Лекции по " Электроприводу и электрооборудованию"

Министерство сельского  хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная

академия»

Механико-технологический  институт

Кафедра «Энергообеспечение сельского хозяйства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОПРИВОД  И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

 

КУРС  ЛЕКЦИЙ

 

для  специальности 

110301 – «Механизация сельского хозяйства»

Очной и заочной формы обучения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень

2011

 

Лекция 1

История развития электропривода (ЭП).  Понятие,

классификация ЭП

Вопросы

1. История развития ЭП
2. Понятие ЭП, достоинства ЭП
3. Классификация ЭП

 

1  История  развития ЭП

 

История развития ЭП, являющаяся оптимальным  сочетанием электрических машин (ЭМ), аппаратов, преобразователей и устройств управления, неразрывно обусловлена образующими ЭП компонентами. Вместе с тем ЭП, как система имеет свою собственную историю.

Начало развития ЭП было положено созданием в первой половине 19 века работоспособностью образцов ЭМ. Это стало возможным благодаря  успехам в области электромагнетизма. Первый электродвигатель, с помощью которого осуществлялся ЭП, был построен в 1834…1838г. Петербургским академиком Борисом Семеновичем Якоби. В 1838г на Ниве были проведены испытания этого двигателя, установленного на катере (12…14 чел). Это было первое судно с ЭП. Однако несовершенство технических средств,  в частности, источника питания (гальванические батареи), не позволили блестящему изобретателю и его ученикам дальше продолжать практическое применение.

В 50-60-х годах 19 века некоторое  распространение получили электродвигатели французского электротехника Фромана (типографические и ткацкие станки).

И все же почти до конца 19  века пар и вода оставались основной силой в промышленном производстве.

Несмотря на успехи, достигнутые  к семидесятым годам 19 века в области конструирования  электродвигателя (ЭД) постоянного тока, электрическая энергия использовалась только на освещение (распределение электроэнергии оставалось неудовлетворительной).

Появление переменного  однофазного тока сыграло существенную роль в развитии электротехники вообще, однако в ЭП – нет, так как ЭД однофазного переменного тока не имели пускового вращающего момента, в связи с чем, их применение было крайне ограничено.

И только в 1888г. предложенная и реализованная 3-х фазная система  передачи  электрической  энергии  позволила сделать прорыв в развитии ЭП.   

          В 1889 г. создается 3-х фазный  асинхронный двигатель с короткозамкнутым  ротором в виде беличьей клетки.

 

Несомненные преимущества централизованного  производства  электроэнергии, привели  к тому, что электродвигатель, вытесняя другие виды двигателей, занял лидирующие позиции в ЭП промышленных установок и сельском хозяйстве.

Мощность ЭД  по отношению  к общей мощности установленных  двигателей составляла: 1890г-5%, 1927-75%, сегодня - 100 %.

В Советском Союзе  ЭП получил большое развитие в годы первых пятилеток. Большую роль в развитии ЭП сыграла подготовка кадров. В 1922г. в Ленинградском электротехническом институте под руководством профессора С.А. Ринкевича создается специальность «Электрификация промышленности», которая положила начало регулярному выпуску специалистов в области ЭП.

В 1925г. – выходит книга  С.А.Ринкевича «Электрическое распределение электроэнергии» -  первый труд в области ЭП.

В 30-е годы были разработаны  принципы следящего ЭП (автоматическое  управление).

В 40-е годы проектируются  электромашинные усилители, интенсивно развивается военная электротехника (системы управления), первые автоматические линии станков.

Большой прорыв в ЭП наблюдается  с появлением полупроводниковой техники. Транзистор изобретен в США  в 1948г.

В 50-х…60-х годах –  множество схем для питания маломощных двигателей (I=5А; U=60В).

Система тиристорный  преобразователь – двигатель  постоянного тока ТП – ДПТ становится с середины 60-х годов  практически  единственным решением в регулируемом ЭП.

В 70-е годы появляются частотные преобразователи для   асинхронных  ЭП.

60-е – 70-е годы  – появляются шаговые, линейные  ЭП.  Профессор  Гурницкий В.Н.  явился разработчиком нового  типа линейных электродвигателей - линейных управляющих двигателей.

В 70-е годы, с развитием  микропроцессоров резко  возрастают функциональные возможности в управлении координат ЭП, диагностике.

Развитие  современного ЭП идет с развитием элементной базой. Сегодня силовые ключи (I до 600 А, U= до 1200В, f=30кГц и выше), преобразователи частоты до 600кВт.

В 2002г. европейский  рынок  регулируемых ЭП состоит: на 68% из ЭП  переменного тока; 15%-постоянного  тока, 10% гидроприводов, 7 % - механических.

На сегодня мощности отдельных приводов составляют десятки  МВт с регулированием частоты вращения от одного оборота в час  до 150.000 оборотов в минуту.

          Диапазон применения современного  ЭП  -  от искусственного сердца

до шагающего экскаватора.

2. Понятие  ЭП. Достоинства ЭП

 

Электрическим приводом или электроприводом называют электромеханическую систему, состоящую в общем виде из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенную для приведение в движение исполнительных органов рабочих  машин и управления этим движением  (рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

                        обратные 

       связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Структурная  схема ЭП

 

Основное назначения ЭП - преобразование электроэнергии в  механическую энергию исполнительных органов машин и механизмов. В отдельных случаях, например при генераторном режиме или  торможении, возможно и обратное преобразование.

