МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.И.БАБАКИН
Курс лекций по дисциплине:
«Автоматизированный электропривод типовых
производственных механизмов и технологических
комплексов».
Часть 2.
Уфа 2007
1.АЭП с асинхронным двигателем 4
1.1АЭП с АД с реостатным регулированием 4
1.2АЭП с АКЗД с регулируемым напряжением,подводимым к статору АД 5
2.Современное состояние АЭП с двигателями переменного тока 7
2.1Проблемы синтеза и управления АЭП 7
3.Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием синхронных
Электромашинных преобразователей частоты 9
4. Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием асинхронных
Электромашинных преобразователей частоты 11
5.Автоматизированный электропривод с двигателем переменного тока со статическими преобразователями частоты (СПЧ) 11
5.1Преобразователь частоты с звеном постоянного тока 12
6.Автономные инверторы (АИ)……………………………………………………………… 13
7.АЭПТ с ЧП имеющий в структуре управляемый выпрямитель………………………… .14
8.Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с УВ……………………………………………… ...17
9.Пуск в АЭП с ПЧ с УВ…………………………………………………………………… …18
10.Торможение в АЭП с УВ………………………………………………………………… ..19
10.1.Торможение противовключением (ТП)……………………………………………… ..19
10.2.Динамическое торможение……………………………………………………………… 19
10.3.Реверс……………………………………………………………………………………. ..20
11.Преимущества и недостатки АЭП с ПЧ с УВ…………………………………………… .20
12. Автоматизированный электропривод с использованием ПЧ с ШИР……………… ….20
13.Регулирование скорости, пуск торможение в АЭП с ШИР…………………………… ...21
13.1 Регулирование скорости в АЭП с ШИР……………………………………………… …21
13.2 Пуск в АЭП с ШИР…………………………………………………………………… ….22
13.3 Торможение в АЭП с ШИР……………………………………………………………… 22
14 Автоматизированный электропривод с использованием ПЧ с ШИМ…………………...22
15 Принцип действия ПЧ с ШИМ……………………………………………………………..23
16 Принципиальные схемы ПЧ с ШИМ………………………………………………………24
17 ПЧ с ШИМ на базе незапираемых тиристоров…………………………………………....25
18 Элементная база современных частотных преобразователей…………………………....26
18.1 Силовые фильтры…………………………………………………………………………27
18.2Характеристики современных мощных силовых ключей с двухсторонним теплоотводом
19 Припинциальные схемы ПЧ на базе IGBT транзисторов………………………………...29
20 Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………….29
21 Пуск в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………………………………..29
22 Торможение в АЭП с ПЧ с ШИМ……………………………………………………… .29
23 Аварийные режимы в АЭП с ПЧ с ШИМ…………………………………………………29
24 Влияние длины монтажного кабеля на перенапряжения на зажимах двигателя……….30
25 Принципы и основы векторного управления……………………………………………...34
26 Реализация векторного управления………………………………………………………..36
27 Автоматизированный электропривод переменного тока с непосредственным преобразо-
Ванием частоты (НПЧ)…………………………………………………………………… ..38
28 Автоматизированный электропривод переменного тока в каскадных схемах………….40
29 Автоматизированные электроприводы с электрическими электромашинными каскадами……………………………………………………………………………………… 42
30 Автоматизированные электроприводы с электромеханическими электромашинными каскадами………………………………………………………………………………………..43
31 Автоматизированные электроприводы с асинхронно-вентильными каскадами (АВК).44
32 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного пита-
Ния……………………………………………………………………………………………. .45
33 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного питания в синхронном режиме………………………………………………………………… 46
34 Автоматизированные электроприводы переменного тока с машинами двойного пита-
Ния в асинхронном режиме…………………………………………………………………..48
35 Автоматизированные электроприводы переменного тока с вентильным двигателем …50
36 Автоматизированные электроприводы переменного тока следящего типа……… …….52
1. АЭП с асинхронным двигателем
1.1 АЭП с АД с реостатным регулированием.
Эти схемы применяются для АД с фазным ротором.
Принцип действия:
Изменяя активное сопротивление цепи ротора, мы тем самым воздействуем на скольжение, при этом изменяется угловая скорость.
Один из важнейших показателей качества регулирования – плавность. В данном случае зависит от числа ступеней добавочного сопротивления вводимого в цепь ротора, которое в свою очередь ограничивается стандартной аппаратурой управления с помощью релейно-контакторных схем. Увеличение числа ступеней повлечет за собой увеличение числа реле и контактов, что в свою очередь приведет к уменьшению быстродействия и надежности системы в целом. Кроме того, такие электроприводы обладают низкими энергетическими показателями, невысоким КПД в области глубокого регулирования, при значительном увеличении добавочного сопротивления резко уменьшается жесткость характеристики что скажется на устойчивости работы электропривода.
С целью увеличения плавности регулирования применяют импульсное параметрическое регулирование. Сущность этого метода заключается в попеременном введении и выведении добавочного сопротивления в цепи ротора, при этом среднее значение равно:
где t 1 - длительность замкнутого состояния ключа;
T 2 - длительность разомкнутого состояния ключа.
рис.2
ω будет изменятся плавно в приделе между двумя граничными характеристиками ε=1 и ε=0
Диапазон регулирования скорости в ЭП с реостатным регулированием ограничивается:
До недавнего времени в основном использовались импульсные способы регулирования.
Простейшая принципиальная схема импульсного регулирования:
рис.3
При этом частота замыканий размыканий соизмерима с частотой сети f
≤ 200 Гц. При изменении скважности управляющих импульсов изменяется действующее значение напряжения: 
При ε=1 двигатель работает на естественной механической характеристике, при этом ключи К постоянно замкнуты. По мере уменьшения ε угловая скорость уменьшается. При этом уменьшается критический момент М КР, как следствие уменьшение перегрузочной способности (жесткости) рабочей части механической характеристики. При малых значениях скважности, т.е. на малых скоростях привод работает неустойчиво.
Недостатки:
КН включается на интервалах выключенного состояния ключей КВ, при ε=0 импульсов управляющих ключами КВ. ЭП будет работать в режиме торможения противовключением. Семейство механических характеристик в таких ЭП будут боле жесткими в рабочей части (перегрузочная способность ниже).
Отличие механической характеристики при импульсном регулировании напряжения и импульсным чередованием фаз (в рабочей части электропривод работает более устойчиво). При очень малых значениях ε характеристики переходят в область торможения противовключением, что позволяет быстро остановить двигатель. Такие электроприводы для повторно-кратковременных режимов, но эти электроприводы имеют еще более низкие энергетические показатели, т.к. наложение двигательного и тормозного режимов вызывает практически непрерывные электромагнитные переходные процессы, сопровождающиеся большими потерями мощности.
Недостатки:
Уменьшение напряжения питания при постоянной мощности на валу двигателя приведет к уменьшению напряжения на зажимах ротора, увеличению тока ротора, уменьшению коэффициента мощности двигателя и уменьшения КПД.
Показатели качества:
В настоящее время широкое распространение получили ЭП с непрерывным регулированием напряжения:
^
Преимущества ЭП по системе ТРН-АД:
По первоначальным затратам на 30-40% дешевле, чем ЭП с частотным преобразователем; на 20-50% снижены затраты на тех обслуживание.
^ Недостатки ЭП по системе ТРН-АД: Низкий диапазон регулирования Д=2÷1.
Этот недостаток, в какой то степени может быть устранен при использовании АЭП с регулируемой ЭДС в обмотке статора, т.е. регулированием не напряжения, а ЭДС.
^ 2. Современное состояние АЭП с двигателями переменного тока.
2.1 Проблемы синтеза и управления АЭП.
Объект управления –
1) ЭД (электромеханический преобразователь).
Наиболее широкий класс ЭД, используемых в современном электроприводе АКЗД общепромышленного назначения. Эти двигатели предназначены для использования в регулируемых электроприводах, для прямого включения в промышленную сеть. В основном изменения в этой области носят характер некоторых конструктивных усовершенствований электродвигателя. Разрабатываются и серийно производятся специальные модификации АКЗД, предназначенные для использования в частотно регулируемом электроприводе (фирмой Siemens разрабатываются и серийно выпускаются в течении пяти лет АКЗД для использования при пониженных и при повышенных частотах питания 500-1000 Гц) . Кроме того наблюдается увеличение производства СД с возбуждением от постоянных магнитов (бесконтактные). Эти ЭД обладают улучшенными массогабаритными и ценовыми показателями, и не уступают по технико-энергетическим показателям. Среди перспективных ЭД – индукторный двигатель, который по утверждению разработчиков имеет значительно лучшие технические и энергетически характеристики и требует очень простого силового преобразователя (себестоимость электропривода значительно ниже). Синхронно-реактивный электродвигатель имеет массогабаритные показатели находящиеся в промежутке между АД и СД и при этом значительно более высокую энергетическую эффективность при значительно меньшей стоимости.
2) СП
(силовой электрический преобразователь);
В области СП в электроприводе с двигателями постоянного тока в настоящее время в основном используются преобразователи имеющие структуру выпрямитель - АИН. Причем если до 2000 г. Требования к качеству выпрямления не регламентировалось, то в настоящее время появился ряд нормативной документации, которая строго регламентирует наличие в структуре СП выпрямительных устройств. Это стандарты IEEE-519, МЭК555 – интеграционные стандарты; ГОСТ 13109. Для улучшения качественных показателей современных СП, в частности для улучшения качества электропотребления, а именно повышение коэффициента мощности в настоящее время применяют выпрямители на полностью управляемых силовых ключах со стабилизацией выходного напряжения. Схемы с дополнительной индуктивностью, схемы с коммутирующим входным ключом реализуются по смарт технологии. Однако более эффективными и дешевыми представляются СП с неуправляемыми выпрямителями. В СП в настоящее время используется современная база, в которой используются современные электронные приборы, такие как тиристоры MGT или IGST, а также полностью управляемые транзисторы IGBT. Кроме того в настоящее время ведутся разработка транзисторов с разрешающей способностью по напряжению 6-10 кВ.
В настоящее время наиболее перспективным режимом работы СП является режим высокочастотной ШИМ с частотой модуляции 20 кГц и векторным управлением (воздействие через моментообразующую и потокообразующую составляющую тока статора). Этот режим является наиболее благоприятным для двигателей с номинальной частотой 500-1000 Гц т.к. в этом случае проблема согласования частоты модуляции с частотой питающего двигатель напряжения решается значительно проще. В настоящее время перспективным видом СП является также НПЧ, имеющий матричную структуру с матричной системой управления. Преимуществом таких преобразователей является отсутствие реактивных элементов, т.е. емкостей и индуктивностей в силовой схеме, практически синусоидальность формы выходного напряжения и тока, а также возможность работы в режиме опережающего cosφ.
3) ИП
(измерительный преобразователь).
В качестве первичных измерителей в настоящее время используют традиционно известные средства, к которым можно отнести серийно выпускаемые датчики тока и напряжения, датчики Холла, тахогенераторы, фотоимпульсные и кодовые датчики перемещения и положения, электромагнитные револьверы, сельсины и т.д. Объем использования таких современных датчиков как емкостные, лазерные практически равен нулю. Наиболее перспективным видом ИП являются косвенные измерители, в которых на базе легко измеряемых параметров, таких как активное и индуктивное сопротивление двигателя, скорость и положение ротора и т.д. При использовании таких измерительных систем отпадает необходимость в использования большого количества датчиков и в частности датчика скорости вращения. Такие системы измерения называются безсенсорными.
^
Задачи управления электроприводом:
Наиболее часто встречающимся видом задач управления является задача непосредственного регулирования скорости вращения ЭП. Кроме того, имеются специально регулируемые приводы, которые выполняют задачи регулирования электромагнитного момента, мощности, ускорения, регулирование положения ротора, регулирование какого-либо технологического параметра. Кроме того имеются задачи стабилизации, слежения, позиционирования, обеспечение инвариантности (заключается в обеспечении независимости или слабой зависимости от неконтролируемых возмущений), обеспечении автономности (обеспечение независимости какого-либо параметра объекта от остальных параметров.
Синтез управления ЭП сводится к нахождению достаточно обусловленной модели ЭП, которая в настоящее время представляет собой в большинстве случаев систему уравнений Кирхгофа по второму закону эля электромагнитных цепей ЭД и СП. Обычно эти уравнения записываются для эквивалентной двухфазной машины, а также системы уравнений Ньютона для механических цепей ЭП.
Основная проблема при создании модели ЭП:
Различают два вида электромашинных ПЧ:
АЭП с электромашинной СПЧ.
Основным элементом такой системы является трехфазный синхронный генератор согласованный по мощности с приводным АД. При этом выходное напряжение и частота определяется угловой скоростью вала генератора и величиной магнитного потока возбуждения. При изменении скорости будет изменятся выходное напряжение. Если принять напряжение на зажимах фазы статорной обмотки очевидно, что при Ф= const с увеличением скорости вращения вала одновременно с увеличением частоты будет увеличиваться также действующие значение выходного напряжения. В данном случае можно реализовывать только пропорциональный закон регулирования.
рис.6
В состав ПЧ входят:
Преимущества АЭП с ЭСПЧ:
^
4. Автоматизированный асинхронный электропривод с использованием асинхронных электромашинных преобразователей частоты.
Основным элементом такой системы является трехфазный асинхронный генератор согласованный по мощности с приводным АД.
рис.7
Показатели качества:
Преимущества АЭП с ЭСПЧ:
Недостатки АЭП с ЭСПЧ:
СПЧ классифицируется по следующим признакам:
^
5.1 Преобразователь частоты с звеном постоянного тока
В настоящее время этот вид частотных преобразователей является наиболее широко распространенным видом, и при этом в отличии от НП+Ч поставляется в виде самостоятельного элемента электропривода.
рис.8
Где U 1 – трехфазное переменное напряжение с постоянной амплитудой.
П 1 – управляемый или неуправляемый выпрямитель, который предназначен для преобразования входного синусоидального напряжения в выходное постоянное (пульсирующее) напряжение.
Ф – фильтр тока или напряжения предназначен для сглаживания пульсации с выхода выпрямителя.
П 2 – автономный инвертор тока или напряжения, предназначен для преобразования постоянного сглаженного тока или напряжения в переменное трехфазное.
М – трехфазный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором.
В предлагаемой структурной схеме блок П 1 может работать как в управляемом так и в неуправляемом режимах. При этом в первом случае АИ выполняет функции изменения только выходной частоты преобразователя, а функции воздействия на амплитуду выходного напряжения выполняет выпрямитель. Во втором случае АИ выполняет функции изменения выходной частоты и действующего значения выходного напряжения.
Вариант УВ имеет несомненное преимущество, заключающееся в существенном упрощении системы управления, несмотря на наличие БУВ. При этом вся система значительно удешевляется.
В случае варианта с НВ значительно улучшается совместимость всей системы с электрической сетью. Однако при этом схема управления существенно усложняется и соответственно вся система становится значительно дороже.
^
6. Автономные инверторы (АИ).
По степени управляемости АИ делятся на:
Рассмотрим принцип действия АИ с поочередной коммутацией на примере однофазного АИ у которого запирание силовых ключей осуществляется с помощью коммутирующего конденсатора.
Т
1,Т2 – рабочие тиристоры
Пусть в момент времени t = 0 открыт Т2, Т1 закрыт; входное напряжение приложено к Rн2, через промежуток времени равный периоду коммутации Т2 подается отпирающий импульс на Т1. При этом входное напряжение прикладывается к Rн1, а через открытую цепь Т1, Rн1, Rн2 к Т2 прикладывается обратное напряжение с Ск в результате чего Т2 запирается и т.д. Период коммутации –длительность открытия ключа.
