Автоматизированный электропривод. Автоматизированный и автоматический электропривод в чем разница? Классификация электронных устройств СЭП

Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet: Лекции по дисциплине «Автоматизированный электропривод» Литература 1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, – 576 с. 2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, –368 с. 3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., – 430 с. 4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с. 5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, с. 6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, с. 7. ГОСТ Р –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России. 8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, с. 9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по основам электропривода для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», – 45 с. 10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, с. Рекомендуемые сайты в Internet:

Источник электрической энергии (ИЭЭ) Управляющее устройство (УУ) Преобразовательное устройство (ПРБ) Электродвигательное устройство (ЭД) М Передаточное устройство (ПРД) Потребитель механической энергии (ПМЭ) U,I,f М д, ω д U д,I д,f д F д, V д М м (F м), ω м (V м) задания Рисунок 3 – Структурная схема АЭП

3 Коэффициент полезного действия АЭП Как и для всякого электромеханического устройства, важным показателем является коэффициент полезного действия АЭП = ПРБ · ЭД · ПРД Так как коэффициент полезного действия ПРБ и ПРД1 и мало зависит от нагрузки, то АЭП определяется ЭД, которое также является достаточно высоким и при номинальной нагрузки составляет 60-95%.

4 Достоинства АЭП 1) низкий уровень шума при работе; 2) отсутствие загрязнения окружающей среды; 3) широкий диапазон мощностей и угловых скоростей вращения; 4)доступность регулирования угловой скорости вращения и соответственно производительности технологической установки; 5)относительная простота автоматизации, монтажа, эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например, внутреннего сгорания.

Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники – было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое – мехатронный модуль движения.

Рассмотрим обобщенную структуру электропривода (рис. 6.25). В ней можно выделить два взаимодействующих канала – силового, выполняющего передачу и преобразование энергии из электрической в механическую, и информационного.

В зависимости от требований к электроприводу в качестве электромеханического преобразователя используются различные электрические машины: асинхронные и синхронные переменного тока, коллекторные и бесколлекторные постоянного тока, шаговые, вентильно-реактивные, вентильно-индукторные и т. д.

Информационный канал предназначен для управления потоком энергии, а также сбора и обработки сведений о состоянии и функционировании системы, диагностики ее неисправностей. Информационный канал может взаимодействовать со всеми элементами силового канала, а также с оператором, другими системами электропривода и системой верхнего уровня управления.

Рис. 6.25. Обобщенная структура электропривода

Долгое время массовое применение регулируемых приводов сдерживалось двумя факторами:

относительно малыми допустимыми значениями токов, напряжений и частоты переключений силовых полупроводниковых приборов;

ограничением сложности алгоритмов управления, реализуемых в аналоговой форме или на цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции.

Появление тиристоров на большие токи и напряжения решило проблему статического преобразователя для электропривода постоянного тока. Однако необходимость принудительного закрывания тиристоров по силовой цепи существенно усложняла создание автономных инверторов для частотноуправляемого электропривода переменного тока. Появление мощных полностью управляемых полевых транзисторов, обозначаемых в зарубежной литературе MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor), и биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) привело к бурному развитию преобразовательной техники и постоянному расширению сферы применения асинхронных электроприводов с преобразователями частоты. Другим фактором, обусловившим возможность массового внедрения частотноуправляемого электропривода, было создание однокристальных микроконтроллеров достаточной вычислительной мощности.

Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:

Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока . Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10 % от общего числа приводов.

Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями . Большинство таких приводов (около 80 %) – нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.

Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными , т. е. электронно-коммутируемыми двигателями . В качестве исполнительных бесколлекторных машин постоянного тока (БМПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов – индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

6.2.1. Асинхронные электроприводы
со скалярным управлением

Скалярные способы управления обеспечивали достижение тре­буемых статических характеристик и использовались в электропри­водах со «спокойной» нагрузкой . На входе этих систем, как прави­ло, включались задатчики интенсивности, которые ограничивали скорость нарастания (убывания) входного сигнала до такой величи­ны, при которой процессы в системе можно считать установившимися, то есть в уравнении можно было бы пренебречь слагаемым , так как .

