Аналогічно для поступального руху

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА-1

 

курс лекцій
для студентів напряму підготовки 6.050702 "Електромеханіка", спеціальності "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод" денної форми навчання

 

 

Рекомендовано Методичною радою НТУУ "КПІ"

 

 

Київ

НТУУ “КПІ”

 

Теорія електропривода-1: Курс лекцій для студентів напряму підготовки 6.050702 "Електромеханіка", спеціальності "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод" денної форми навчання / Уклад. М.Я.Островерхов. – К.: НТУУ ”КПІ”, 2010. – 274 с.

 

 

Гриф надано Методичною радою НТУУ "КПІ"

(Протокол № 6 від 18 лютого 2010 р.)

 

 

Укладач Островерхов Микола Якович, канд. техн. наук, доц.

 

Відповідальний редактор Кіселичник О.І., канд. техн. наук, доц.

 

Рецензенти: Кострицький В.В., д-р. техн. наук, проф.

Павлов В.Б., д-р. техн. наук, голов. наук.спів-ник

 

ЛЕКЦІЯ 1

Вступ

 

Вирішальний вплив на розвиток продуктивних сил суспільства має спосіб отримання механічної енергії для виконання роботи. Перехід на парові двигуни для привода робочих машин обумовив стрімке зростання виробництва у XVIII – XIX ст. А вже XX ст. стало віком електрики, бо основним джерелом механічної енергії стали більш досконалі електричні двигуни. Так як електропривод (ЕП) народився в надрах віку пару, то на перших порах електричним двигуном замінювали парову машину для приводу трансмісії цілого цеху. Основним недоліком такого електропривода було збереження громіздкої механічної трансмісії, за допомогою якої механічна енергія від електродвигуна розподілялась до всіх робочих машин та їх механізмів (Рис. В.1).

 

 

 

Рис. В1. А_ел – електрична енергія, А_мех – механічна енергія,

ЕД – електричний двигун, Мех. – механізм

 

Але цей, на перший погляд простий перехід, дозволив централізовано виробляти електроенергію на електростанціях, які можна було зручно розташовувати біля родовищ корисних копалин чи на річках та розподіляти електроенергію між споживачами за допомогою електромережі.

Наступним етапом розвитку електропривода стало встановлення на кожній робочій машині окремого електродвигуна (Рис. В.2). Розподіл механічної енергії до механізмів робочої машини як і раніше здійснювалося механічною трансмісією, але така схема потребувала вже нового підходу до конструювання робочих машин і звільнила цехи від громіздкої механічної трансмісії. Проте електроприводи на рис. В.1 та рис. В.2 виконують однакові функції – лише перетворення електричної енергії у механічну для приводу групи механізмів, тому ці схеми представляють один вид електропривода, який називається груповим.

 

 

Рис. В.2.

 

Особливістю групового електропривода є неможливість керування координатами технологічного процесу, так як пуск, зупинка, зміна величини та напрямку швидкості робочих органів механізмів здійснюється за допомогою механічних засобів: коробок передач, фрикційних механізмів, муфт тощо. Електропривод за схемою на рис. В.1 зараз не використовується, а за схемою на рис. В.2 ще експлуатується, особливо в металообробці та текстильній промисловості.

Складна кінематика та високі вимоги до виготовлення деталей механічної трансмісії, необхідність автоматизації виробництва обумовило заміну групового електропривода на індивідуальний, коли кожен механізм має один або декілька двигунів (Рис. В.3).

 

Рис. В.3.

 

В останньому випадку електропривод називається багатодвигунним, як у механізмів 2 та 3. Перехід на індивідуальний електропривод дає якісну зміну, бо крім функції перетворення електричної енергії у механічну він може виконувати функцію керування рухом робочого органу механізму: пуск, зупинка, зміна швидкості, реверс тощо. При цьому електропривод разом із механізмом зливаються в єдину електромеханічну систему, що дозволяє оптимізувати її роботу та взаємно пов’язати з ходом технологічного процесу. Це обумовлює характерну тенденцію розвитку електропривода – спрощення кінематики та ускладнення системи керування.

