Из общего количества вырабатываемой в мире электрической энергии около 60 % преобразуется в механическую энергию с помощью электропривода.
Электропривод является наиболее энергоемким потребителем электроэнергии, определяющим экономическую эффективность производственных процессов и темпы повышения производительности труда.
Главной технико-экономической тенденцией развития электропривода до 2000 года является расширение областей применения электроприводов переменного тока. Отсутствие коллектора, присущего двигателям постоянного тока, снимает ограничения по мощности привода и позволяет повысить его перегрузочную способность. Реальными стали разработки регулируемых электроприводов практически неограниченной мощности. Уже выполняются заказы на такие электроприводы мощностью до 100 МВт. Освоение производства силовых транзисторов обеспечило возможность создания высокодинамичных глубокорегулируемых электроприводов для станкостроения и робототехники.
У нас около 50 % всей вырабатываемой электроэнергии потребляет электропривод с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Поэтому одной из важнейших задач является совершенствование электропривода на основе короткозамкнутых асинхронных двигателей массового применения. Даже относительно небольшое повышение их эффективности дает заметный результат в масштабах страны.
Большинство асинхронных электродвигателей используется либо со значительной недогрузкой, либо при существенном ее изменении. Это ведет к существенному снижению энергетических показателей двигателя. Повышение этих показателей может быть осуществлено регулированием напряжения питания электродвигателя. В настоящее время ведется работа по созданию регуляторов, изменяющих напряжение питания асинхронного двигателя в зависимости от нагрузки/
Уже создан ряд регуляторов с использованием различных принципов регулирования. Исследования показали, что такие регуляторы позволяют существенно повысить энергетические показатели асинхронного двигателя Так, например, применение регулятора напряжения питания асинхронного двигателя вертикально-фрезерного станка (типа А02-42-4- L2i 5,5 кВт, 380 В, cosφ = 0,87) привело к снижению расхода активной энергии на 0,25 кВт-ч, реактивной энергии — на 1,77 квар-ч. При работе станка в течение 1500 ч в год применение регулятора позволит сэкономить 360 кВт-ч активной и 2660 квар-ч реактивной энергии Однако в связи с относительно высокой стоимостью предложенных регуляторов возникает необходимость в создании многофункционального регулятора, осуществляющего функции запуска и останова двигателя, защиту от перегрузки и КЗ, устранение несимметрии питающего напряжения и т п. Такой многофункциональный управляющий микроконтроллер (УМК) разработан на основе однокристальной микроЭВМ. Его испытания показали перспективность создания таких контроллеров для управления электроприводом с асинхронными двигателями
Электроприводы с асинхронными короткозамкнутыми двигателями получили наибольшее распространение в приводах малых и средних мощностей. Приводы больших мощностей (от 1 МВт и выше) обычно выполняются с синхронными двигателями. Асинхронные двигатели в этих случаях применяются только при необходимости получения высоких частот вращения.
В связи с освоением производства высокоэнергетических материалов наметилась тенденция использования синхронных двигателей с постоянными магнитами при малых мощностях. Маломощные синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают нормальное, повышенное и сверхвысокое быстродействие.
Для привода прокатных станов, цементных и рудоразмольных мельниц, а также для привода гребных винтов в судостроении разработаны и проектируются тихоходные низкочастотные синхронные двигатели с питанием от тиристорных преобразователей частоты. Мощность этих двигателей достигает 20 МВт при частоте вращения около 100 об/мин (для гребных установок) и 3,2—10 МВт при 12— 15 об/мин (для привода мельниц).
Наряду с этим для мощных приводов продолжают применяться и электроприводы постоянного тока. Электромашиностроители добились высоких результатов в разработке и изготовлении мощных двигателей постоянного тока для прокатных станов и привода гребных устройств ледоколов. Для привода прокатных станов созданы так называемые предельные машины, характеризующиеся таким показателем, как произведение номинальной мощности, кВт, на частоту вращения, об/мин, и на диапазон регулирования частоты вращения изменением потока возбуждения. У предельных машин этот показатель имеет рекордное значение 8 * 10+6, а КПД достигает 0,97.
Мощные регулируемые электроприводы постоянного тока проектируются без двигатель-генераторных установок с многопульсными схемами (12 и более) тиристорных выпрямителей. Создан коллекторный криодвигатель постоянного тока (КД) со сверхпроводящей обмоткой мощностью МВт с частотой вращения 80 об/мин, напряжением 930 В для реверсивного прокатного стана. Уменьшение диаметра якоря двигателя по сравнению с существующим аналогом позволило уменьшить в 2—2,5 раза момент инерции и повысить коммутационную надежность, что обеспечит повышение производительности прокатного стана.
В практике проектирования электропривода в нашей стране и за рубежом определилась тенденция к интеграции (совмещению) с рабочим органом и устройством управления. Такая интегрированная система является оптимальной по своим параметрам и конструкции для осуществления управления координатами привода: в плоскости, вращательно поступательного перемещения, на сфере.
