Elektrický pohon (zkráceně elektrický pohon, EP) je řízený elektromechanický systém určený k přeměně elektrické energie na mechanickou energii a naopak a řízení tohoto procesu.
Moderní elektrický pohon je kombinací mnoha elektrických strojů, zařízení a jejich řídicích systémů. Je hlavním spotřebitelem elektrické energie (až 60 %) [1] a hlavním zdrojem mechanické energie v průmyslu.
V GOST R 50369-92 je elektrický pohon definován jako elektromechanický systém sestávající z měničů energie , elektromechanických a mechanických měničů, řídicích a informačních zařízení a zařízení rozhraní s vnějšími elektrickými, mechanickými, řídicími a informačními systémy, určenými k uvedení do pohybu výkonné orgány pracovního stroje a řízení tohoto pohybu za účelem realizace technologického postupu [2] .
Jak je z definice patrné, výkonný orgán se do pohonu nezapočítává. Autoři směrodatných učebnic [1] [3] však výkonný orgán zahrnují do elektrického pohonu. Tento rozpor je vysvětlen tím, že při návrhu elektrického pohonu je nutné vzít v úvahu velikost a povahu změny mechanického zatížení hřídele motoru, které jsou určeny parametry výkonného orgánu. Pokud není možné realizovat přímý pohon, elektromotor uvede výkonné těleso do pohybu prostřednictvím kinematického převodu. Při návrhu elektrického pohonu se bere v úvahu také účinnost , převodový poměr a pulzace zavedené kinematickou převodovkou.
Funkční prvky:
Funkční díly:
Statické charakteristiky jsou nejčastěji chápány jako elektromechanické a mechanické charakteristiky.
Mechanické vlastnostiMechanická charakteristika je závislost úhlové rychlosti otáčení hřídele na elektromagnetickém momentu M (nebo na momentu odporu Mc ). Mechanické charakteristiky jsou velmi pohodlným a užitečným nástrojem při analýze statických a dynamických režimů elektrického pohonu. [jeden]
Elektromechanické charakteristiky motoruElektromechanickou charakteristikou je závislost úhlové rychlosti otáčení hřídele ω na proudu I.
Dynamická charakteristika elektrického pohonu je vztah mezi okamžitými hodnotami dvou souřadnic elektrického pohonu pro stejný časový okamžik přechodného provozního režimu.
Podle počtu a zapojení výkonných, pracovních orgánů:
Podle typu ovládání a úkolu ovládání:
Podle povahy pohybu:
Podle přítomnosti a povahy přenosového zařízení:
Podle typu proudu:
V pořadí podle důležitosti prováděných operací:
Automatizované elektropohony se dělí ještě na dvě podskupiny – otevřené a uzavřené. Provoz otevřeného pohonu spočívá v tom, že všechna vnější rušení (pro elektropohony je nejcharakterističtější z nich moment zatížení) ovlivňují výstupní veličinu elektropohonu, například jeho otáčky. Jinými slovy, elektrický pohon s otevřenou smyčkou není izolován od vlivu vnějších rušení, jejichž všechny změny se promítají do jeho výkonu. U pohonu s otevřenou smyčkou nelze z tohoto důvodu zajistit vysokou úroveň proměnlivé kvality řízení, přestože se tento pohon vyznačuje jednoduchým obvodem.
Hlavním rozdílem mezi uzavřenými elektropohony je jejich obecné nebo lokální odstranění účinků vnějších poruch na řízenou veličinu elektropohonu. Příkladem je skutečnost, že otáčky takových elektropohonů mohou zůstat prakticky nezměněny s možným kolísáním zatěžovacího momentu. Díky této okolnosti poskytuje uzavřený pohon lepší kontrolu pohybu výkonných orgánů, i když jeho obvody jsou složitější a často vyžadují použití měničů výkonové energie.
Elektrický pohon s uzavřenou smyčkouElektropohon s uzavřenou smyčkou lze postavit podle principů výchylky pomocí zpětné vazby nebo externí kompenzace rušení.