На рис. 6.26 приведены механические характеристики асинхрон­ного короткозамкнутого двигателя для всех четырех законов управ­ления для линейной модели, не учитывающей насыщение магнитопровода. Следует повторить, что перечисленные законы управления широко использовались и хорошо себя зарекомендовали в электро­приводах, где не требуется быстродействия по управлению и нет резких изменений момента нагрузки.

Рис. 6.26. Механические характеристики АКЗ
при различных законах управления

Простейшим из перечисленных законов является первый: .Этот закон при использовании инвертора с синусоидальной ШИМ реализован практически во всех полупроводнико­вых преобразователях, которые выпускаются многочисленными фирмами и предлагаются на рынке. Удобство этого закона заключа­ется в том, что электропривод может работать без отрицательной обратной связи по скорости и обладать естественной жесткостью механических характеристик в ограниченном диапазоне регулиро­вания скорости.

В электроприводах со скалярным управлением для регулирова­ния или стабилизации скорости используются и иные соотношения между частотой и напряжением. Выбор этого соотношения зависит от момента нагрузки и определяется из условий сохранения пере­грузочной способности:

где М max – максимальный момент АКЗ, Μ Н – момент нагрузки на валу машины.

Закон изменения напряжения и частоты, удовлетворяющий тре­бованию (6.15) при допущении r s = 0, установлен
М.П. Костенко. Этот закон имеет вид

где U НОМ , f НОМ , Μ НОМ – номинальные значения, приводимые в паспортных данных машины.

Если закон изменения момента заранее известен, то можно оп­ределить требуемое соотношения напряжения и частоты на выхо­де инвертора. Рассмотрим три классических вида нагрузок на валу машины:

M H = const, ; P H = M H wm = const, ; . (6.16)

В имеющихся на рынке преобразователях часто предусматри­вается возможность перестройки с целью обеспечения всех трех законов. Схема электропривода, реализующая рассмотренные за­коны, показана на рис. 6.27. Функциональный преобразователь (ФП) реализует одну из зависимостей (6.16), определяемую харак­тером нагрузки. Полупроводниковый преобразователь (ПП) вклю­чает в себя автономный инвертор и его систему управления, задатчик интенсивности (ЗИ), как уже было отмечено, формирует медленно нарастающий входной сигнал. В этом случае в электроприводе нарастание скорости не будет сопровождаться интенсивными колебаниями момента и тока, которые наблюдаются при прямом пуске.

Рис. 6.27. Функциональная схема разомкнутого асинхронного

При более сложных нагрузках используются иные законы скалярного регулирования, которые реализуются с использованием обратных связей. Эти законы рассмотрены выше на основании анализа работы асинхронной машины в установившемся режиме.

Рассмотрим ещё один скалярный закон управления, который используется при построении электроприводов с автономными инверторами тока – это закон ψ R = const.

Реализация этой зависимости в электроприводе показана на функциональной схеме (рис. 6.28). Такие системы получили назва­ние частотно-токовых.

Блок ПП в системе может быть реализован двояким способом. В первом случае (рис. 6.28) он содержит управляемый выпрямитель, последовательный индуктивный фильтр и автономный инвертор. Следует подчеркнуть, что индуктивный фильтр придаёт инвертору характеристику источника тока. Такой источник тока называется параметрическим.

Рис. 6.28. Функциональная схема асинхронного
электропривода со скалярным управлением

6.2.2. Асинхронные электроприводы
с векторным управлением

На рис. 6.29 показана структура привода переменного тока с векторным управлением. В качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторных двигателей постоянного тока.

В качестве силового преобразователя используется инвертор на IGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения звена постоянного тока и минимизацию динамических потерь в инверторе (ниже более подробно).