Научно-техническое совещание по проблемам оптимизации работы автоматизированных электроприводов определило следующие основные направления работ:
по проблеме оптимизации автоматизированных приводов: развитие и совершенствование методов и технических средств систем автоматизации проектирования, в том числе автоматизации выбора оптимальных технических решений; развитие работ по созданию оптимальных по быстродействию, точности воспроизведения траекторий, энергопотреблению, надежности и другим показателям электроприводов на базе перспективных типов электродвигателей постоянного и переменного тока с различными способами управления и преобразования энергии; развитие работ по созданию адаптивных (самоприспосабливающихся, самонастраивающихся) электроприводов с различными видами идентификаторов (образцов);
по проблеме повышения качества, надежности и экономичности элементов узлов автоматизированных электроприводов: повышение качества и надежности преобразователей напряжения, тока и частоты с целью улучшения их технико-экономических показателей и обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью (исключение недопустимых искажения синусоиды напряжения, колебаний и отклонений напряжения, генерирования высших гармонических напряжения), повышение надежности и расширение номенклатуры тиристорных и транзисторных модулей; создание и внедрение в производство электродвигателей для частотно-регулируемых приводов переменного тока, двигателей возвратно-поступательного движения для робототехнических комплексов и гибких производственных систем, бесконтактных двигателей постоянного тока, микроэлектродвигателей, электромагнитных и пьезоэлектрических двигателей, создание в модульном исполнении аналоговых и цифровых датчиков перемещения, скорости, тока, напряжения и т, п ;
по проблеме создания электромеханических модулей для промышленных роботов, робототехнических комплексов и гибких производственных систем: дальнейшее развитие теории и практики построения электроприводов высокой точности для механизмов с изменяющимися параметрами и упругими элементами; создание многосвязных систем электропривода для многокоординатных робототехнических комплексов и модулей гибких производственных систем; разработка и внедрение в производство типовых электромеханических роботов, манипуляторов, гибких производственных систем, работающих в общепромышленных и особых условиях с двигателями постоянного и переменного точа и нетрадиционными преобразователями; создание прецизионных микропроцессорных и других видов цифрового управления; дальнейшее развитие теории и практики построения систем микропроцессорного управления их диагностирования, математического и программного обеспечения; накопление и обобщение программного и математического обеспечения микропроцессорных систем управления; совершенствование систем числового программного управления станками; развитие методов автоматизированного проектирования, исследования и настройки электроприводов с микропроцессорным управлением; реализация на микропроцессорных принципах оптимального, адаптивного и других видов управления, повышающих эффективность работы электроприводов; внедрение систем электроприводов с микропроцессорным управлением для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленных роботов и манипуляторов, модулей гибких производственных систем (ГПС), поточных линий, прецизионных механизмов и комплексов, многомассовых механизмов.
Новые разработки и теоретические исследования в области электропривода в ближайшие годы позволят создать новое поколение электроприводов, обеспечивающих высокое качество системы электропривода и в первую очередь ее высокую надежность, высокую заводскую готовность, комплектную поставку, сервисное обслуживание, пониженные массо-габаритные удельные показатели.
Дальнейшее развитие электропривода в стране требует первоочередного решения проблемы надежности системы электропривода и изделий, составляющих электропривод, проблемы заводской готовности и комплектной поставки, проблемы широкого развития сервиса, обеспечивающего эксплуатационное и ремонтное обслуживание.
Рост электропотребления на душу населения, которое в недалеком будущем возрастает в десятки раз, все более остро ставит на повестку дня необходимость решения сложной задачи — создания принципиально новых эффективных методов потребления огромных количеств электроэнергии. И решение этой задачи в первую очередь необходимо в области электропривода. Достижения физики твердого тела, резкое улучшение характеристики магнитных металлов, исследование сверхпроводимости, достижения химии и т. д. позволят в ближайшие годы существенно изменить характеристики основных средств автоматизированного электропривода—двигателей, преобразователей, высоковольтной и низковольтной аппаратуры, электронного оборудования и информационной техники.
Ниже приведены некоторые основные требования [3], относящиеся к электродвигателям.
Электродвигатели и аппараты должны быть установлены таким образом, чтобы они были доступны для осмотра и замены, а также по возможности для ремонта на месте установки. Если установка содержит электродвигатели и аппараты массой 100 кг и более, то должны быть предусмотрены приспособления для их такелажа.
Вращающиеся части электродвигателей и части, соединяющие электродвигатели с механизмами (муфты, шкивы), должны иметь ограждения от случайных прикосновений.
Электродвигатели должны быть выбраны и установлены таким образом, чтобы была исключена возможность попадания на их обмотки и токосъемные устройства воды, масла, эмульсии и т. п., а вибрация оборудования, фундаментов и частей здания не превышала допустимых значений.
Шум, создаваемый электродвигателем совместно с приводимым им механизмом, не должен превышать уровня, допускаемого санитарными нормами.
Синхронные электрические машины мощностью 1 МВт и более и машины постоянного тока мощностью 1 МВт и более должны иметь электрическую изоляцию одного из подшипников от фундаментной плиты для предотвращения образования замкнутой цепи тока через вал и подшипники машины. При этом у синхронных машин должны быть изолированы подшипник со стороны возбудителя и все подшипники возбудителя. Маслопроводы этих электрических машин должны быть изолированы от корпусов их подшипников.
Кабели и провода, присоединяемые к электродвигателям, установленным на виброизолирующих основаниях, на участке между подвижной и неподвижной частями основания должны иметь гибкие медные жилы.
