за цикл T_Ц работы двигателя.

Условием правильного выбора мощности двигателя в этом случае будет Р_Э≤Р_Н.

Для работы в повторно-кратковременном режиме выпускают специальные двигатели, рассчитанные на стандартные значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60%, на которые и следует ориентироваться при выборе двигателя по мощности для такого режима.

Если нагрузка за цикл не меняется, но ПВ≠ПВ_СТ, это означает, что двигатель выбран по мощности правильно: средняя мощность потерь за цикл при ПВ не превышает среднюю мощность потерь за тот же цикл при Р_Н и ПВ_СТ, т. е. ΔР₁ПВ≤ΔР_НПВ_СТ.

Условие выбора двигателя при этом принимает вид

ΔР_Н≤ΔР₁(ПВ/ПВ_СТ)

Проверка предварительно выбранного двигателя по мощности проводится по формуле- .

Если при работе электропривода наблюдаются резкие колебания нагрузки, то следует проверить перегрузочную способность электродвигателя. Для асинхронного двигателя она определяется отношением критического М_К к номинальному М_Н моменту М_К/М_Н.