Рис. 6.29. Структурная схема привода
переменного тока с векторным управлением

Структура на рис. 6.29 предполагает использование импульсного датчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятся непосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценки положения, который может быть реализован на основе специального периферийного устройства – таймера с «квадратурным» режимом работы . Код механического положения ротора программно преобразуется в код электрического положения ротора внутри полюсного деления машины q. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либо специальные периферийные устройства микроконтроллера, принцип действия которых основан на измерении временного интервала отработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости) , либо периферийные устройства общего назначения, такие как процессоры событий или менеджеры событий . В последнем случае таймер, работающий в «квадратурном» режиме является базовым для одного из каналов сравнения. Как только двигатель отработает заданный отрезок пути, возникнет прерывание по сравнению. В процедуре обслуживания этого прерывания центральный процессор определит временной интервал с момента предыдущего прерывания и выполнит расчет текущей скорости привода w. Желательно, чтобы таймер, работающий в «квадратурном» режиме допускал начальную инициализацию в соответствии с числом меток на оборот импульсного датчика положения, а также имел режим автоматической коррекции своего состояния по реперному датчику. Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением как по числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так и с регулируемым разрешением по времени (максимальное разрешение 50 – 100 нс при диапазоне регулирования разрешения 1:128). Если перечисленные выше требования к периферийным устройствам микроконтроллера будут выполнены, то окажется возможным измерение скорости в диапазоне, как минимум, 1:20000 с точностью, не хуже 0,1%. Для измерения электрических переменных микроконтроллер должен иметь встроенный АЦП с разрешением не ниже 10 – 12 двоичных разрядов и временем преобразования не хуже 5 – 10 мкс. Как правило, восьми каналов АЦП достаточно для приема не только сигналов обратных связей по токам фаз, но и сигналов обратных связей по напряжению и току в звене постоянного тока, а также внешних задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналы используются для реализации защит инвертора и двигателя. Работа АЦП будет более производительной, если микроконтроллер допускает режим автоматического сканирования и запуска процесса преобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельного периферийного устройства – процессора периферийных транзакций , либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий или генератора ШИМ-сигналов. Желательно, чтобы выборка как минимум двух аналоговых сигналов была одновременной.

В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняется сначала преобразование компонент вектора напряжения к полярной системе координат (g, r), связанной с продольной осью ротора, а затем, с учетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор, внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторов в абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируются напряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя U a , U b , U c . Все перечисленные выше преобразования координат (прямые и обратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться в реальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализации системы векторного управления микроконтроллер имел встроенную библиотеку функций , адаптированных для эффективного управления двигателями, в том числе функций преобразования координат. Время реализации каждой из этих функций не должно превышать нескольких микросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управления асинхронными двигателями является необходимость использования дополнительного вычислительного блока, в котором производится оценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора. Это делается на основе решения в реальном времени системы дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с математической моделью двигателя. Естественно, что подобная операция требует дополнительных вычислительных ресурсов центрального процессора.

6.2.3. Вентильные и бесконтактные
машины постоянного тока

Бесконтактные машины постоянного тока (БМПТ) и вен­тильные машины (ВМ) – это синхронный двигатель в замкнутой системе (рис. 6.30), реализованной с использова­нием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и силового полупроводникового преобра­зователя (СПП).

Разница между БМПТ и ВМ заключается только в способе фор­мирования напряжения на выходе силового полупроводникового преобразователя. В первом случае формируется импульсное напряжение (ток) на обмотках машины. Во втором случае на выходе СПП форми­руется синусоидальное или квазисинусоидальное напряжение (ток).

Следует заметить, что БМПТ отличаются от шаговых машин тем, что включены в замкнутую систему формирования напряже­ния. В них напряжение формируется в зависимости от положения ротора, и это является их принципиальным отличием от шаговых, в которых положение ротора зависит от числа управляющих им­пульсов.

Рис. 6.30. Функциональная схема БМПТ и ВМ

Особняком в ряду синхронных машин стоят гистерезисные и реактивные двигатели. Эти машины редко используются в электро­приводе.

Из всех рассмотренных типов синхронных машин в управляе­мых системах наиболее перспективными считаются вентильные машины.

