Лекция 1.2.Классификация, структуры и состав электромашинных исполнительных механизмов

Классификация электромашинных ИМ. Электромашинные ИМ (электроприводы) можно классифицировать по различным признакам (рис.1.2).

Рисунок 1.2

По роду тока электродвигателя. В ИМ постоянного тока применяются коллекторные и бесконтактные двигатели постоянного тока, в ИМ переменного тока – асинхронные и синхронные двигатели.

По характеру движения. Вращательные ИМ приводятся в движение вращающимися двигателями, прямоходные ИМ – вращающимися двигателями с механическими преобразователями вращательного движения в возвратно-поступательное или непосредственно линейными двигателями. Каждый из этих ИМ может быть непрерывным или дискретным. В ИМ непрерывного действия в установившемся режиме подвижные части находятся в состоянии непрерывного движения, в дискретном – в состоянии дискретного (шагового) движения.

По степени управляемости. Нерегулируемый ИМ предназначен для приведения в действие РО объекта управления с одной рабочей скоростью; параметры ИМ (например скорость, момент и др.) изменяются только в результате возмущающих воздействий. Регулируемый ИМ может приводить в действие РО с изменяемой скоростью; параметры ИМ изменяются под воздействием управляющего устройства.

По степени автоматизации. Автоматизированным называется регулируемый ИМ с автоматическим регулированием параметров. К этому типу относятся программно-управляемые, следящие и адаптивные ИМ. В программно-управляемом ИМ управление движением РО осуществляется по закону, определенному заранее и заданному программой. Частным случаем таких ИМ можно считать позиционный ИМ, предназначенный для перемещения РО из одного фиксированного положения в другое. Следящий ИМ автоматически отрабатывает перемещение РО в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом. Адаптивный ИМ обладает способностью автоматически избирать структуру и(или) параметры системы управления при изменении условий работы объекта управления с целью выработки оптимального режима.

Автоматизированный ИМ в большинстве случаев является замкнутым, т.е. действующим на основе принципа обратной связи. Исключение составляет автоматизированный дискретный ИМ с шаговыми двигателями, который может быть разомкнутым. Неавтоматизированный ИМ имеет ручное управление.

В зависимости от типа ИМ и его конкретного назначения он может иметь различную структуру и состав технических средств.

Типовые структуры и оборудование электромашинных ИМ. Обобщенная структурная схема автоматизированного электромашинного ИМ (электропривода) представлена на рис.1.3.

Рисунок 1.3

Обязательным силовым блоком является электромеханический преобразователь энергии, состоящий из конструктивно объединенных или раздельных исполнительного двигателя ИД и механического передаточного устройства ПУ (например, редуктора, муфты).

Питание двигателя осуществляется в общем случае через силовой электрический преобразователь СП, который может представлять собой:

• транзисторный, тиристорный или магнитный усилитель мощности;
• полупроводниковый управляемый или неуправляемый выпрямитель или инвертор;
• полупроводниковый широтно-импульсный преобразователь;
• регулируемый или нерегулируемый силовой трансформатор;
• контактную коммутирующую аппаратуру – электромагнитные реле, пускатели, контакторы.

К несиловым блокам, обеспечивающим выполнение требуемых функций в зависимости от назначения и области применения исполнительного механизма, относятся устройство управления УУ и измерительно-преобразовательное устройство ИПУ.

В устройство управления в общем случае входят:

• блок автоматического управления БАУ, содержащий аналоговые или цифровые регуляторы;
• блок дистанционного управления коммутирующей аппаратурой БДУ;
• блок ручного механического управления БРУ регулирующим органом РО (дублер дистанционного);
• блок сигнализации БС.

Измерительно-преобразовательное устройство ИПУ может иметь в своем составе датчик тока двигателя ДТ, датчик скорости ДС и датчик текущего положения ДП исполнительного механизма. В состав ИПУ может также входить блок конечных положений БКП исполнительного механизма или регулирующего органа, состоящий из путевых и концевых выключателей, выдающих дискретный сигнал при достижении соответствующего конечного положения.

При разработке промышленных систем автоматизации и управления весьма широко применяются типовые конструкции, в частности типовые комплектные и унифицированные исполнительные устройства.

