Электропривод и его устройство¶

Электропривод — это электромеханическая система, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую и управления движением исполнительного органа рабочей машины или механизма. В общем случае электропривод включает электродвигатель, устройство передачи механической энергии (редуктор, ремённую или цепную передачу), преобразователь электрической энергии, систему управления и датчики обратной связи. Электропривод является одним из основных потребителей электроэнергии в промышленности и на транспорте: по разным оценкам, на его долю приходится значительная часть мирового электропотребления.

¶История

Первые электрические двигатели появились в 1830-е годы. В 1834 году российский физик Борис Якоби создал электродвигатель постоянного тока с вращающимся якорем, а в 1838 году испытал его на Неве для привода лодки с гребными колёсами. Это был один из первых примеров практического применения электропривода на транспорте.

В конце XIX века развитие электротехники, появление трёхфазного асинхронного двигателя (Михаил Доливо-Добровольский, 1889—1891 годы) и распространение электрических сетей сделали электропривод массовым. В XX веке он вытеснил паровые и механические приводы на заводах, а затем стал основой автоматизации производств. Во второй половине XX века появились системы с полупроводниковыми преобразователями — тиристорными и транзисторными, что позволило плавно регулировать скорость и момент.

¶Классификация

Электроприводы различают по нескольким признакам.

По роду тока:

приводы постоянного тока;
приводы переменного тока (асинхронные, синхронные, вентильные).

По характеру движения:

вращательные;
линейные (линейные двигатели, применяемые, например, в транспорте на магнитной подушке).

По регулируемости:

нерегулируемые (работают с одной скоростью);
регулируемые (изменяют скорость, момент или положение).

По числу двигателей:

индивидуальный (один двигатель на один механизм);
групповой (один двигатель на несколько механизмов);
многодвигательный (несколько двигателей, согласованно работающих в одном агрегате).

По степени автоматизации выделяют неавтоматизированный, автоматизированный и автоматический электропривод, а также следящий, поддерживающий заданное положение или траекторию.

¶Устройство и состав

Типовая структура электропривода включает следующие элементы:

Электродвигатель — главный преобразователь энергии. Наиболее распространены асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а также синхронные и двигатели постоянного тока.
Преобразователь — устройство, изменяющее параметры электрической энергии (частотный преобразователь, выпрямитель, тиристорный регулятор).
Механическая передача — редуктор, муфта, ремённая или цепная передача, согласующая характеристики двигателя и нагрузки.
Система управления — обеспечивает пуск, останов, реверс, регулирование скорости и защиту. Может быть релейно-контакторной или микропроцессорной.
Датчики обратной связи — тахогенераторы, энкодеры, датчики тока и напряжения.

¶Характеристики

Основные параметры электропривода — номинальная мощность и скорость, момент на валу, диапазон регулирования, жёсткость механических характеристик, КПД и перегрузочная способность. Важное понятие — механическая характеристика, то есть зависимость скорости вращения от момента сопротивления. По виду характеристики различают абсолютно жёсткие (синхронные двигатели), жёсткие (асинхронные в рабочей зоне) и мягкие (двигатели последовательного возбуждения).

Режимы работы электропривода делят на продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный, что учитывается при выборе двигателя по нагреву.

¶Применение

Электропривод применяется практически во всех отраслях:

в промышленности — приводы станков, конвейеров, насосов, компрессоров, прокатных станов, подъёмно-транспортных механизмов;
на транспорте — тяговые приводы электровозов, электропоездов, трамваев, троллейбусов, электромобилей;
в быту — стиральные машины, холодильники, вентиляторы, кухонная техника;
в робототехнике и станках с ЧПУ — прецизионные следящие приводы;
в энергетике — приводы запорной арматуры, механизмов собственных нужд электростанций.

¶Современное состояние

Современный этап развития связан с частотно-регулируемым приводом на базе асинхронных и синхронных двигателей с постоянными магнитами, управляемых микропроцессорными преобразователями. Широко применяются векторное управление и прямые методы управления моментом. Это позволяет экономить электроэнергию (особенно в насосных и вентиляторных установках), повышать точность и расширять функциональность оборудования.

В России разработкой и производством электроприводов и преобразовательной техники занимаются предприятия электротехнической отрасли, научные центры и вузы; значительная часть приводов выпускается для металлургии, нефтегазового комплекса и транспорта.

¶Критика и ограничения

К недостаткам электропривода относят зависимость от источника электроэнергии, сложность и стоимость преобразовательной и управляющей электроники, необходимость обслуживания и утилизации аккумуляторов в автономных системах. В ряде случаев конкуренцию сохраняют двигатели внутреннего сгорания и гидравлические приводы — например, в дальних перевозках и тяжёлой технике.

Источники: учебники по электроприводу и автоматизированному электроприводу, технические справочники по электрическим машинам, обзоры по преобразовательной технике.