Электропривод. Электрический привод
 Скачать 5.41 Mb.
|
|
5.2.2. Системы управления скоростью асинхронных двигате- лей с фазным ротором Способы регулирования скорости вращения асинхронных короткозамкну- тых двигателей были рассмотрены в разделе 2.3. Большая часть из них реализу- ется в разомкнутых системах управления. Замкнутые системы используются при т.н. векторном управлении, когда путём достаточно сложной математиче- ской обработки ток статора раскладывается на составляющие, одна из которых пропорциональна потокосцеплению ротора, а вторая – электромагнитному мо- менту. Это позволяет использовать для управления двигателем те же принципы 233 построения систем, которые используются для двигателей постоянного тока не- зависимого возбуждения. В асинхронных двига- телях с фазным ротором существует техническая возможность наблюдения и регулирования координат, непосредственно связан- ных с формированием электромагнитного момен- та. В первую очередь это относится к току ротора, величина которого при по- стоянном потокосцеплении определяет момент на валу двигателя. Регулирование тока можно осуществлять параметрическим способом путём изменения добавоч- ного сопротивления в цепи ротора или путём регули- рования напряжения пита- ния двигателя. Эти спосо- бы обладают относительно низкими энергетическими показателями, но просты в реализации и используются в приводах малой мощности. В приводах средней и большой мощности для регулирования скорости вращения используют асин- хронно-вентильные каскады, в которых энергия скольжения с помощью вы- прямителя и инвертора возвращается в сеть. На рис. 5.22, а в качестве примера показана структурная схема системы управления с воздействием на добавочное сопротивление в цепи ротора асин- хронного двигателя с помощью ключа S, управляемого методом широтно- импульсной модуляции. Среднее значение сопротивления в цепи ротора равно (1 ) z z r r = − γ , где: z r – сопротивление добавочного резистора; 0 / 1 i c t T ≤ γ = ≤ – относительная длительность замкнутого состояния ключа с периодом коммутации c T При изменении γ у двигателя формируются искусственные механические характеристики, рабочие участки которых непрерывно заполняют область меж- ду граничными кривыми, соответствующими длительностям 0 γ = и 1 γ = (рис. 5.22, б). Эта область является областью регулирования скорости электроприво- да при управлении ключом. Рис. 5.22 234 Как известно вращающий момент асинхронного двигателя при постоянном магнитном потоке определяется величиной тока ротора. При питании от сети величина потокосцепления ротора в пределах номинальной нагрузки изменяет- ся незначительно. Поэтому регулирование тока ротора практически эквива- лентно регулированию момента так же, как регулирование тока якоря в неком- пенсированных двигателях постоянного тока независимого возбуждения. Зна- чит, систему управления скоростью вращения можно построить аналогично системе управления двигателя постоянного тока, например, с подчинённым контуром регулирования тока ротора (рис. 5.22, а). Если в контуре регулирования тока ротора (момента) ис- пользовать ПИ- регулятор (РТ), то ста- тические характери- стики этого контура будут аналогичны ха- рактеристикам систе- мы управления на рис. 5.20. Однако динами- ческие характеристики будут существенно отличаться. Динамика привода будет различ- ной при разных на- грузках, т.к. регулятор тока невозможно на- строить на определён- ный режим вследствие нелинейности функ- ции 2 ( ) I f = γ . В системе управ- ления на рис. 5.22 в контуре регулирова- ния скорости вращения используется ПИ-регулятор с насыщением, реализуе- мым с помощью двухстороннего стабилитрона, шунтирующего цепь обратной связи операционного усилителя. Поэтому статические механические характе- ристики привода абсолютно жёсткие и ограничены максимальным моментом s M (рис. 5.22, в). Настройку регулятора скорости (РС) на определённые динамические пока- затели здесь также невозможно осуществить вследствие нелинейности механи- ческих характеристик. Рис. 5.23 235 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей в широком диапазоне возможно также путём широтно-импульсного регулирования напря- жения статора, если механические характеристики смягчить включением доба- вочного сопротивления. На рис. 5.23, а показана структурная схема такой сис- темы с симметричными тиристорами в линейных шинах питания, управляемы- ми фазовым сдвигом импульсов. Как и в предыдущей схеме, система выполнена двухконтурной. Область регулирования ограничена механическими характеристиками при максималь- ном и минимальном напряжении статора, а также линией максимально допус- тимой мощности max P (рис. 5.23, б). Статические механические характеристики в этой области при использовании ПИ-регулятора скорости абсолютно жёсткие (рис. 5.23, в). Динамика привода вследствие нелинейности механических и регулиро- вочных характеристик различна при разных нагрузках и скоростях вращения. 236 Список литературы 1. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными электродвигате- лями. – М.: Наука, 1966. 