По форме выходного напряжения и тока Аи делится на: У АИТ форма выходного напряжения зависит, как от последовательности и длительности коммутации силовых ключей так и от характера нагрузки, а форма выходного тока зависит, только от последовательности и длительности коммутации силовых ключей.
У АИН форма выходного тока зависит, как от последовательности и длительности коммутации силовых ключей так и от характера нагрузки, а форма выходного напряжения зависит, только от последовательности и длительности коммутации силовых ключей.
Внешнее отличие АИТ от АИН: АИТ имеет входной L – фильтр, а входной L или LC фильтр. Кроме того, если в схеме инвертора используются не полностью управляемые силовые ключи, то на каждую фазу АИТ имеется один конденсатор, а у АИН по одному коммутирующему конденсатору на каждый силовой ключ.
Рассмотрим работу однофазного АИТ.
Т1,Т3 – силовые ключи анодной группы
Т2,Т4 – силовые ключи катодной группы
С К – коммутирующий конденсатор
L – входной фильтр.
В первый момент времени в открытом состоянии находятся два накрест лежащих силовых ключа – первый из анодной, второй из катодной группы. В момент отпирания двух других силовых ключей первые два запираются и т.д. При этом если открыты ключи Т3 и Т2 происходит заряд конденсатора в прямом направлении, при открытых ключах Т1 и Т4 происходит перезаряд конденсатора в противоположном направлении.
рис.11
В момент времени t = 0 подается отпирающий импульс на Т1 и Т4. конденсатор Ск в этот момент предварительно заряжен, и при отпирании Т1 и Т4 разряжается на Т3 и Т2 в направлении отрицательной полярности тем самым закрывая Т3 и Т2. в следующий промежуток времени равный периоду коммутации Т1 и Т4 ток через сопротивление нагрузки будет протекать в положительном направлении. По истечении промежутка времени происходит перезаряд конденсатора в противоположное направление. В этот момент подается отпирающий импульс на Т3 и Т2 конденсатор разряжается в направлении отрицательной полярности запирает Т1 и Т4 , ток протекает через Т4, Zн, и открытый Т2 и будет иметь отрицательное направление.
^
7. АЭПТ с ЧП имеющий в структуре управляемый выпрямитель.
В настоящее время имеется тенденция расширения области применения управляемых выпрямителей в структуре ПЧ, в частности в тех электроприводах, которые по технологическим условиям нуждаются в частом торможении (т.е. для электропривода работающего в повторно-кратковременном режиме S5). Это связано с тем, что УВ обладает таким важным свойством, как двусторонняя проводимость. Это позволяет использовать такой энергетически эффективный вид торможения как рекуперативное. Но негативные свойства УВ полностью устранить невозможно. В настоящее время используются преобразователи, содержащие два входных блока: первый – неуправляемый выпрямитель, участвующий в работе привода в двигательном режиме; второй – УВ, участвующий в работе ПЧ в режиме торможения.
Рассмотрим схему и принцип работы ПЧ с тиристорным УВ и тиристорным АИТ, у которого коммутация силовых ключей осуществляется с помощью коммутирующих конденсаторов.
-
рис.12
Входным блоком преобразователя является УВ, построенный по шести-тактной мостовой трехфазной схеме выпрямления. Основной функцией УВ кроме выпрямления является регулирование действующего значения выходного напряжения преобразователя. Для сглаживания пульсации выходного тока выпрямителя использован последовательный L - фильтр.
АИТ состоит из шести силовых ключей, три из которых Т1, Т3, Т5 имеют общий анод и образуют анодную группу; три других Т2, Т4, Т6 Имеют общий катод и образуют катодную группу. Принцип действия АИТ основан на том, что в первый момент времени в открытом состоянии находятся два накрест лежащих силовых ключа: один из анодной группы, второй из катодной группы. Отпирание силовых ключей осуществляется в момент подачи управляющих импульсов от БУИ (многоканальная система управления). При этом последовательность подачи импульсов на каждый вентиль соответствует их порядковому номеру. Запирание силовых ключей осуществляется при разряде какого-либо из трех конденсаторов в направлении отрицательной полярности и также соответствует порядку чередования номеров силовых ключей.
При выходной частоте f
2
= 50Гц преобразователь работает в следующем режиме: промежуток между двумя соседними управляющими импульсами составляет 
, длительность открытия каждого ключа будет составлять 120 0 . При этом запирающие конденсаторы С1, С2, С3 должны обладать такой емкостью, чтобы время равное 60 0 удерживать заряд необходимый для запирания очередного ключа.
Работу преобразователя продемонстрируем с помощью диаграммы:
рис.131. t = 0 Открыт Т1, Т6. Ток цепи протекает через силовой ключ Т1 фазу А кабеля и через открытый Т6 возвращается в фазу С. . При этом предварительно заряжен С3, в промежуток времени 0-60 0 перезаряжается С1, а С3 удерживает свой заряд.
2. t = 60 0 Подается отпирающий импульс на Т2. При этом С3 разряжается на Т6 и запирает его. В промежуток времени 60 0 - 120 0 открыты Т1 и Т2. Ток течет через фазу А к двигателю, а через фазу Б от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С2, С1 сохраняет свой заряд.
3. t = 120 0 Подается отпирающий импульс на Т3. При этом С1 разряжается на Т1 и запирает его. В промежуток времени 120 0 - 180 0 открыты Т2 и Т3. Ток течет через фазу Б к двигателю, а через фазу С от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С3, С2 сохраняет свой заряд.
4. t = 180 0 Подается отпирающий импульс на Т4. При этом С2 разряжается на Т2 и запирает его. В промежуток времени 180 0 - 240 0 открыты Т3 и Т4. Ток течет через фазу Б к двигателю, а через фазу А от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С1, С3 сохраняет свой заряд.
5. t = 240 0 Подается отпирающий импульс на Т5. При этом С3 разряжается на Т3 и запирает его. В промежуток времени 240 0 - 300 открыты Т4 и Т5. Ток течет через фазу С к двигателю, а через фазу А от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С2 С1 охраняет свой заряд.
6. t = 300 0 Подается отпирающий импульс на Т6. При этом С1 разряжается на Т4 и запирает его. В промежуток времени 300 0 - 360 открыты Т5 и Т6. Ток течет через фазу С к двигателю, а через фазу Б от двигателя к преобразователю. . В этом промежутке времени перезаряжается С3 С2 охраняет свой заряд.
Чтобы увеличить выходную частоту необходимо уменьшить промежуток между управляющими импульсами для этого увеличиваем угол управления β. Соответственно с законом управления изменится действующее значение выходного напряжения, в частности при пропорциональном законе управления при увеличении частоты угол управления выпрямителем α уменьшится пропорционально увеличению угла β.
Существенным недостатком рассмотренной схемы является необходимость использования конденсаторов большой мощности, необходимой для поддерживания зарядов в промежутке между двумя коммутациями. Частично избавиться от этого недостатка позволяет использование АИ с отсекающими диодами.
рис.14
Здесь в катодной и анодной цепи силовых ключей последовательно включаются отсекающие диоды Д1, Д3, Д5 и Д2, Д4, Д6. Их число равно числу ключей. Эти диоды препятствуют разряду конденсаторов в период коммутации ключа и за счет этого существенно улучшают показания инвертера.
^
8. Регулирование скорости в АЭП с ПЧ с УВ.
В АЭП с преобразователем частоты и имеющим в структуре управляемый выпрямитель регулирование скорости ω осуществляется в широком диапазоне, при этом обеспечиваются достаточно высокие показатели качества. Регулирование ω осуществляется воздействием на АИ с помощью БУИ при одновременном воздействии на УВ с помощью БУВ в соответствии с законом регулирования. При этом возможно двухзонное регулирование. Однако для механизмов с M
C
=
const
, и для механизмов с линейно возрастающей М
С
регулирование вверх ограниченно тем, что для этого необходимо одновременно с увеличением частоты относительно f
НОМ,
увеличивать напряжение. В результате чего может произойти пробой изоляции. Регулирование ω вверх применяется значительно реже, чем в диапазоне вниз и в незначительных приделах.
В общем случае семейство регулировочных характеристик будет иметь вид:
рис.15
Показатели качества регулирования:
^
9. Пуск в АЭП с ПЧ с УВ.
Пуск начинается при пониженном напряжении и при минимальной частоте, что соответственно обеспечивает отсутствие броска тока или минимизацию тока и одновременно большие пусковые моменты. При этом инвертор работает с большими периодами коммутации силовых ключей, а УВ с углом управления α = П/2.
Энергетическая эффективность пуска в такой системе уменьшается за счет того, что в начале пуска привод потребляет большое количество реактивной составляющей.
рис.16
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
Курс лекций для студентов специальности
"Металлообрабатывающие станки и инструменты"
ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП
1.1. Основные понятия и определения
1.1. Механические характеристики рабочих машин и ЭД
1.2. Механические характеристики ДПТ
1.3. Механические характеристики АД
1.4. Механические характеристики СД
ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ И ВЫБОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
2.1. Силы и моменты, действующие в ЭП
2.2. Приведение моментов сопротивления и инерции к валу двигателя
2.3. Общие замечания. Нагрев и охлаждение двигателей
2.4. Метод средних потерь. Эквивалентные методы.
2.5. Серии электродвигателей, применяемых в станках
ГЛАВА 3 ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ И РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЧАСТЕЙ СЭП
Классификация электронных устройств СЭП
3.1. Тиристорные преобразователи
3.2. Транзисторные преобразователи
3.3. Типовые датчики
3.4. Типовые узлы защиты ЭП
3.5. Типовые регуляторы
ГЛАВА 4 ТИПОВЫЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
4.1. Принципы построения типовых СЭП
4.2. Одноконтурная СЭП постоянного тока
4.3. СПР ЭП постоянного тока с однозонным управлением
4.4. СПР ЭП постоянного тока с двухзонным управлением
4.5. СЭП переменного тока с АИН и АИТ (схемы с ОС по скорости и току)
4.6. Системы стабилизации технологических параметров при резании металлов
ГЛАВА 5 СЛЕДЯЩИЕ СЭП МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
5.1. Типовые структуры следящих ЭП и их элементы
5.2. Следящий ЭП с подчиненным регулированием параметров
5.3. Следящий ЭП подачи копировально-фрезерных станков
ЛИТЕРАТУРА
1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Издательский центр "Академия", 2004. – 576 с.
2. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / М.П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под. ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М.: Издательский центр "Академия", 2006. – 368 с.
3. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат, 2000. – 496 с.
4. Шестаков В.М., Дмитриев Б.Ф., Репкин В.И. Электронные устройства систем автоматического управления: Учебное пособие. – СПб: Изд. ЛГТУ, 1991.
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭП. МЕХАНИКА АЭП.
1.1. Основные понятия и определения
Существуют различные виды приводов, но благодаря эффективному аккумулированию, простоте передачи, свойствам суммирования и делимости электроэнергия более широко используется по сравнению с другими видами энергии. В настоящее время наиболее часто используется автоматизированный электропривод (ГОСТ Р 50369-92).
Электрическим приводом (ЭП) называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоящая из передаточного, электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств.
Передаточное устройство предназначено для преобразования форм движения и передачи механической энергии от двигательного устройства к рабочим органам машины.
Двигательное устройство преобразует электрическую энергию в механическую и формирует совместно с передаточным устройством заданные формы движения рабочих органов.
Преобразовательное устройство служит для связи СЭП с источником электроэнергии (промышленная сеть или автономный), для преобразования одной формы электроэнергии в другую (например, выпрямление переменного тока).
Управляющее и информационное устройства предназначены для формирования заданных законов управления потоком энергии и движения рабочих органов машин.
Классификация ЭП
1. По назначению: а) главные (например, главного движения);
б) вспомогательные (например, подачи).
2. По роду потребляемого тока двигателя: а) постоянного тока;
б) переменного тока.
3. По виду силовых ключей: а) тиристорные;
б) транзисторные;
в) микропроцессорные
4. По виду системы автоматического управления (САУ):
а) аналоговые (непрерывные) системы ЭП (СЭП);
б) цифровые (дискретные) СЭП;
в) цифроаналоговые СЭП;
г) линейные или нелинейные СЭП;
д) статические или астатические СЭП;
5. По выполняемым функциям:
а) грубое регулирование скорости (разомкнутые СЭП);
б) точное регулирование скорости (замкнутые СЭП);
в) слежение за произвольно изменяющимися входными сигналами (следящие системы);
г) программная отработка заданий (СЭП с программным управлением);
д) взаимосвязанное регулирование параметров (многодвигательные и взаимосвязанные СЭП);
Функции а)-д) считаются основными. К дополнительным функциям относятся: сигнализация (диагностика) и защита ЭП.
Механические характеристики асинхронных двигателей (АД)
1) Механические характеристики 3-фазных АД
Асинхронный электродвигатель имеет трехфазную обмотку статора. При подаче на неё трехфазного напряжения частотой , образуется магнитное поле, вращающееся с угловой скоростью , где - число10
пар полюсов статора (определяется укладкой обмотки).
Ротор АД чаще всего выполняется короткозамкнутым ("беличья клетка"). В подъёмных и транспортных машинах применяют фазный ротор, где обмотка ротора через контакные кольца выводится на неподвижное основание и соединяется с добавочными сопротивлениями.
В настоящее время АД по умолчанию применяют для привода большинства объектов.
При описании АД электрические параметры двигателя имеют индексы: 1 – статор; 2 – ротор.
При R 1 =0 механическая характеристика описывается формулой
, где - критический момент; - скольжение.
1 – естественная ();
1" – реверс (меняются местами две из трех фаз);
4 – АД с фазным ротором , .
тормозные режимы
5 – динамическое торможение: на обмотку статора подается постоянный ток, тогда раскручиваемый ротор будет тормозиться;
6 – противоток (реверс): (меняются местами две фазы);
7 – рекуперация , реверс момента. Для торможения до нуля требуется ПЧ, который непрерывно снижает .
Пуск АД: Для ограничения пусковых токов АД большой мощности или получения плавного пуска асинхронного привода применяют:
1) включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска;
2) "частотный" пуск через преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя ;
3) пуск с фазным ротором;
4) реакторный пуск – включение индуктивных сопротивлений в цепь ротора. Вначале пуска частота тока в роторе близка к частоте сети, индуктивное сопротивление велико и ограничивает пусковой ток.
2) Механические характеристики двухфазных АД
Выпускаются на мощность до 1 кВт. Могут выполняться со сплошным или полым ротором. ОВ, ОУ – соответственно обмотки возбуждения и управления; Для сдвига фаз в цепь ОВ последовательно включают конденсатор емкостью 1-2 мкФ на каждые 100 Вт.
При однофазном включении .
Примечание: при частотном управлении характеристики станут линейными и параллельными друг другу, при фазовом – только линейными.
Общие замечания
1) Задачей является грамотный выбор электродвигателя для заданного механизма (агрегата) с учетом допустимого нагрева и перегрузки по току и моменту.
Потери делятся на:
Постоянные – механические и в стали – не зависят от тока двигателя;
Переменные – в меди – являются функцией квадрата тока двигателя.
Связь между потерями и КПД:
, где Р
– мощность на валу; Р 1 – потребляемая мощность.
2) Нагрев и охлаждение ЭД при длительном режиме работы.
- количество тепла, выделяемое (генерируемое) электродвигателем;
Теплоемкость двигателя;
- теплоотдача.
