книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

К таким элементам относятся кнопки управления и другие командоаппараты, реле п контакторы; электромашинные, магнитные и полупроводниковые усилители; тахогенераторы, сельсшш и т. и. Современная тех­ ника располагает весьма совершенными элементами н блоками бесконтактной автоматики, которые все шире внедряются в системы управления электроприводами. Это, например, логические электромагнитные и полу­ проводниковые элементы, заменяющие релейную аппа­ ратуру.

Современный промышленный электропривод’ характе­ ризуется большим диапазоном мощностей применяемых двигателей — от долей до десятков тысяч киловатт. Примерами установок с приводами большой мощности могут служить шахтные подъемные установки, аэродина­ мические трубы, прокатные станы, доменные воздухо­ дувки. К электроприводам таких установок предъявля­ ются очень высокие требования в отношении надежности

ипроизводительности. Например, наиболее мощные про­ катные станы — крупные блюминги и слябинги имеют решающее зпаченпе для всех отраслей народного хозяй­ ства. Через эти станы проходит основная масса всей прокатываемой стали страны. Высокая производительность

инадежность работы требуется и для электроприводов многих рабочих машин небольшой мощности, например станков, лифтов, кранов и т. д.

Современные электроприводы отличаются высокой сте­ пенью автоматизации их работы. Это приводит к тому, что привод может работать в наиболее экономичных режимах и воспроизводить с высокой точностью движение, требуемое в соответствии с технологическими условиями работы производственной машины.

Электропривод сегодня — это важная, бурно разви­ вающаяся область техники, занимающая одно из ведущих мест в программе электрификации промышленности. Направление его развития в нашей стране подчинено общим задачам развития всего народного хозяйства. Задача дальнейшего повышения производительности труда

иэкономической эффективности производства, выдви­ нутая XXIV съездом КПСС, требует, в частности1, от тех­ ники новых высокопроизводительных машин, оборудо­ ванных высококачественными электроприводами. В свете этого определяются в общих чертах основные тенденции развития электропривода.

10

Первой тенденцией можпо считать расширенно областей применения электропривода. В настоящее время в связи с бурным развитием энергетики и резким увеличением производства электроэнергии электропривод находит широкое применение не только в промышленности, но

ив сельском хозяйстве, строительстве и в быту. Развитие науки и техники обусловливает новые области применения электроприводов. Появились приводы новых механизмов

иустройств в технике атомной энергетики, в установках по исследованию космоса и т. д. Новые области примене­ ния, а также повышение требований к электроприводам обусловливают вторую тенденцию в их развития. Это — совершенствование электроприводов в направлении повы­ шения их производительности, надежности, экономич­ ности, точности работы, снижения габаритов. Развитие относится как к силовой части привода, так и к системе его управления. Совершенствуются и создаются новые электрические двигатели. Например, разработана серия двигателей постоянного тока с гладким якорем, имеющих восьмикратную перегрузочную способность и характери­ зующихся высоким быстродействием в работе. Появились двигатели и с отличным от прежнего видом движения. Это шаговые двигатели с дискретным угловым переме­ щением и двигатели поступательного движения с развер­ нутым статором. Для питания двигателей разработаны экономичные преобразователи постоянного и перемен­ ного токов, построенные па современных полупровод­ никовых приборах — тиристорах.

Повышению качества работы электропривода способ­ ствует применение в системах управления унифициро­ ванных функциональных блоков — регуляторов. Многие современные высокоточные электроприводы содержат в своей системе управления вычислительные машины. Применение вычислительных машин оказывается эффек­ тивным средством комплексной автоматизации в многодвигательпых приводах сложных производственных уста­ новок. Они используются например, при автоматизации приводов доменных печей, копировальных станков и т. д.

Следует отметить, что немаловажное значение в раз­ витии электропривода имеет совершенствование методов его исследования и проектирования. В частности, приме­ нение в инженерной практике аналоговой и цифровой вычислительной техники позволяет более качественно и быстро проектировать сложные системы электропривода.

11

Взадачу введения к данной книге не входит полная

имногогранная характеристика современного электро­ привода и тенденций его развития. Задача сводится лишь

к пояснению понятия электропривода и к его оценке в самых общих чертах с тем, чтобы наметить основные направления и разделы курса, изложенного в книге.

В рамках одного курса методически трудно изложить весь сложный комплекс вопросов, связанных с современ­ ным электроприводом. Поэтому по установившейся тра­ диции изучение электропривода служит предметом не­ скольких курсов: теория электропривода; автоматическое управление электроприводами; комплексная автомати­ зация производственных процессов и установок; автома­ тизированный электропривод общепромышленных меха­ низмов и т. д.

Курс основ теории электропривода, изложенный в на­ стоящей книге, охватывает комплекс общих вопросов, относящихся главным образом к силовой части привода, в которой осуществляется электромеханическое преобра­ зование энергии. Изучению подлежат вопросы, относя­ щиеся к электромеханическим свойствам и характе­ ристикам привода, определяющим его движение, а также вопросы энергетики привода.

Основу силовой части привода составляет двигатель с механизмом, подводящих механическую энергию к рабо­ чему органу производственной машины. Поэтому в начале курса, в первых двух его главах, изучению подлежат механическая часть привода и величины, определяющие его движение, а также характеристики и режимы работы двигателей. Материал этих глав в известной мере повто­ ряет вопросы, относящиеся к курсам теоретической меха­ ники п электрических машин. Однако значение этого материала, составляющего базу для последующих глав, заставляет уделить ему достаточно внимания.