В ряде применений, например, для приводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателями постоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутации поддерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровень тока. Структура системы управления при этом заметно упрощается. Особенность схемы (рис. 6.31) состоит в том, что ШИМ‑генератор обеспечивает сразу две функции: автокоммутацию фаз двигателя по сигналам датчика положения и поддержание тока на заданном уровне путем регулирования приложенного к обмоткам двигателя напряжения.

Первая функция может быть реализована автоматически, если генератор имеет встроенный блок управления выходами , допускающий прием команд от процессора событий. Вторая функция традиционна и реализуется путем изменения скважности выходных ШИМ-сигналов. Для оценки положения ротора двигателя можно использовать либо датчик положения на элементах Холла, либо более дорогой импульсный датчик положения. В первом случае сигналы с датчика положения вводятся в микроконтроллер на входы модулей захвата процессора событий .

Отработка двигателем каждого целого шага идентифицируется процессором событий и вызывает автокоммутацию ключей инвертора. Прерывание, возникающее при каждом захвате фронта сигнала с датчика, используется для оценки времени между двумя соседними переключениями и, далее, – скорости привода. Во втором случае можно получить более точную информацию о текущем положении ротора двигателя и о его скорости, что может потребоваться в приводах с интеллигентным управлением углом коммутации в функции скорости. Таким образом, полноценные системы векторного управления приводами переменного тока требуют для своей реализации высокопроизводительных микроконтроллеров с широким набором перечисленных выше встроенных периферийных устройств, допускающих совместную работу и требующих от центрального процессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.

Рис. 6.31. Блок-схема системы управления
бесколлекторным двигателем постоянного тока

6.3. Силовые полупроводниковые
преобразователи в системе
автоматизированного электропривода

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах автоматики выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между потребителем мощности (как правило, электрическим двигателем) и основным источником питания (рис. 6.32). По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы :

управляемые выпрямители (УВ) , которые преобразуют переменное, обычно синусоидальное напряжение источника питания постоянной частоты (как правило, промышленной
f и = 50 Гц или f и = 400 Гц) и с постоянным действующим значением (обычно U и = 220 В или U и = 360 В), в регулируемое выходное напряжение постоянного тока (U п = var, f п = 0).

широтно-импульсные преобразователи (ШИП) , которые преобразуют постоянное напряжение источника питания
(U и = const, f и = 0) в постоянное регулируемое напряжение постоянного тока на выходе (U п = var, f п = 0).

автономные инверторы (АИ) , которые преобразуют постоянное напряжение питания (U и = const, f и = 0) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ ) преобразуют переменное, обычно синусоидальное, напряжение постоянной частоты (f и = 400 Гц или f и = 50 Гц) постоянного действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U п = var, f п = var).

Рис. 6.32. Базовые способы использования силовых преобразователей

Следует заметить, что здесь постоянные напряжения (f = 0) характеризуются средними значениями U и.ср, U п.ср, а переменные (f ¹ 0) – действующими значениями (U и, U п).

Таким образом, силовые преобразователи УВ, ШИП могут использоваться для управления (напряжением, током, мощностью) потребителями постоянного тока. Причем, последние могут быть не только электрическими двигателями, но и являться потребителями с активной (резистивной) нагрузкой (такие силовые преобразователями применяются в регулируемых источниках питания). Если источником питания является сеть переменного тока, то может быть применен либо УВ, либо сочетание выпрямителя и ШИП.

Для потребителей переменного тока (которым чаще всего является машина переменного тока) применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ и АИ, либо выпрямителя и АИ.

6.3.1. Управляемые выпрямители

Источником энергии для управляемых выпрямителей является сеть переменного тока. Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод питающего напряжения электронный ключ (как правило, тиристор) открывается и подает напряжение к потребителю лишь часть этого полупериода. Напряжение и ток на выходе управляемого выпрямителя содержат постоянные и переменные составляющие. Изменяя момент (фазу) открытия электронного ключа, меняют среднее значение напряжения на входе потребителя мощности. Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления двигателем постоянного тока по цепи якоря.

Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Рассмотрим работу простейшей двухполупериодной тиристорной схемы с чисто активной нагрузкой R н (рис. 6.33).