При неизменной температуре окружающей среды температура двигателя будет возрастать по закону 
, где - постоянная времени нагрева, с; , град.
3) Режимы работы двигателей
а) длительный (S1)
б) кратковременный (S2)
в) повторно-кратковременный (S3, S4)
продолжительность включения 
, где - скважность;
стандартизированы ПВ% = 15, 25, 40, 60 %
4) Классы изоляции и допустимые рабочие температуры двигателей.
В соответствии с международными стандартами различают следующие классы изоляции
В двигателях общего назначения применяется изоляция классов B и F.
5) Климатическое исполнение электрических машин
6) Степени защиты электрических машин (ГОСТ 14254-80 и ГОСТ 17494-72)
Общее обозначение типа защиты (International Protection) – IP, где
1-я цифра: степень защиты персонала от соприкосновения с движущимися частями оборудования и от попадания внутрь оболочки твердых посторонних тел;
2-я цифра: степень защиты от попадания внутрь оборудования воды.
| IP | Цифра 1 | Цифра 2 | |
| Защита от прикосновения | Защита от попадания посторонних предметов | Защита от попадания воды | |
| Не защищено | Не защищено | Не защищено | |
| От прикосновения большой площади (рукой) | От предметов размером более 50 мм | От водяных капель, падающих вертикально | |
| От прикосновения пальцами | От предметов размеров более 12 мм | От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 15 0 к перпендикуляру | |
| От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 2,5 мм *) | От предметов размером более 2,5 мм | От вертикально падающих капель и брызг под наклоном до 60 0 к перпендикуляру | |
| От прикосновения предметами или проволокой диаметром более 1 мм *) | От малых твердых предметов (более 1 мм) | От капель воды со всех сторон | |
| От прикосновения вспомогательными средствами любого типа *) | От осаждения пыли внутри | От струй воды со всех сторон | |
| От прикосновения вспомогательными средствами любого типа | От попадания любой пыли | От волн воды | |
| - | - | Защиты при погружении в воду | |
| - | - | Защита при длительном погружении в воду |
*) Не относится к вентиляторам электрических машин
Стандартное исполнение защиты двигателей IP 54. По заказу обеспечиваются повышенные степени защиты IP 55 и IP 65.
Приводы, работающие с большим количеством включений
Приводы с дополнительной инерционной массой (инерционной крыльчаткой)
Приводы с управлением от преобразователя с диапазоном регулирования свыше 1:20
Приводы с управлением от преобразователя, сохраняющие номинальный вращающий момент при низкой частоте вращения или в положении останова
Методы расчета мощности
Выбор мощности двигателя при стационарной нагрузке осуществляется по условию (ближайший больший по каталогу). В этом случае двигатель подошел по нагреву.
Рассмотрим выбор мощности двигателей при переменной нагрузке:
1. Метод средних потерь (прямой метод).
В основе метода лежит нагрузочная диаграмма. Рассмотрим прямой метод учета потерь в двигателе
1) Рассчитывается средняя мощность на валу двигателя по формуле
, 
Закон Джоуля-Ленца 
Потери в двигателе пропорциональны активной мощности. Таким образом, нагрев двигателя определяется не , а . Отсюда возникает задача расчета потерь.
2) выбор мощности двигателя ,
где k= 1,2...1,3 – коэффициент запаса, учитывающий пропорциональность потерь квадрату тока;
3) Расчет потерь при различных нагрузках с использованием каталожных кривых по формуле 
4) определяются средние потери за цикл 
;
5) выбор мощности двигателя по условию , где 
- двигатель подошел по нагреву;
6) выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия
ДПТ: 
, ;
АД: 
, 
Эквивалентные методы
Данные методы относятся к косвенным, поскольку косвенно учитывают потери в электрической машине.
1) Метод эквивалентного тока.
Рассчитывается некоторый эквивалентный ток, потери от которого равнозначны фактическим при переменной нагрузке т.к.
2) Метод эквивалентного момента 
при Ф-const
; - двигатель подошел по нагреву.
3) Метод эквивалентной мощности при Ф-const, -const
; - двигатель подошел по нагреву.
Затем выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузку и пусковые условия.
Наиболее широкое применение у метода эквивалентного тока, наиболее узкое у метода эквивалентной мощности. Методы эквивалентного тока и мощности не применимы при двухзонном управлении так как содержат блоки произведений в формулах , 
. Более точным является метод средних потерь (прямой метод).
Замечание: При повторно-кратковременный режиме двигатель выбирается из условия .
;
Здесь методы эквивалентного момента и тока практически не используются. В случае, если нагрузка в разных циклах неодинакова, рассчитывают среднюю ПВ с учетом n циклов.
Тиристорные преобразователи
Достоинства: а) надежность; б) малая масса; в) малая мощность управления; г) высокое быстродействие; д) высокий КПД (0,95-0,97)
Недостатки: а) не выдерживает перегрузок; б) снижение сos при малых нагрузках; в) генерация высших гармонических колебаний в сеть при коммутации вентилей (для борьбы с ними включают ТОР)
1. Схемы ТП и способы управления:
1) Нулевая схема реверсивного привода
m=3 – фазность преобразователя. Достоинства: меньшее количество тиристоров. Применяется в маломощных приводах.
2) Мостовая схема выпрямления реверсивного привода (схема Ларионова)
m=6; Достоинства: а) меньшее количество сглаживающих дросселей; б) меньший класс тиристоров; Применяется в приводах средней и большой мощности.
2. Способы управления реверсивными ТП:
а) раздельное, когда группы тиристоров управляются поочередно.
Достоинства: 1) отсутствие уравнительного тока и, следовательно необходимости включения уравнительных реакторов (УР);
Недостатки: 1) широкая зона прерывистых токов; 2) нелинейность механических характеристик в начале координат; 3) замедленный реверс напряжения преобразователя.
Вместе с тем раздельное управление ТП применяется чаще.
б) согласованное, когда обе группы тиристоров управляются совместно, по условию 
, причем 
, 
;
Достоинства: 1) линейная характеристика; 2) узкая зона прерывистых токов; 3) быстрый реверс.
Недостатки: 1) наличие статических и динамических уравнительных токов. Для борьбы с ними включают уравнительные реакторы (УР).
3. Математическое описание ТП
1) Система управления тиристорным преобразователем (СУТП) или система импульсно-фазового управления (СИФУ)
а) со стабилизированным пилообразным опорным напряжением 
. Не содержит высших гармоник в опорном напряжении, обеспечивает четкое открытие тиристоров и применяется в ТП средней и большой мощности.
б) с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением 
. Применяется в маломощных ТП при широком диапазоне регулирования скорости ТП.
в) если СУТП является цифровой, то угол открытия тиристоров , где - код числа.
2) Силовая часть ТП.
Описывается выражением 
, где 
- максимальная выпрямленная ЭДС ТП. Кроме того, ТП имеет запаздывание , среднестатистическое . При m=6 
.
а) СУТП со стабилизированным пилообразным опорным напряжением.
Нелинейная зависимость 
.
б) СУТП с нестабилизированным синусоидальным опорным напряжением.
; 
- линейная зависимость !
Из рисунков видно, что колебания напряжения сети переменного тока (пунктирная линия) влияют на выходную ЭДС в случае а) и не влияют в случае б).
3) Нагрузка ТП (двигатель). Формирует характер тока преобразователя, который может быть непрерывным, гранично-непрерывным и прерывистым.
Характер тока влияет на характеристики привода. В зоне непрерывного тока характеристики жесткие, поскольку внутреннее сопротивление преобразователя невелико. При прерывистом токе внутреннее сопротивление ТП существенно возрастает, что снижает жесткость характеристик. , где - коммутационное сопротивление. образуется в режиме непрерывного тока при перекрытии фаз. - динамическое сопротивление тиристоров.
Зона прерывистого тока крайне неблагоприятна для регулирования, так как падает жесткость характеристик привода, и появляется нелинейная зависимость (см. рис.).
Типовые датчики
Рассмотрим датчики отечественной универсальной системы блочных регуляторов аналогового исполнения (УБСР-АИ).
1) Датчик тока ДТ1-АИ Применение операционного усилителя (ОУ) позволяет развязать силовую и управляющую цепи привода, что также необходимо по технике безопасности. Коэффициент усиления 
подбирается так, чтобы максимальному измеряемому току соответствовало .
2) Датчик напряжения ДН1-АИ. Коэффициент усиления подбирается так, чтобы максимальному измеряемому напряжению соответствовало .
3) Датчик ЭДС
3) Датчики скорости. В качестве датчиков скорости используются прецизионные тахогенераторы постоянного и переменного тока .
4) Датчики положения
а) Резольвер (англ. resolver). Работает по принципу синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ). У вращающегося трансформатора ротор состоит из катушки (обмотки), которая вместе с обмоткой статора образует трансформатор. Принципиально резольвер устроен точно так же с той лишь разницей, что статор выполнен не из одной, а из двух расположенных под углом 90° друг к другу обмоток. Резольвер служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри одного оборота. Кроме того, по сигналу резольвера определяется значение скорости и моделируется инкрементный датчик для регулирования положения. Ротор резольвера закреплен на валу двигателя. Для того чтобы можно было передавать переменное несущее напряжение на ротор без щеток, на статоре и роторе размещены дополнительные обмотки. По двум выходным синусоидальным напряжениям и , сдвинутым на 90° (рис. 7), можно определить угол поворота ротора, скорость и инкрементный сигнал по положению (моделирование инкрементного датчика).
б) Фотоэлектрические датчики серии ПДФ. Отсутствие температурного и временного дрейфа. 500-5000 имп/об.
5) Датчики рассогласования. Применяются в следящих системах.
а) Потенциометрические датчики рассогласования
б) Сельсины в трансформаторном режиме. Сельсин имеет 2-фазную обмотку статора и 3-фазную обмотку ротора. Ось сельсина-датчика приводится в движение от задающего устройства, а ось сельсина-приемника – от исполнительного. При разности углов (т.е. ошибке слежения) на статорной обмотке генерируется напряжение . Сельсины работают с углами ошибки до 90 градусов, дальше происходит "опрокидывание" сигнала (см.рис.). Существуют также индуктосины – линейные аналоги сельсинов.
Типовые регуляторы
1) Статика описывается алгебраическими уравнениями (АУ), а динамика – дифференциальными ДУ. Для облегчения исследования динамики сложных электромеханических систем с помощью преобразования Лапласа 
переходят из временной t-области в р-область изображений, где р (s) – оператор дифференцирования (Лапласа), . При этом ДУ заменяются АУ.
Передаточной функцией (ПФ) W(p) называется отношений изображений по Лапласу выходной переменной к входной (см. курс ТАУ).
2) Показатели качества переходного процесса. Рассмотрим переходный процесс в замкнутой системе:
а) Статическая ошибка 
;
б) Время переходного процесса – время последнего вхождения регулируемой величины в 5% зону;
в) Перерегулирование 
;
3) Типовые регуляторы. Используются в замкнутых системах для получения требуемых показателей качества. Наиболее часто применяются пропорциональные (П), пропорционально-интергальные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы. Выбор типа регулятора определяется передаточной функции объекта управления. Передаточные функции регуляторов
; 
; 
| Реализация аналоговой схемы | Коэффициент усиления |
 |  |
 ;
|  |
 ; ;
|  |
Одноконтурные СЭП
1 А.В. Романов ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Курс лекций Воронеж 006 0
2 Воронежский государственный технический университет А.В. Романов ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Воронеж 006 1
3 УДК 6-83(075.8) Романов А.В. Электрический привод: Курст лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, с. В курсе лекций рассматриваются вопросы построения электрических приводов постоянного и переменного тока, анализа электромеханических и механических характеристик электрических машин, принципы управления в электроприводе. Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению "Электротехника, электромеханика и электротехнологии". Курс лекций предназначен для студентов второго курса специальности "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" очной формы обучения на базе среднего профессионального образования. Издание предназначено для студентов технических специальностей, аспирантов и специалистов, занимающихся вопросами разработки электроприводов. Табл. 3. Ил. 7. Библиогр.: 6 назв. Научный редактор канд. техн. наук, проф. Ю.М. Фролов Рецензенты: кафедра автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Д. Волков); д-р техн. наук, проф. А.И. Шиянов Романов А.В., 006 Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 006
4 ВВЕДЕНИЕ Электрический привод (ЭП) играет большую роль в реализации задач повышения производительности труда в разных отраслях народного хозяйства, автоматизации и комплексной механизации производственных процессов. Около 70 % вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую энергию электродвигателями (ЭД), которые приводят в движение различные станки и механизмы. Современный ЭП отличается широким разнообразием применяемых средств управления от обычной коммутационной аппаратуры до ЭВМ, большим диапазоном мощностей двигателей, диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более, применением как тихоходных, так и сверхскоростных ЭД. Электрический привод является единой электромеханической системой, электрическая часть которой состоит из электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств, а механическая часть включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма. Широкое внедрение электрического привода во все отрасли промышленности и все возрастающие требования к статическим и динамическим характеристикам электроприводов предъявляют повышенные требования к профессиональной подготовке специалистов в области электрического привода. Необходимо заметить, что, поскольку студентам очной формы обучения на базе среднего специального образования учебным планом отведено минимальное количество учебных часов для освоения специальности, то прогресс в профессиональных знаниях сильно зависит от самостоятельной работы студентов. В частности, в конце данного издания приведен библиографический список научно-технической литературы, рекомендуемой к изучению помимо предлагаемого конспекта лекций. Кроме этого, в дополнение к курсу лекций выпущен лабораторный практикум по электроприводу , в котором рассматриваются вопросы экспериментального исследования 3
5 электропривода постоянного и переменного тока. Для более успешного усвоения дисциплины студентам рекомендуется заранее изучать текст лекций и содержательную часть лабораторных работ. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования Российской Федерации регламентирует следующую обязательную тематику для учебного курса по дисциплине "Электрический привод". В Ы П И С К А из Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного инженера по направлению "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", по специальности "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" ОПД.Ф.09. "Электрический привод" Электропривод как система; структурная схема электропривода; механическая часть силового канала электропривода; физические процессы в электроприводах с машинами постоянного тока, асинхронными и синхронными машинами; электрическая часть силового канала электропривода; принципы управления в электроприводе; элементная база информационного канала; синтез структур и параметров информационного канала; элементы проектирования электропривода. Материал данного курса лекций полностью соответствует указанной тематике. 4
6 ЛЕКЦИЯ 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КАК ОТРАСЛИ НАУКИ И ТЕХНИКИ Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Краткая историческая справка о развитии электроприводов постоянного и переменного тока.. Работы отечественных и зарубежных ученых. 3. Роль электропривода в народном хозяйстве. 4. Структура и основные элементы современного автоматизированного электропривода. Электрический привод сравнительно молодая отрасль науки и техники, насчитывающая немногим более столетия с момента практического применения. Появление ЭП обусловлено трудами многих отечественных и зарубежных ученыхэлектротехников. В этом блистательном ряду имена таких крупных ученых как датчанин Х. Эрестед, показавший возможность взаимодействия магнитного поля и проводника с током (180 г.), француз А. Ампер, математически оформивший это взаимодействие в том же 180 г., англичанин М. Фарадей, построивший в 181 году экспериментальную установку, доказавшую возможность построения электродвигателя. Это отечественные ученые-академики Б.С. Якоби и Э.Х. Ленц, которым впервые удалось создать в 1834 году электродвигатель постоянного тока. Работа Б.С. Якоби по созданию двигателя получила широкую мировую известность, и многие последующие работы в этой области были вариацией или развитием его идей, например, в 1837 году американец Девенпорт построил свой электродвигатель с более простым коммутатором. В 1838 г. Б.С. Якоби усовершенствовал конструкцию ЭД, привнеся в него практически все элементы современной электрической машины. Этот электродвигатель, мощностью в 1 л.с., был использован для привода лодки, которая с 1 пассажирами совершила движение со скоростью до 5 км/ч против течения Не- 5
7 вы. Поэтому 1838 год считается годом рождения электропривода. Уже на этой первой, еще несовершенной модели электропривода обнаружились весьма значительные преимущества его по сравнению с господствовавшим в то время паровыми механизмами это отсутствие парового котла, запасов топлива и воды, т.е. существенно лучшие массогабаритные показатели. Однако несовершенство первого ЭД, а главное неэкономичность источника электроэнергии гальванической батареи, которая была разработана итальянцем Л. Гальвани (), явились причиной того что, работы Б.С. Якоби и его последователей сразу не получили практического применения. Требовался простой, надежный и экономичный источник электрической энергии. И выход был найден. Еще в 1833 году академик Э.Х. Ленц открыл принцип обратимости электрических машин, объединивший впоследствии пути развития двигателей и генераторов. И вот в 1870 г. сотрудник французской фирмы «Альянс» З. Грамм создал промышленный тип электрического генератора постоянного тока, давший новый импульс в развитие электропривода и внедрению его в промышленность. Вот некоторые примеры. Наш соотечественник электротехник В.Н. Чиколев () создает в 1879 году ЭП для дуговых ламп, электроприводы швейной машины (188) и вентилятора (1886), отмеченные золотыми медалями на всероссийских выставках. Происходит внедрение ЭП постоянного тока в военно-морском флоте: подъемник боезапасов на броненосце "Сисой Великий" (), первый рулевой привод на броненосце "1 Апостолов" (199). В 1895 году А.В. Шубин разработал систему «инжектор-двигатель» для рулевого управления, установленный в дальнейшем на броненосцах "Князь Суворов", "Слава" и др. Электропривод проникает в ткацкое производство на подмосковные текстильные фабрики Морозова, Лингардта, Прохоровскую мануфактуру, где уже к 1896 году работало значительное число двигателей постоянного тока. 6
8 Отмечаются случаи использования электропривода в городском транспорте трамвайные линии в городах Киеве, Казани и Нижнем Новгороде (189) и несколько позже в Москве (1903) и Петербурге (1907). Однако отмеченные успехи были незначительными. В 1890 году электропривод составлял всего лишь 5% от общей мощности используемых механизмов. Появившийся практический опыт требовал анализа, системотизации и разработки теоретической базы для последующего освещения путей развития ЭП. Огромную роль здесь сыграл научный труд нашего соотечественника крупнейшего электротехника Д.А. Лачинова (), опубликованный в 1880 году в журнале "Электричество" под названием "Электромеханическая работа", заложившей первые основы науки об электроприводе. Д.А. Лачинов убедительно доказал преимущества электрического распределения механической энергии, впервые дал выражение для механической характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, дал классификацию электрических машин по способу возбуждения, рассмотрел условия питания двигателя от генератора. Поэтому 1880 год год опубликования научного труда "Электромеханическая работа" считается годом рождения науки об электроприводе. Наряду с электроприводом постоянного тока пробивай себе дорогу в жизнь и электропривод переменного тока. В 1841 году англичанин Ч. Уитсон построил однофазный синхронный электродвигатель. Но он не нашел практического применения из-за трудностей при пуске. В 1876 году П.Н. Яблочков () разработал несколько конструкций синхронных генераторов для питания изобретенных им свечей, а также изобрел трансформатор. Следующим шагом на пути к ЭП переменного тока явилось открытие в 1888 году итальянцем Г. Феррарисом и югославом Н. Теслой явление вращающегося магнитного поля, что положило начало конструированию многофазных электродвигателей. Феррарисом и Теслой 7
9 были разработаны несколько моделей двухфазных двигателей переменного тока. Однако двухфазный ток в Европе не получил широкого распространения. Причиной этого была разработка русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским () в 1889 году более совершенной трехфазной системы переменного тока. В этом же 1889 году 8 марта он запатентовал асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АД КЗ), а несколько позднее и с фазным ротором. Уже в 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне М.О. Доливо-Добровольский продемонстрировал асинхронные электдвигатели мощностью 0,1 квт (вентилятор); 1,5 квт (генератор постоянного тока) и 75 квт (насос). Доливо-Добровольским также были разработаны 3-х фазный синхронный генератор и 3-х фазный трансформатор, конструкции которых остается практически неизменными и в наше время. Марсель Депре в 1881 году обосновал возможность передачи электроэнергии на расстоянии, и в 188 была построена первая линия электропередачи протяженностью 57 км и мощность 3 квт. В результате вышеперечисленных работ были устранены последние принципиальные технические препятствия к распространению электрической передачи энергии и был создан наиболее надежный, простой и дешевый электрический двигатель, пользующийся в настоящее время исключительным распространением. Более 50 % всей электроэнергии преобразуется в механическую посредством самого массового электропривода на основе АД КЗ. Первые в России 3-х фазные ЭП переменного тока были установлены в 1893 году в Шепетовке и на Коломенском заводе, где к 1895 году было установлено 09 электродвигателей общей мощностью 1507 квт. И все же темпы внедрения электропривода в промышленность оставались низкими из-за отсталости России в области электротехнического производства 8
10 (,5 % от мировой продукции) и выработки электроэнергии (15 место в мире) даже в пору расцвета царской России (1913). После победы Великой Октябрьской революции в 190 г. был поставлен вопрос о коренной реорганизации всего народного хозяйства. Был разработан план ГОЭЛРО (государственный план электрификации России), предусматривающий в течение лет создание 30 тепловых и гидроэлектростанций общей мощностью 1 млн. 750 тыс. квт (к 1935 году было введено около 4,5 млн. квт). Работая над планом ГОЭЛРО, В.И. Ленин отметил, что "электрический привод как раз наиболее надежно обеспечивает и любую быстроходность и автоматическую связанность операций на самом обширном поле труда". Почему уделялось такое большое внимание электроприводу и электрификации? Дело очевидно в том, что ЭП является силовой основой выполнения механической работы и автоматизации производственных процессов с высоким КПД, при этом электропривод создает все условия для высокопроизводительного труда. Вот простой пример. Известно, что в течении рабочего дня один человек может при помощи мускульной энергии выработать около 1 квт/ч, стоимость производства которой составляет (условно) 1 коп. В высоко электрифицированных отраслях промышленности установленная мощность электродвигателей на одного рабочего составляет 4-5 квт (этот показатель называется электровооруженность труда). При восьмичасовом рабочем дне получаем потребление 3-40 квт/ч. Это значит, что рабочий управляет механизмами, работа которых за смену эквивалентна работе 3-40 человек. Еще большая эффективность ЭП наблюдается в горнодобывающей промышленности. Например, на шагающем экскаваторе типа ЭШ-15/15, имеющим стрелу 15 метров и ковш емкостью 15 кубических метров, мощностью одного асинхронного двигателя составляет 8, МВт. На прокатных станах 9
11 установленная мощность ЭД составляет более 60 МВт, а скорость прокатки 16 км/ч. Именно поэтому было так важно обеспечить широкое внедрение электропривода в народное хозяйство. Количественно это характеризуется коэффициентом электрификации, равным отношению мощности электродвигателей к мощности всех установленных двигателей, в том числе и неэлектрических. Динамику роста коэффициента электрификации в России можно проследить по табл Таблица 1.1 значение коэффициента электрификации, % год около В результате выполнения плана ГОЭЛРО СССР в 198 году по коэффициенту электрификации обогнал Англию, в 1936 г. перегнал Германию и догнал США, тем самым ликвидировав отсталость России от ведущих мировых держав. В настоящее время ЭП занял господствующее положение в народном хозяйстве и потребляет порядка /3 всей производимой электрической энергии в стране (около 1,5 трл. квт/ч). Так что же такое электропривод? Согласно ГОСТ Р электрическим приводом называется электромеханическая система, состоящая в общем случае из взаимодействующих преобразователей электроэнергии, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними электрическими, механическими, управляющими и информационными системами, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов (ИО) рабочей машины 10
12 Электрическая сеть Преобразовательное устройство Электродвигательное устройство Управляющее информационное устройство Передаточное устройство Рабочая машина Исполнительный орган электрическая связь механическая связь Рис Структурная схема автоматизированного электропривода (РМ) и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса . Данное определение проиллюстрировано на рис Расшифруем составные части . Преобразовательное устройство (преобразователь электроэнергии) электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и/или показателей качества. (Отметим, что преобразование параметров может осуществляться по роду тока, напряжению, частоте, числу фаз, фазе напряжения, согласно ГОСТ 18311). Преобразователи классифицируют по току (постоянного и переменного тока), а также по элементной базе тиристорные и транзисторные преобразователи. 11
13 Электродвигательное устройство (электромеханический преобразователь) электротехническое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Применяемые в электроприводе электродвигатели могут быть переменного и постоянного тока. По мощности электрические машины можно условно разделить на: микромашины до 0,6 квт. машины малой мощности до 100 квт. машины средней мощности до 1000 квт. большой мощности свыше 1000 квт. По скорости вращения: тихоходные до 500 об/мин. средней скорости до 1500 об/мин. быстроходные до 3000 об/мин. сверхбыстроходные до об/мин. По номинальному напряжению бывают низковольтные двигатели (до 1000 В) и высоковольтные (выше 1000 В). Управляющее информационное устройство. Управляющее устройство предназначено для формирования управляющих воздействий в электроприводе и представляет собой совокупность функционально связанных между собой электромагнитных, электромеханических, полупроводниковых элементов. В простейшем случае управляющее устройство может сводится к обычному рубильнику, включающему ЭД в сеть. Высокоточные ЭП содержат в управляющем устройстве микропроцессоры и ЭВМ. Информационное устройство предназначено для получения, преобразования, хранения, распределения и выдачи информации о переменных ЭП, технологического процесса и сопредельных систем для использования в системе управления электропривода и внешних информационных системах. Передаточное устройство состоит из механической передачи и устройства сопряжения. Механическая передача это механический преобразователь, предназначенный для переда- 1
14 чи механической энергии от ЭД к исполнительному органу рабочей машины и согласованию вида и скоростей их движения. Устройство сопряжения совокупность электрических и механических элементов, обеспечивающих взаимодействие электропривода с сопредельными системами и отдельных частей электропривода между собой. В качестве передаточного устройства могут выступать редукторы, клиноременные и цепные передачи, электромагнитные муфты скольжения и т.п. Рабочая машина машина, осуществляющая изменение формы, свойств, состояния и положения предмета труда. Исполнительный орган рабочей машины движущийся элемент рабочей машины, выполняющий технологическую операцию. Данные определения необходимо дополнить. Система управления электропривода совокупность управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения ЭП, предназначенных для управления электромеханическим преобразованием энергии с целью обеспечения заданного движения исполнительного органа рабочей машины. Система управления электроприводом внешняя по отношению к электроприводу система управления более высокого уровня, поставляющая необходимую для функционирования электропривода информацию. 13
15 ЛЕКЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Структурная эволюция электроприводов.. Различные типы электроприводов, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. 3. Основные тенденции развития электроприводов. 4. Структура ЭП с позиций "Теории электропривода". За годы своего существования электропривод претерпел коренные изменения. В первую очередь, совершенствовались способы передачи механической энергии от двигателей к рабочим машинам. Например, в нашей стране до начала первой пятилетки (198) господствовал групповой электропривод "электропривод с одним электродвигателем, обеспечивающий движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких ИО одной рабочей машины" , но уже к концу первой пятилетки (193) он был изъят из промышленности. На рис..1 показана функциональная схема группового электропривода предприятия. Особенность данной схемы в механическом распределении энергии по всему предприятию и, соответственно, в механическом управлении процессом, т.е. управлении работой исполнительных органов рабочих машин. На рис.. показана другая схема группового ЭП группового электропривода рабочих машин. В отличии от предыдущей схемы электрическая энергия здесь подводится непосредственно к РМ, а уже в них происходит ее механическое распределение. Сохраняется механическое управление работой. К числу общих недостатков группового электропривода можно отнести: ступенчатое регулирование скорости; 14
16 Электрическая сеть U, I электрическая энергия ЭД трансмиссионный вал M, ω механическая энергия РМ 1 РМ ИО 1 ИО ИО 3 ИО 1 ИО ИО 3 Рис..1. Групповой электропривод предприятия Электрическая сеть ЭД 1 ЭД РМ 1 РМ ИО 1 ИО ИО 3 ИО 1 ИО ИО 3 Рис... Групповой электропривод рабочих машин малый диапазон регулирования; опасные условия труда; малая производительность. Групповой электропривод был заменен более перспективным и экономичным индивидуальным электроприводом это "ЭП, обеспечивающий движение одного исполнительного органа рабочей машины" , функциональная схема показана 15
17 на рис..3. В таком варианте электропривода распределение электрической энергии происходит вплоть до рабочих органов. Также появляется возможность управления механической энергией электрическим способом. Кроме этого, индивидуальный привод позволяет в ряде случаев упростить конструкции РМ, т.к. ЭД нередко конструктивно является рабочим органом (вентилятор, электродрель и т.п.). Электрическая сеть РМ ЭД 1 ЭД ЭД 3 ИО 1 ИО ИО 3 Рис..3. Индивидуальный электропривод В настоящее время индивидуальный ЭП это основной тип промышленно используемого электропривода. Но не единственный. В ряде производственных механизмов находит применение взаимосвязанный электропривод это "два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение их скоростей и (или) нагрузок и (или) положения исполнительных органов рабочих машин". Этот тип электропривода объединяет два вида электроприводов многодвигательный ЭП и электрический вал. Многодвигательный электропривод (рис..4) "электропривод, содержащий несколько электродвигателей, механическая связь между которыми осуществляется через исполнительный орган рабочей машины" . Подобный электропривод в ряде случаев позволяет снизить усилия в рабочем органе, распределить их в механизме более равномерно и без перекосов, повысить надежность и производительность установки. 16
18 Электрическая сеть ЭД 1 РМ ЭД Рис..4. Многодвигательный электропривод Многодвигательный электропривод применяется в шахтных подъемниках, в частности впервые был использован в Шепетовке в конце XIX века. Электрический вал "взаимосвязанный электропривод, обеспечивающий синхронное движение двух или более исполнительных органов рабочей машины, не имеющих механической связи" . В качестве примера можно привести приводы шлюзов и длинные конвейерные линии. На рис..5 приведена схема конвейера на асинхронных ЭД с фазным ротором, поясняющая принцип работы электрического вала. Частоты вращения ω 1 и ω, благодаря электрическому соединению роторов электродвигателей, будут одинаковыми или синхронными. ω 1 лента конвейера ω ЭД 1 ЭД электрический вал Рис..5. Иллюстрация работы электрического вала Современный электропривод отличается широким разнообразием применяемых средств управления от обычной коммутационной аппаратуры до управляющих ЭВМ, большем 17
