1. Основные теоретические сведения.

Технологические машины и агрегаты приводятся в действие различными типами приводов, из которых наиболее распространенным является электропривод. От правильного выбора параметров и характеристик привода зависит эффективность работы технологической установки, поэтому его расчет и проектирование представляет собой важную инженерную задачу.

Электропривод содержит большое число компонентов, основным из которых является электрическая машина.

Вращающейся электрической машиной (ГОСТ 27471-87) называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее части, которые участвуют в основном процессе преобразования и могут вращаться или поворачиваться относительно друг друга.

Любая электрическая машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Однако изначально электрические машины проектируются и изготовляются для использования либо в качестве двигателя, либо в качестве генератора.

Электромашинные генераторы – устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую. Их используют для получения электрической энергии. На электростанциях они приводятся в движение от паровых или гидравлических турбин, в различных транспортных устройствах (автомобилях, тепловозах, кораблях, самолетах и др.) - от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Электрические двигатели – устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую. Они используются в приводах различных машин и механизмов. Следует иметь в виду, что электродвигатели, используемые в составе приводов, в определенные периоды могут работать в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть, что обеспечивает экономию электроэнергии и улучшает экономические показатели электропривода.

Двигатели и генераторы являются наиболее распространенными видами электрических машин. В технике также используются машины, имеющие специфическое функциональное назначение, и соответственно, менее распространенные. К ним относятся:

- электромашинные преобразователи – устройства, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот (они позволяют изменять величину напряжения и тока, частоту, число фаз и др.);

- электромашинные компенсаторы – устройства, осуществляющие генерирование реактивной мощности;

- электромашинные усилители – устройства, позволяющие управлять относительно большими мощностями с помощью сигнала малой мощности;

- тахогенераторы – электрические микромашины, работающие в генераторном режиме и используемые для измерения частоты вращения.

Все электрические машины в зависимости от мощности подразделяют на микромашины (от долей ватта до 500 Вт), машины малой мощности (от 0,5 до 10 кВт), машины средней мощности (от 10 кВт до нескольких сотен киловатт) и машины большой мощности (свыше нескольких сотен киловатт).

В зависимости от рода используемого тока электрические машины подразделяют на машины переменного и машины постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока вырабатывают или преобразуют энергию постоянного тока. Генераторы, электродвигатели, электромашинные усилители и тахогенераторы постоянного тока используются в регулируемых электроприводах станков, транспортных устройств и др. В металлорежущих станках широко применяются высокомоментные двигатели постоянного тока.

Электрические машины переменного тока вырабатывают или преобразуют энергию переменного тока. Они подразделяются на синхронные и асинхронные машины..

Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электростанциях и в качестве генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах т.п.). В качестве электродвигателей синхронные машины применяют в электроприводах механизмов, требующих стабильной частоты вращения. Синхронные двигатели большой мощности используются также в качестве компенсаторов реактивной нагрузки. К синхронным относятся также шаговые двигатели, которые находят применение в приводах станков и приборных устройствах.

Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей. Наиболее широко применяемым является трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Он используется в нерегулируемых приводах различных механизмов, компрессоров, насосов, вентиляторов и пр., а в последнее время – и в регулируемых приводах в сочетании с преобразователями частоты на полупроводниковых элементах. В системах автоматического регулирования используются также одно- и двухфазные асинхронные двигатели, а в качестве измерительных устройств - асинхронные тахогенераторы и сельсины.

Наряду с электрическими машинами в технике широко применяются электростатические устройства различного назначения: трансформаторы, дроссели (реакторы), магнитные усилители и т.д. Они не содержат подвижных частей, и поэтому не могут быть отнесены к электрическим машинам.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока (ГОСТ 16110-82).

Трансформаторы (однофазные и трехфазные) широко применяют для преобразования напряжения в системах передачи и распределения электроэнергии, во вторичных источниках питания. В электроприводах в качестве измерительных устройств находят применение трансформаторы тока и вращающиеся трансформаторы.

Реакторы или дроссели используют в качестве индуктивной нагрузки для ограничения тока, а также для сглаживания пульсаций в приводах постоянного тока с тиристорным управлением и вторичных источниках электропитания.

Магнитные усилители применяются для усиления мощности электрических сигналов (часто в сочетании с тиристорными усилителями в качестве первой ступени).

Помимо выше упомянутых устройств в состав электропривода входит различная аппаратура, выполняющая функции выработки и подачи управляющих команд, защиты и т.п.

Электротехнические аппараты – устройства, предназначенные для управления потоками энергии и информации, а также режимами работы, контроля и защиты электротехнических систем и их компонентов. Все аппараты осуществляют свои функции постредством управления режимом работы электрической цепи. В зависимости от того, каким способом это осуществляется, они подразделяются на два вида: контактные и бесконтактные.

Бесконтактные аппараты строятся на основе полупроводниковых элементов (тиристоров, транзисторов), магнитных усилителей и др. Как правило, бесконтактная аппаратура проектируется для конкретного привода индивидуально и может быть достаточно сложной.

Контактные аппараты имеют в своем составе механические контакты, с помощью которых производится коммутация электрической цепи. Переключение контактов может осуществляться различными способами: воздействием руки оператора (переключатели, кнопочные выключатели, рубильники, тумблеры и др.), подвижным звеном механизма (путевые и конечные выключатели), электромагнитом (реле, магнитные пускатели).

Контактные аппараты представляют собой унифицированные устройства, серийно выпускаемые промышленностью в широком ассортименте. На их основе строятся простые нерегулируемые приводы, но они также используются в составе сложных регулируемых приводов для выполнения определенных функций. Поэтому важной задачей проектирования является расчет требуемых параметров и выбор соответствующего типоразмера аппарата для работы в конкретной электрической цепи.

Основными параметрами электроконтактных устройств являются номинальные значения тока и напряжения контактов, род тока, а для устройств с электромагнитным управлением также – номинальное напряжение катушки. Для контактных устройств могут учитываться дополнительные параметры, которые указываются в паспорте или сопроводительных документах. Значения параметров аппаратуры приводятся также в специализированных каталогах и справочниках.

В зависимости от значений указанных параметров различают аппаратуру: слаботочную (до 5 А) и сильноточную (свыше 5 А); низкого (до 1000 В) и высокого напряжения (свыше 1000 В); низкой (до 50 Гц) и повышенной (от 400 до 10000 Гц) частоты напряжения.

В зависимости от назначения электротехнические аппараты условно подразделяют на коммутационные и защитные.

Коммутационная аппаратура (рубильники, выключатели, контроллеры, разъединители, контакторы и др.) предназначена для подключений, отключений и переключений, выполняемых в электрических цепях электротехнических устройств в процессе их эксплуатации.

Защитная аппаратура (предохранители, устройства автоматического отключения, тепловые реле, реле максимального тока и др.) предназначена для предотвращения выхода из строя электротехнических устройств и защиты обслуживающего персонала в аварийных ситуациях.

Защитные аппараты могут иметь тепловой, электромагнитный или комбинированный расцепитель. Тепловой расцепитель обладает инерционностью и используется для защиты от длительных перегрузок небольшой величины. Электромагнитный расцепитель имеет высокое быстродействие и позволяет осуществлять защиту от коротких замыканий. Зависимость времени срабатывания аппарата от тока определяется его характеристикой, которая приводится в паспорте.