Н. Д. Ясенев электрический привод курс лекций
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
5.3.2. Регулирование скорости изменением частоты питающего статор напряжения Для регулирования частоты питающего двигатель напряжения необходимо иметь специальный источник питания, в качестве которого может использоваться электромашинный агрегат с преобразователем частоты или специальным генератором либо полупроводниковый преобразователь. Развитие электронной промышленности привело к созданию современных полупроводниковых преобразователей частоты, которые практически устранили необходимость использования машинных преобразователей. Возможно использование трех типов преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока двухзвенные преобразователи частоты преобразователи с непосредственной связью. Использование преобразователей частоты со звеном постоянного тока Преобразователи этого типа состоят из мостового выпрямителя, преобразующего напряжение переменного тока стандартной частоты в напряжение постоянного тока, и мостового инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный требуемой частоты (рис. 5.16). Рис. 5.16. Схема питания асинхронного двигателя от преобразователя частоты со звеном постоянного тока (аи механические характеристики (б) Выпрямитель может быть регулируемым, а может быть выполнен на диодах. Тиристоры инвертора переключаются в определенном порядке, обеспечивая формирование ступенчатой зависимости напряжения на двигателе рис. 5.17). Изменяя длительность каждого периода, можно изменять частоту основной гармоники напряжения, а, следовательно, и скорость вращения поля статора. Эти преобразователи обеспечивают управление двигателем по закону U/f = const, что позволяет получать широкий диапазон регулирования скорости при удовлетворительном КПД и уровне моментов двигателя при разных частотах. Это обеспечивается одновременным регулированием тока ротора и магнитного потока двигателя. Недостатком такого способа является высокая доля высокочастотных составляющих напряжения. Рис. 5.17. Принцип формирования напряжений фаз Использование двухзвенных преобразователей частоты Более совершенными более распространенным в настоящее время является применение двухзвенных преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией на базе мостовых выпрямителей и мостовых инверторов, в большинстве случаев выполненных с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) (рис. 5.18). Рис. 5.18. Блок-схема двухзвенного преобразователя частоты Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя В, автономного инвертора АИ, дросселя L и конденсатора С. Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется в инверторе за счет высокочастотного ши- ротно-импульсного управления силовыми ключами. Оно характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) изменяется по синусоидальному закону. При высоких тактовых частотах (2–15 кГц) в обмотках статора протекают синусоидальные токи (рис. 5.19). Рис. 5.19. Графики фазного напряжения и тока САУ СФИ ШИМ Форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполупериодную последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ, а длительность (ширина) в течение периода выходной частоты АИ модулирована по синусоидальному закону. Регулирование амплитуды выходного напряжения может осуществляться двумя способами амплитудным, за счет регулирования входного напряжения АИ (в этом случае необходим управляемый выпрямитель, и широтно- импульсным, за счет изменения программы переключения силовых ключей. Преобразователи частоты с непосредственной связью Для получения низких скоростей нашли применение преобразователи частоты с непосредственной связью − циклоконверторы. В этом случае преобразователь образован 6 тиристорными выпрямителями, включенными по встречно-параллельной схеме (рис. 5.20). Рис. 5.20. Схемациклоконвертора Обмотка каждой фазы питается от своей пары выпрямителей. Переменный ток пониженной частоты формируется за счет того, что угол открытия тиристоров в каждом выпрямителе меняется по определенному закону. Например, первая обмотка питается сначала от В. За счет периодического уменьшения и увеличения угла α формируется положительная полуволна тока, среднее значение которого за полупериод изменяется по синусоидальному закону заданной частоты. Рис. 5.21. Графики напряжений для разных частот Затем первая обмотка питается от В, и формируется отрицательная по- луволна тока. Во второй и третьей фазах получаются те же зависимости, но со сдвигом на 1/3 периода напряжения низкой частоты (рис. 5.21). 