Электромеханический привод и основы электропривода

- Ну что же, раз мы не можем тянуть Делориан с нужной скоростью, будем использовать то, что есть. Бензина в этом времени нет, электропривод уже изобрели, но пока к нему относятся как к игрушке, так что будем Делориан толкать паровозом. Это тоже отличный привод. Немного разогрею котел, с помощью химии и всё у нас получится.

- Док! А если котёл взорвётся?

-  Что значит если? Он, конечно же, взорвётся! Но по моим расчётам к этому времени мы уже будем в будущем (с) 

Серия статей о различных способах автоматизации ворот вызвала ряд вопросов, которые можно объединить в один: «Что такое электромеханический привод?». Для того чтобы внести ясность в этот вопрос мы решили рассмотреть основы электропривода, дать классификацию электроприводов и простыми словами попытаться рассказать о сложной теории. 

Немного теории электроприводов в приложении к практическим задачам

Электропривод – электромеханическая система, преобразующая электрическую энергию в механическую и обратно. В некоторых определениях содержится термин «управляемая», но это не совсем верно.  Конечно, электромеханический привод имеет систему управления, но это вторичный контур, который может быть организован как угодно и к основам электропривода имеет прикладное отношение. Схематично выглядит это так:

Отсюда и вытекает вся теория электроприводов и классификация электроприводов тоже. Силовая часть преобразует электроэнергию в механическое усилие. Что важно с точки зрения теории приводов:

• КПД преобразования энергии. В настоящее время мы имеем определённый предел, при котором повышение КПД невозможно. До границы трения технологии пока не дошли, но образцы с КПД 76% были представлены. Это – пока вершина. Остальное, тонкие способы учёта, которые к коэффициенту полезного действия имеет опосредованное отношение. Нормальным считается КПД не ниже 45%;
• Потери в механической части силового канала электромеханического привода, которые как раз и снижают КПД. Одним из решений считалось наличие инерционного маховика, но сейчас это направление практически не развивается (кроме гироскопов и аналогичных механизмов);
• Рекуперация энергии (возврат) при обратном усилии на механической части. Используется всё чаще, так как позволяет формально повысить КПД за счёт снижения затраченной энергии.
• Правильное проектирование, при котором потеря энергии с учётом сохранения крутящего момента на рабочем органе была бы минимальной. Тут поясним. Даже маленький ЭД, который вращает маленькую шестерню, может с её помощью вращать большую. Количество оборотов упадёт, но при этом момент большой шестерни позволит за счёт инерции преодолеть мгновенные сопротивления вращению. Это то самое передаточное число. Пределом здесь является прочность зубьёв шестерёнок. Прямо пропорциональное изменение момента без зависимости от прочности материалов относится только к линейным электроприводам,  а также к приводам без передаточных чисел вообще. 

Это основные моменты, всё остальное – это детали, как со стороны механической части (что имен приводим в движение), так и со стороны электрической, какой ток и с какими параметрами подаём. В качестве иллюстрации такого рода расчётного проектирования приведём схему без расшифровки:

В нижней части схемы передаваемая мощность и отношение Р1 к Р2 тот самый КПД. Потери видны в сравнении с верхней частью схемы. На каждом этапе можно как-то снизить потери, но в данном случае теория электромеханического привода – это всегда борьба нескольких компромиссов, ни один из которых не может быть идеальным решением. Мы живём в реальном физическом мире, в котором нет нулевого трения и сверхпроводников. Так что потери есть, о границах сказано выше. Поэтому теория приводов заканчивается разработкой моделей (моделированием). Без наличия модели ни один разумный инженер, знакомый с основами электропривода , не возьмётся за реализацию готового привода. 

С точки зрения нас, как потребителя, в отношении вопроса как выбрать электромеханический (линейный) электропривод, интересуют два вопроса:

1. Реальное значение КПД в отношении потребляемой мощности. Мы за это заплатим энергетикам.
2. Параметры тока при пуске (аварийной остановке), чтобы знать, можно ли подключить его своими руками к нашей электропроводке.  

Остальные характеристики нас тоже интересуют, но они, как правило, заданы условиями задачи. Вы же не возьмётесь установить привод с мощностью 10 на место, где требуется минимум 20-ть. 

На заметку. Выбирая привод, убедитесь в наличии сервисных центрах, условиях обслуживания и вообще. Посмотрите на покупку с точки зрения поломки. Это помогает отсечь множество привлекательных, но не практичных устройств . 

Если в нашем экскурсе в теорию приводов всё ясно, давайте вернёмся к практическому использованию этих устройств. 

Какими бывают электроприводы

Для тех, кто скажет, зачем мне всё это надо, напомним, что есть механизм, где, казалось бы, нет места электроприводам – например автомобиль. Ну а тем, кто скажет: «Точно, там же ДВС!», напомним, что именно электромеханический привод при помощи генератора и называющийся стартёр запускает ДВС. Нас просто окружили ЭП. Трудно найти точку, в которой они не применяются, а согласно статистике именно приводы потребляют примерно 55 -65% всей электроэнергии на планете. 

Так что приведем классификацию электродвигателей в общих чертах. Нижеописанная схема наиболее проста, так что от неё и оттолкнёмся.

1. Постоянного тока.
2. Переменного тока.

С этим всё ясно, и в быту 2-е конечно предпочтительнее. 