Princip kompenzace můžeme uvažovat na příkladu kompenzace pro nejvýraznější vnější poruchu elektropohonu - moment zatížení M c při úpravě jeho otáček (obr. a) je dán signál U M = k M M Q , úměrné zatěžovacímu momentu M s . V důsledku toho je ES řízen signálem totální chyby, který se automaticky mění správným směrem s kolísáním zatěžovacího momentu a zajišťuje tak udržování otáček ES na dané úrovni pomocí řídicího systému.
Elektrické pohony podle tohoto schématu jsou i přes svou vysokou účinnost extrémně vzácné kvůli nedostatku jednoduchých a spolehlivých snímačů momentu zatížení M c (rušivý vliv).V souvislosti s tímto faktem drtivá většina uzavřených konstrukcí elektropohonů využívá princip zpětné vazby (deviace). Vyznačuje se tím, že má zpětnovazební obvod spojující výstup elektrického pohonu s jeho vstupem, odtud název uzavřené obvody.
Všechny typy zpětných vazeb používaných v uzavřených elektrických pohonech se dělí na pozitivní a negativní, tuhé a flexibilní, lineární a nelineární.
Zpětná vazba se nazývá kladná, ve které je signál směrován podle a sčítá se s řídicím signálem, zatímco záporný signál spojení je směrován opačným směrem (znaménko mínus na obr. b) Pevná zpětná vazba je charakteristická tím, že tato zapojení funguje jak v ustáleném stavu, tak v přechodném režimu elektrického pohonu. Flexibilní zpětnovazební signál vzniká pouze v přechodových režimech elektrického pohonu a slouží k zajištění jí požadované kvality jako příklad stability pohybu, přijatelného překmitu atd.
Lineární zpětná vazba je charakteristická svým proporcionálním vztahem mezi řízenou souřadnicí a zpětnovazebním signálem, zatímco u nelineární zpětné vazby tento vztah nebude proporcionální.
Pro řízení pohybu servomotorů provozovaných strojů je někdy nutné měnit několik proměnných elektrického pohonu, například proud, točivý moment a otáčky. V tomto případě jsou uzavřené pohony vytvořeny podle jednoho z následujících blokových schémat.
Elektrický pohon se společným zesilovačemObvod se společným zesilovačem je ukázán na obrázku vpravo, tento obvod je řídící obvod pro dvě proměnné motoru, kde D je aktuální rychlost I. Obvod obsahuje výkonový měnič elektřiny P, řídící zařízení CU, mechanickou převodovku MP a proudové snímače DT, rychlostní DS a proudový omezovač (proudové omezení) UTO. Tento obvod poskytuje dobrý výkon motoru. V intervalu otáček 0 - С Oj je vlivem proudové zpětné vazby (signál U) omezen proud a moment motoru a charakteristika má průřez blízký vertikálnímu. Při rychlosti Co > 0 0j uzel UTO ukončí proudové spojení a díky přítomnosti rychlostní zpětné vazby (OSS) (signál U OSS ) ztuhne charakteristika motoru, což zajistí regulaci otáček.
Soubor zpětných vazeb, jejichž počet může být od dvou i více, tvoří v obvodu s jedním zesilovačem jakýsi modální regulátor a proměnné se nazývají stavové proměnné pohonu. Za hlavní úkol modálního regulátoru lze považovat zajištění dané kvality dynamických procesů v elektrickém pohonu - rychlost, stabilita a stupeň útlumu přechodových jevů. Toho je dosaženo volbou druhu a odpovídajícím studiem koeficientů zpětné vazby na proměnné elektrického pohonu. Nutno podotknout, že sčítací zesilovací systém patří mezi řídicí systémy s tzv. paralelní korekcí.
Elektrický pohon s monitorovacím zařízenímVe složitých systémech elektrických pohonů, které mají v konkrétních případech rozvětvené kinematické řetězce s pružnými prvky, může být množina regulovaných veličin velmi vysoká. S touto skutečností má měření některých z nich z toho či onoho důvodu určité potíže. V takových případech se uchýlit k použití tzv. pozorovacích zařízení (pozorovatelů).