2. Гейлер Л.Б. Основы электропривода. – Мн. «Вышейш. школа», 1972. 3. Исследование систем приборного электропривода постоянного тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями/В.А. Толмачёв и др. – Л.:ЛИТМО, 1969. 4. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб для вузов.– М.: Энерго- атомиздат, 2001 5. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для ву- зов. – Спб.: Энергоатомиздат, 2000. 6. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1980. 7. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным ре- гулированием: учебник для вузов. – М.: Издательский центр «Акаде- мия», 2006. 8. Усольцев А.А. Современный асинхронный электропривод оптико- механических комплексов/Учебное пособие. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2011. 9. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. 237 Содержание Введение.........................................................................................................................3 1. Механика электропривода........................................................................................5 1.1. Расчётные схемы механической части привода............................................5 1.1.1. Приведение статических моментов и усилий.......................................5 1.1.2. Приведение маховых масс......................................................................8 1.1.3. Приведение жёсткостей связей..............................................................11 1.1.4. Получение расчётной схемы кинематической цепи ............................14 1.1.5. Экспериментальное определение моментов инерции .........................15 1.1.6. Механизмы с переменными статическими моментами и инерционными свойствами .....................................................................17 1.2. Статические характеристики рабочих машин...............................................19 1.3. Уравнения движения электропривода ...........................................................22 1.4. Статическая устойчивость электропривода ..................................................28 2. Статические характеристики электродвигателей и приводов ..............................31 2.1. Относительные единицы .................................................................................32 2.2. Характеристики двигателей и приводов постоянного тока .........................33 2.2.1. Двигатели независимого и параллельного возбуждения ....................33 2.2.2. Двигатели последовательного и смешанного возбуждения ...............42 2.2.3. Тормозные режимы двигателей постоянного тока ..............................48 2.2.3.1. Рекуперативное торможение............................................................49 2.2.3.2. Торможение противовключением ...................................................50 2.2.3.3. Динамическое торможение ..............................................................52 2.2.4. Расчёт сопротивлений в якорной цепи..................................................55 2.2.4.1. Расчёт сопротивлений для двигателей независимого возбуждения........................................................................................56 2.2.4.2. Расчёт сопротивлений для двигателей последовательного возбуждения........................................................................................58 2.2.5. Механические характеристики приводов постоянного тока ..............60 2.2.5.1. Характеристики системы генератор-двигатель..............................60 2.2.5.2. Характеристики приводов с управляемыми выпрямителями.......65 2.2.5.3. Характеристики приводов с широтно-импульсными преобразователями.............................................................................77 2.3. Характеристики двигателей и приводов переменного тока.........................86 2.3.1. Математические модели асинхронного двигателя ..............................87 2.3.2. Механические характеристики асинхронного двигателя при симметричных режимах ...................................................................93 2.3.3. Тормозные режимы асинхронных двигателей .....................................96 2.3.3.1. Рекуперативное торможение............................................................96 2.3.3.2. Торможение противовключением ...................................................99 2.3.3.3. Динамическое торможение с возбуждением статора постоянным током..............................................................................100 2.3.3.4. Динамическое торможение с самовозбуждением..........................105 2.3.4. Характеристики асинхронного двигателя при питании от источника тока..........................................................................................108 2.3.4.1. Токи намагничивания и ротора........................................................108 2.3.4.2. Электромагнитный момент ..............................................................110 2.3.5. Механические характеристики асинхронного двигателя при несимметричных режимах ...............................................................112 2.3.6. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей............114 2.3.6.1. Влияние частоты питания на электромагнитные процессы..........114 2.3.6.2. Законы частотного управления........................................................117 2.3.6.3. Векторное управление асинхронным приводом ............................122 2.3.6.4. Преобразователи частоты асинхронного привода .........................125 2.3.6.5. Современные преобразователи для электропривода широкого применения .........................................................................................127 2.3.7. Механические характеристики синхронных двигателей ....................133 2.3.8. Вентильные двигатели............................................................................138 238 2.3.8.1. Устройство и принцип действия ..................................................... 138 2.3.8.2. Характеристики двигателя............................................................... 143 3. Переходные режимы в электроприводах ............................................................... 148 3.1. Переходные процессы при постоянной скорости холостого хода ............. 149 3.1.1. Механические переходные процессы................................................... 149 3.1.2. Время пуска и торможения электропривода........................................ 152 3.1.3. Электромеханические переходные процессы...................................... 153 3.2. Переходные процессы в асинхронном электроприводе .............................. 156 3.2.1. Механические переходные процессы................................................... 156 3.2.2. Электромеханические переходные процессы...................................... 160 3.3. Переходные процессы в синхронном приводе ............................................. 161 3.4. Формирование переходных процессов.......................................................... 164 3.4.1. Переходные процессы при линейном изменении управляющего воздействия............................................................................................... 165 3.4.1.1. Пуск привода вхолостую ................................................................. 165 3.4.1.2. Пуск привода с реактивным моментом нагрузки.......................... 167 3.4.1.3. Пуск привода с активным моментом нагрузки.............................. 168 3.4.1.4. Торможение привода под нагрузкой .............................................. 169 3.4.1.5. Реверс привода под нагрузкой......................................................... 170 3.4.2. Оптимальное управление приводами положения ............................... 171 4. Выбор мощности электропривода .......................................................................... 174 4.1. Потери мощности в приводах постоянного и переменного тока................ 175 4.2. Нагрев и охлаждение двигателя ..................................................................... 181 4.3. Нагрузочные диаграммы электроприводов .................................................. 185 4.4. Стандартные номинальные режимы работы двигателей............................. 188 4.5. Расчёт мощности двигателя при продолжительном режиме работы ......... 192 4.6. Расчёт мощности двигателя при кратковременном режиме работы .......... 196 4.7. Расчёт мощности двигателя при повторно-кратковременном режиме работы .............................................................................................................. 199 4.8. Допустимая частота включений асинхронных короткозамкнутых двигателей........................................................................................................ 201 5. Системы автоматического управления электроприводами.................................. 204 5.1. Разомкнутые системы автоматического управления ................................... 204 5.1.1. Типовые узлы и схемы управления двигателями постоянного тока . 205 5.1.2. Типовые узлы и схемы управления асинхронными двигателями .... 210 5.1.3. Типовые узлы и схемы управления синхронными двигателями ....... 216 5.2. Замкнутые системы автоматического управления....................................... 218 5.2.1. Принципы построения замкнутых систем управления электроприводами ................................................................................... 218 5.2.1.1. Статические характеристики замкнутых систем........................... 218 5.2.1.2. Динамические характеристики замкнутых систем ....................... 223 5.1.2. Системы управления асинхронными двигателями с фазным ротором ..................................................................................................... 232 Список литературы....................................................................................................... 