На долю ЭП приходится 60% вырабатываемой в стране электроэнергии.

На рисунке 1 представлены:

• потоки электрической энергии -¯, потоки механической энергии - ß;
• ПРБ - преобразовывают эл.энергию  в необходимый вид (в простейшем случае это магнитные пускатели, подающие питание на электродвигатель, а могут быть  тиристорные коммутаторы, регуляторы напряжения, преобразователи частоты тока и т.д.);
• ПРД- преобразовывают механическую энергию в необходимый вид для потребителя механической энергии (ПМЭ) (муфты, шкиво-ременные передачи, редукторы и т.д.)
• УУ - информационная часть (управляющие устройства, микропроцессорные средства, микро-ЭВМ).

Как для всякого  устройства важным показателем является КПД

h_ЭП= h_ПРБ· h_ЭД· h_ПРД,

т.к.  коэффициент полезного  действия  ПРБ и ПРД ≈ 1 и  мало зависит от нагрузки, то  h_ЭП определяется h_ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки  составляет 60-95%.

Малое КПД соответствует  тихоходным двигателям  малой мощности.  При повышении мощности выше 1кВт  h_ЭД и соответственно  h_ЭП  превышает 70%.

Достоинства ЭП:

1) низкий уровень шума  при работе;

2) отсутствие загрязнения окружающей среды;

3) широкий диапазон  мощностей и угловых скоростей  вращения;

4)доступность регулирования угловой  скорости вращения и соответственно производительности технологической  установки;

5)относительная простота автоматизации,  монтажа, эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания.

3. Классификация ЭП

 

По основным характерным  признакам ЭП классифицируют следующим образом:

1) по способу  передачи механической энергии  исполнительному органу различают: групповой, индивидуальный, взаимосвязанный ЭП.

Групповой ЭП  - обеспечивает движение исполнительных органов  нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины (РМ) (рис.2).

 

                                   

 

 

 

 

                             

                   

                        Рисунок 2 – Групповой ЭП

 

Разновидностью группового  является  трансмиссионный ЭП (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Трансмиссионный  ЭП

 

Индивидуальный ЭП (на каждую рабочую машину свой электродвигатель), рисунок 4.

 

 

 

                                                     

                                                      

 

Рисунок 4 – Индивидуальный ЭП

 

Преимущества индивидуального  ЭП:

• линии не загромождаются тяжелыми трансмиссиями и передаточными устройствами;
• улучшаются условия труда;
• улучшается производительность;
• уменьшается запыленность;
• улучшается освещение рабочего места;
• снижается травматизм;
• при ремонте простой только одного ЭП;
• упрощается механическая передача;
• благоприятные условия для автоматизации.

 

Взаимосвязанный ЭП - содержит два или несколько связанных  между собой ЭП,  при работе поддерживается равенство скоростей  или нагрузок.

Пример - цепной конвейер (рис.5).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Схема взаимосвязанного  электропривода

 

Широко применяется  разновидность взаимосвязанного - многодвигательный ЭП. Двигательные  устройства работают на один вал (привод платформы экскаватора - позволяет осуществить равномерное распределение статических  и динамических нагрузок при поворотах и перегрузках).

 

2. по виду движения ЭП обеспечивают:

- вращательное;

-поступательное (реечная  винтовая передача или линейный  ЭД);

-поступательное реверсивное;

 

3. по роду тока:  электропривода с электродвигателями постоянного и переменного тока;

 

4. по принципу управления: нерегулируемый, регулируемый (следящий и программируемый);

 

5. по степени автоматизации: неавтоматизированный,

автоматизированный,  автоматический (без операторов).

Автоматизированный и  автоматический ЭП получили наибольшее применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 2

Механические  характеристики рабочих машин и 

электродвигателей. Статическая  устойчивости ЭП

Вопросы

1. Механические характеристики рабочих  машин
2. Механические характеристики электродвигателей (искусственные,  естественные)
3. Жесткость механических характеристик эл. двигателей  и рабочих машин
4. Статическая устойчивость ЭП

1. Механические характеристики рабочих машин

 

Механической  характеристикой рабочей машины называется зависимость приведенной к валу двигателя угловой скорости от момента сопротивления w=f(М_с).

При поступательном движении соответственно – линейная скорость в функции усилия V=f(F_c).

М_с - статический момент, складывается из момента на трение (пропорциональна весу вращающихся частей и диаметру опоры), момента от трения на рассекание воздуха (возрастающая  функция  от частоты вращения), собственно полезный М_с (от типа рода нагрузки).

По характеру действия моменты нагрузки  М_с делятся на активные и реактивные:

• Активные – имеют постоянное, не зависящие от скорости, направление своего действия и создаются так называемыми потенциальными  силами – силами притяжения Земли, силами упругой деформации и др.
• Реактивные – создаются в основном силами трения, они всегда противодействуют движению и поэтому изменяют свой знак с изменением направления скорости движения.

 

Различные производственные  механизмы обладают различными механическими характеристиками  которые  можно описать выражением