Теория электропривода

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Петрозаводский  государственный университет

Кольский филиал

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра электроэнергетики и электротехники

 

Дисциплина: Теория электропривода

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа, вопросы 14,29       

студента     3     курса 

(группа АЭАП - 04/5,5)

заочного отделения 

Физико-энергетического  факультета

специальность 140604– «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

 

 

 

 

 

Научный руководитель

(преподаватель) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2006

 

Содержание.

 

 

 

Введение                                                                                                                         3

 

                                                                                                                      

1. Вопрос 14 Регулирование скорости двигателя путём импульсного изменения

 напряжения  на якоре и его шунтирования.

1.1 Электроприводы  постоянного тока с широтно-импульсным

 регулированием.                                                                                                            4

 

 

2. Вопрос 29 Регулирование скорости в системе преобразователь-двигатель.

2.1. Система преобразователь  частоты - асинхронный двигатель.                           8

 

 

Список литературы                                                                                                       12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Технологические режимы многих производственных механизмов на разных этапах работы требуют движения исполнительного органа с различной скоростью, что обеспечивается либо механическим путем, либо путем электрического регулирования скорости электропривода. Механические способы регулирования реализуются с помощью ступенчатого или плавного изменения передаточного числа i₀ системы. Они требуют введения в кинематическую цепь привода коробок передач, механических вариаторов и других устройств, усложняющих механическую часть электропривода, снижающих его надежность и затрудняющих автоматизацию технологического процесса.

Этих недостатков  лишен другой путь - электрическое  регулирование скорости электропривода, поэтому разработке различных способов его реализации за время развития электропривода уделяется много внимания. В настоящее время механическое регулирование находит ограниченное применение и обычно сочетается с электрическим. В большинстве случаев регулирование скорости механизма обеспечивается заданием различной скорости двигателя, поддержанием ее на заданном уровне, изменением во времени по требуемым законам с определенной точностью. Главная задача - изучение основных способов регулирования скорости и физических свойств регулируемого по скорости электропривода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вопрос 14: Регулирование скорости двигателя путём импульсного изменения напряжения на якоре и его шунтирования.

 

 

1.1 Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным регулированием.

 

Развитие силовой  преобразовательной техники, прежде всего  силовых транзисторов с изолированным  затвором (IGBT - биполярные транзисторы с изолированным затвором) открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного напряжения (тока), которые находят широкое применение в электроприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов: высокие параметры силовой цепи (напряжение до 1500В, ток до 500А с возможностью параллельной работы), малая мощность управления; высокая частота переключений - десятки кГц; модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий обратный диод и элементы цепей управления и защиты, - делают эти приборы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить коммутацию электрических цепей.

Принцип работы привода с двигателем постоянного  тока независимого возбуждения и транзисторным широтно-импульсным регулятором напряжения уясняется из рассмотрения схемы рис.5.26.

 

            UZ VT

Риc.5,26. Схема электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулятором напряжения.

 

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подключается к источнику питания постоянного тока (неуправляемый выпрямитель UZ), имеющему постоянную величину напряжения U_n. Включение - отключение напряжения питания осуществляется ключом - транзистором VT, Частота коммутаций цепи

постоянная, равная f_k = 1/T_h .

Величина среднего напряжения U_ср поступающего к якорю двигателя, определяется отношением времени включенного состояния ключа t_В ко времени периода коммутаций Т_к=t_в+t₀, как это показано на рис.5.27. Если время включенного состояния велико и составляет порядка t_в = 0,95Т_к, то среднее напряжение, поступающее на двигатель, будет максимально и составлять U_макс 0,95U_n. Если уменьшать время включенного состояния ключа VT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться (оно пропорционально заштрихованной площади на рис.5.27, деленной на время Т_к).

 

Из  рис.5.27  следует,  что среднее напряжение  широтно-импульсного регулятора равно

 

 

 

Величину γ = t_в/Т_к называют скважностью импульсов.