Таким чином сучасний ЕП є індивідуальним і виконує дві основні функції:

1) Перетворення електричної енергії у механічну;

2) Керування рухом робочого органу механізму.

Згідно до ДСТУ 2313-93 та ГОСТ 16593-79 електроприводом називається електромеханічна система, яка складається з електродвигунного, перетворювального, передавального та керуючого пристроїв, і яка призначена для приводу в рух робочих органів машини й керування цим рухом. Згідно наведеного, функціональну схему електропривода представлено на рис. В4.

 

 

 

Рис. В.4.

Для виконання своїх функцій електропривод підключено до електричної мережі, із якої він споживає електроенергію. Якщо електропривод живиться не від мережі, а від окремого джерела електроенергії (акумуляторна чи сонячна батарея, дизель-генератор тощо), то він називається автономним.

Електродвигунний пристрій (ЕДП) – це основний елемент електропривода. В якості ЕДП виступають рушії різних типів (двигуни постійного струму, асинхронні та синхронні двигуни змінного струму, лінійні та дугостаторні двигуни, вентильні та крокові двигуни тощо), які перетворюють електричну енергію в механічну. (В окремих режимах роботи згідно зворотності електричних машин ЕП може здійснювати зворотне перетворення механічної енергії від механізму в електричну енергію та віддавати її до мережі).

Перетворювальний пристрій (ПП) керує потоком силової електричної енергії, яка поступає від електромережі до електродвигунного пристрою, із метою зміни режиму роботи останнього. ПП може бути простим, у вигляді силових перемикачів, або складним, у вигляді керованих випрямлячів, перетворювачів частоти, інверторів, широтно-імпульсних перетворювачів тощо. ПП складає силову електричну частину системи керування.

Керуючий пристрій (КП) призначено для керування електродвигунним пристроєм за допомогою перетворювального, а також збору та обробки інформації. Він являє собою несилову інформаційну частину системи керування. КП у залежності від складності електропривода може бути реалізовано за допомогою кнопок, реле, командоапаратів чи інтегральних мікросхем, мікропроцесорів, керуючих ЕОМ тощо.

Передавальний пристрій (ПДП) необхідний для передачі механічної енергії від двигуна до механізму та узгодження її параметрів. Це редуктори, ремінні, рейкові та кривошипно-шатунні передачі, передачі “гвинт-гайка” тощо. Якщо передавальний пристрій відсутній, то електропривод називається безпосереднім.

За рахунок керованої механічної енергії, отриманої від електропривода, робочий орган механізму (кабіна ліфта, східці ескалатора, шпиндель станка, гак крана, маніпулятор робота тощо) виконує необхідний технологічний рух. Основними координатами цього механічного руху є кутова чи лінійна швидкість, момент чи зусилля, кутове чи лінійне положення, тому і системи керування електроприводів розділяються на три основні види:

1) Керування швидкістю;

2) Керування моментом (зусиллям);

3) Керування положенням.

Електропривод є найбільшим споживачем електроенергії. Близько 2/3 всієї електроенергії світу споживає електропривод, тому важливими є питання енергоефективності, раціонального використання, підвищення ККД та мінімізації втрат у процесі роботи електропривода.

За час розвитку теорії електропривода (ТЕП) отримано надбання, які можна розділити на три групи:

1) Загальна теорія, яка вивчає фізичні закономірності та методи розрахунку електропривода;

2) Теорія окремих систем електропривода у залежності від технічної реалізації (частотний ЕП змінного струму, вентильний ЕП, тиристорний ЕП постійного струму тощо);

3) Теорія застосування електропривода в окремих областях (ЕП прокатних станів, ЕП побутових машин, ЕП верстатів тощо).