Hlavní část pozorovatele tvoří sady modelů elektrických pohonných článků vyrobených na bázi operačních zesilovačů nebo prvků mikroprocesorové techniky. Výstupní signály (napětí) těchto modelů, jejichž parametry odpovídají reálným částem elektropohonu, zobrazují blízké hodnoty proměnných.
Obsluhu s využitím pozorovatele na příkladu regulace úhlu natočení hřídele motoru vysvětluje blokové schéma na obrázku 6, na kterém jsou akceptována tato označení: D - motor, P - měnič, CU - řídicí zařízení , MP - mechanická převodovka, NU - pozorovací zařízení.
Elektrický pohon slouží k ovládání polohy výkonného orgánu φ io . Toho je dosaženo vhodnou regulací úhlu natočení φ hřídele motoru, u které je nutné regulovat i další veličiny - proud I, moment M a otáčky motoru.
Pro uplatnění uvažovaného principu řízení je signál pro nastavení úhlu natočení fz přiveden do řídicí jednotky CU a současně na vstup monitorovacího zařízení NU. Monitorovací zařízení NL pomocí modelů hnacích článků generuje signály úměrné proudu, točivému momentu a otáčkám a posílá je do řídicího zařízení CU.
Je třeba také poznamenat, že modely spojů nejsou schopny zohlednit všechny skutečné poruchy ovlivňující elektrický pohon a elektrický stroj a nestabilitu parametrů ES, výstupy NU do řídicího zařízení, nikoli přesné vyjádření proměnných , ale jejich odhady, které jsou na diagramu označeny hvězdičkou „*“.
Elektrický pohon s podřízeným souřadným systémemPro zvýšení přesnosti výsledných odhadů stavových veličin lze uplatnit korekční zpětnou vazbu na řízenou veličinu, znázorněnou výše přerušovanou čarou. V tomto případě je hodnota výstupní regulované veličiny φ porovnána pomocí zpětné vazby s jejím odhadem φ* a teprve poté jsou v chybové funkci (odhalená odchylka) Δφ korigovány odečty jednotlivých modelů.
Struktura s podřízeným řízením souřadnic se liší tím, že v této struktuře je regulace každé jednotlivé souřadnice prováděna samostatnými regulátory - proudovým RT a rychlostním PC, které zase spolu s odpovídajícími zpětnými vazbami tvoří uzavřené smyčky. Jsou konstruovány tak, že vstupním, nastavovacím signálem pro vnitřní proudovou smyčku U je výstupní signál externí rychlostní smyčky. Na základě toho je vnitřní proudová smyčka závislá na externí rychlostní smyčce - hlavní řízené souřadnici elektrického pohonu.
Hlavní výhodou obvodu znázorněného na obrázku je schopnost efektivně řídit řízení každé proměnné ve statickém i dynamickém režimu, proto je v současnosti hlavní aplikací v elektropohonu. Závislost proudové smyčky na otáčkové smyčce navíc umožňuje jednoduché metody omezení proudu a točivého momentu, k čemuž stačí omezit signál na výstupu regulátoru otáček (je to zároveň referenční signál proudu) na odpovídající úroveň
Kvalitu provozu moderního elektropohonu do značné míry určuje správná volba použitého elektromotoru , který následně zajišťuje dlouhodobý spolehlivý provoz elektropohonu a vysokou efektivitu technologických a výrobních procesů v průmyslu, dopravě, stavebnictví a ostatní oblasti.
Při výběru elektromotoru pro pohon výrobního mechanismu se řídí následujícími doporučeními:
Správná volba typu, konstrukce a výkonu elektromotoru určuje nejen bezpečnost, spolehlivost a efektivitu provozu a dobu životnosti motoru, ale také technické a ekonomické ukazatele celého elektropohonu jako celku.