 

При размыкании ключа VT ток в якорной цепи двигателя прекратиться мгновенно не может, т.к. цепь якоря обладает значительной индуктивностью. Поэтому после отключения VT ток будет под действием э.д.с. самоиндукции обмотки якоря протекать через шунтирующий диод VD2. Переход тока якоря от транзистора VT к диоду VD2 иллюстрируется диаграммами, представленными на рис.5.28. Величина пульсаций тока зависит от частоты коммутаций f_к - выше частота, меньше амплитуда пульсаций. В настоящее время щиротно-импульсные регуляторы (ШИР) проектируются с частотой 2-10кГц и более. При высоких частотах амплитуды пульсаций тока будут незначительными и существенно меньше, чем при использовании тиристорных преобразователей с импульсно-фазовым управлением, питающихся от промышленной сети напряжением частотой 50Гц.

 

Среднее напряжение, поступающее на якорную цепь двигателя,     будет     равно

U_d =U„γ и, следовательно, механические характеристики электропривода в данной схеме будут описываться выражением (см.5.30)

 

 

 

Заметим, что  величина скважности у может изменяться от О до 0,95. Величина U_n зависит от схемы выпрямления. При достаточно мощном фильтровом конденсаторе она приближается к амплитудному значению линейного напряжения переменного тока.

 

 

Рис.5.29. Схема реверсивного электропривода постоянного тока с  широтно-импульсным регулятором напряжения.

 

Важным достоинством схем с широтно-импульсным регулированием напряжения является то, что на входе преобразователя устанавливается неуправляемый выпрямитель, вследствие чего его cosφ₁ (по первой гармонике) близок к единице, а коэффициент мощности будет не ниже 0,95.

Для реализации реверсивного привода с ШИР-регулятором  напряжения используется мостовая схема  включения силовых транзисторных  ключей, показанная на рис.5.29. В этой схеме якорь двигателя включен в диагональ моста ключей VT₁-VT₄. Протекание тока в одном направлении происходит через транзисторные ключи VT₁-VT₃, в другом - через ключи VT₂-VT₄. Для обеспечения непрерывности тока служат обратные диоды VD.

Широтно-импульсное регулирование напряжения может  в данной схеме производиться двумя способами: первый аналогичен расмотренному для нереверсивных схем (рис.5,27), второй предусматривает двуполярную коммутацию за время каждого периода заданной тактовой частоты (рис.5.30). В последнем случае в течение времени t_в включены ключи VT₁ и VТ₃, а в течение времени (T_K-t_e) включены ключи VT₂ и VT₄,

Среднее напряжение U_cp на нагрузке (якорной цепи двигателя) будет пропорционально разности заштрихованных площадей. Когда t_в > 0_,5T_K напряжение положительно, когда t_e - 0,5T_K оно равно нулю; когда t_в < 0,5Т_к среднее напряжение отрицательно.

Величина среднего напряжения при двухполярной коммутации будет:

 

 

Рис.5.30. Диаграмма напряжений ШИР при двуполярной коммутации.

 

где; Y= t_в / T_K -отношение времени включенного состояния ключей TV₁ TV₃ ко времени периода.

Применяется также  комбинированный алгоритм коммутации, когда при значениях U_cp< 0,5 U_n производится двуполярная коммутация, а при U_cp>0_,5U_n -однополярная, или когда на части периода Т_к открыты   ключи   VT₂-VT₄, на части все ключи закрыты.

Процесс торможения в реверсивном электроприводе постоянного тока с ШИР (см. рис.5.29) происходит следующим образом. Если в двигательном режиме для выбранного направления вращения работали транзисторные ключи VT₁ и VT₃, то в режиме торможения эти ключи будут закрыты и открываются ключи VT₄ и VT2, которые также работают в щиротно-импульсном режиме. Ток в цепи якоря двигателя меняет свое направление, совпадая по направлению с э.д.с. якоря Е_я, Величина тока ограничивается на требуемом уровне посредством широтно-импульсного регулирования работы ключей VT₄ и VT₂. Ток якоря попеременно проходит через эти ключи, когда они открыты, и через обратные диоды VD, включенные встречно параллельно ключам VT₁ и VT₃ (когда ключи VT₄ и VT₂ закрыты). В первом случае энергия торможения накапливается в индуктивности обмоток якоря. Во втором случае энергия торможения расходуется на подзаряд конденсатора С, напряжение на котором под действием суммы э.д.с. якоря и э.д.с. самоиндукции обмоток якоря растет. Благодаря этому источник питания UZ в самом начале процесса торможения оказывается заперт. Когда напряжение на конденсаторе достигнет определенной величины, открывается транзистор VT₅ и происходит частичный разряд конденсатора на тормозное сопротивление R.