Електропривод включає механічну частину, закони руху якої досліджуються методами теоретичної механіки, а властивості – прикладної механіки, теорії машин та механізмів. Електромеханічні перетворення енергії у двигуні описуються в теорії електричних машин. Керування потоком електричної енергії в електричній частині електропривода не можливе без знань законів теоретичної електротехніки та електроніки. Загальні методи аналізу та синтезу базуються на законах теорії автоматичного керування. Таким чином, для опанування теорією електропривода необхідні знання як з вищевказаних базових дисциплін, так із загальнотеоретичних дисциплін, зокрема, з математики, фізики.

 

Література: [1, с. 5-18], [2, с. 5-21].

 

СРС: Історія розвитку електропривода. Електропривод як складова електромеханічної системи автоматичного керування. Методичні питання вивчення та особливості термінології електромеханічних систем автоматичного керування й електропривода.

Література: [1, с. 9-13], [4, с. 7-19].

 

Контрольні запитання:

1. Що називається електроприводом.

2. Що називається електромеханічною системою.

3. В чому відмінність електропривода від електромеханічної системи.

4. Які дві основні функції сучасного електропривода.

5. Складові електропривода та їх функціональне призначення.

6. Який електропривод називається груповим.

7. Який електропривод називається індивідуальним.

8. Який електропривод називається автономним.

9. Який електропривод називається безпосереднім.

10. Який електропривод називається багатодвигунним.

11. Якими основними трьома координатами механічного руху робочого органу механізму здійснюється керування за допомогою електропривода.

ЛЕКЦІЯ 2

 

РОЗДІЛ 1. МЕХАНІКА ЕЛЕКТРОПРИВОДА ТА ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ

 

Механічна частина електропривода – це рухомі маси двигуна (ротор) та передавального пристрою. З механічною частиною електропривода безпосередньо зв’язаний робочий орган (РО) механізму, який є об’єктом керування електропривода, рис. В.4. Хоча робочий орган механізму не входить до механічної частини електропривода, але його параметри (маса, момент інерції тощо) враховуються в математичному описі електропривода, тому при проектуванні та дослідженні електропривода потрібно розглядати кінематичну схему всієї електромеханічної системи. Кінематичні схеми механізмів дуже різноманітні, проте вони мають загальні особливості, бо складаються з типових елементів, а саме - зв’язаних в одне механічне коло мас, що рухаються обертально чи поступально. При навантаженні елементи кінематичної схеми відповідно до закону Гука пружно деформуються, бо не є абсолютно жорсткими. Такий рух механічної частини електропривода описується законами теоретичної та прикладної механіки.

 

Тема 1.1. Розрахункові схеми та правила приведення параметрів

 

На кінематичній схемі елементи, які рухаються поступально, характеризуються масою m [кг], а ті, що рухаються обертально – моментом інерції J [кг·м²]. Кожен елемент пов’язаний з наступним елементом невагомим механічним зв’язком, що характеризується жорсткістю c, яка вимірюється в [Н/м] чи [Нм/рад] в залежності від виду руху.

Жорсткість – це величина зусилля чи моменту на одиницю деформації тіла. Чим більша жорсткість тіла, тим менше воно деформується. При поступальному русі на тіло (стрижень) діє пружне зусилля F₁₂=F₁-F₂ [Н], яке викликає деформацію DS=S₁-S₂ [м] (Рис. 1.1). Жорсткість дорівнює відношенню c=F₁₂/DS [Н/м].

 

Рис. 1.1.

 

При обертальному русі на тіло (вал) діє пружний момент M₁₂=M₁-M₂ [Нм], який викликає деформацію Dj=j₁-j₂ [рад] (Рис. 1.2). В цьому випадку жорсткість дорівнює c=M₁₂/Dj [Нм/рад].

 

 

Рис. 1.2.

 

Жорсткість залежить від геометричних розмірів тіла та матеріалу, із якого воно виготовлено. Для пружного стрижня при його стисканні чи розтягуванні жорсткість визначається за наступною формулою

 

, (1.1)

 

де S – площа поперечного перерізу стрижня, м²;

E – модуль пружності матеріалу, Па;

L – довжина стрижня, м.

