Двигательный привод

Регулируемый привод часто обеспечивает более плавную работу по сравнению с альтернативными режимами с фиксированной скоростью. Например, в системе подъёма сточных вод канализационные воды обычно движутся по трубам самотёком к колодцу, откуда они насосом поднимаются к дальнейшей стадии очистки. Если используются насосы с фиксированной скоростью, запуск насоса происходит при достижении высокого уровня жидкости в колодце, а остановка — при снижении до низкого уровня. Переключения приводят к частым стартовым броскам тока, что создаёт электромагнитные и тепловые нагрузки для двигателей и электрооборудования, а насосы и трубы испытывают механические и гидравлические удары, процесс очистки вынужден работать с неравномерным потоком сточных вод. При использовании привода с регулируемой скоростью насосы работают непрерывно с изменяемой скоростью, соответственно уровню в колодце, что позволяет выравнивать выходящий и входящий потоки и обеспечивает более плавную работу системы.

Вентиляторы и насосы потребляют значительную часть электроэнергии, затрачиваемой промышленными электродвигателями. Для переменной технологической нагрузки воздухо- или водоснабжения часто применяют дросселирующие заслонки или вентили, ограничивающие поток за счёт дополнительного сопротивления. Однако это дополнительно приводит к потере энергии. Иногда возможно использовать устройства для возврата этой энергии. С регулируемым приводом насоса или вентилятора подача может соответствовать фактическому спросу, и дополнительные потери исключаются.

Например, если вентилятор напрямую вращает двигатель с фиксированной скоростью, воздушный поток рассчитывается на максимальную нагрузку и зачастую оказывается избыточным. Регулировать поток можно заслонкой, но значительно эффективнее — непосредственно изменять скорость вращения двигателя вентилятора. По законам подобия, при 50 % потока вентилятор с регулируемой скоростью потребляет около 20 % входной мощности, тогда как при использовании фиксированной скорости тот же двигатель расходует порядка 85 % мощности при половинном потоке.

Механические приводы подразделяют на вариаторы по межосевому расстоянию и тяговые приводы.

Вариаторы по межосевому расстоянию представляют собой клиноремённые передачи, где диаметр одного или обоих шкивов может регулироваться.

Тяговые приводы передают мощность посредством контакта металлических роликов, аналогичных передачи с непрерывно изменяемым передаточным числом. Передаточное отношение изменяют перемещением роликов, изменяя диаметр линии контакта. Различные конструкции и формы роликов применялись в разных механических схемах.

Гидравлические приводы подразделяются на три типа: гидростатические, гидродинамические и гидровязкостные.

Гидростатический привод состоит из гидравлического насоса и гидромотора. Так как применяются насосы и двигатели с принудительным вытеснением, один оборот насоса или двигателя соответствует определённому объёму жидкости, зависящему от рабочего объёма агрегата вне зависимости от частоты вращения и крутящего момента. Частота регулируется изменением расхода жидкости через клапан или изменением рабочего объёма насоса или двигателя. Используются разнообразные схемы реализации. В приводах с наклонным диском (аксиально-поршневой насос или двигатель) угол наклона диска регулируется для изменения рабочего объёма и, следовательно, частоты вращения.

Гидродинамические приводы или гидромуфты передают крутящий момент с помощью масла между рабочим колесом (на входном валу постоянной скорости) и ротором на регулируемом по скорости выходном валу. Гидротрансформатор в автоматической коробке автомобиля — пример такого привода.

Гидровязкостный привод состоит из одного или нескольких дисков, присоединённых к входному валу и прижимаемых к диску (или дискам) выходного вала. Крутящий момент передаётся через масляную плёнку между дисками, величина передаваемого момента пропорциональна давлению, создаваемому гидроцилиндром. Данный эффект используется как в муфте (например, муфта Хеле-Шо), так и в приводах с переменной скоростью, например вариаторе Бейера.

Механические и гидравлические регулируемые приводы в транспортных средствах, сельхозтехнике и других областях часто называют трансмиссиями или бесступенчатыми трансмиссиями.

Управление может означать как ручную регулировку — через потенциометр или линейное устройство с эффектом Холла (устойчивое к пыли и смазке), так и автоматическую — например, с использованием вращающихся датчиков вроде оптического энкодера кода Грея.

