Электрический привод

1. Электрический  привод. Общие сведения о приводе  его определения, классификации  режима работы.

Электрический привод (сокращённо — электропривод) — это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Современный электропривод — это  совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической  энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

Определение по ГОСТу Р 50369-92 Электропривод - электромеханическая система, состоящая  из преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и  информационных устройств и устройств  сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными  системами, предназначенная для  приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением в целях осуществления  технологического процесса.

Как видно из определения, исполнительный орган в состав привода не входит. Однако, авторы авторитетных учебников  включают исполнительный орган в  состав электропривода. Это противоречие объясняется тем, что при проектировании электропривода необходимо учитывать  величину и характер изменения механической нагрузки на валу электродвигателя, которые  определяются параметрами исполнительного  органа. При невозможности реализации прямого привода электродвигатель приводит исполнительный органа в движение через кинематическую передачу. КПД, передаточное число и пульсации, вносимые кинематической передачей  также учитываются при проектировании электропривода¹.

Функциональные элементы:

• Регуляторы (Р) предназначен для управления процессами, протекающими в электроприводе.
• Электрический преобразователь (ЭП) предназначен для преобразования электрической энергии сети в регулируемое напряжение постоянного или переменного тока.
• Электромеханический преобразователь (ЭМП) — двигатель, предназначен для преобразования электрической энергии в механическую.
• Механический преобразователь (МП) может изменять скорость вращения двигателя, а ткаже характер движения (с вращательного на вращательное или с вращательного на поступательное).
• Упр — управляющие воздействие.
• ИО — исполнительный орган.

Функциональные  части:

• Силовая часть или электропривод с разомкнутой системой регулирования;
• Механическая часть;
• Система управления электропривода.

Виды электроприводов

• Нерегулируемые, простейшие, предназначенные для пуска и остановки двигателя, работающие в односкоростном режиме.
• Регулируемые, допускающие изменение частоты вращения и управление пуском и торможением электродвигателя для заданного технологического процесса. Способ регулирования зависит от типа двигателя. Так, для машин переменного тока применимо управление частотой, током в роторе, переключением пар полюсов статора. Для коллекторных машин применимо регулирование напряжением.
• Неавтоматизированные
• Автоматизированные
• Линейные — для частных случаев.
• Вращательные — наиболее распространённый тип. Чаще всего линейное перемещение получают механическими преобразователями вращательного движения двигателя².

Подбор электродвигателя

Качество работы современного электропривода во многом определяется правильным выбором используемого  электрического двигателя, что в  свою очередь обеспечивает продолжительную  надёжную работу электропривода и высокую  эффективность технологических  и производственных процессов в  промышленности, на транспорте, в строительстве  и других областях.

При выборе электрического двигателя для привода производственного  механизма руководствуются следующими рекомендациями:

• Исходя из технологических требований, производят выбор электрического двигателя по его техническим характеристикам (по роду тока, номинальным напряжению и мощности, частоте вращения, виду ме ханической характеристики, продолжительности включения, перегрузочной способности, пусковым, регулировочным и тормозным свойствами др.), а также конструктивное исполнение двигателя по способу монтажа и крепления.
• Исходя из экономических соображений, выбирают наиболее простой, экономичный и надёжный в эксплуатации двигатель, не требующий высоких эксплуатационных расходов и имею щий наименьшие габариты, массу и стоимость.
• Исходя из условий окружающей среды, в которых будет работать двигатель, а также из требований безопасности работы во взрывоопасной среде, выбирают конструктивное исполнение двигателя по способу защиты.

Правильный выбор типа, исполнения и мощности электрического двигателя определяет не только безопасность, надёжность и экономичность работы и длительность срока службы двигателя, но и технико-экономические показатели всего электропривода в целом³.

2. Тиристоры. Устройства, принципы действия, схемы включения,  ВАХ

Тири́стор —полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристаллаполупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать  как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. 

Тиристорный ключ может проводить  ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и  обратное напряжение.