 

Для пружного валу при його скручуванні жорсткість визначається наступним чином

, (1.2)

 

де G – модуль пружності скручування матеріалу, Па;

R – радіус валу, м.

 

Величина, обернена до жорсткості e=1/c, називається піддатливістю.

Найпершою задачею при проектуванні ЕП є складання на основі кінематичної схеми механічної частини електромеханічної системи розрахункової схеми та спрощення її до ступеня відповідно до вимог синтезу. Чим простіша розрахункова схема, тим простіший її математичний опис і відповідний регулятор, проте при спрощенні не повинно якісно змінитися математична модель електромеханічної системи.

Кожен елемент кінематичної схеми характеризується жорсткістю, масою чи моментом інерції, сукупністю діючих на нього моментів чи сил, проте має свою швидкість, тому для безпосереднього порівняння вказаних параметрів їх необхідно привести до однієї швидкості, відносно якої здійснюються розрахунки та дослідження. Найчастіше це швидкість двигуна або лінійна швидкість робочого органу. В результаті приведення реальна кінематична схема замінюється енергетично еквівалентною розрахунковою. Найбільший вплив на рух мають елементи з найбільшою масою, як найбільш інерційні, та зв’язки з найменшою жорсткістю, бо призводять до коливань мас. Виділивши їх, можна спростити розрахункову схему й тим самим забезпечити меншу складність системи керування.

На рис. 1.3 представлено кінематичну схему умовного підйомного механізму.

 

 

Рис. 1.3.

 

На основі цієї схеми спочатку складається попередня розрахункова схема (Рис. 1.4). Для цього вибирається швидкість, до якої буде здійснюватись приведення. У даному випадку – це швидкість двигуна w₁. Реальні елементи (двигун, редуктор тощо) на схемі зображуються прямокутниками, площа яких пропорційна їх моментам інерції (масам). Прямокутники з’єднуються невагомими зв’язками, довжина яких обернено пропорційна жорсткості валів чи каната. Елементи, які рухаються із швидкістю, відмінною від швидкості двигуна, позначаються з верхнім індексом “штрих”, що означає приведення параметрів до валу двигуна.

 

 

Рис. 1.4.

 

Умовою приведення параметрів реальної схеми до розрахункової є виконання закону збереження енергії та елементарної роботи.

При приведенні моментів інерції та мас повинен виконуватися закон збереження кінетичної енергії. Для обертального руху при приведенні моменту інерції елемента, який рухається зі швидкістю w_i , до розрахункової швидкості w₁ повинна виконуватися умова

, тобто , звідкіля

, (1.3)

де – передаточне число від валу приведення до i-го валу.

Аналогічно для поступального руху , звідкіля

 

, (1.4)

де – радіус приведення.

Для лінійних кінематичних зв’язків i_1i та r_1i є незмінними.

Переміщення та прискорення приводяться на основі відношення швидкостей елементів. Для обертального руху кутове переміщення j_i [рад] після приведення дорівнює

 

, (1.5)

 

а кутове прискорення e_i [рад/с²]

 

. (1.6)

 

Для поступального руху лінійне переміщення S_i [м] після приведення визначається наступною формулою

 

, (1.7)

 

а лінійне прискорення a_i [м/с²]

. (1.8)

Приведення моментів та зусиль здійснюється за умови рівності елементарної роботи на можливих переміщеннях. Для обертального руху , звідкіля приведений момент дорівнює

 

. (1.9)

 

Для поступального руху , звідкіля знаходиться приведене зусилля

. (1.10)

 

При приведенні жорсткостей повинен виконуватися закон збереження потенціальної енергії . Для обертального руху

, звідкіля

. (1.11)

 

Для поступального руху , звідкіля

 

. (1.12)

 

