Электрический привод – это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. Для выполнения этих функций электропривод вырабатывает механическую энергию за счет электрической энергии, получаемой от источника электрической энергии (сети электроснабжения).
Вырабатываемая электроприводом механическая энергия передается исполнительным органам рабочих машин и механизмов (ленте транспортера или конвейера, шпинделю токарного станка, крыльчатке насоса, кабине лифта и т. д.) и при необходимости регулируется в соответствии с технологическими требованиями к режимам работы исполнительного органа.
За счет полученной энергии исполнительный орган совершает требуемое механическое движение, обеспечивая выполнение производственных и технологических операций: перемещение грузов, обработку деталей, транспортирование жидкости и газа и т. д. Функциональная схема электропривода представлена ниже.
Функциональная схема электропривода: ИЭЭ – источник электрической энергии; СУ – система управления; ЭП – электрический преобразователь; УУ – управляющее устройство; ЭМП – электромеханический преобразователь; РД – ротор двигателя; МП – механический преобразователь; РМ – рабочая машина; ЭД – электрический двигатель; МЧ – механическая часть
Электропривод имеет два канала – силовой и информационный. По первому каналу транспортируется преобразуемая энергия (толстые линии), по второму осуществляются управление потоком энергии (тонкие сплошные линии), а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие штрихпунктирные линии).
Силовой канал состоит из двух частей – электрической и механической и обязательно содержит связующее звено – электромеханический преобразователь (ЭМП).
В электрическую часть силового канала входят устройства, передающие электрическую энергию от ее источника (ИЭЭ) к электромеханическому преобразователю и обратно и осуществляющие, если нужно, преобразование параметров электрической энергии. Механическая часть состоит из ротора двигателя (РД), подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач (МП), редуктора или вариатора и исполнительного органа рабочей машины (РМ), в котором полезно реализуется полученная механическая энергия.
В связи с большим ассортиментом рабочих машин электроприводы разнообразны по своему схемному и конструктивному исполнению.
По характеру движения различают электроприводы вращательного и поступательного однонаправленного и реверсивного движения, а также возвратно-поступательного движения.
Вращательное однонаправленное и реверсивное движение осуществляется электродвигателями обычного исполнения.
Поступательное движение может быть получено при использовании электродвигателя вращательного движения совместно с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным) либо электродвигателя специального исполнения (линейного, гидродинамического и т. д.).
По степени управляемости электроприводы подразделяют на следующие виды:
- нерегулируемый – электропривод, в котором исполнительный орган рабочей машины приводится в движение с одной постоянной скоростью;
- регулируемый – электропривод, в котором скорость движения исполнительного органа изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса;
- следящий – электропривод, в котором воспроизводится перемещение исполнительного органа в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом;
- программно-управляемый – электропривод обеспечивает перемещение исполнительного органа в соответствии с заданной программой;
- адаптивный – электропривод автоматически обеспечивает оптимальный режим движения исполнительного органа при изменении условий его работы;
- позиционный – электропривод обеспечивает регулирование положения исполнительного органа рабочей машины.
По наличию механического преобразователя электроприводы делят на редукторные (электропривод, механическая передача которого содержит редуктор) и безредукторные (электропривод, электродвигатель которого непосредственно соединен с исполнительным органом).
По виду силового электрического преобразователя различают:
- вентильный электропривод, в котором преобразовательным устройством является вентильный преобразователь энергии. Разновидность вентильного электропривода – полупроводниковый электропривод (тиристорный и транзисторный);
- систему УВ–Д – вентильный электропривод постоянного тока, преобразовательным устройством которого является управляемый выпрямитель;
- систему ПЧ–Д – вентильный электропривод переменного тока, преобразовательным устройством которого является регулируемый преобразователь частоты;
- систему Г–Д и МУ–Д – электропривод, преобразовательным устройством которого является соответственно электромашинный преобразователь или магнитный усилитель.
По роду тока различают электроприводы постоянного и переменного тока.
По способу передачи механической энергии исполнительному органу электроприводы подразделяют на следующие виды:
- индивидуальный – электропривод, в котором каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение отдельным двигателем. Это наиболее распространенный вид электропривода, так как здесь упрощается кинематическая передача (в некоторых случаях она полностью исключена), легко осуществляется автоматизация технологического процесса, улучшаются условия обслуживания рабочей машины;
- взаимосвязанный – электропривод, в котором имеются два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение их скоростей или нагрузок и положение исполнительных органов рабочих машин. Если электродвигатели взаимосвязанного электропривода работают на общий вал, привод называют многодвигательным;
- групповой – электропривод с одним электродвигателем, обеспечивающий движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины.
По уровню автоматизации различают:
- неавтоматизированный электропривод, в котором осуществляется ручное управление с помощью оператора;
- автоматизированный – электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;
- автоматический – электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.