5.3.3. Регулирование скорости изменением напряжения статора фазовое управление) Для изменения напряжения статора целесообразно применять устройства, которые, будучи включенными между сетью и обмоткой статора двигателя, позволяли бы изменять долю напряжения, поступающего на обмотку. Для этой цели можно применять дополнительные активные сопротивления, индуктивные регулируемые сопротивления и полупроводниковые регуляторы. Первые два способа отличаются большими потерями энергии и поэтому бесперспективны. Наибольший интерес и распространение имеют тиристорные преобразователи напряжения (ТПН) (рис. 5.22). Поскольку момент асинхронного двигателя сильно зависит от напряжения, регулировать напряжение следует так, чтобы была возможность подстройки схемы на соответствующий момент нагрузки. Рис. 5.22. Схема тиристорного преобразователя напряжения (аи регулировочные характеристики (б) Двигатель должен иметь мягкую естественную характеристику. Уровень скорости определяется величиной напряжения задания, подаваемого на сумматор. Туда же подводится напряжение обратной связи по скорости от тахогене- ратора. В результате сравнения напряжений задания з и U тг формируется напряжение управления СИФУ у. Чем больше напряжение управления, тем меньше угол открытия тиристоров, а, следовательно, больше напряжение двигателя. При изменении нагрузки навалу будет изменяться скорость, что приводит к изменению U тг , U у иα, а, следовательно, и напряжение статора двигателя. Изменяя величину напряжения з, можно получать требуемый уровень скорости. Может быть получен диапазон регулирования 1:10 с хорошей стабильностью и плавностью. Установка много дешевле частотной, но требуется иметь мягкие характеристики двигателя, и при низкой скорости в роторе выделяются очень большие потери, что может привести к перегреву машины. Эти схемы находят применение для сравнительно кратковременного получения пониженных скоростей. В настоящее время используются только в устройствах плавного пуска двигателей. 61 5.3.4. Регулирование скорости введением сопротивлений в цепь ротора Этот способ применим для кратковременного регулирования скорости двигателя с контактными кольцами, т. к. потери при низких скоростях резко возрастают. Увеличение сопротивления роторной цепи приводит к умягчению характеристика следовательно, к снижению стабильности работы. Регулирование однозонное, только вниз, ступенчатое, диапазон зависит от нагрузки. Механические характеристики имеют вид аналогичный пусковой диаграмме двигателя. 5.3.5. Каскадное регулирование скорости Для регулирования скорости мощных асинхронных двигателей с контактными кольцами находят применение каскадные схемы регулирования рис. 5.23). В этом случаев роторе двигателя включен выпрямитель, напряжение с которого через инвертор и трансформатор возвращается в сеть переменного тока. Рис. 5.23. Схема машино-вентильного каскада Изменяя ЭДС, создаваемую инвертором, можно воздействовать на ток ротора и соответственно момент двигателя. Для того чтобы получить пониженную скорость, необходимо увеличивать ЭДС инвертора. Регулировочные характеристики представлены на рис. 5.24. Рис. 5.24. Регулировочные характеристики двигателя ГЛАВА 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИКЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 6.1. Уравнение движения электропривода Для анализа поведения электропривода в динамике недостаточно знать и учитывать только свойства самого двигателя, необходимо рассматривать единую систему электродвигатель – рабочая машина. Эта система находится под действием трех групп сил и моментов движущие, инерции, сопротивления. Если эти силы уравновешивают друг друга, то движение установившееся, скорость постоянна. Если силы не уравновешены, то движение неустановившееся, и имеется ускорение dn/dt. Знак ускорения определяется преобладающими силами или моментами. Появление переходных режимов возможно в ряде случаев изменение нагрузки навалу двигателя, пуски торможение двигателя, переключения в цепях обмоток двигателя. Механическое движение отвала двигателя к исполнительному органу передается с помощью механического передаточного устройства, которое состоит из шестерен, валов, муфт сцепления и т. д. Эти элементы вращаются или движутся поступательно с разной скоростью, имеют определенную жесткость и момент инерции, а соединения содержат зазоры. Анализ механического движения осуществляется с использованием расчетных схем электропривода. По второму закону Ньютона уравнение для вращательного движения имеет вид М = J 𝑑 ω 𝑑 𝑡 , где М − векторная сумма моментов, действующих на тело J момент инерции ω – угловая скорость вращения 𝑑 ω 𝑑 𝑡 = угловое ускорение вращающегося тела ω = 2∙π∙𝑛 60 При поступательном движении уравнение имеет вид Σ𝐹 ⃗⃗⃗⃗⃗ = m 𝑑 𝑉 𝑑 𝑡 , где Σ𝐹 ⃗⃗⃗⃗⃗ − векторная сумма сил, действующих на тело m масса тел 𝑑 𝑉 𝑑 𝑡 = a − ускорение поступательного движения. Поскольку все векторные величины направлены вдоль одной оси, можно вместо них принять скалярные величины. В большинстве случаев при расчетах пренебрегают возможной упругостью передачи и наличием зазоров. В этом случае реальная система электропривода может быть представлена уравнением М д –М с = J(𝛗) 𝒅 𝛚 𝒅 𝒕 + 𝛚 𝟐 𝟐 𝒅 𝑱(𝛗) 𝒅 𝛗 = М дин . При постоянстве момента инерции получим М д –М с = J 𝑑 ω 𝑑 𝑡 = М дин . Движение любого элемента может быть описано аналитическими выражениями. Взаимодействие отдельных звеньев электропривода может быть учтено приведением моментов и усилий к одному валу. При этом реальное кинематическое устройство заменяется расчетной схемой, основу которой составляет тот элемент, движение которого анализируется. Как правило, этим элементом является двигатель, поэтому все моменты и усилия должны быть приведены к его валу. Приведение момента нагрузки основано на равенстве мощностей навалу двигателя и механизма с учетом КПД передачи. Для случая поступательного движения механизма уравнение имеет вид М с ω д = F ио V ио / η ; Мс = F ио 𝑽 ио ω д 𝛈 . При вращательном движении уравнение имеет вид М с ω д = М ио ω ио / η ; Мс = М ио ω ио ω д 𝜂 = М ио 𝑖 η . В этих уравнениях Мс момент сопротивления, приведенный к валу двигателя М ио и F ио – момент и силана валу исполнительного органа V ио и ω ио – скорость поступательного движения и угловая скорость исполнительного органа КПД передачи i – передаточное отношение. При активном характере нагрузки (грузоподъемные машины) возможно покрытие потерь за счет момента нагрузки. В этом случае КПД переходит в числитель формулы. Приведение моментов инерции и масс осуществляется на основе равенства запаса кинетической энергии в реальной и эквивалентной расчетных схемах А к. пр = 𝐽 пр ω д 2 2 = ∑ 𝐴 𝑖 𝑛 1 = J д ω д 2 2 + J 1 ω 1 2 2 + J 2 ω 2 2 2 + …. + 𝑚 𝑉 2 2 . Из этого уравнения находим пр = д 𝑽 𝟐 𝛚 д 𝟐 . Как правило, нет необходимости детально рассчитывать моменты инерции всех звеньев. Наиболее точно надо знать момент инерции двигателя и момент инерции или массу рабочей машины. Остальные звенья (соединительные муфты, тормозные устройства, редукторы и т. д) можно учесть использованием коэффициента пр = δ J д +J рм 1 𝑖 2 + 𝑚 д = 1,05−1,3. Такой приближенный расчет допустим при понижающем редукторе. 6.2. Определение времени пуска и торможения Уравнение движения позволяет рассчитать время неустановившегося режима, которое необходимо при расчетах нагрузочной диаграммы привода и определении производительности приводов с частыми пусками. Наиболее просто эти расчеты ведутся при постоянных моментах нагрузки и инерции. В этих случаях, проинтегрировав уравнение движения, можно получить припуске п = ∫ пр ω (М д − Мс . Поскольку в подынтегральное выражение входит сложная функция скорости М д = f(ω), для упрощения обычно принимают момент двигателя постоянным, равным среднему значению пускового момента. При этом для случая ступенчатого пуска двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с контактными кольцами принимаем М д. ср = ММ, где М − максимальный пусковой момента М − минимальный пусковой момент (момент переключения. Для асинхронного короткозамкнутого двигателя средний момент определяется по формуле М д. ср = 0,9 М п + М к 2 , где М п −пусковой момента М к −критический. Тогда время пуска находим по формуле п = 𝐽 пр ω 𝑐 (М д.ср − Мс . При расчете времени торможения получим т = − ∫ пр 0 ω 𝑐 𝑑 ω (𝑀 дт + или для среднего тормозного момента т = 𝐽 пр ω 𝑐 (М дт.ср + Мс . В более сложных случаях, когда нельзя определить среднее значение момента, уравнение движения интегрируют с помощью вычислительных средств. 6.3. Многомассовые механические системы Рассмотренная ранее система предполагала наличие элементов конечной жесткости, которые не подлежат деформации в процессе работы. При наличии упругих элементов в кинематической схеме не удается получить одномассовую расчетную схему. В зависимости от числа упругих звеньев получаются много- массовые системы – двух, трех- и т. д. При рассмотрении таких систем вводится понятие коэффициента жесткости С упругого элемента. Он служит коэффициентом пропорциональности между линейной ΔL или угловой Δφ деформацией и возникающими в упругом элементе силой у или моментом М у : у = С М у = С . Коэффициенты жесткости Си С определяются геометрическими размерами и материалом. Для упругого стержня