При послідовному об’єднанні декількох невагомих зв'язків загальна жорсткість та піддатливість визначаються за наступною формулою

 

(1.13)

 

а при паралельному з’єднанні вони дорівнюють

 

(1.14)

 

На основі аналізу числових значень приведених моментів інерції (мас) та жорсткостей виділяються найбільш суттєві, тобто найбільші приведені маси та найменші приведені жорсткості. На основі цього здійснюється спрощення. Декілька елементів схеми можна об’єднати в один. При цьому новий елемент буде характеризуватися еквівалентним моментом інерції та еквівалентною жорсткістю. Нехай на попередній розрахунковій схемі на рис. 1.4 найменшу жорсткість має ремінна передача та канат, тобто c₄^’, c₁₂^’ , а найбільший момент інерції має двигун, барабан та вантаж, тобто J₁, J₁₂^’, J₁₃^’. Моменти інерцій елементів, які розділяються зв’язками з найменшими жорсткостями c₄^’, c₁₂^’, об’єднуються

 

 

Ці еквівалентні моменти інерції з’єднуються еквівалентними жорсткостями c_екв1 та c_екв2, які визначаються жорсткостями елементів між найбільшими масами J₁..J₁₂^’ та J₁₂^’..J₁₃^’

 

 

Після такого спрощення початкова розрахункова схема приймає наступний вигляд (Рис. 1.5).

 

 

 

 

 

Рис. 1.5.

 

Тобто схема представляється трьома масами, з’єднаними двома пружними зв’язками. Якщо жорсткість с_екв2 набагато менша за с_екв1, то схему на рис. 1.5 можна ще спростити, об'єднавши J_екв1 та J_екв2 , і отримати двомасову схему. На спрощених схемах еквівалентні маси зображуються колами, а жорсткості – у вигляді схематичних пружин.

При синтезі ЕП після спрощень найчастіше використовуються три типові розрахункові схеми:

1) Тримасова – для детального аналізу та якісного синтезу електромеханічних систем із двома суттєвими пружними зв’язками. Використовується найрідше (Рис. 1.6).

 

 

Рис. 1.6.

2) Двомасова – найбільш адекватно відображує процеси більшості електромеханічних систем з одним суттєвим пружним зв’язком (Рис. 1.7).

 

 

Рис. 1.7.

 

3) Одномасова – застосовується найчастіше для синтезу та аналізу електропривода та електромеханічних систем із високою жорсткістю зв’язків або коли жорсткістю зв’язків нехтують. Усі маси замінюються однією еквівалентною (Рис. 1.8).

 

 

Рис. 1.8.

 

Рухомі елементи кінематичної схеми можуть мати паралельні ділянки, що характерно для багатодвигунних електроприводів. Еквівалента жорсткість обчислюється за формулою (1.14) (Рис. 1.9).

 

 

 

Рис. 1.9.

В реальних системах завжди є дисипативні сили, наприклад, сили внутрішнього в’язкого тертя, які призводять до поглинання енергії механічних коливань, обумовлених пружністю механічних зв’язків. На розрахункових схемах сили внутрішнього в’язкого тертя з коефіцієнтом тертя m позначається механічним демпфером, який встановлюється паралельно пружному зв’язку (Рис. 1.10).

 

 

Рис. 1.10.

 

Сили внутрішнього тертя пропорційні швидкості деформації. Для обертального руху момент тертя дорівнює

 

, (1.15)

 

а для поступального руху сила тертя становить

 

. (1.16)

 

Приведення коефіцієнта в’язкого тертя (демпфірування) виконується на основі збереження енергії дисипації W_Д = W_Д^’. Для обертального руху

, тому

. (1.17)

 

Рис. 1.21.

 

Аналогічно складається рівняння для поступального руху маси на основі розрахункової схеми, показаної рис. 1.22.

 

 

 

Рис. 1.22.