К источнику синусоидального напряжения сети U и с амплитудой н через тиристорный мост
VS1 – VS4 . Диагональные тиристоры VS1 , VS4 и VS2 , VS3 открываются попарно, поочередно в момент времени, определяемый углом отпирания a.

В интервал α < wt < 180° к нагрузке подводится напряжение U п = U m sin wt .На рис. 6.35 кривая напряжения на нагрузке закрашена темным цветом.

Так как нагрузка активная (резистивная), кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени wt = 180° ток уменьшается до нуля и соответствующая пара диагональных тиристоров закрывается. Этот процесс повторяется каждый полупериод. Управление тиристорами осуществляют импульсами малой длительности с достаточно крутым передним фронтом, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а следовательно, его нагрев.

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу a,при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы aуправляющего импульса достигается изменением уровня напряжения сигнала управления U упр. Функциональная схема управления приведена на рис. 6.34. Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод.

Многие ошибочно полагают что электропривод – это электродвигатель выполняющий какую-то работу. На самом деле это не совсем верно. В систему электропривода входит не только электродвигатель, но и редуктор, система управления к нему, датчики обратной связи, различные реле и пр. Это не электрическая система, а электромеханическая. Она может быть регулируемой (автоматизированной, автоматической или не автоматизированной) или не регулируемой (насосы бытовые и пр.). Мы рассмотрим виды регулируемых устройств.

Не автоматизированный электропривод

При работе данного устройства все действия по регулированию каких-либо координат выполняются в ручном режиме. То есть для работы данного типа устройств необходим оператор, человек который будет следить за правильностью выполнения процессов. Как пример можно привести крановый электропривод, где все действия выполняются оператором.

Автоматизированный электропривод

В отличии от не автоматизированных приводов, в автоматизированных присутствуют сигналы обратной связи по координатам или параметрам (ток двигателя, скорость, положение, момент). Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема автоматизированного электропривода

ЗА – защитная аппаратура (автоматические выключатели, предохранители и пр.)

ПЭЭ – преобразователь электрической энергии (частотник, тиристорный преобразователь)

ДТ – токовый датчик

ДН – датчик напряжения

СУ ПЭЭ – система управления преобразователем

ПУ – пульт управления

ПМ – передаточный механизм (муфта, редуктор и пр.)

РО – рабочий орган

ЭД — электродвигатель

При такой структуре управления СУ ПЭЭ управляет не только преобразователем, но и всей системой сразу. При таком управлении датчики обратной связи обеспечивают контроль за параметрами и сигнализируют об этом оператору. Данная система в автоматическом режиме может проводить некоторые операции (пуск, останов и пр.), но все равно требуется присутствие человека, для контроля, за работой данного устройства. Например, пуск много конвейерной линии, где пускаются не все конвейеры сразу, а по очереди, где учитывается также время пуска каждой линии и условия пуска. Точно также они и останавливаются.

Как видим из структурной схемы сигналы обратной связи приходят на пульт оператора, который непосредственно соблюдает технологический процесс, и часть приходит в систему управления преобразующим устройством для осуществления основных защит и отработки некоторых изменений задающего сигнала, поступающего с пульта управления.

Автоматический электропривод

Для работы электропривода в автоматическом режиме не требуется присутствие человека. В данном случае все происходит автоматически. Ниже приведена структурная схема:

Структурная схема системы автоматического управления электроприводом

АСУ ТП – автоматическая система управления технологическим процессом

Как видим из структурной схемы что в АСУ ТП приходят все датчики обратной связи. В ней происходит обработка сигналов от датчиков, и выдаются управляющие сигналы для других подсистем. Данная структура управления очень удобна, так как не требует постоянного наблюдения оператора за технологическим процессом, и снижает влияние человеческого фактора. Например модернизированные шахтные подъемные машины, которые могут работать в автоматическом режиме ориентируясь по датчикам обратной связи

В современном мире активно внедряются АСУ ТП не только для электроприводов. Очень редко встречаются системы с ручным управлением технологическими процессами все они либо автоматизированные, либо на этих линиях полностью внедрены АСУ ТП.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

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.

Транскрипт

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