Принцип действия 
Пусть под влияние температуры окружающей среды транзистор нагрелся и это привело к увеличению тока коллектора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению тока эмиттера и тока базы. Увеличение тока базы приводит к смещению положения рабочей точки А в область больших токов. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении эмиттера, которое прикладывается к входной цепи и уменьшает ток базы. Это приводит к возврату положения исходной рабочей точки в исходное состояние. 
Биполярные транзисторные структуры переключающего типа (тиристоры) 
Тиристоры – полупроводниковые приборы переключающего типа (от греческого «thyra» - дверь, вход). 
Разновидности тиристоров: 
- диодный (динистор) 
- триодный (тринистор) 
- тетродный (тетристор) 
- симметричная ВАХ (семистор) 
^ Условная схема тиристора 
 
 
Из рисунка следует, что тиристор имеет три pn-перехода, причем два из них П₁ и П₃работают в прямом направлении, а П₂ – в обратном. Крайнюю область p называют анодом, а вторую область n называют катодом. 
Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзмсторов типа n-p-n и p-n-p. 
 
Переходы П₁ и П₃ являются эмиттерными и П₂ – коллекторным, так как смещен в обратном направлении. Тиристоры изготавливают их кремния. Причем эмиттерные переходы сплавные, а коллекторные изготавливают методом диффузии.

Тиристор в цепи постоянного  тока

Включение обычного тиристора  осуществляется подачей импульса тока в цепь управления положительной, относительно катода, полярности. На длительность переходного процесса при включении значительное влияние оказывают характер нагрузки (активный, индуктивный и пр.), амплитуда и скорость нарастания импульса тока управления iG , температура полупроводниковой структуры тиристора, приложенное напряжение и ток нагрузки. В цепи, содержащей тиристор, не должно возникать недопустимых значений скорости нарастания прямого напряжения duAC/dt, при которых может произойти самопроизвольное включение тиристора при отсутствии сигнала управления iG и скорости нарастания тока diA/dt. В то же время крутизна сигнала управления должна быть высокой.

Среди способов выключения тиристоров принято различать естественное выключение (или естественную коммутацию) и принудительное (или искусственную  коммутацию). Естественная коммутация происходит при работе тиристоров в цепях переменного тока в момент спадания тока до нуля.

Тиристор в цепи переменного  тока

При включении тиристора  в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

• включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;
• изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток  только в одном направлении, то для  использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутациейрегулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла α, так и угла θ. Искусственная коммутация осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции  – ШИМ) в течение времени Тоткр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение Uн. В течение времени Тзакр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

где Iн.м. – ток нагрузки при Тзакр = 0.

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами  несинусоидальна, что вызывает искажение  формы напряжения питающей сети и  нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным  помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

ВАХ тиристора 
 
Физический процесс тиристора можно представить так: если бы был только один переход П₂, работающий при обратном напряжении, то существовал бы лишь небольшой обратный ток, вызванный перемещением через переход не основных носителей, которых мало. Но как известно, в транзисторе может быть получен большой коллекторный ток, если базу транзистора со стороны эмиттерного перехода впрыскивается в большом количестве неосновные носители. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном переходе, тем больше этих носителей подходит к коллекторному переходу и следовательно больше ток коллектора. На сопротивление коллекторного перехода (П₂) влияют два взаимно противоположных процесса:

1. С одной стороны повышенное обратное напряжение на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границ перехода, то есть переход П₂ все больше обедняется основными носителями.
2. С другой стороны повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П₁ и П₃усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу П₂ и обогащают его, следовательно уменьшают его сопротивление. До точки А. перевес имеет первый процесс и сопротивление перехода П₂ растет медленно, так как усиливается второй процесс.

Вблизи точки А при  некотором напряжении, называемом напряжением  включения, влияние обоих процессов  уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого  напряжения создает перевес второго  процесса и сопротивление П₂ начинает резко уменьшатся. Возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора: большой ток при малом напряжении (Б-В). В этом режиме, когда тиристор полностью открыт, ток определяется сопротивлением нагрузки, которое включается последовательно с прибором⁴.

Список использованной литературы:

1. Ильинский, Н.Ф. Основы электропривода : учеб. пособие для вузов / Н.Ф. Ильинский. – М. : Изд-во МЭИ, 2003. – 224 с.
2. Константинов, К.В. Системы управления электроприводами постоянного тока : учеб. пособие / К.В. Константинов. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2004.
3. Онищенко, Г.Б Электрический привод : учеб. для вузов / Г.Б. Онищенко. – М. : РАСХН, 2003.
4. Справочник по электрическим машинам. В 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. – М. : Энергоатомиздат, 1988. – Т.1.
5. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М: Энергоатомиздат, 1992.
6. Шичков Л.П., Людин В.Б. Электротехнологические установки заряда аккумуляторов. – М: РГАЗУ, 2003.
7. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода : учеб. для вузов / М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. – Изд. 6-е перераб. – М. : Энергоиздат, 1981.