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА-1

 

курс лекцій
для студентів напряму підготовки 6.050702 "Електромеханіка", спеціальності "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод" денної форми навчання

 

 

Рекомендовано Методичною радою НТУУ "КПІ"

 

 

Київ

НТУУ “КПІ”

 

Теорія електропривода-1: Курс лекцій для студентів напряму підготовки 6.050702 "Електромеханіка", спеціальності "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод" денної форми навчання / Уклад. М.Я.Островерхов. – К.: НТУУ ”КПІ”, 2010. – 274 с.

 

 

Гриф надано Методичною радою НТУУ "КПІ"

(Протокол № 6 від 18 лютого 2010 р.)

 

 

Укладач Островерхов Микола Якович, канд. техн. наук, доц.

 

Відповідальний редактор Кіселичник О.І., канд. техн. наук, доц.

 

Рецензенти: Кострицький В.В., д-р. техн. наук, проф.

Павлов В.Б., д-р. техн. наук, голов. наук.спів-ник

 

ЛЕКЦІЯ 1

Вступ

 

Вирішальний вплив на розвиток продуктивних сил суспільства має спосіб отримання механічної енергії для виконання роботи. Перехід на парові двигуни для привода робочих машин обумовив стрімке зростання виробництва у XVIII – XIX ст. А вже XX ст. стало віком електрики, бо основним джерелом механічної енергії стали більш досконалі електричні двигуни. Так як електропривод (ЕП) народився в надрах віку пару, то на перших порах електричним двигуном замінювали парову машину для приводу трансмісії цілого цеху. Основним недоліком такого електропривода було збереження громіздкої механічної трансмісії, за допомогою якої механічна енергія від електродвигуна розподілялась до всіх робочих машин та їх механізмів (Рис. В.1).

 

 

 

Рис. В1. А_ел – електрична енергія, А_мех – механічна енергія,

ЕД – електричний двигун, Мех. – механізм

 

Але цей, на перший погляд простий перехід, дозволив централізовано виробляти електроенергію на електростанціях, які можна було зручно розташовувати біля родовищ корисних копалин чи на річках та розподіляти електроенергію між споживачами за допомогою електромережі.

Наступним етапом розвитку електропривода стало встановлення на кожній робочій машині окремого електродвигуна (Рис. В.2). Розподіл механічної енергії до механізмів робочої машини як і раніше здійснювалося механічною трансмісією, але така схема потребувала вже нового підходу до конструювання робочих машин і звільнила цехи від громіздкої механічної трансмісії. Проте електроприводи на рис. В.1 та рис. В.2 виконують однакові функції – лише перетворення електричної енергії у механічну для приводу групи механізмів, тому ці схеми представляють один вид електропривода, який називається груповим.

 

 

Рис. В.2.

 

Особливістю групового електропривода є неможливість керування координатами технологічного процесу, так як пуск, зупинка, зміна величини та напрямку швидкості робочих органів механізмів здійснюється за допомогою механічних засобів: коробок передач, фрикційних механізмів, муфт тощо. Електропривод за схемою на рис. В.1 зараз не використовується, а за схемою на рис. В.2 ще експлуатується, особливо в металообробці та текстильній промисловості.

Складна кінематика та високі вимоги до виготовлення деталей механічної трансмісії, необхідність автоматизації виробництва обумовило заміну групового електропривода на індивідуальний, коли кожен механізм має один або декілька двигунів (Рис. В.3).

 

Рис. В.3.

 

В останньому випадку електропривод називається багатодвигунним, як у механізмів 2 та 3. Перехід на індивідуальний електропривод дає якісну зміну, бо крім функції перетворення електричної енергії у механічну він може виконувати функцію керування рухом робочого органу механізму: пуск, зупинка, зміна швидкості, реверс тощо. При цьому електропривод разом із механізмом зливаються в єдину електромеханічну систему, що дозволяє оптимізувати її роботу та взаємно пов’язати з ходом технологічного процесу. Це обумовлює характерну тенденцію розвитку електропривода – спрощення кінематики та ускладнення системи керування.