Комплектным исполнительным механизмом (электроприводом) принято называть комплект взаимосвязанного оборудования, которое предназначено для исполнительных устройств с некоторыми определенными функциями, объединяется общей электрической схемой и поставляется полностью (или в большей части) комплектно.

Комплектные ИМ, выпускаемые для металлообрабатывающих станков и установок с числовым программным управлением, обрабатывающих центров и промышленных роботов, имеют, как правило, в своем составе следующее типовое оборудование:

• транзисторный или тиристорный силовой преобразователь, обеспечивающий однозонное якорное или двухзонное с ослаблением магнитного поля управление двигателем постоянного тока или частотное управление трехфазным асинхронным двигателем;
• устройство согласования преобразователя с питающей сетью, например трансформатор;
• устройство управления преобразователем;
• систему автоматического регулирования основных параметров ИМ;
• отдельные блоки электрических измерений, защиты и сигнализации;
• исполнительный двигатель постоянного тока (коллекторный или бесконтактный) или трехфазный асинхронный со встроенным или пристраиваемым датчиком скорости (тахогенератором электромашинного или фотоэлектрического типа), датчиком положения (вращающимся трансформатором, сельсином или фотоэлектрическим преобразователем) и, при необходимости, электромагнитным тормозом;
• механическое передаточное устройство (преобразователь движения вращательного или вращательно-поступательного типа, муфта), в виде отдельной конструкции или в виде единой конструкции с двигателем (мотор-редуктор).

Электрооборудование первых пяти групп выполняется обычно в виде комплекта устройств управления (шкафов, блоков, пультов), объединенных общей электрической схемой и обеспечивающих необходимое взаимодействие всех элементов исполнительного механизма. Этот комплект является, как правило, обязательной составной частью комплектного ИМ, а его выход – выходом силового электрического преобразователя.

В исполнительных механизмах узкого назначения или малой мощности электродвигатель и передаточное устройство входят непосредственно в комплект поставки, в остальных случаях заказываются отдельно.

Унифицированные электромашинные исполнительные механизмы, применяемые для перемещения регулирующих органов типа заслонок, задвижек, кранов и т.д. в химической промышленности, на топливных и водно-канализационных трубопроводах, в вентиляционных системах и силовой контактной электрокоммутирующей аппаратуре имеют как правило в своем составе следующие блоки типовой структуры:

• комплект из однофазного или трехфазного асинхронного двигателя и передаточного устройства с вращательным или возвратно-поступательным выходным движением;
• силовой электрический блок в виде контактной или бесконтактной коммутирующей аппаратуры и, при необходимости, различных усилителей;
• устройство управления с блоками дистанционного и ручного управления, а также блоками сигнализации и защиты;
• измерительно-преобразовательное устройство с концевыми и путевыми выключателями и, при необходимости, резистивными, индуктивными и токовыми схемами измерения текущего положения и скорости.

Такие ИМ работают в основном в режиме позиционирования с нерегулируемой или регулируемой в узком диапазоне скоростью.

Требования к электромашинным исполнительным механизмам. Основные требования к большинству электромашинных ИМ можно сформулировать так:

• минимальные габариты электродвигателя при высоких значениях вращающего момента и мощности;
• значительные допустимые перегрузки привода в кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы;
• широкий диапазон регулирования скорости;
• высокая стабильность характеристик, в первую очередь силового преобразователя, датчиков скорости и положения (перемещения);
• высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;
• высокое быстродействие при включении и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой;
• высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;
• удобство конструктивной установки двигателей и встройки силовых преобразователей и вспомогательных блоков управления в шкафы управления объектом в целом;
• малые габаритные размеры и расход активных, особенно дефицитных, материалов;
• высокая надежность и ремонтопригодность, существенная унификация узлов, простота наладки и эксплуатации;
• малая стоимость и энергоемкость.

Очевидно, что совмещение всех перечисленных требований в одном устройстве принципиально невозможно. Поэтому при проектировании и применении исполнительных механизмов в каждом конкретном случае удовлетворение одних требований достигается в ущерб другим. Это значит, что при создании ИМ должна решаться задача оптимизации с конкретными ограничениями, вытекающими из общих требований.