236 В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в резуль- тате которого определены 12 ведущих университетов России, которым при- своена категория «Национальный исследовательский университет». Министер- ством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименова- ние «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин- формационных технологий, механики и оптики». КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ и ПРЕЦИЗИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В 1930 году техникум точной механики и оптики был реорганизован в учебный комбинат, состоящий из института, техникума и ФЗУ в системе Все- союзного объединения оптико-механической промышленности. В те годы электротехническую подготовку в нашем институте проводили кафедры «Электротехники» и «Электроизмерительных приборов». Кафедрой «Электротехники» руководил проф. Салтыков Л.Н., а кафедрой «Электроизме- рительных приборов» проф. Шишелов Л.П. С сентября 1933 года исполнять обязанности заведующего кафедрой «Электротехники» нашего института начинает Рукавишников Н. Н, а с ноября 1937 года, на заведование кафедрой назначается Солодовников А. А., извест- ный специалист в области электротехники, электроизмерительных приборов и оборудования. Во время войны при эвакуации ЛИТМО в г. Черепаново кафедрой руково- дил доц., к.т.н. Березниковский С. Ф.; штатное расписание кафедры в те годы насчитывало всего 4 человека. После возвращения ЛИТМО из эвакуации в 1944 году кафедрой заведует Березниковский С.Ф., которого 25 января 1945 года освобождают от обязанно- стей заведующего кафедрой «Общей и специальной электротехники» и назначают заведующим этой кафедрой профессора Зилитенкевича С.И. В послевоенные годы в целом по стране и в Ленинграде ощущался дефи- цит опытных преподавателей высшей школы и руководство институтом при- гласило в качестве заведующего кафедрой «Общей и специальной электротех- ники» известного ученого, педагога и методиста Пиотровского Л. М. Большин- ство учебников по электрическим машинам в ту пору было написано Пиотров- ским Л.М. лично или в соавторстве с другими видными учеными. В 1948 году на базе кафедры «Общей и специальной электротехники» об- разуются кафедры: «Общей электротехники и электрических машин» зав.каф. доц. Березниковский С.Ф., «Теоретических основ электротехники» зав. каф. проф. Слепян Л.Б. и «Электроизмерительных приборов» исполняющий обязан- ности зав. каф. проф. Слепян Л.Б. В 1951 году кафедры «Электротехники» и «ТОЭ» объединяют в единую кафедру «Электротехники и ТОЭ» под руководством доц. Березниковского С.Ф. в составе Радиотехнического факультета, В 1956 году на радиотехническом факультете вновь образуются две кафед- ры – «ТОЭ» зав. каф. доц. Сочнев А.Я. и «Электрических машин» зав. каф. доц. Березниковский С.Ф. В июле 1958 года доц. Сочнева А.Я. освобождают от обязанностей зав. каф. «ТОЭ», а доц. Фунтова Н.М. назначают в.и.о. зав. каф. и избирают по кон- курсу на должность заведующего в 1960 году. В 1961 году в ЛИТМО на должность заведующего кафедрой «Электриче- ских машин» приглашают профессора Сахарова А.П. В 1965 году на должность заведующего кафедрой «Электрических машин» избирается доц., к.т.н. Глазенко Т.А. В 1968 году кафедры «ТОЭ» и «Электрических машин» объединяются в единую кафедру «Электротехники» под руководством Т.А. Глазенко. Татьяна Анатольевна Глазенко в 1948 году с отличием закончила энерге- тический факультет Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта. В 1953 году она защитила кандидатскую диссертацию и в 1966 го- ду докторскую диссертацию. Заслуженный деятель науки и техники Россий- ской Федерации, почетный член Электротехнической академии России проф. Глазенко Т.А. двадцать пять лет возглавляла кафедру. Она являлась видным, творчески активным ученым, автором более 200 научных работ. В 1990 году на должность заведующего кафедрой избирается профессор, д.т.н. Герман - Галкин С.Г. В 1996 году кафедра «Электротехники» была переименована в кафедру «Электротехники и прецизионных электромеханических систем». С 1991 года кафедрой руководит доцент, кандидат технических наук, То- масов Валентин Сергеевич. С 1992 по 2005годы на кафедре работал заслуженный деятель науки и тех- ники Российской Федерации, действительный член Международной Энергети- ческой академии, профессор, д.т.н., Сабинин Ю.А.. Сегодня на кафедре работают: профессор, д.т.н. Овчинников И.Е.; профес- сор, д.т.н. Ушаков В..Н.; доценты, к.т.н.: Губанов Н.Н., Борисов П.В., Денисова А.В., Лукичев Д.А., Никитина М.В., Осипов Ю.М., Петров Е.А., Синицын В.А., Толмачев В.А., Усольцев А.А.; доцент Гурьянов В.А.; ст. преподаватели: к.т.н. Махин И.Е., Денисов К.М.; ассистенты: Демидова Г.Л., Жданов И.Н., Серебря- ков С. А. На кафедре работает аспирантура и ведётся большая научно- исследовательская работа по созданию электроприводов прецизионных следя- щих систем наведения телескопов траекторных измерений. Усольцев Александр Анатольевич Электрический привод Учебное пособие В авторской редакции Компьютерная вёрстка и дизайн А.А.Усольцев Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Зав. редакционно-издательским отделом Н.Ф.Гусарова Лицензия ИД №00408 от 05.11.1999 Подписано к печати 24.03.2011 Заказ №2360. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 |