В схемах с широтно-импульсными  регуляторами и нерегулируемым источником постоянного тока режим торможения с отдачей энергии в сеть невозможен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Вопрос 29: Регулирование скорости в системе преобразователь-двигатель.

 

 

2.1. Система преобразователь частоты - асинхронный двигатель.

 

Наименьшим числом ступеней преобразования энергии обладают вентильные преобразователи частоты Они содержат ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в преобразователях частоты со звеном постоянного тока В преобразователе частоты с непосредственной связью функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого изменяются с требуемой частотой с помощью системы управления преобразователем. Как следствие, наиболее близкими к системе ТП-Д массогабаритными показателями обладает система ПЧ-АД с преобразователем с непосредственной связью. Однако различия по мере совершенствования вентильных преобразователей частоты постепенно сокращаются, и существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД.

Известно, что  вентильные преобразователи частоты  могут обладать либо свойствами источника напряжения, либо свойствами источника тока. В первом случае наряду со входом управления частотой u_y.ч преобразователь имеет вход управления напряжением u_ун (рис.6.13,a). В случае инвертора тока регулирование магнитного потока машины при регулировании частоты осуществляется по входу управления током u_ут (рис.6.13,б).

Канал управления частотой может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное формирование частоты  напряжения и тока. При непрерывном  формировании синусоидальных напряжений или токов заданной частоты его можно считать практически безынерционным. Канал управления напряжением или током воздействует на тиристорный преобразователь, и его быстродействие может оцениваться быстродействием этого управляемого преобразователя

При таком управлении напряжением в схеме рис.6.13,а или током в схеме рис.6.13,б, которое обеспечивает постоянство потокосцепления Ψ₁=const, или при постоянстве Ψµ или Ψ₂ в пределах значений абсолютного скольжения s_a≤s_k уравнение механической характеристики двигателя имеет вид

В системе ПЧ-АД (рис 6.13)

Дополнив эти  уравнения уравнением движения электропривода, получим систему уравнений, которой  соответствует представленная на рис.6.14 структурная схема системы ПЧ-АД.

Параметры β и Т_э в этой структуре должны соответствовать требуемому режиму работы электромеханического преобразователя: Ψ₁=const, Ψµ=const или Ψ₂=const.

Динамические  свойства системы ПЧ-АД как объекта  управления менее благоприятны, чем  динамические свойства регулируемых электроприводов  постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением. Так, при питании от источника напряжения потокосцепления Ψ₁, Ψ₂, Ψµ сложно зависят от напряжения U₁ частоты f₁ и абсолютного скольжения s_a.

Для поддержания  потока на заданном уровне при этих условиях необходимо регулирование его либо по отклонению, либо по принципу компенсации. В последнем случае управление напряжением u_ун (рис.6 13,о) или током u_ут (рис 6 13,б) реализуется на основе известной взаимосвязи между Ψ₁, ,Ψµ,,Ψ₂ управляющими воздействиями U1 или I1 и факторами f1 и s_a.

Взаимосвязь U₁ и Ψ₁ можно определить с помощью уравнений электрического равновесия, записанных в векторной форме для статического режима в осях х, у, и представить в виде

Зависимость (6.17а) позволяет для текущих значений частоты и абсолютного скольжения определять значения напряжения U₁ которые в статическом режиме работы соответствуют условию Она используется для формирования структуры функционального преобразователя, управляющего напряжением преобразователя частоты в процессе работы электропривода.

В динамических режимах изменениям момента двигателя  соответствуют изменения угла между вектором напряжения или тока статора и вектором намагничивающего тока машины (см. рис.3.27,в и 3.40,б). При неизменной фазе вектора (или при питании от источника тока) изменения указанного угла реализуются за счет соответствующих перемещений ротора, и вследствие механической инерции возникают несоответствия, нарушающие выполнение условия Изменения основного потока машины вызывают проявления электромагнитной инерции, и динамические свойства электропривода как объекта управления существенно ухудшаются. Сравнивая векторные диаграммы на рис.3.27,в и 3.40,б, можно установить, что при частотно-токовом управлении, когда преобразователь частоты обладает свойствам и источника тока , изменения угла между управляющим вектором и вектором намагничивающего тока наиболее значительны. При этом для поддержания постоянства потока в динамике необходимо не только изменять амплитуду, но и корректировать фазу вектора тока статора.