Выделяют три основные категории электрических приводов: приводы с двигателями постоянного тока, вихретоковые приводы и приводы на асинхронных двигателях переменного тока. Каждая категория имеет многочисленные варианты исполнения. Обычно электрический привод включает электродвигатель и систему управления скоростью. Иногда термин «привод» относится только к контроллеру (без двигателя). Ранняя электроника приводов строилась на электромеханических системах, затем использовались электронные контроллеры на вакуумных лампах, а с развитием твёрдотельной электроники появились современные электронные схемы управления.

Приводы постоянного тока — это системы управления скоростью электродвигателей постоянного тока. Скорость такого двигателя прямо пропорциональна напряжению на якоре и обратно пропорциональна магнитному потоку двигателя (который определяется током в обмотке возбуждения), поэтому изменение скорости достигается либо регулировкой напряжения на якоре, либо тока возбуждения.

Вихретоковый привод (иногда называемый по одной из фирм «Дайнаматик») состоит из двигателя с постоянной скоростью (обычно асинхронный двигатель) и вихретоковой муфты. Муфта содержит ротор с постоянной скоростью и регулируемый по скорости ротор, между которыми имеется небольшой воздушный зазор. Постоянный ток в обмотке возбуждения создаёт магнитное поле, определяющее передаваемый момент между входным и выходным роторами. Контроллер обеспечивает замкнутую петлю регулирования скорости, изменяя ток в муфте так, чтобы скорость соответствовала заданию (обычно использует встроенный АС-тахогенератор).

Вихретоковые приводы работают с проскальзыванием, и соответствующая энергия полностью преобразуется в тепло, что делает их менее эффективными, чем современные приводы на основе ЧП с преобразованием напряжения. Двигатель создаёт момент, необходимый для нагрузки, и работает на полной скорости, выходной вал передаёт тот же момент, но с меньшей скоростью. Вся мощность, соответствующая разнице скоростей роторов (т. н. проскальзывающая мощность), рассеивается в виде тепла в муфте. Несмотря на то что во многих применениях их вытеснили частотные преобразователи, вихретоковые приводы всё ещё используются для соединения двигателей с высокоинерционными нагрузками, часто подвергающимися частым пускам и остановкам, — такими как штамповочные прессы, конвейеры, подъёмные машины и крупные металлообрабатывающие станки, где необходимо плавное трогание с места и требуется меньше обслуживания по сравнению с механическими муфтами или гидроприводами.

Приводы переменного тока — системы управления скоростью электродвигателей переменного тока.

Скользящие приводы на базе двигателей с фазным ротором (WRIM) регулируют скорость путём изменения скольжения — через контактные кольца ротора, либо электронно возвращая скользящую энергию на обмотку статора, либо изменяя сопротивление внешних резисторов. Как и вихретоковые приводы, такие схемы менее эффективны по сравнению с ЧП на базе преобразования AC/DC-AC, и используются только в определённых случаях.

Системы рекуперации скольжения возвращают энергию скольжения на вход статора двигателя, преобразуя лишнюю энергию и направляя её обратно в сеть. Такая энергия в более простых системах терялась на сопротивлениях. Системы рекуперации скольжения применяются, например, на больших насосах и вентиляторах, ветроустановках, судовых приводах, промышленных накопителях энергии. Простейшие системы c электромеханическим преобразованием (выпрямитель, двигатель постоянного тока, генератор переменного тока) называют привод Крамера, современные схемы на частотных преобразователях — статический привод Крамера.

В общем случае, частотный преобразователь управляет скоростью асинхронных или синхронных двигателей изменением частоты подаваемого тока.

В стандартных низкопроизводительных применениях с переменным моментом, используя скалярное управление (В/Гц), соотношение напряжения к частоте сохраняется постоянным и мощность двигателя изменяется в диапазоне между минимальной и максимальной частотой до базы частоты. Работа при постоянном напряжении выше базы частоты (то есть при пониженном В/Гц) даёт снижение момента и возможность работы с постоянной мощностью.

Регенеративные приводы переменного тока имеют возможность возвращать тормозную энергию нагрузки (при движении нагрузки быстрее скорости двигателя) обратно в энергосистему.