Воснову к н и ги положены идеи и структура курса, данные в работах С. А. Ринкевича, В. К. Попова, А. Т. Го­ лована и Д. П. Морозова. Однако отмеченные выше тен­ денции развития электропривода выдвигают новые вопросы

иделают целесообразным изменение методического по­ строения курса по некоторым разделам.

Вчастности, появление большого количества новых и прогрессивных электроприводов при ограниченном объеме курса приводит к необходимости максимального обобщения

изучаемого материала.

12

Г л а в а п. е р в а я

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1-1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Механическая часть электропривода передает механическую энергию от двигателя к производственной машине, где эта энергия реализуется в полезную работу. Конструк­

мозящий момент.

Преобразовательный механизм ПМ осуществляет пре­ образование движения в механической части электропри­ вода. При помощи преобразовательного механизма может увеличиваться или уменьшаться скорость, изменяться вид движения, например осуществляться преобразование вра-

14

щательного движения в поступательное и т. д. К преобра­ зовательным механизмам относятся редукторы, винтовые, зубчато-реечные или ременные передачи, барабан с тросом, кривошипно-шатунный механизм и т. п. (рис. 1-2). Преоб­ разовательный механизм характеризуется коэффициентом передачи, представляющим собой отношение скорости на выходе к скорости на входе, механической инерционностью и-упругостью его элементов, зазорами и трением в зацеп­ лениях и сочленениях преобразователя.

Рис. 1-2. Примеры механических преобразователей движения.

о — редуктор; б — зубчато-реечиый механизм; в — барабан; г— криво­ шипно-шатунный механизм.

Рабочий орган производственной машины РО реали­ зует подведенную к нему механическую энергию в полез­ ную работу. Чаще всего он является потребителем энер­ гии. Эта функция рабочего органа характерна для меха­ низмов, осуществляющих обработку материалов, подъем или перемещение грузов и т. п. При этом поток механи­ ческой мощности направлен от двигателя к рабочему органу, как показано на рис. 1-1, б. Иногда рабочий орган может быть источником механической энергии. В этом случае он отдает механическую энергию, запасенную меха­ низмом, например при подъеме груза, или поступившую

15

в механизм извне, например при ветровой нагрузке на поверхность крана, земснаряда, зеркала антенного устрой­ ства. Поток механической мощности при этом направлен от рабочего органа к двигателю (рис. 1-1, в). Рабочий орган характеризуется определенной инерционностью, рабочим моментом при его вращательном движении или рабочим усилием при поступательном движении. В каждом кон­ кретном механизме РО имеет свое конструктивное вопло­ щение. Некоторые характерные примеры выполнения рабо­ чего органа приведены в табл. 1-1.

к рабочему органу или обратно связана с потерями в меха­ нических звеньях. Причина потерь — трение в подшип­ никах, направляющих, зацеплениях и т. п. В механиче­ ских звеньях, обладающих упругостью, возникают допол­ нительные потери, обусловленные вязким трением в де­ формируемых элементах. В результате этого поток мощ­ ности, проходя от источника к потребителю, постепенно

16

1-2. ПРИВЕДЕННОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ЗВЕНО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Механическая часть электропривода, как отмечалось в предыдущем параграфе, состоит пз нескольких звеньев и может представлять собой сложную кинематическую цепь с большим числом движущихся элементов.

Допустим, что указанная механическая часть состоит из абсолютно жестких, недеформируемых элементов и не содержит воздушных зазоров. При этом движение одного элемента дает полную информацию о движении всех остальных элементов, т. е. функциональные зависимости, соответствующие законам движения всех звеньев кине­ матической цепи привода, пропорциональны друг другу н от движения одпого элемента можно перейти по заранее известной взаимосвязи между координатами к движению любого другого элемента. Таким образом, движение элек­ тропривода можно рассматривать на каком-либо одном механическом элементе, к которому приведены все внеш­ ние моменты или силы, а также-все инерционные массы механических звепьев. Обычно за такой элемент прини­ мают вал двигателя.

Для приведения к валу двигателя момента или усилия нагрузки рабочего органа производственной машины вос­ пользуемся балансом мощности в механической части привода. При передаче энергии от двигателя к рабочему

где Рс = М с® — мощность на валу двигателя; Рр.о — мощность на рабочем органе;

АР — мощность потерь в механических звеньях;

ы— угловая скорость вала двигателя;

Мс — момент сопротивления на валу двигате­ ля, называемый также статическим мо­

ментом.

Если для механической части привода известен к. п. д. т], то равенство (1-5) может быть представлено в виде

При вращательном движении рабочего органа

-Рр.О = -^Р.0®Р. 01

где ЛГр.о — момент нагрузки на рабочем органе; соро — угловая скорость рабочего органа.

18

Тогда

где ip = со/С0р о — передаточное отношение редуктора. При поступательном движении рабочего органа

где р = у/со — радиус приведения усилия нагрузки к валу двигателя.

При передаче энергии от рабочего органа к двигателю в соответствии с диаграммой на рис. 1-1, в

и при заданном к. п. д. баланс мощностей может быть представлен в виде

Величина ilfc, определяемая полученными формулами, называется моментом сопротивления (или статическим моментом), приведенным к валу двигателя.

Значения ip и р определяются по конструктивным па­ раметрам преобразовательных механизмов. Например, передаточное число ip находится для пары зубчатых колес как отношение их чисел зубьев, а для ременной передачи — как отношение диаметров шкивов. Радиус приведения р для шкивов и барабанов равен их конструктивным радиу­

сам, а для кривошипно-шатунного механизма при i?K 1Ш

(рис. 1-2, г)

p?^i?KsincpK,

где фк— угол поворота кривошипа.

19