Таким чином сучасний ЕП є індивідуальним і виконує дві основні функції:

1) Перетворення електричної енергії у механічну;

2) Керування рухом робочого органу механізму.

Згідно до ДСТУ 2313-93 та ГОСТ 16593-79 електроприводом називається електромеханічна система, яка складається з електродвигунного, перетворювального, передавального та керуючого пристроїв, і яка призначена для приводу в рух робочих органів машини й керування цим рухом. Згідно наведеного, функціональну схему електропривода представлено на рис. В4.

 

 

 

Рис. В.4.

Для виконання своїх функцій електропривод підключено до електричної мережі, із якої він споживає електроенергію. Якщо електропривод живиться не від мережі, а від окремого джерела електроенергії (акумуляторна чи сонячна батарея, дизель-генератор тощо), то він називається автономним.

Електродвигунний пристрій (ЕДП) – це основний елемент електропривода. В якості ЕДП виступають рушії різних типів (двигуни постійного струму, асинхронні та синхронні двигуни змінного струму, лінійні та дугостаторні двигуни, вентильні та крокові двигуни тощо), які перетворюють електричну енергію в механічну. (В окремих режимах роботи згідно зворотності електричних машин ЕП може здійснювати зворотне перетворення механічної енергії від механізму в електричну енергію та віддавати її до мережі).

Перетворювальний пристрій (ПП) керує потоком силової електричної енергії, яка поступає від електромережі до електродвигунного пристрою, із метою зміни режиму роботи останнього. ПП може бути простим, у вигляді силових перемикачів, або складним, у вигляді керованих випрямлячів, перетворювачів частоти, інверторів, широтно-імпульсних перетворювачів тощо. ПП складає силову електричну частину системи керування.

Керуючий пристрій (КП) призначено для керування електродвигунним пристроєм за допомогою перетворювального, а також збору та обробки інформації. Він являє собою несилову інформаційну частину системи керування. КП у залежності від складності електропривода може бути реалізовано за допомогою кнопок, реле, командоапаратів чи інтегральних мікросхем, мікропроцесорів, керуючих ЕОМ тощо.

Передавальний пристрій (ПДП) необхідний для передачі механічної енергії від двигуна до механізму та узгодження її параметрів. Це редуктори, ремінні, рейкові та кривошипно-шатунні передачі, передачі “гвинт-гайка” тощо. Якщо передавальний пристрій відсутній, то електропривод називається безпосереднім.

За рахунок керованої механічної енергії, отриманої від електропривода, робочий орган механізму (кабіна ліфта, східці ескалатора, шпиндель станка, гак крана, маніпулятор робота тощо) виконує необхідний технологічний рух. Основними координатами цього механічного руху є кутова чи лінійна швидкість, момент чи зусилля, кутове чи лінійне положення, тому і системи керування електроприводів розділяються на три основні види:

1) Керування швидкістю;

2) Керування моментом (зусиллям);

3) Керування положенням.

Електропривод є найбільшим споживачем електроенергії. Близько 2/3 всієї електроенергії світу споживає електропривод, тому важливими є питання енергоефективності, раціонального використання, підвищення ККД та мінімізації втрат у процесі роботи електропривода.

За час розвитку теорії електропривода (ТЕП) отримано надбання, які можна розділити на три групи:

1) Загальна теорія, яка вивчає фізичні закономірності та методи розрахунку електропривода;

2) Теорія окремих систем електропривода у залежності від технічної реалізації (частотний ЕП змінного струму, вентильний ЕП, тиристорний ЕП постійного струму тощо);

3) Теорія застосування електропривода в окремих областях (ЕП прокатних станів, ЕП побутових машин, ЕП верстатів тощо).