Для определения  необходимых для такого управления количественных связей запишем уравнения  механической характеристики в осях х, у (ω_к=ω_0эл):

Уравнения потокосцепления  ротора

Поставив цель поддерживать постоянным вектор потокосцепления ротора , совместим с его осью X, при этом Ψ_2x=Ψ_2max, Ψ_2y=0, и из уравнений потокосцепления получим

Подставляя  эти соотношения и значения dΨ_2x/dt=dΨ_2y/dt=0 в уравнения механической характеристики, получаем

Отсюда

Векторная диаграмма, соответствующая полученным соотношениям, приведена на рис.6.13,в. Она показывает, что составляющая i_1x вектора тока статора является намагничивающим током и при Ψ₂=const, i_1x=const. Составляющая i_1y представляет собой активный ток, которому при Ψ₂=const пропорционален момент двигателя. С помощью векторной диаграммы определим искомые соотношения, позволяющие обеспечить условие Ψ₂=const в динамических процессах:

Следовательно, при частотно-токовом управлении электроприводом система управления преобразователем должна обеспечивать возможность формирования первой гармоники тока статора для поддержания Ψ₂=const в соответствии с (6.176) и (6.17в):

Поэтому показанный на рис.6.13,б инвертор тока ПЧ(ИТ) снабжен  кроме входов управления амплитудой u_ут и частотой тока u_уч также входом управления фазой тока ы_уф. Уравнение механической характеристики при Ψ₂=const

где

При идеальном  поддержании Ψ₂=const электромагнитная постоянная Т_э в структуре на рис.6.14 равна нулю. Однако практически в связи с неточностями компенсации возможные проявления электромагнитной инерции следует учитывать малой некомпенсируемой постоянной Т_э.

Значение Т₃ при Ψ₁=const определяется по (3.89). Этим же соотношением можно пользоваться при Ψµ=const, подставляя вместо х_к значение х'₂.

Однако следует  отметить, что внимания заслуживают  и такие законы управления, которые обеспечивают снижение потерь энергии, выделяющихся в двигателе. В частности, управление, близкое к оптимальному по критерию минимума потерь, осуществляется при поддержании абсолютного скольжения, равного критическому при всех нагрузках: s_a=s_k=const. Этому условию при каждом моменте М соответствуют наименьшие значения тока статора I₁=I_1min при М=const.

При использовании  такого управления следует учитывать, что при уменьшении нагрузки от М_ном до 0 снижение потерь достигается из-за уменьшения тока намагничивания I_µ, т. е. потока машины Ф_µ. А это означает, что при управлении при s_a=s_k=const основной поток изменяется в широких пределах, что приводит к сильному влиянию электромагнитной инерции, существенно снижающему быстродействие при регулировании координат.

Коэффициент полезного  действия системы ПЧ-АД с вентильным преобразователем несколько ниже, чем в системе ТП-Д, если имеется звено постоянного тока, так как при этом преобразование напряжения и тока осуществляется дважды.

Однако и  в этом случае в связи с малыми потерями энергии в тиристорах он остается достаточно высоким.

Коэффициент мощности в этой системе близок к значению коэффициента мощности в системе ТП-Д, если в качестве звена постоянного тока используется тиристорный преобразователь. Он достаточно высок только в системах с неуправляемым выпрямителем, однако при этом отсутствует возможность рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах электропривода. Использование режимов рекуперации энергии может существенно снижать потребление энергии установкой за цикл работы, поэтому при сравнении вариантов системы этот фактор необходимо учитывать.

 

Список литературы.

 

 

 

 

1. Ключев В.И. Теория электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1998. 560 с.

 

2. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. Учебник. С.-П.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.

 

3. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1992.

 

4.   Москаленко  В. В.  Автоматизированный электропривод.   М.: Энергоатомиздат,              1986. 415 с.