1.  Автоматизированные приводы (то есть работающие автономно, в том числе в аварийных условиях) которые могут быть реализованы на любых ЭД, с любыми механическими частями и хорошо защищённые от выходов из строя (за исключением механических поломок).

2. Неавтоматизированные приводы, в том числе с ручным управлением. Применимы в случаях редкого использования (стартёр на авто), с возможностью ручного управления и контроля. Подавляющее большинство – постоянного тока. Переменный ток для таких простых электромеханических приводов используется реже. Пример – вентилятор. Ручное управление 2-3 кнопки (быстрее-медленнее). Если лопасть затормозит, привод будет гудеть, но не выключится, а после того, как освободить лопасть, вентилятор снова заработает. Это как раз неавтоматизированные приводы. 

3. Неавтоматизированные приводы с защитными механизмами. Тот же вентилятор, который может поворачивать саму вертушку, а если остановить лопасть, ЭД выключится. Включать придётся вручную. 

4. Комбинированные варианты, при которых автоматизированный привод управляет неавтоматизированным и наоборот. Простейший пример – линейный электропривод распашных ворот с поворотным механизмом. Автоматика работает с поворотным приводом, линейный привод зависим только от наличия питания. При остановке поворотного привода створка остановится. После снятия препятствия автоматика снова приведёт в движение створку. При этом линейный электропривод неавтоматизированный – он начинает работать только после того, как автоматика поворотного привода снова даст команду на работу.

Кроме этого электромеханический привод может быть:

• Полностью автономным. Или с резервом питания, или с запасом инерции;
• Разомкнутым. Такой привод прямо зависит от нагрузки в механической части. Тот же вентилятор – притормозите лопасть, и момент вращения упадёт до нуля;
• Замкнутым. Если такой поставить на вентилятор, то чем сильнее будете держать лопасть, тем больший момент будет подаваться на приводной вал. Победите или Вы, если сильный человек, тогда сгорит ЭД, или ЭД который вырвет лопасть у Вас из рук и продолжит обдувать Вас ветерком;
• С обратной связью, в том числе интеллектуальной. В цепи управления такими электромеханическими приводами присутствует электроника, которая с помощью набора датчиков определяет что делать: усилить момент на валу, или остановить привод;
• Электромеханические и линейные приводы с электронным управлением. Своего рода вершина автоматизированных приводов. Применяется в сложных комплексах, где цена движения занимает последнее место. Примеры – современные лифты. Вся автоматика там работает на защиту от перегрузки и падения лифта, а вот приводами управляет именно электроника. Если не верите, войдите в такой лифт, нажмите кнопку этажа повыше, после чего подпрыгните, пока открыты двери. Расскажите потом нам, чем закончится этот эксперимент. Рекомендуем провести его в каком-нибудь общедоступном офисе, где действительно новые лифты и никто не увидит, чем Вы заняты.

За рамками нашего обзора остались основы электроприводов в приложении к чистой механике, когда первый ЭД привод во вращение механическую часть, которая генерирует энергию, приводя во вращение второй ЭД. Именно второй уже передаёт усилие на рабочий орган механизма. Если Вам кажется, что такая схема бессмысленна, то Вы сильно заблуждаетесь. Или никогда не ездили на электропоездах.

В качестве заключения, немного информации как использовать теорию на практике

Прежде всего, начните с того, что и как нужно приводить в движение. Если говорить о бытовом применении, то Вам будет известен вес, примерные усилия и другие характеристики. Начните не с того, как выбрать электромеханический привод, начните с того, для чего он нужен. 

Обязательно найдите профессионалов в этой сфере. Сделайте вид, что хотите купить именно у них, и что Вы ни черта в этом не понимаете. Они станут Вам навязывать свои варианты, но дадут главное – характеристики того, что Вам нужно. С этими характеристиками уже можно выбирать. У Вас на руках будет информация о параметрах сети (сверьте с возможностями своей электропроводки и подключённой мощности), усилиях на приводных механизмах, как правило, и физические размеры, если речь идёт о рычагах или линейных электроприводах. Кроме того, Вы получите информацию о наборе опций управляющей автоматики. 

После этого внимательно ознакомьтесь с конструкцией механической части электромеханического привода, которая ломается гораздо чаще всего остального. Вам обязательно дадут картинки или чертежи. 

Всего этого хватит для того, чтобы составить себе примерное представление, что именно нужно искать. Так что ищите. Но уже обращайте особое внимание на ремонтопригодность, возможность обслуживания своими руками, без вызова специалиста. Стоимость не только привода, но и работы по его монтажу, если опять же своими руками установить не сможете. 

Наличие на складе. Это важно, так как если «Отличный выбор, делайте заказ, привод прибудет через неделю», то запчастей в случае чего можно будет ждать месяцами. Место производства также важно. Российские изделия пока ещё довольно дороги, несколько неуклюжи, но при всём этом они делаются тут, сервис прост, конструкции, как правило, совершенно ремонтопригодны и работать они умеют даже в самых экстремальных условиях «на честном слове» о том, что скоро почините. 

Кроме электроприводов есть и другие. Все мы в детстве запускали самолётики на резинках и это тоже привод. Но они будут рассмотрены в рамках отдельной статьи, поскольку у них есть своя теория, способы расчета и проектирования, а также особенности, которые в рамках этой статьи рассмотреть было невозможно.