19 диапазоном мощностей ЭД от долей ватта до квт, диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более, применением как тихоходных двигателей (сотни об/мин), так и сверхскоростных (до об/мин). ЭП является основой автоматизации технологических объектов в промышленности, сельском хозяйстве, космосе; реализуя важнейшую задачу современности повышение производительности труда. В настоящее время для электропривода характерна тенденция использования энергосберегающих технологий. К традиционным системам, позволяющим возвращать энергию в сеть (этот процесс называется рекуперацией), таким как система генератор-двигатель (система Г-Д), электрический каскад (регулируемый ЭП с АД с фазным ротором, в котором энергия скольжения возвращается в электрическую сеть), электромеханический каскад (регулируемый ЭП с АД с фазным ротором, в котором энергия скольжения преобразуется в механическую и передается на вал ЭД), происходит массовая замена нерегулируемого электропривода на регулируемый. Как следствие этого, конструкция ЭП становится безредукторной, что повышает общий КПД привода. Прогресс в области конструирования преобразовательной техники, в частности, для преобразователей частоты стимулирует замену двигателей постоянного тока и синхронных ЭД на более дешевые и надежные асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором. Если рассматривать электродвигательные установки с позиций теории электропривода, то как объект изучения это электромеханическая система, являющаяся совокупностью механических и электромеханических устройств, объединенных общими силовыми электрическими цепями и (или) цепями управления, предназначенная для осуществления механического движения объекта. В электроприводе в единое целое объединяется три части (рис.6): механическая часть, электрический двигатель и система управления. 18
20 Эл. сеть Эл. двигатель М, ω Мех. часть Полезная механическая работа ЭСУ ЭМП РД ПУ ИМ ДОС М мех к ДОС ИСУ от ДОС Система управления от ЗУ Рис..6. Функциональная схема ЭП с позиций теории электропривода Механическая часть включает все движущиеся элементы механизма ротор двигателя РД, передаточное устройство ПУ, исполнительный механизм ИМ, на который передается полезный механический момент М мех. В электродвигательное устройство входят: электромеханический преобразователь энергии ЭМП, преобразующий электрическую мощность в механическую, и ротор двигателя РД, на который воздействует электромагнитный момент М двигателя при частоте вращения (угловой скорости) ω. Система управления (СУ) включает в себя энергетическую часть ЭСУ и информационную часть ИСУ. На ИСУ поступают сигналы от задающих устройств ЗУ и датчиков обратной связи DOC. 19
21 ЛЕКЦИЯ 3 МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Назначение и основные механические узлы ЭП.. Активный и реактивный статические моменты. 3. Типовые нагрузки механической части электропривода. Основной функцией электропривода является приведение в движение рабочей машины в соответствии с требованиями технологического режима. Движение это совершается механической частью электропривода (МЧ ЭП), в состав которой входит ротор электродвигателя, передаточное устройство и рабочая машина (рис. 3.1). Приведенные на рис. 3.1 параметры обозначают М в, М рм, М ио моменты на валу двигателя, рабочей машины, исполнительного органа; ω в, ω рм, ω ио угловые скорости вала ЭД, рабочей машины, исполнительного органа; F ио, V ио усилие и линейная скорость исполнительного органа. Ротор М в ω в Передаточное устройство М рм ω рм Рабочая машина М ио ω ио F ио V ио Рис.3.1. Схема механической части электропривода В зависимости от вида передачи и конструкций рабочей машины различают (рис. 3.1): ЭП вращательного движения, обеспечивающий, соответственно, вращательное движение исполнительного органа РМ; выходные параметры момент ИО механизма М ио и угловая частота вращения ω ио; ЭП поступательного движения, обеспечивающий поступательное линейное движение ИО рабочей машины; выходные параметры усилие F ио и линейная скорость V ио. 0
22 Отметим, что существует также специальный ЭП, называемый колебательным электроприводом, обеспечивающим возвратно-поступательное (вибрационное) движение (как угловое, так и линейное) исполнительного органа РМ. В механической части ЭП действуют различные виды усилий, моментов, различающиеся характером действия. Конкретно различают статические моменты реактивные М ср и активные М са. Реактивные моменты создаются силой трения, силами сжатия, растяжения, кручения неупругих тел. Классическим примером здесь может служить сухое трение (рис. 3.). Силы трения всегда противодействуют движению и при реверсе электропривода момент трения, обусловленный этими силами, также меняет направление, а функция М с (ω) при скорости ω = 0 претерпевает разрыв. Силы трения проявляются в передачах электродвигателя и рабочих машинах. F m V F тр ω F тр V m F М ср М ср М с Рис. 3.. Зависимость статического момента сил сухого трения от скорости Активные (потенциальные) моменты создаются силой тяжести, силами сжатия, растяжения, кручения упругих тел. В МЧ ЭП активные моменты возникают в нагруженных элементах (валы, зубчатые зацепления и т.п.) при их деформации, поскольку механические связи не являются абсолютно жесткими. Особенности действия потенциальных моментов наглядно проявляются на примере силы тяжести. При подъеме или 1
23 спуске груза направление силы тяжести F j остается постоянным. Иными словами, при реверсе электропривода направление активного момента М са сохраняется неизменным (рис. 3.3). ω М с V V М са Рис Зависимость активного статического момента от скорости, характерная для механизмов подъема грузов Краткий анализ видов М с показывает, что между реактивными и активными моментами имеется существенное отличие: реактивный момент с изменением направления движения также меняет свое направление, активный же момент сохраняет его постоянным. Рабочие машины, несмотря на большое многообразие конструкций и выполняемых операций, могут быть классифицированы по виду зависимости статического момента от ряда факторов. Различают укрупненно 5 групп механизмов. К первой группе относятся механизмы, у которых статический момент не зависит от скорости вращения, то есть М с (ω) = const. Это значит, что механическая характеристика рабочей машины зависимость статического момента от частоты вращения представляет прямую, параллельную оси угловой скорости ω, и претерпевает разрыв при ω = 0 для реактивных статических моментов (как показано на рис. 3.), например, для ленточного транспортера с равномерной погонной нагрузкой. F j m
24 Для активных М с (как показано на рис. 3.3) механическая характеристика не зависит от направления движения. Типичным примером является механизм подъемника. Вторая группа механизмов достаточно представительна [, 3]. Здесь М с зависит от скорости вращения РМ: () = М + (М + М) Мс с0 сн с0 а ω ωн ω, (3.1) где М со момент механических потерь на трение; М сн статический момент рабочей машины при номинальной скорости вращения ω н; ω текущая скорость вращения; а коэффициент пропорциональности. При а = 0 имеем М с (ω) = М сн, то есть получаем механическую характеристику машин первой группы. При а = 1 имеем линейную зависимость статического момента от скорости, что присуще, например, генераторам G постоянного тока, работающим на постоянное сопротивление R (рис. 3.4). ~ U 1, f 1 G R ω М с (ω) U ов ОВ М с0 М с Рис Механическая характеристика при а = 1 При а = (рис. 3.5) получаем наиболее многочисленную группу рабочих механизмов [, 3], имеющих вентиляторную характеристику (вентиляторы, гребные винты, центробежные насосы и другие подобные механизмы). 3
25 ~ U 1, f 1 ω М с (ω) М с0 Рис Вентиляторная механическая характеристика При а = -1 имеет место гиперболическая зависимость, характерная для большинства металлорежущих станков, когда с увеличением скорости подачи резца V (соответственно при этом увеличивается усилие резания) снижает скорость обработки детали ω (рис. 3.6). М с ~ U 1, f 1 ω V ω М с (ω) Рис Гиперболическая механическая характеристика Отметим, что на практике встречаются и другие значения коэффициента а. Третья группа механизмов это группа машин, у которых статический момент является функцией угла поворота вала РМ α, то есть М с = f(α). Это свойственно, например, шатунно-кривошипным (рис 3.7) и эксцентриковым механизмам, в которых происходит преобразование вращательного движения с частотой вращения ω в возвратно-поступательное движение со скоростью V. Рабочий ход механизма, при котором достига- 4 М с0 М с
26 ется максимальный статический момент M cmax, имеет место, например, при 0 α π, обратный ход с максимальным моментом при π α π. M cmax, хх ω М с M cmax М с (α) M cmax, õõ V М с Рис Зависимость М с от угла поворота кривошипа α Четвертая группа механизмов это группа рабочих машин, у которых М с зависит одновременно и от угла поворота, и от скорости движения, т.е. М с = f(α, ω) Подобная зависимость наблюдается при движении электротранспорта на закругленном участке пути. Пятая группа механизмов группа РМ, у которых статический момент изменяется случайным образом во времени. К ней можно отнести геологические буровые станки, дробилки крупного дробления и другие подобные механизмы (рис. 3.8). α М с ω М с (t) 0 t Рис Зависимость М с = f(t) при бурении горных пород 5
27 ЛЕКЦИЯ 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Конструкция машин постоянного тока.. Основные параметры и электромеханическое преобразование энергии в машинах постоянного тока. 3. Классификация электродвигателей постоянного тока. 4. Ориентировочное определение сопротивления якоря. Электрическая машина постоянного тока (МПТ) имеет специфическую конструкцию. Схематически на примере электродвигателя П-9 она показана на рис Неподвижная часть (статор) содержит главные полюса 1 с катушками, образующие индуктор или систему возбуждения машины. Полюса равномерно распределены на внутренней поверхности станины 3, которая совмещает функции механической детали (корпуса) и активной части (ярма магнитопровода статора). Поскольку через станину (ярмо) проходит постоянный магнитный поток, не индуктирующий в ней вихревых токов, то она выполняется монолитной стальной. Сердечники главных полюсов чаще всего выполняются шихтованными: они состоят из отдельных пластин, стянутых заклепками, шпильками или др. Такое конструктивное решение используется не для ограничения вихревых токов, а скорее диктуется удобством изготовления полюса. Кроме обмоток возбуждения (ОВ) главные полюса МПТ могут содержать компенсационную обмотку, предназначенную для компенсации размагничивающего действия собственного магнитного поля якоря (реакции якоря), а также стабилизирующую обмотку, используемую для тихоходных двигателей большой мощности при необходимости временного увеличения частоты вращения в,5 раза. Для обеспечения безыскровой коммутации в машине предусмотрены добавочные полюса 4, обмотки которых включаются последовательно в цепь ротора. 6
28 Рис Машина постоянного тока типа П-9 Ротор МПТ чаще называют якорем. Он несет главную обмотку машины, по которой течет ее основной ток. Якорная обмотка 5 располагается в пазах магнитопровода 6. Выводы 7
29 обмотки соединены с пластинами коллектора 7. Магнитопровод и коллектор размещены на общем валу 8. Для нормальной работы машины постоянного тока пазы магнитопровода должны быть строго сориентированы относительно пластин 7. К внешней (активной) поверхности коллектора прижимаются токосъемные щетки. (угольными, графитовыми, композитными и др.). Одна группа может содержать одну или несколько щеток, в зависимости от пропускаемого через контакт тока. Важное значение имеет площадь контакта (прилегание желательно обеспечить близким к 100%) и сила нажатия щетки к коллектору. Щетки устанавливаются в щеткодержатели, которые ориентируют и прижимают щетку. Сами же щеткодержатели размещают на специальных пальцах траверсы 9, смонтированной на внутренней стороне подшипникового щита 10. Траверса имеет возможность поворота вокруг оси машины и фиксации ее в любом выбранном положении, что позволяет при необходимости регулировать положение щеток на коллекторе из условия минимального искрения в щеточном контакте. Машины постоянного тока чаще используются в качестве двигателей, они обладают высоким пусковым моментом, возможностью широко регулировать скорость, легко реверсируются, имеют практически линейные регулировочные характеристики, экономичны. Эти достоинства МПТ часто ставят их вне конкуренции в приводах, требующих широких и точных регулировок. Важным преимуществом МПТ является также возможность их регулирования по слаботочным цепям возбуждения. Тем не менее, используют эти машины только там, где невозможно подобрать равноценную замену. Связано это с наличием щеточно-коллекторного узла, который обуславливает большинство недостатков МПТ: повышает стоимость, сокращает ресурс работы, создает радиопомехи, акустический шум. Искрение под щетками ускоряет износ щеток и пластин коллектора. Продукты износа покрывают внутреннюю полость 8
30 машины тонким проводящим слоем, ухудшая изоляцию токопроводящих цепей. Работа электродвигателя и генератора постоянного тока характеризуется следующими основными величинами: М электромагнитный момент, развиваемый электродвигателем, Н м; М c момент сопротивления (нагрузка, статический момент), создаваемый производственным механизмом, Н м, обычно является приведенным к валу электродвигателя (формулы приведения рассматриваются в лекции 14); I я ток якоря электродвигателя, А; U напряжение, приложенное к якорной цепи, В; Е электродвижущая сила (ЭДС) машины постоянного тока (для электродвигателя ее называют противо-эдс, так как в электродвигателе она направлена навстречу напряжению U и препятствует протеканию тока), В; Ф магнитный поток, создаваемый в электродвигателе при протекании тока возбуждения по ОВ, Вб; R я сопротивление цепи якоря, Ом; ω угловая частота (скорость) вращения якоря ЭД, с -1 (вместо ω часто употребляется величина n, об/мин), 60 ω n =. (4.1) π Р мощность двигателя, Вт, различают механическую (полезную) мощность на валу ЭД Р мех и полную (электрическую) мощность Р мех = М ω, (4.) Р эл = U I я; (4.3) η коэффициент полезного действия МПТ, равный отношению полезной мощности к полной; λ коэффициент перегрузочной способности, различают перегрузочную способность по току λ I и по моменту λ М: 9
31 λ I = I max /I н; λ М = M max /M н. Взаимосвязь параметров МПТ отражена в следующих четырех формулах: dω M M = c dt J, (4.4) E = K Ф ω, (4.5) U E Iя =, R я (4.6) М = К Ф I я, (4.7) где J момент инерции системы электропривода, кг м; dω/dt угловое ускорение вала электродвигателя, c -1 ; К конструктивная постоянная электродвигателя, pn N K =, (4.8) π a где pn число пар главных полюсов; N число активных проводников якоря; a число пар параллельных ветвей якоря. Формула (4.4) является видоизмененной записью основного уравнения движения электропривода dω M Mc = J. (4.9) dt Отметим, что основное уравнение движения является аналогом закона Ньютона a = F/m. Разница лишь в том, что для вращательного движения линейное ускорение заменяется угловым ускорением ε = dω/dt, масса m моментом инерции J, а сила F заменяется динамическим моментом М дин, равным разности момента электродвигателя М и статического момента М с. Формула (4.5) отражает принцип действия генератора постоянного тока, основанный на законе электромагнитной индукции. Для того, чтобы появилась ЭДС, достаточно вращать якорь с некоторой скоростью ω в магнитном потоке Ф. 30
32 ЭДС Е в машине получить невозможно, если отсутствует хотя бы одна из величин: ω (электродвигатель не вращается) или Ф (машина не возбуждена). Формула (4.6) показывает, что ток I я в якорной цепи протекает в двигателе под действием приложенного к якорю напряжения U. Величина этого тока ограничивается вырабатываемой при вращении электродвигателя противо-эдс и суммарным сопротивлением якорной цепи. Формула (4.7) фактически иллюстрирует принцип действия ЭД постоянного тока, основанный на законе взаимодействия тока в проводнике и магнитного поля (закон Ампера). Для возникновения вращающего момента необходимо создать магнитный поток Ф и пропустить ток I я по обмотке якоря. Приведенные формулы описывают все основные процессы в электродвигателе постоянного тока. МПТ различают по способу включения обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения) в электрическую цепь. 1. Машины постоянного тока с независимым возбуждением. Суть термина в том, что электрическая цепь обмотки возбуждения (ОВ) является независимой от силовой цепи ротора ЭД. Для генераторов это практический единственный вариант схемного решения, т.к. по цепи возбуждения происходит управление работой МПТ. Возбуждение в двигателях постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ) может быть выполнена на постоянных магнитах. ДПТ НВ с традиционной ОВ имеют два канала управления напряжением ротора и напряжением обмотки возбуждения. ДПТ НВ являются самыми массовыми электрическими машинами постоянного тока.. Электродвигатели с параллельным возбуждением (ДПТ ПВ). Характеризуются включением ОВ параллельно с цепью якоря ЭД. По своим характеристика близки к ДПТ НВ. 3. ЭД с последовательным возбуждением (ДПТ Посл.В). Обмотка статора включается последовательно с обмоткой ротора, что обуславливает зависимость магнитного потока от то- 31