Електропривод включає механічну частину, закони руху якої досліджуються методами теоретичної механіки, а властивості – прикладної механіки, теорії машин та механізмів. Електромеханічні перетворення енергії у двигуні описуються в теорії електричних машин. Керування потоком електричної енергії в електричній частині електропривода не можливе без знань законів теоретичної електротехніки та електроніки. Загальні методи аналізу та синтезу базуються на законах теорії автоматичного керування. Таким чином, для опанування теорією електропривода необхідні знання як з вищевказаних базових дисциплін, так із загальнотеоретичних дисциплін, зокрема, з математики, фізики.

 

Література: [1, с. 5-18], [2, с. 5-21].

 

СРС: Історія розвитку електропривода. Електропривод як складова електромеханічної системи автоматичного керування. Методичні питання вивчення та особливості термінології електромеханічних систем автоматичного керування й електропривода.

Література: [1, с. 9-13], [4, с. 7-19].

 

Контрольні запитання:

1. Що називається електроприводом.

2. Що називається електромеханічною системою.

3. В чому відмінність електропривода від електромеханічної системи.

4. Які дві основні функції сучасного електропривода.

5. Складові електропривода та їх функціональне призначення.

6. Який електропривод називається груповим.

7. Який електропривод називається індивідуальним.

8. Який електропривод називається автономним.

9. Який електропривод називається безпосереднім.

10. Який електропривод називається багатодвигунним.

11. Якими основними трьома координатами механічного руху робочого органу механізму здійснюється керування за допомогою електропривода.

ЛЕКЦІЯ 2

 

РОЗДІЛ 1. МЕХАНІКА ЕЛЕКТРОПРИВОДА ТА ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ

 

Механічна частина електропривода – це рухомі маси двигуна (ротор) та передавального пристрою. З механічною частиною електропривода безпосередньо зв’язаний робочий орган (РО) механізму, який є об’єктом керування електропривода, рис. В.4. Хоча робочий орган механізму не входить до механічної частини електропривода, але його параметри (маса, момент інерції тощо) враховуються в математичному описі електропривода, тому при проектуванні та дослідженні електропривода потрібно розглядати кінематичну схему всієї електромеханічної системи. Кінематичні схеми механізмів дуже різноманітні, проте вони мають загальні особливості, бо складаються з типових елементів, а саме - зв’язаних в одне механічне коло мас, що рухаються обертально чи поступально. При навантаженні елементи кінематичної схеми відповідно до закону Гука пружно деформуються, бо не є абсолютно жорсткими. Такий рух механічної частини електропривода описується законами теоретичної та прикладної механіки.

 

Тема 1.1. Розрахункові схеми та правила приведення параметрів

 

На кінематичній схемі елементи, які рухаються поступально, характеризуються масою m [кг], а ті, що рухаються обертально – моментом інерції J [кг·м²]. Кожен елемент пов’язаний з наступним елементом невагомим механічним зв’язком, що характеризується жорсткістю c, яка вимірюється в [Н/м] чи [Нм/рад] в залежності від виду руху.

Жорсткість – це величина зусилля чи моменту на одиницю деформації тіла. Чим більша жорсткість тіла, тим менше воно деформується. При поступальному русі на тіло (стрижень) діє пружне зусилля F₁₂=F₁-F₂ [Н], яке викликає деформацію DS=S₁-S₂ [м] (Рис. 1.1). Жорсткість дорівнює відношенню c=F₁₂/DS [Н/м].

 

Рис. 1.1.

 

При обертальному русі на тіло (вал) діє пружний момент M₁₂=M₁-M₂ [Нм], який викликає деформацію Dj=j₁-j₂ [рад] (Рис. 1.2). В цьому випадку жорсткість дорівнює c=M₁₂/Dj [Нм/рад].

 

 

Рис. 1.2.

 

Жорсткість залежить від геометричних розмірів тіла та матеріалу, із якого воно виготовлено. Для пружного стрижня при його стисканні чи розтягуванні жорсткість визначається за наступною формулою

 

, (1.1)

 

де S – площа поперечного перерізу стрижня, м²;

E – модуль пружності матеріалу, Па;

L – довжина стрижня, м.