История электропривода и основные направления его развития
С 1819 по 1834 г. были открыты основные законы электротехники: Эрстеда (действие постоянного тока на магнитную стрелку); Ампера (взаимодействие электрических токов); Ома (связь между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи); Фарадея (закон электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС); Ленца (закон электромагнитной инерции).
Первый практически пригодный электродвигатель постоянного тока с вращательным движением вала построил в 1834 г. Мориц Герман в Германии. Электродвигатель состоял из двух групп П-образных электромагнитов. Четыре из них, установленные на неподвижной раме, были соединены последовательно и питались током непосредственно от батареи гальванических элементов.
Четыре электромагнита, установленные на подвижном диске, были подключены к батарее через коммутатор. С его помощью направление тока во вращающихся электромагнитах изменялось 8 раз за один оборот диска. Мощность электродвигателя составляла около 15 Вт из-за большого (12,7 мм) воздушного зазора между вращающимися и неподвижными электромагнитами. Двигатель совершал 80–120 об/мин.
В 1837–1839 гг. Мориц Герман под именем Б.С. Якоби построил в России несколько электроприводов для лодки. Лучший из них развивал мощность 650 Вт и позволял лодке двигаться по течению со скоростью 4 км/ч, а против течения – со скоростью 2,5 км/ч, перевозя 12–14 человек. Несовершенство и малая емкость гальванических элементов надолго затормозили развитие такого электропривода.
В дальнейшем стараниями многих ученых был усовершенствован электродинамический принцип взаимодействия магнитного поля и тока в электрических машинах. В 1860 г. итальянец А. Пачинотти изобрел электродвигатель с кольцевым якорем. В 1867 г. Э.В. Сименс изобрел генератор постоянного тока с электромагнитным самовозбуждением. После создания промышленного электрического генератора (З. Грамм, 1870) электродвигатели постоянного тока получили широкое применение.
В 1880 г. Ф.А. Пироцкий в России применил двигатель постоянного тока для привода трамвайного вагона.
В 1881 г. близ Берлина уже действовала трамвайная линия, а в 1882 г. – троллейбусная линия на постоянном токе.
В 1886 г. Г. Феррарис изобрел вращающееся магнитное поле и предложил идею многофазной машины переменного тока с шестью и более фазами.
В 1889–1891 гг. русский инженер М.О. Доливо-Добровольский, работая в Германии, предложил трехфазную систему токов и основные ее составляющие – трехфазный трансформатор и трехфазный электродвигатель. С тех пор трехфазную систему токов стали широко применять, поскольку она позволяла передавать электрическую энергию на большие расстояния, легко ее трансформировать в различные по величине напряжения.
Электропривод переменного тока также стал быстро развиваться. Первая статья, посвященная электроприводу, появилась в журнале «Электричество» в 1880 г. Ее автор Д.А. Лачинов назвал статью «Электромеханическая работа», точно отображая суть электропривода.
Большой вклад в развитие электропривода внесли российские ученые С.А. Ринкевич, В.К. Попов, А.Т. Голован, Д.П. Морозов, М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин, Л.Б. Гейлер, С.Н. Вешеневский, Н.Ф. Ильинский и многие другие. Созданный институт «ВНИИэлектропривод» внес большой вклад в развитие электропривода.
На сегодняшний день можно выделить следующие основные направления развития электропривода.
Электропривод развивается в сторону повышения точности и удобства управления. Повышение технологических требований к динамическим и точностным показателям электропривода, расширение и усложнение его функций, связанных с управлением технологическими процессами, и соответствующее возрастание сложности систем управления электроприводами диктует создание систем числового программного управления и расширение использования современной вычислительной техники, создаваемой непосредственно для целей управления на базе микропроцессоров.
Развитие электропривода характеризуется тенденцией к упрощению кинематических цепей машин и механизмов, обусловленной развитием регулируемого индивидуального электропривода. Одно из проявлений этой тенденции – стремление в машиностроении к использованию безредукторного электропривода. Несмотря на повышенные массу и габариты двигателя, применение безредукторных электроприводов оправдано их большей надежностью и быстродействием.
Интересной реализацией рассмотренной тенденции является развитие электроприводов с линейными двигателями, которые позволяют исключить не только редуктор, но и устройства, преобразующие вращательное движение роторов двигателей в поступательное движение рабочих органов машин. Электропривод с линейным двигателем – органическая часть общей конструкции машины, значительно упрощает кинематику и создает максимальное удобство для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.
Электропривод развивается в сторону экономичности. Особенно острой является проблема рационального проектирования электроприводов с точки зрения энергопотребления. Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов (например, 1 т условного топлива) вдвое дешевле, чем ее добыть. В перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится все труднее, а запасы его все убывают.