33 ка якоря (фактически от нагрузки). Имеют нелинейные характеристики, на практике используются редко. 4. Двигатели со смешанным возбуждением являются компромиссным вариантом ЭД с последовательным и параллельным возбуждением. Соответственно в ЭД присутствуют две ОВ параллельная и последовательная. Если неизвестна величина сопротивления обмотки якоря, то можно воспользоваться приближенной формулой. Предполагая, что половина потерь мощности связана с потерями в меди обмотки якоря, запишем формулу I н R я 0,5 (1-η) U н I н, (4.10) где η КПД электродвигателя, Из формулы находим R (1 η) U М U н н η =. н ω I н н н н я; или я. (4.11) Iн Iн R U н I Р 3
34 ЛЕКЦИЯ 5 МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИИ Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Естественные электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ).. Жесткость статической характеристики. 3. Система относительных единиц. 4. Механические и электромеханические характеристики ДПТ НВ в относительных единицах. Прежде чем перейти к рассмотрению характеристик ДПТ НВ, дадим некоторые определения. Механическими характеристиками (МХ) двигателя называются зависимости установившейся частоты вращения от вращающего момента n = f 1 (M) или ω = f (M). Электромеханическими характеристиками (ЭМХ) двигателя называются зависимости установившейся частоты вращения от тока n = f 3 (I) или ω = f 4 (I). Как МХ, так и ЭМХ могут быть представлены и обратными функциями M = ϕ 1 (n) или I = ϕ 4 (ω). Характеристики называют естественными, если они получены при номинальных условиях питания (при номинальных напряжении и частоте вращения), номинальном возбуждении и отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря. Характеристики двигателя называются искусственными при изменении любого из перечисленных выше факторов. Для вывода электромеханической и механической характеристик двигателя постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением рассмотрим простейшую схему включения двигателя (рис. 5.1). 33
35 U + - I Е ДП КО R доп I в ОВ R ДВ + U в - Рис Схема электрическая принципиальная двигателя постоянного тока независимого возбуждения К якорю электродвигателя прикладывается напряжение сети постоянного тока U c = U, которое в установившемся режиме уравновешивается ЭДС (Е) двигателя и падением напряжения в цепи якоря (I я R яц). U = Е + I я R яц, (5.1) где R яц = R я + R доп + R дп + R ко полное сопротивление цепи якоря, Ом; R я сопротивление обмотки якоря, Ом; R доп добавочное сопротивление в цепи якоря, Ом; R дп, R ко соответственно, сопротивления обмоток дополнительных полюсов и компенсационной обмотки, Ом. Класс изоляции Таблица 5.1 Рабочая температура, С А 105 Е 10 В 130 F 155 Н 180 С > Необходимо отметить, что для продолжения расчетов необходимо привести сопротивление обмоток ЭД к рабочей температуре, которая определяется классом изоляции (табл. 5.1) и учесть потери в щеточноколлекторном узле. Приведение сопротивления обмоток в цепи якоря
36 к рабочей температуре t, С, осуществляется по следующей формуле: R = R (1 + α θ), (5.) где R яц t 0 яц t яц t 0 суммарное сопротивление обмоток при температуре t0, определяемое по паспортным данным, Ом; α температурный коэффициент, (С) -1, для меди 3 обычно принимают α = 4 10 (С) -1 ; θ разность между рабочей температурой и t 0, С. Добавочное сопротивление в щеточно-коллекторном узле можно учесть как отношение падения напряжения на контакте щетка коллектор U щ = В к номинальному току якоря. Подставив в уравнение (5.1) значение Е согласно (4.5) и произведя соответствующие преобразования относительно частоты вращения ω, получим электромеханическую характеристику электродвигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения U Iя R яц U R яц ω = = Iя. (5.3) KФн KФн KФн Выразив величину тока якоря через электромагнитный момент (4.7) и подставив значение тока в уравнение (5.3), найдем механическую характеристику двигателя постоянного тока с независимым (параллельным) возбуждением: U R яц ω = M. (5.4) KФ () н KФн Анализируя уравнения (5.3) и (5.4), видим, что математически это уравнения прямой линии, пересекающей ось скоростей в точке ω 0. Величина ω 0 = U/(К Ф) называется скоростью идеального холостого хода, а соотношения R яц R яц Iя = M = ω c (5.5) КФ КФ () 35
37 называют статическим перепадом скорости относительно ω 0, вызванное наличием статического момента на валу двигателя. Правомерна следующая формула ω = ω 0 - ω с. (5.6) Для построения естественной механической характеристики (ЕМХ) необходимо найти две точки. Одна из них определяется из паспортных данных двигателя для номинальных значений n н и М н: ω н = π n н /30 = 0,105 n н, М н = P н /ω н, где P н номинальная мощность двигателя, Вт; n н номинальная частота вращения ЭД, об/мин. Вторая точка соответствует идеальному холостому ходу, когда I = 0; М = 0. Ее можно найти из уравнения (5.3) при подстановке паспортных данных двигателя: Uн ω ω н 0 =. (5.7) Uн Iн R я Построение естественной электромеханической характеристики (ЕЭМХ) происходит аналогичным образом с использованием паспортного значения номинального тока I н. ЕМХ можно построить, зная ω 0 и наклон характеристики, представляющей собой прямую линию. Величину наклона определяют по производной dm/dω = β с, получившей название статической жесткости механической характеристики (KФ) dm β с = =. (5.8) dω R яц На практике используют модуль статической жесткости β = β с. Величина β зависит от сопротивления якорной цепи и магнитного потока возбуждения. С учетом сказанного уравнение механической характеристики можно записать как ω = ω 0 М / β. (5.9) 36
38 Сравнить различные по мощности, току, моменту, числу пар полюсов электрические двигатели позволяет представление характеристик ЭД в относительных единицах. Система относительных единиц достаточно часто используется в технических расчетах и основана на принятии некоторой произвольной величины за базовую. Абсолютные значения параметров одной физической природы k i, отнесенные к базовой величине k баз, можно сравнивать между собой. В относительных единицах o k k i i =. (5.10) kбаз Для анализа характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения за базовые величины примем: U н номинальное напряжение; I н номинальный ток двигателя; М н номинальный момент двигателя; ω 0 скорость идеального холостого хода; Ф н номинальный магнитный поток. Базовое значение сопротивления обычно определяют как R баз = U н / I н, (5.11) где R баз имеет следующий физический смысл это сопротивление цепи якоря, которое ограничивает ток якоря до номинального значения в заторможенном состоянии (ω = 0) и приложенном номинальном напряжении. Чтобы выразить электромеханическую характеристику (5.3) в относительных единицах, необходимо разделить правую и левую части уравнения на скорость идеального холостого хода ω 0 ЕЭМХ. В результате получим выражение o o o U o R яц ω = I, (5.1) o o Ф Ф 37
39 ω где ω o o U o Ф o I o R яц = ; U = ; Ф = ; I = ; R яц =. ω 0 U н Ф н I н R баз Уравнение механической характеристики в относительных единицах можно получить из уравнения (5.1) после подстановки в него выражения I =, где M =. o o M o M o M Ф н Естественные характеристики ДПТ НВ в относительных единицах примут вид: а) электромеханическая б) механическая o o o R яц ω = 1 I, (5.13) o o o ω = 1 М R яц. (5.14) o o с I R o яц М o o яц Статический перепад скорости ω = = R, o o откуда следует, что I = М. Таким образом, в относительных единицах естественные механическая и электромеханическая характеристики совпадают. При М = М н и I = I н из уравнений (5.13) и (5.14) видно, что статический перепад при номинальной нагрузке равен сопротивлению цепи якоря в относительных единицах, то есть o = R o ωсн яц. Величина яц зависит от мощности двигателя и находится в пределах 0, 0,0 для ДПТ НВ мощностью от 0,5 до 1000 квт. Зная относительное сопротивление якоря, нетрудно определить ток короткого замыкания в относительных единицах I к = o Iк I o o o Iк U R яц н. R o =, в абсолютных единицах этот ток равен 38
40 ЛЕКЦИЯ 6 РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ В ДВИГАТЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА Вопросы, рассматриваемые в лекции. 1. Искусственные электромеханические (ИЭМХ) и механические (ИМХ) характеристики ДПТ НВ при изменении сопротивления ротора.. Искусственные электромеханические и механические характеристики ДПТ НВ при изменении магнитного потока. 3. Искусственные электромеханические и механические характеристики ДПТ НВ при изменении питающего напряжения. Реостатное регулирование частоты вращения осуществляется путем введения в цепь якоря дополнительных активных сопротивлений резисторов, т.е. R яц = (R я + R дя) = var при U = U н, Ф = Ф н,. Как видно из уравнения механической характеристики (5.4), при варьировании величины добавочного сопротивления R дя в цепи якоря скорость идеального холостого хода ω 0 остается постоянной, изменяется лишь модуль статической жесткости β, а с ним и жесткость (крутизна) характеристики (рис. 6.1). Например, при введении добавочного резистора сопротивлением R дя = R я модуль статической жесткости искусственной механической характеристики (ИМХ) β и в два раза меньше, чем для естественной характеристики β е, т.е. β и = 0,5 β е. Соответственно в два раза возрастет статический перепад скорости ω = ω + ω = ω. ни не R дя В относительных единицах реостатную механическую характеристику можно записать o o o o o o ω = 1 М R яц = 1 М R яц + R дя (6.1) не 39
Аннотация рабочей программы дисциплины направление подготовки: 23.05.05 Системы обеспечения движения поездов направленность: Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта Дисциплина:
Глава 2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2.1. Механические характеристики электродвигателей и рабочих механизмов Механической характеристикой электродвигателя
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие......................................... 3 Введение............................................ 5 Глава первая Механическая часть электропривода..................... 7 1.1. Краткие
050202. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением Цель работы: Ознакомиться с устройством, принципом действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. Снять его основные характеристики.
ВОПРОСЫ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Переходные процессы в электроэнергетических системах» 1 2 I 1 2 V 1 1. = 80v, U = v 2. = 0v, U = 7 v 3. = 30v, U = v 8 2 Определить значение ЭДС
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е.
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (МПТ) Назначение, области применения и устройство МПТ Генераторы постоянного тока (ГПТ) Двигатели постоянного тока (ДПТ) 1 МПТ обратимы, т. е. они могут работать в качестве: а)
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПО ПРИЕМУ В МАГИСТРАТУРУ НА НАПРАВЛЕНИЕ 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» 1.1 Настоящая Программа, составленная в соответствии с федеральным
Теоретические вопросы 1 Применение, устройство и виды трансформаторов 2 Принцип действия трансформатора, режимы работы 3 Схема замещения трансформатора и его внешняя характеристика 4 Опыты холостого хода
Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Самарской области «Новокуйбышевский нефтехимический техникум» РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Дисциплина Электрические машины Специальность ППССЗ
Двигатели постоянного тока 2015 Томский политехнический университет, кафедра ЭСиЭ Лектор: к.т.н., доцент Васильева Ольга Владимировна 1 Двигатель постоянного тока электрическая машина, преобразующая электрическую
Вариант 1. 1. Назначение, классификация и устройство трансформатора. 2. Абсолютная и относительная погрешности измерения. Класс точности измерительного прибора. 3. При увеличении частоты вращения генератора
УДК 621.3.031.: 621.6.052(575.2)(04) МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС К.К. Келебаев Разработана математическая модель и методика расчета
Тема 8.1. Электрические машины. Генераторы постоянного тока Вопросы темы 1. Электрические машины постоянного и переменного тока. 1. Устройство и принцип работы генератора постоянного тока. 2. ЭДС и вращающий
Асинхронные машины 2015 Томский политехнический университет, кафедра ЭСиЭ Лектор: к.т.н., доцент Васильева Ольга Владимировна Асинхронная машина это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ко второму изданию............................... 10 Предисловие к первому изданию................................ 12 Глава 1. Введение............................................
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Зеленодольский институт машиностроения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Цель работы: 1. Изучить принцип действия и устройство двигателей постоянного тока. 2. Ознакомиться со схемой включения двигателя
Тема 0. Основы электропривода Вопросы темы. Электропривод: определение, состав, классификация.. Номинальные параметры электрических машин. 3. Режимы работы электродвигателей. 4. Выбор типа и мощности электродвигателя..
Перечень тем программы предмета «Электротехника» 1. Электрические цепи постоянного тока. 2. Электромагнетизм. 3. Электрические цепи переменного тока. 4. Трансформаторы. 5. Электронные устройства и приборы.
ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ Цель работы: 1 Ознакомиться с конструкцией трёхфазных асинхронных двигателей Изучить принцип работы асинхронных двигателей 3 Осуществить пуск
УДК 6213031 (5752) (04) РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОМЕХАНИЗМАМИ ТЭС ИВ Бочкарев Приведены результаты работ по созданию асинхронного
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖИ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ ГОУ СПО «Бахчисарайский колледж строительства, архитектуры и дизайна» Электротехника и электроника методические указания и контрольные задания
Тема 9. Электрические машины переменного тока Вопросы темы.. Классификация машин переменного тока.. Устройство и принцип работы асинхронного двигателя. 3. Создание вращающегося магнитного поля. 4. Скорость
Http://library.bntu.by/kacman-m-m-elektricheskie-mashiny Предисловие...З Введение... 4 В.1. Назначение электрических машин и трансформаторов... 4 В.2. Электрические машины электромеханические преобразователи
Тема 7 Трехфазные цепи переменного тока План 1. Общие понятия 2. Получение трехфазного тока 3. Соединения в звезду, треугольник Ключевые понятия: трехфазный ток фаза линейный провод нейтральный провод
Что такое электродвигатель? Электрический двигатель (электродвигатель) является устройством для преобразования электрической энергии в механическую и приведения в движение машин и механизмов. Электродвигатель
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН УВЕРЖДАЮ Декан факультета Додхудоев М. Д. 2011 г. Примерная программа дисциплины «Теория Электропривода» Рекомендуется Министерством Образования Республики
РАБОТА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Оглавление 1. Цель работы. 2 2. Программа работы. 2 3. Основы теории двигателя. 4. Экспериментальное исследование 3 4.1. Пуск
1 Электрические машины Общие сведения Лекции профессора Полевского В.И. Лекция 1 Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее преобразование механической и электрической
МИНИСТЕРСТВО ОБРЗОВНИЯ И НУКИ РФ ФЕДЕРЛЬНОЕ ГОСУДРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРЗОВТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНЛЬНОГО ОБРЗОВНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДРСТВЕННЫЙ ВИЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КОМПЛЕКТ ТТЕСТЦИОННЫХ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет
Введение В синхронных машинах угловая скорость вращения ротора, Ω = 2πn, равна синхронной угловой скорости поля, Ω s = 2πn 1 (термин 37, с.15). Поля статора и ротора в синхронных машинах (как и во всех
3 Содержание Предисловие...5 Введение...7 I. Электромагнитный момент и электромагнитное усилие электрических машин вращательного и поступательного движения. 1. Общее выражение для момента и силы. 14 2.