при его растяжении и сжатии С = 𝑺 Е 𝑳 н/м, где L – длина стержням площадь поперечного сечениям Е – модуль упругости, Па. Для вала радиусом R при его кручении коэффициент жесткости будет С = π 𝑅 4 𝐺 2 где R – радиус валам длина валам модуль упругости кручения, Па. При параллельном соединении упругих звеньев эквивалентная жесткость определяется зависимостью С экв = С 1 +С 2 +С 3 +… При их последовательном соединении 1 С экв = 1 С 1 + 1 С 2 + 1 С 3 +…. При составлении расчетной схемы механической части осуществляется приведение коэффициентов жесткости по формулам для упругого вала С = С для упругого стержня С = С 𝑉 2 ω 2 ), где 𝑉 2 ω 2 = ρ радиус приведения. В большинстве случаев систему сводят к двухмассовой (рис. 6.1). Рис. 6.1. Расчетная схема двухмассовой системы Обычно первую массу образуют вал двигателя, элементы между валом и упругим звеном, а вторую массу – исполнительный механизм и элементы между ними упругим звеном. Эти массы связаны упругим элементом с коэффициентом упругости С. Такая система описывается системой уравнений М д –М у = J 1 𝑑 ω 1 𝑑 𝑡 = J 1 𝑑 2 φ 1 𝑑 𝑡 2 , М у –М с = J 2 𝑑 ω 2 𝑑 𝑡 = J 2 𝑑 2 φ 2 𝑑 𝑡 2 , , М у = С (φ 1 –φ 2 ). Движение двухмассовой системы более сложное, носит колебательный характер. При этом может возникнуть явление механического резонанса. Еще более сложной является многомассовая система с учетом зазоров в передаче. Приведение зазоров осуществляется по правилам При вращательном движении δ = δ 1 i 1 , рад. При поступательном движении δ = δ 2 /ρ, м. 6.4. Переходные процессы в электроприводах и их влияние на работу электропривода Установившимся режимом работы электропривода называется режим, при котором электропривод работает с постоянной скоростью. В этом случае динамическая составляющая момента будет равна нулю. Действительно, при ω = const 𝑑 ω 𝑑 𝑡 = ε = 0, М дин = J 𝑑 ω 𝑑 𝑡 = 0 . Отсюда уравнение движения электропривода будет иметь следующий вид М д = Мс. Следовательно, в установившемся режиме работы электропривода момент двигателя полностью уравновешивается моментом сопротивления, создаваемым нагрузкой. Как уже говорилось, переходным называется процесс, связанный с изменением скорости двигателя, то есть переходом из одного установившегося состояния в другое. У механизмов с большим объемом переходных режимов резко снижается производительность, т. к. снижается средняя скорость работы, возникают нежелательные динамические перегрузки в приводе и передачах, которые могут привести к авариям, выделяются большие потери, т. к. переходные процессы связаны с возрастанием токов. Переходные процессы обусловлены наличием инерции. В электроприводах действуют три вида инерции 1) механическая инерция движущихся элементов 2) электромагнитная инерция индуктивных цепей 3) тепловая инерция частей, которые в процессе работы меняют свою температуру. Влияние тепловой инерции, как правило, не учитывается, поскольку постоянная времени нагрева весьма велика, существенно выше времени переходных процессов, вызванных другими видами инерции. Чтобы учесть влияние нагрева, используют параметры элементов привода, соответствующие рабочей температуре 35–40 С. Наличие механической инерции снижает быстродействие электропривода, поэтому в быстродействующих приводах применяют двигатели с малым диаметром ротора или используют два двигателя половинной мощности. В приводах с ударной нагрузкой механическую инерцию наоборот целесообразно увеличивать за счет применения маховиков, поскольку это позволяет уменьшить момент двигателя и снизить его мощность (рис. 6.2). Рис. 6.2. Моменты двигателя и нагрузки Значительное влияние оказывает на работу привода и электромагнитная инерция. Она влияет на работу цепей возбуждения машин постоянного тока и цепи асинхронных двигателей. Влияние нацепи возбуждения машин постоянного тока было рассмотрено в связи с системой «Г–Д». Было отмечено, что при этом снижается быстродействие и снижаются броски тока в цепях. В асинхронных двигателях эти процессы вызывают возникновение больших ударных моментов, что сильно меняет характер работы двигателя. Динамические характеристики асинхронного двигателя припуске и противовключении приведены на рис. 6.3. Рис. 6.3. Динамические характеристики асинхронного двигателя припуске (аи противовключении (б) При пуске возникает бросок момента, достигающий от М к , а при про- тивовключении при неблагоприятных условиях бросок момента может достигать от М к . При частых пусках и торможениях необходимо учитывать, что работа идет не по статической, а по динамической характеристике ГЛАВА 7. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ |