Понятие об электроприводе. Выбор двигателя.

Электропривод- это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.

Электропривод имеет два канала - силовой и информационный (рис.1.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 1.1).

Рис. 1. Общая структура электропривода

Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей - электрической и механической и обязательно содержит связующее звено - электромеханический преобразователь.

В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны, с технологической установкой или машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком - оператором, с третьей стороны (рис. 1.1).

Можно считать, что электропривод как подсистема входит в указанные системы, являясь их частью. Действительно, специалиста по электроснабжению электропривод обычно интересует как потребитель электроэнергии, технолога или конструктора машин - как источник механической энергии, инженера, разрабатывающего или эксплуатирующего АСУ, - как развитый интерфейс, связывающий его систему с технологическим процессом или системой электроснабжения.

Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже - пневмопривод.

Столь широкое, практически повсеместное распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии - возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в любые другие виды энергии.

Сегодня в приборных системах используются электроприводы, мощность которых составляет единицы микроватт; мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции - десятки мегаватт, т.е. диапазон современных электроприводов по мощности превышает 10¹². Такого же порядка и диапазон по частоте вращения: в установке, где выращиваются кристаллы полупроводников, вал двигателя должен делать 1 оборот в несколько десятков часов при очень жестких требованиях к равномерности движения; частота вращения шлифовального круга в современном хорошем станке может достигать 150 тыс. об/мин.

Но особенно широк - безгранично широк - диапазон применений современного электропривода: от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность - теснейшее взаимодействие с технологической сферой - оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние. Непрерывно растущие требования со стороны технологических установок определяют развитие электропривода, совершенствование его элементарной базы, его методологии. В свою очередь, развивающийся электропривод положительно влияет на технологическую сферу, обеспечивает новые, недоступные ранее возможности.

С энергетической точки зрения электропривод - главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.

Специалисты считают, что сегодня сэкономить единицу энергетических ресурсов, например 1 т условного топлива, вдвое дешевле, чем ее добыть. Нетрудно видеть. что в перспективе это соотношение будет изменяться: добывать топливо становится всё труднее, а запасы его всё убывают.