Общие сведения об электродвигателях Электродвигатель. Виды электродвигателей и их конструктивные особенности. Устройство и принцип действия электродвигателя Электродвигатель преобразует электроэнергию
МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ 2 системы и технологии» Тема 1. Линейные цепи постоянного тока. 1. Основные понятия: электрическая цепь, элементы электрической цепи, участок электрической цепи. 2. Классификация
Четыре закона электромеханики Содержание: 1. Общие сведения 1.1. Преобразование энергии связано с вращающимися магнитными полями 1.2. Для обеспечения непрерывного преобразования энергии необходимо, чтобы
1 Синхронные электрические машины Общие сведения и элементы конструкции Лекции профессора Полевского В.И. Синхронными машинами называются электрические машины переменного тока, у которых магнитное поле,
Введение РАЗДЕЛ I Общая электротехника Глава 1. Электрические цепи постоянного тока 1.1. Основные понятия электромагнитного поля 1.2. Пассивные элементы цепей и их характеристики 1.3. Активные элементы
Примерный тематический план и содержание учебной дисциплины «Электротехника и электроника» Тема.. Электрические цепи постоянного тока Практическое занятие Расчет электрических цепей при последовательном,
Кацман М. М. Расчет и конструирование электрических машин: Учебное пособие для техникумов Рецензенты: Н. Г. Карельская, А. Е. Загорский Кацман М. М. К 30 Расчет и конструирование электрических машин: Учеб.
Асинхронныемашины Асинхроннаямашина этомашина, в которойприработевозбуждается вращающеесямагнитноеполе, норотор которойвращаетсяасинхронно, т.е. со скоростью, отличнойотскоростиполя. 1 Предложена русским
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие... 3 Глава 1. Линейные электрические цепи постоянного тока... 4 1.1. Электротехнические устройства постоянного тока... 4 1.2. Элементы электрической цепи постоянного тока... 5 1.3.
9. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Машины постоянного тока являются обратимыми машинами, т.е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Двигатели постоянного тока имеют преимущества
Тема 13 Синхронные генераторы, двигатели План 1. Конструкция синхронного генератора 2. Принцип действия синхронного генератора 3. Конструкция синхронного двигателя 4. Принцип действия синхронного двигателя
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ПЕРЕЧЕНЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ (МОДУЛЕЙ) ДИСЦИПЛИНЫ п/п Модуль дисциплины Лекции, ч\заочн 1 Введение 0.25 2 Линейные электрические цепи постоянного тока 0.5 3 Линейные электрические
УДК 681.518.22+681.518.5: 621.313.333 В. Ю. ОСТРОВЛЯНЧИК, д.т.н., профессор, зав. каф. АЭП и ПЭ (СибГИУ) И. Ю. ПОПОЛЗИН, аспирант, ст. преподаватель каф. АЭП и ПЭ (СибГИУ) Г. Новокузнецк СРАВНИТЕЛЬНЫЙ
Предисловие 3 Введение 5 Глава первая. Электрические цепи постоянного тока 10 1.1. Получение и области применения постоянного тока 10 1.2. Элементы электротехнических установок, электрические цепи и схемы
М. И. КУЗНЕЦОВ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ ПЯТОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ ПОД РЕДАКЦИЕЙ КАНД. ТЕХН. НАУК С. В. СТРАХОВА Одобрено Ученым советом по профессионально-техническому образованию Главного управления
86 ВЕСТНИК ГГТУ ИМ. П. О. СУХОГО 16 УДК 61.313.1 СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ И. В. ШАШКОВ, Ю. А. РУДЧЕНКО Учреждение образования «Гомельский государственный технический
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие........................................ 5 1. Расчет мощности электроприводов металлорежущих станков 1.1. Общие сведения................................... 7 1.2. Строгальные станки...............................
ФАЖТ ФГОУ СПО Алатырский техникум железнодорожного транспорта Электрические машины Контрольное задание с краткими методическими указаниями для студентов заочного отделения специальности 190304.02 «Техническая
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Контрольно-измерительные материалы Красноярск СФУ 2008 УДК 62-83(07) П12 Рецензент:
Управление образования и науки тамбовской области ТОГАПОУ «Аграрно-промышленный колледж» ПМ 3 «Техническое обслуживание, диагностирование неисправностей и ремонт электрооборудования и автоматизированных
Некоммерческое акционерное общество АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ТЕМА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Задание 1. В соответствии с Вашим вариантом задания (табл. 1, столбцы 2, 3, 4) начертите эскиз поперечного разреза двухполюсной машины постоянного тока и покажите
Промежуточная аттестация (в форме экзамена). Экзамен проходит в форме ответов на билеты. В каждом билете по 3 вопроса по одному из каждого задания. Всего билетов 28. 28 билет счастливый студент сам выбирает
УДК 621.313.323 О ЗАКОНАХ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЯХ Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Уфимский государственный нефтяной технический университет email: [email protected]
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» (ТГАСУ) РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Харьковская национальная академия городского хозяйства
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
«Автоматизированный электропривод»
(для студентов 4 курса дневной и заочной форм обучения по специальности 6.090603 – «Электротехнические системы электроснабжения»)
Харьков - ХНАГХ - 2007
Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод» (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности 6.090603 – «Электротехнические системы электроснабжения»). Авт. Гаряжа В.Н., Фатеев В.Н. – Харьков: ХНАГХ, 2007. – 104 стр.
СОДЕРЖАНИЕ
| Общая характеристика конспекта лекций |
||
| Содержательный модуль 1. Автоматизированный электропривод – основа развития производительных сил Украины . . . . . . . . . . . . | ||
| Лекция 1. | ||
| 1.1. | Развитие электропривода как отрасли науки и техники. . . . . . | 6 |
| 1.2. | Принципы построения систем управления Автоматизированным электроприводом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 2. | ||
| 1.3. | Классификация систем управления АЭП. . . . . . . . . . . . . . . . . . | 13 |
| Содержательный модуль 2. Механика электропривода . . . . . . . . . . | 18 |
|
| Лекция 3. | ||
| 2.1. | Приведение моментов и сил сопротивления, моментов инерции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 4. | ||
| 2.2. | Уравнение движения электропривода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 21 |
| Лекция 5. | ||
| 2.3. | Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Двигательный режим. . . . . . . . . . . | |
| Лекция 6. | ||
| 2.4. | Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 7. | ||
| 2.5. | Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Двигательный режим. . . . . . | |
| Лекция 8. | ||
| 2.6. | Механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 9. | ||
| 2.7. | Механические характеристики асинхронных двигателей. Двигательный режим. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 10. | ||
| 2.8. | Механические характеристики асинхронных двигателей. Режим электрического торможения. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . | |
| Лекция 11. | ||
| 2.9. | Механические и электрические характеристики синхронных двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Содержательный модуль 3. типовые узлы схем автоматического управления двигателями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
| Лекция 12. | ||
| 3.1. | Принципы автоматического управления пуском и торможением двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 13. | ||
| 3.2. | Типовые узлы схем автоматического управления пуском ДПТ. | 77 |
| Лекция 14. | ||
| 3.3. | Типовые узлы схем автоматического управления торможением ДПТ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 15. | ||
| 3.4. | Типовые узлы схем автоматического управления пуском двигателей переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 16. | ||
| 3.5. | Типовые узлы схем автоматического управления торможением двигателей переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Лекция 17. | ||
| 3.6. | Узлы электрической защиты двигателей и схем управления. . . | 98 |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСПЕКТА ЛЕКЦИЙ
Автоматизированный электропривод – главный потребитель электроэнергии. В промышленно – развитых странах более 65% вырабатываемой электроэнергии преобразовывается электроприводом в механическую энергию. Поэтому развитие и совершенствование электропривода, являющегося основой энерговооруженности труда, способствует росту производительности и повышению эффективности производства. Знание свойств и возможностей электропривода позволяет инженеру – электрику обеспечить рациональное использование электропривода с учетом требований, как технологических машин, так и систем электроснабжения. Предмет «Автоматизированный электропривод» изучается в седьмом семестре четвертого года обучения. Учебным планом специальности «Электротехнические системы электропотребления» на него выделены четыре кредита. Они заполнены шестью содержательными модулями, которые изучаются во время лекционных и практических занятий, при выполнении лабораторных работ и расчетно-графического задания.
В данном конспекте лекций изложен материал для изучения первых трех содержательных модулей предмета «Автоматизированный электропривод». В первом содержательном модуле автоматизированный электропривод рассматривается как основа развития производительных сил Украины. Во втором изучаются механические характеристики двигателей, показывающие возможности двигателя при работе, как в двигательном режиме, так и в режиме электрического торможения. В третьем модуле изучаются типовые узлы схем автоматического управления двигателем. На основании изученных во втором модуле свойств двигателей, типовые узлы обеспечивают автоматический пуск, торможение и реверс двигателей в функциях времени, скорости и тока при прямом или косвенном контроле названных величин. Конструктивно типовые узлы объединяются в виде станций управления. Долевое участие станций управления в общем количестве использующихся в Украине электроприводов превышает 80%.
Лекция 1.
1.1. Развитие электропривода как отрасли науки и техники
С давних времён человек стремился заменить тяжёлый физический труд, который являлся источником механической энергии (МЭ), на работу механизмов и машин. Для этого на транспорте и на сельскохозяйственных работах, на мельницах и оросительных системах он использовал мускульную силу животных, энергию ветра и воды, а позже – химическую энергию топлива. Так появился привод – устройство, состоящее из трёх существенно различных частей: двигателя (Д), механического передаточного устройства (МПУ) и технологической машины (ТМ).
Назначение двигателя: преобразование энергии различных видов в механическую энергию. МПУ предназначено для передачи МЭ от двигателя к ТМ. Оно не влияет на количество передаваемой МЭ (без учёта потерь), но может изменять её параметры и для согласования видов движения выполняется в виде ременной, цепной, зубчатой или других механических передач.
В технологической машине МЭ используется для изменения свойств, состояния, формы или положения обрабатываемого материала или изделия.
В современных приводах в качестве источника МЭ используются различные электрические двигатели (ЭД). Они преобразуют электрическую энергию (ЭЭ) в механическую и поэтому привод получил название электропривода (ЭП). Его функциональная схема приведена на рис. 1.1. В её состав, кроме названых элементов, входит управляемый преобразователь (П), с помощью которого ЭЭ от сети подаётся к ЭД.
Изменяя сигнал управления преобразователем U у , можно изменять количество ЭЭ, поступающей от сети к ЭД. В результате этого будет изменяться количество МЭ, вырабатываемой двигателем и получаемой ТМ. Это, в свою очередь, приведёт к изменению технологического процесса, эффективность которого характеризуется регулируемой величиной y(t) .
Приоритет в создании электропривода принадлежит русским учёным
Б.С. Якоби и Э.Х. Ленцу, которые в 1834 году изобрели двигатель постоянного тока, а в 1838 году применили его для приведения в движение катера. Однако несовершенство двигателя и неэкономичность источника электрической энергии (гальванической батареи) не позволили этому электроприводу найти практическое применение.
В середине ХІХ века попытки применения ЭП с двигателем постоянного тока для типографских и ткацких машин предпринимались учёными Франции и Италии. Однако система постоянного тока не давала удовлетворительного решения. К 1890 году только 5 % общей мощности двигателей приводов составляли электрические двигатели.
Широкое применение электропривода связано с изобретением в 1889-1891 годах русским инженером Доливо–Добровольским системы трёхфазного переменного тока и трёхфазного асинхронного двигателя. Простота трёхфазной системы, возможность централизованного производства электроэнергии, удобство её распределения привели к тому, что к 1927 году уже 75 % общей мощности двигателей приводов составляли электрические двигатели.
В настоящее время в ведущих отраслях промышленности отношение установленной мощности электроприводов к общей установленной мощности приводов с двигателями всех видов (тепловых, гидравлических, пневматических) приближается к 100 %. Это определяется тем, что ЭД изготавливаются на разнообразные мощности (от сотых долей ватта до десятков тысяч киловатт) и скорости вращения (от долей оборота вала в минуту до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту); ЭП работает в среде агрессивных жидкостей и газов при низких и высоких температурах; благодаря управляемости преобразователя, ЭП легко регулирует ход технологического процесса, обеспечивая различные параметры движения рабочих органов ТМ; он обладает высоким к.п.д., надёжен в эксплуатации и не загрязняет окружающую среду.
В настоящее время суммарная установленная мощность электрических генераторов Украины превышает 50 млн. кВт. Для распределения такой мощности на всех уровнях напряжения созданы и электрические сети.
Однако в связи со спадом, в первую очередь, промышленного производства обеспечение реального потребления электроэнергии на Украине осуществляется за счет половины указанной мощности. Такой существенный энергетический запас является надежной основой для развития производственных сил Украины, связанного с внедрением новых энергосберегающих технологий, выпуском современной высокотехнологичной продукции, дальнейшим развитием автоматизации и механизации производства. Решение всех, без исключения, названных задач обеспечивается применением различных систем электропривода, увеличением потребления электроприводом электрической энергии, которое в существующей структуре потребления уже приближается к 70%.
1.2. Принципы построения систем управления автоматизированным электроприводом
Отличительной особенностью современного электропривода является то, что в нём сигнал управления преобразователем U у формируется специальным автоматическим управляющим устройством (АУУ) без непосредственного участия человека. Такое управление называют автоматическим, а электропривод – автоматизированным (АЭП).
Систему управления АЭП, как и любую другую систему автоматического управления, можно рассматривать как систему, воспринимающую и перерабатывающую информацию.
В первом канале формируется информация о требуемом значении регулируемой величины q(t) (задающее воздействие).
Во втором канале с помощью датчиков может быть получена информация о действительном значении регулируемой величины y(t) или других величинах, характеризующих ЭП.
Третий канал может подавать в систему управления информацию о возмущающих воздействиях f i (t) в виде сигнала x i (t) .
В зависимости от количества используемых каналов информации различают три принципа построения систем управления автоматизированным электроприводом:
1) принцип разомкнутого управления;
2) принцип замкнутого управления;
3) принцип комбинированного управления.
Рассмотрим функциональные схемы систем управления АЭП.
Систему управления АЭП, построенную по принципу разомкнутого управления, называют разомкнутой системой. В ней используется только один канал информации – о требуемом значении регулируемой величины q(t) . Функциональная схема такой системы управления приведена на рис.1.2.
В узел суммирования на входе АУУ, как и в предыдущем случае, от КО подаётся информация о q(t) . Стрелка, обозначающая q(t) , направлена в незатемнённый сектор узла суммирования. Это означает, что задающий сигнал поступает в узел суммирования со знаком «+».
Автоматическое управляющее устройство формирует сигнал управления преобразователем U y , используя только информацию о величине задающего воздействия q(t) , которое на вход АУУ подаётся от командного органа (КО). В результате того, что на каждый элемент функциональной схемы оказывают влияние возмущающие воздействия f i (t) , количество поступающей к технологической машине механической энергии, а значит и ход
Рис. 1.2 - Функциональная схема разомкнутой системы управления АЭП
технологической операции будут изменяться. В результате этого действительное значение регулируемой величины y(t) может существенно отличаться от требуемого значения q(t) . Разность между требуемым и действительным значением регулируемой величины в установившемся режиме (когда регулируемая величина y(t) не изменяется во времени) называют ошибкой управления Δx(t)= q(t)– y(t) .
Разомкнутые системы АЭП применяются в том случае, если появление ошибки управления не приводит к существенным потерям в технологии (уменьшению производительности ТМ, снижению качества продукции и др.)
В противном случае, когда появление ошибки управления значительно снижает эффективность технологического процесса, для построения системы управления АЭП используют принцип замкнутого управления. Называют такую систему замкнутой.
В ней используются два канала информации: к информации о требуемом значении регулируемой величины q(t) добавляется информация о действительном значении регулируемой величины y(t) . Функциональная схема такой системы управления приведена на рис.1.3.
Информация о действительном значении регулируемой величины y(t) подаётся в узел суммирования с помощью главной обратной связи (ГОС). Говорят, что ГОС «замыкает» систему управления, соединяя её выход с входом.
Стрелка, обозначающая y(t) , направлена в затемнённый сектор узла суммирования, т.е. сигнал ГОС поступает в узел суммирования со знаком «–» и поэтому ГОС называется отрицательной обратной связью.
Рис. 1.3 - Функциональная схема замкнутой системы управления АЭП.
В узле суммирования в результате алгебраического (с учётом знака) сложения сигналов q(t) и y(t) осуществляется определение величины и знака ошибки управления Δx(t)= +q(t) – y(t) . Сигнал ошибки поступает на вход АУУ. Благодаря этому АУУ, формируя сигнал управления преобразователем П на основании информации о реально существующем соотношении заданного и действительного значения регулируемой величины обеспечивает подачу к ЭД такого количества ЭЭ, а к технологической машине МЭ, что ошибка управления может быть уменьшена до допустимой величины или сведена к нулю.
Кроме ГОС, в системе управления могут быть различные внутренние по отношению к ГОС обратные связи (ВОС). Они контролируют промежуточные параметры системы, что улучшает качество процесса управления. Систему, содержащую только ГОС, называют одноконтурной, а имеющую, кроме ГОС, ещё и ВОС – многоконтурной.
В системе, построенной по комбинированному принципу, объединены две структуры – замкнутая и разомкнутая. К замкнутой системе, которая является основной, добавляется разомкнутая структура по третьему каналу информации x 1 (t) об основном возмущающем воздействии f 1 (t). Функциональная схема системы приведена на рисунке 1.4.
Основным является возмущающее воздействие, которое имеет наибольшую составляющую в величине ошибки управления.
Рис. 1.4 - Функциональная схема комбинированной системы управления АЭП
На рис. 1.4 за основное, принято возмущающее воздействие f 1 (t) . Оно контролируется промежуточным элементом (ПЭ) и информация о нём x 1 (t) подаётся в узел суммирования. Благодаря этому, АУУ вводит в сигнал управления преобразователем составляющую, которая компенсирует влияние f 1 (t) на технологический процесс и уменьшает величину ошибки управления. Влияние других возмущающих воздействий на ошибку ликвидирует основная замкнутая система.
Рассмотренные примеры позволяют дать определение понятию «автоматизированный электропривод».
Автоматизированный электропривод представляет собой электромеханическую систему, в которой, во-первых, осуществляется преобразование электрической энергии в механическую. Посредством этой энергии приводятся в движение рабочие органы технологической машины. И, во-вторых, происходит управление процессом преобразования энергии с целью обеспечения требуемых установившихся и переходных режимов работы ТМ.
Лекция 2.
1.3. Классификация систем управления АЭП
Классификация систем управления АЭП может проводиться по многим признакам: по роду тока двигателя системы разделяются на переменный и постоянный ток. По виду сигналов информации и управления – на непрерывные и дискретные системы. В зависимости от характера уравнений, описывающих процессы управления – на линейные и нелинейные системы. Часто их подразделяют по виду преобразователя или основной аппаратуры: система - генератор постоянного тока –двигатель (Г–Д); система - тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д); система - тиристорный преобразователь частоты – двигатель (ТПЧ–Д) и др.
Однако наибольшее распространение получила классификация систем управления АЭП по функциям, выполняемым ими в технологических процессах. Таких функций можно выделить пять.
1. Системы управления процессами пуска, торможения, реверса. Среди них, в свою очередь, можно выделить три группы систем.
Системы первой группы разомкнутые. Применяются в электроприводах с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Преобразователь состоит из силового переключающего устройства (СПУ), подключающего двигатель непосредственно к сети. Вся аппаратура управления – релейного действия (контактная или бесконтактная).
Системы управления второй группы выполняются также разомкнутыми. Они применяются в электроприводах с двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями с фазным ротором, имеют более сложную структуру СПУ, обеспечивающих ступенчатое переключение резисторов или других элементов в силовых цепях двигателя. Обеспечивают управление автоматическим пуском и торможением, при котором ограничиваются ток и момент двигателя. При ручном управлении СПУ возможно регулирование скорости в малом диапазоне.
Системы третьей группы предназначены для осуществления оптимальных процессов пуска, торможения, реверса. Под оптимальными в данном случае понимают переходные процессы, протекающие за минимальное время. Это обеспечивается поддержанием в процессе пуска и торможения величины вращающего момента двигателя на уровне допустимого значения.
Применяются такие системы в электроприводах с повторно-кратковременным режимом работы, когда время установившегося режима мало, либо вовсе отсутствует. Поэтому появление ошибки управления не будет приводить к потерям в технологии и система может не иметь ГОС.
Замкнутый контур регулирования в такой системе образуется отрицательной обратной связью по моменту (току) двигателя. На рис.1.4 она показана как ВОС. Регулируемой величиной в данном случае становится момент двигателя. Поэтому АУУ формирует сигнал управления П таким образом, чтобы в процессе пуска и торможения момент поддерживался на требуемом уровне или изменялся во времени по необходимому закону.
2. Системы поддержания постоянным заданного значения регулируемой величины (системы стабилизации). Регулируемыми являются величины, характеризующие движение рабочего органа ТМ и вала двигателя – скорость, ускорение, момент, мощность и др.
Системы стабилизации построены по замкнутому принципу и могут иметь функциональную схему, приведенную на рис.1.4. В такой системе задающий сигнал q(t)=const. Поэтому уменьшение регулируемой величины y(t) , вызванное появлением возмущающего воздействия f 1 (t) , будет приводить к увеличению сигнала ошибки управления на входе АУУ. Автоматическое управляющее устройство формирует сигнал управления преобразователем в зависимости от применяемого в нём закона управления (типа регулятора). При пропорциональном законе управления в качестве регулятора используется пропорциональное (усилительное) звено с коэффициентом усиления большим единицы (П – регулятор). Поэтому при увеличении сигнала ошибка на входе П – регулятора будет увеличиваться и сигнал управления преобразователем. В результате этого будет увеличиваться количество ЭЭ и МЭ, что приведёт к увеличению y(t) и уменьшению ошибки управления. Однако она не может быть компенсирована полностью, так как в этом случае сигналы на входе и выходе П – регулятора будут равны нулю, к двигателю не будет подаваться ЭЭ и технологический процесс остановится.
Систему стабилизации, в которой ошибка управления не сводится к нулю, а только лишь уменьшается до допустимой величины, называют статической.
При пропорционально – интегральном законе управления регулятор состоит из двух включённых параллельно звеньев – пропорционального и интегрального (П-И – регулятор). Сигнал ошибки поступает одновременно на вход обоих звеньев. Пропорциональная часть регулятора, как и в предыдущем случае, будет усиливать сигнал ошибки. Интегральная часть регулятора сигнал ошибки будет суммировать, т.е. её выходной сигнал будет увеличиваться до тех пор, пока на входе регулятора имеется сигнал ошибки. Поскольку выходной сигнал регулятора (сигнал управления преобразователем) является суммой выходных сигналов пропорциональной и интегральной частей, то до тех пор, пока на входе регулятора будет сигнал ошибки, его выходной сигнал будет увеличиваться. В результате этого будет увеличиваться количество ЭЭ и МЭ в системе и уменьшаться ошибка управления. Когда сигнал ошибки на входе регулятора станет равным нулю, сигнал на выходе регулятора будет больше нуля, благодаря тому, что интегральная часть регулятора после исчезновения сигнала на её входе запоминает суммарное значение выходного сигнала. К двигателю будет подаваться ЭЭ и технологический процесс будет продолжаться.
Систему стабилизации, в которой ошибка управления сводится к нулю, называют астатической.
При пропорционально – интегрально – дифференциальном законе управления параллельно П, И. – звеньям включают дифференцирующее звено (П – И –Д – регулятор).
Выходной сигнал дифференциальной части прямопропорционален скорости изменения сигнала ошибки управления. Суммируясь с сигналами П, И частей регулятора, он дополнительно увеличивает сигнал управления преобразователем и количество ЭЭ, поступающей к двигателю. Это способствует уменьшению динамической ошибки управления, т.е. разности между требуемым и действительным значением регулируемой величины во время переходного режима в системе.
Применяются системы стабилизации в случаях необходимости особо точного поддержания какого-либо параметра техпроцесса, а также при регулировании скорости двигателя в большом диапазоне.
Для формирования процессов пуска и торможения система стабилизации может иметь внутреннюю обратную связь по моменту двигателя (ВОС на рис. 1.4).
Разомкнутый канал управления по основному возмущающему воздействию уменьшает ошибку управления в статических системах.
3. Следящие системы. Как и системы стабилизации построены по замкнутому принципу. Однако задающий сигнал q(t) в них изменяется по случайному закону и действительное значение регулируемой величины y(t) должно повторять (отслеживать) этот закон.
Применяются в технологических машинах, которые требуют, чтобы при повороте входного вала на любой угол выходной вал «следил» за входным и поворачивался на такой же угол.
Когда положение валов совпадает q(t) = y(t) и ошибка управления равна нулю. При изменении положения входного вала q(t) ≠ y(t) . На входе АУУ появляется сигнал ошибки, преобразователь подаёт ЭЭ на двигатель и выходной вал будет вращаться до тех пор, пока не займёт положение входного.
4. Системы программного управления. Применяются в технологических машинах, имеющих несколько электроприводов. Эти привода могут быть построены как по разомкнутому, так и по замкнутому принципу. Общим для них является устройство, изменяющее заданное значение регулируемой величины каждого электропривода по заранее заданной программе. При этом двигатели отдельных рабочих органов автоматически запускаются, работают с заданными скоростями или реверсируются, а перемещающиеся рабочие органы технологической машины не мешают друг другу.
5. Адаптивные системы. Применяются в тех случаях, когда система, построенная по замкнутому принципу, в результате непредвиденных изменений возмущающих воздействий не способна выполнить свою функцию, например, стабилизацию регулируемой величины.
Для обеспечения адаптации (приспосабливаемости) замкнутой системы в её состав вводят дополнительный контур, основу которого составляет вычислительное устройство. Оно контролирует величину q(t) , y(t) , возмущающие воздействия f i (t) , анализирует работу системы стабилизации и определяет необходимые для адаптации изменения параметров или структуры АУУ.
Лекция 3.
2.1. Приведение моментов и сил сопротивления, моментов инерции и инерционных масс
К механической части электропривода относятся вращающаяся часть двигателя, механическое передаточное устройство и рабочий орган технологической машины.
Вращающая часть двигателя (якорь или ротор) служит источником механической энергии.
С помощью МПУ осуществляется преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение рабочего органа ТМ или за счёт изменения соотношения скоростей входного и выходного валов МПУ согласовываются скорости вращения двигателя и рабочего органа. В качестве МПУ могут использоваться цилиндрические и червячные редукторы, планетарная передача, пара винт – гайка, кривошипно-шатунная, реечная, ременная и цепная передачи.
Рабочий орган ТМ является потребителем механической энергии, которую он преобразует в полезную работу. К числу рабочих органов можно отнести шпиндель токарного или сверлильного станка, движущую часть конвейера, ковш экскаватора, кабину лифта, винт теплохода и др.
Элементы механической части ЭП связаны друг с другом и образуют кинематическую цепь, каждый элемент которой имеет свою скорость движения, характеризуется моментом инерции или инерционной массой, а также совокупностью действующих на него моментов или сил. Механическое движение любого из элементов определяется вторым законом Ньютона. Для элемента, вращающегося вокруг неподвижной оси уравнение движения имеет вид:
Где 
– векторная сумма моментов, действующих на элемент;
J – момент инерции элемента;
– угловое ускорение вращающегося элемента.
Для поступательно движущегося элемента уравнение движения имеет вид:
,
Где 
– векторная сумма сил, действующих на элемент;
m – инерционная масса элемента;
– линейное ускорение поступательно движущегося элемента.
С помощью этих уравнений может быть учтено взаимодействие любого элемента с остальной частью кинематической цепи. Это удобно осуществлять путём приведения моментов и усилий, а также моментов инерции и инерционных масс. В результате этой операции (приведения) реальная кинематическая схема заменяется расчётной, энергетически эквивалентной схемой, основу которой составляет тот элемент, движение которого рассматривается. Как правило, этим элементом является вал двигателя М. Это позволяет наиболее полно исследовать характер движения электропривода и режим его работы. Зная параметры кинематической схемы, можно определить и вид движения рабочего органа технологической машины.
Приведение моментов сопротивления от одной оси вращения к другой производится на основании баланса мощности в системе.
В ходе технологической операции рабочий орган, вращающийся на своей оси со скоростью ω м и создающий момент сопротивления М см , потребляет мощность Р м =М см ω м . Потери мощности в МПУ учитываются делением величины Р м на к.п.д. передачи η п . Эту мощность обеспечивает двигатель, вращающийся со скоростью ω и развивающий момент М с , равный приведенному к оси вращения вала двигателя моменту сопротивления М см . На основании равенства мощностей получим:
.
Тогда выражение для определения приведенного момента сопротивления М с имеет вид:
,
Где 
– передаточное число МПУ.
Приведение сил сопротивления производится аналогично. Если скорость поступательного движения рабочего органа ТМ равна υ м и в ходе технологической операции создаётся сила сопротивления F см , то с учётом к.п.д. МПУ уравнение баланса мощностей будет иметь вид:
.
Приведенный момент сопротивления М с будет равен:
,
Где 
– радиус приведения МПУ.
Каждый из вращающихся элементов кинематической схемы характеризуется моментом инерции J і . Приведение моментов инерции к одной оси вращения основано на том, что суммарный запас кинетической энергии движущихся частей привода, отнесённый к одной оси, остаётся неизменным. При наличии вращающихся частей, обладающих моментами инерции J д , J 1 , J 2 , … J n и угловыми скоростями ω, ω 1 , ω 2 , … ω n можно заменить их динамическое действие действием одного элемента, обладающего моментом инерции J и вращающегося со скоростью ω .
В таком случае можно записать уравнение баланса кинетической энергии:
.
Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя будет равен:
,
Где J д – момент инерции ротора (якоря) М;
J 1 , J 2 , … J n – моменты инерции остальных элементов кинематической схемы.
Приведение инерционных масс m , движущихся поступательно, осуществляется также на основании равенства кинетической энергии:
,
Отсюда момент инерции, приведённый к валу двигателя будет равен:
.
В результате выполнения операций приведения реальная кинематическая схема заменяется расчётной, энергетически эквивалентной схемой. Она представляет собой тело, вращающееся на неподвижной оси. Этой осью является ось вращения вала двигателя. На него действуют вращающий момент двигателя М и приведенный момент сопротивления М с . Вращается тело со скоростью двигателя ω и обладает приведенным моментом инерции J .
В теории электропривода такая расчётная схема получила название одномассовой механической системы. Она соответствует механической части АЭП с абсолютно жёсткими элементами и без зазоров.