Род тока для электропитания двигателя (постоянный ток, переменный ток трех- или однофазный промышленной или повышенной частоты) определяется выбором типа двигателя: двигатель постоянного или переменного тока (синхронный либо асинхронный). Выбранный двигатель должен в наибольшей степени удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроприводу, и одновременно быть максимально экономичным и надежным.
«Правила устройства электроустановок» регламентируют основные положения выбора двигателей для электроприводов.
1. Электрические и механические параметры двигателей (номинальные значения мощности, напряжения, частоты вращения, относительная продолжительность включения, перегрузочная способность, начальный пусковой момент, диапазон регулирования частоты вращения и т.п.) должны соответствовать параметрам приводимых в действие механизмов.
Для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, независимо от мощности следует применять двигатели синхронные или асинхронные с короткозамкнутым ротором.
Для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска или работы либо требующих изменения частоты вращения следует применять двигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска и регулирования частоты вращения, возможными в данной электроустановке.
Двигатели постоянного тока допускается применять только в случаях, когда двигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик механизма либо неэкономичны.
Двигатели, устанавливаемые на открытом воздухе, должны иметь исполнение по степени защиты не менее ΙΡ44 или специальное исполнение, соответствующее условиям работы конкретного электропривода (например, для химических установок, взрыво- или пожароопасных сред эксплуатации для особо низких температур окружающей среды и т.п.).
Двигатели, устанавливаемые в помещениях, где возможно оседание на обмотках пыли, волокон или других веществ, нарушающих охлаждение, должны иметь закрытое исполнение по степени защиты не менее IP44 или защищенное исполнение, при условии продувания внутренней полости двигателя чистым воздухом, поступающим извне по воздуховодам. При этом корпус продуваемого двигателя, воздуховоды, все сопряжения и стыки должны иметь уплотнение, исключающее присос воздуха из помещения, где установлен собственно двигатель.
При установке двигателей в помещениях с температурой окружающей среды более 40 °С должны быть выполнены мероприятия, исключающие возможность недопустимого перегрева двигателя. Например, применить двигатели, рассчитанные на температуру внешней среды, превышающую 40 °С (двигатели металлургических серий), или же применить принудительную вентиляцию с подводом охлажденного воздуха и т.п.
8 Двигатели, устанавливаемые в сырых и особо сырых местах, должны иметь закрытое исполнение и влагостойкую изоляцию обмоток.
Вибрационные и ударные воздействия на двигатель не должны превышать значений, допустимых для данного двигателя.
Двигатели, устанавливаемые во взрывоопасных или пожароопасных зонах, должны выбираться в соответствии с рекомендациями.
Для электропривода с глубоким регулированием частоты вращения приходится делать выбор между двигателем постоянного тока и асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором при его питании от регулируемого преобразователя частоты, т.е. с использованием частотного регулирования. Применение преобразователей частоты в современном электроприводе хотя и является прогрессивным, но в ряде случаев сдерживается их повышенной стоимостью. При решении вопроса об использовании преобразователя частоты не следует забывать о его энергосберегающем эффекте, снижающем эксплуатационные расходы электропривода, и о возможности «мягкого» пуска двигателя, что повышает надежность электропривода.
Окончательное решение о применении в электроприводе двигателя постоянного тока или асинхронного двигателя в комплекте с преобразователем частоты должно основываться на экономических расчетах рассматриваемых вариантов с учетом не только капитальных затрат, но и расходов, связанных с эксплуатацией электропривода.
Исходя из характера работы электропривода, требуемых механических характеристик, номинальной частоты вращения и диапазона ее регулирования, определяют тип двигателя: асинхронный, синхронный, коллекторный или вентильный постоянного тока.
В электроприводе большой мощности (более 400 кВт) оправдано применение трехфазных синхронных двигателей, имеющих наиболее высокие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности).
Основные недостатки двигателей постоянного тока необходимость в преобразователе переменного тока в постоянный, повышенная стоимость, необходимость в уходе за щеточно-коллекторным узлом (периодическая чистка коллектора и щеток, замена щеток, регулировка их прижатия к коллектору и т.д.), недопустимость применения во взрыво- и пожароопасных помещениях, повышенная стоимость. Двигатели постоянного тока в 2 — 3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Для электроприводов подъемных устройств с тяжелыми условиями пуска, реверсом и перегрузками возможно применение двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Параметры питающей сети определяют выбор номинального напряжения и предельную токовую нагрузку, которая не вызывала бы в этой сети падения напряжения, превышающего допустимые значения.
Способ монтажа и условия эксплуатации определяют форму конструктивного исполнения двигателя: степень защиты, способ охлаждения и способ монтажа (двигатель на лапах или фланцевого крепления, закрытого или защищенного исполнения) и его климатическое исполнение (для умеренного, холодного, тропического климата и т.п.). Например, в электроприводе с широким диапазоном регулирования частоты вращения «вниз» от номинальной целесообразно применение двигателей с независимой вентиляцией, например IC06, так как с уменьшением частоты вращения эффективность самовентиляции значительно снижается. Если эксплуатация двигателя предполагается во взрыво- или пожароопасной средах, то обязательно применение двигателя взрывозащищенного исполнения.
Режим работы электропривода определяет требования к статическим и динамическим свойствам двигателя. Статические свойства определяются величиной статического момента сопротивления рабочей машины, требуемой частотой вращения, необходимостью регулирования частоты вращения и его диапазоном, возможностью кратковременных перегрузок и т. п. Динамические свойства определяются показателями переходных режимов: частотой пуска, реверса и торможения. Например, при частых пусках, торможении или реверсе требуется двигатель с малым моментом инерции ротора (якоря).
Большое значение при выборе двигателя имеют экономические требования: стоимость двигателя, его КПД и коэффициент мощности, масса и габариты, расходы по эксплуатации и ремонту. При оценке экономических показателей принимаемого варианта необходимо учитывать экономические показатели не только самого двигателя, но и используемых для его управления пускорегулирующих устройств (статических выпрямителей, регулируемых преобразователей, устройств «мягкого» пуска, защиты и т.п.).