Курс лекций. Электрический привод презентация

задания Курсовая работа Контрольные вопросы

тока Электромеханический преобразователь переменного тока

Релейно-контакторные системы управления Тиристорное управление ЭП постоянного тока

Техническая реализация электроприводов Тематические задачи и контрольные задания

Расчетно-графические и курсовые работы Контрольные вопросы Список литературы

Курс лекций

управляемая электромеханическая система. Ее назначение ­ преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.
Электропривод имеет два канала ­ силовой и информационный (рисунок 1.1). По первому каналу транспортируется преобразуемая энергия, по второму каналу осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей.
Силовой канал состоит из двух частей ­ электрической и механической и обязательно содержит связующее звено ­ электромеханический преобразователь.

1. Общие сведения

преобразователи ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания ИП к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие преобразование параметров электрической энергии.
Механическая часть электропривода состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач МП и рабочего органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.
Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения (или источником электрической энергии), технологической установкой и через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня.
Электрический привод используется в промышленности, на транспорте и в коммунальном хозяйстве. Широкое распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии: возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к применению, легкостью преобразования в другие виды энергии.

и в коммунальном хозяйстве. Электрический привод один из самых энергоемких потребителей и преобразователей энергии.
Теория регулируемого электропривода получила интенсивное развитие благодаря усовершенствования традиционных и созданию новых силовых управляемых полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров), интегральных схем, развитию цифровых информационных технологий и разработке разнообразных систем микропроцессорного управления.
Владение теорией в области регулируемого электропривода является одной из важнейших составляющей профессиональной подготовки специалистов направления «Электротехника, энергетика и технология электрооборудования».

Электрический привод один из самых энергоемких потребителей и преобразователей энергии. Он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии.

состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой сетью С и характеризуемой напряжением Uс и током Iс сети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами U, I.
Преобразователи бывают неуправляемыми и управляемыми. Они могут иметь одностороннюю (выпрямители) или двухсторонюю (при наличии двух комплектов вентилей) проводимость, При односторонней проводимости преобразователя и обратном (от нагрузки) потоке энергии используется дополнительный ключевой элемент на транзисторе для «слива» энергии в тормозном режиме электропривода.
Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (M,ω).
Механический преобразователь МП (передача): редуктор, пара винт­гайка, система блоков, кривошипно­шатунный механизм осуществляют согласование момента М и скорости ω двигателя с моментом Мм (усилием Fм) и скоростью ωм рабочего органа технологической машины.

скорости положение вала в пространстве, называют координатами электропривода.
Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, то есть в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями технологического процесса.
Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкций элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Эти допустимые пределы обычно связаны с номинальными значениями координат, обеспечивающими оптимальное использования оборудования.

из электрической машины ЭМ, связанной посредством механической передачи ПУ с рабочим механизмом РМ, силового преобразователя СП, системы управления СУ, блока сенсорных устройств БСУ, которые выполняют роль датчиков обратной связи по основным переменным состояния ЭП (параметры: положения вала рабочей машины, угловая скорость, момент, ток двигателя) и источников питания, обеспечивающих питание указанных электротехнических устройств.
Полупроводниковые СП служат для согласования электрических параметров источника электрической энергии (напряжение, частота) с электрическими параметрами машины ЭМ и регулирование ее параметров (скорость, напряжение и изменение направления вращения

строится , как правило, на микросхемах, либо микропроцессоре. На вход системы управления подается сигнал задания и сигналы отрицательных обратных связей от блока сенсорных устройств. Система управления, в соответствии с заложенными в нее алгоритмом, вырабатывает сигналы управления силовым преобразователем, управляющего электрической машиной.
Наиболее совершенным электроприводом является автоматизированный электропривод ­ регулируемый электропривод с автоматическим регулированием переменных состояния.

электропривод делится на:

Стабилизированный по скорости или моменту ЭП;

Программно управляемый ЭП, осуществляющий перемещение рабочего механизма в соответствии с программой, заложенной в сигнал задания;

Следящий ЭП, осуществляющий перемещение рабочего механизма в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом

различных отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, химической, угольной, деревообрабатывающей и др.
Регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока занимает важное место в автоматизированном электроприводе. Применение с этой целью тиристорных преобразователей является одним из современных путей создания регулируемого электропривода постоянного тока.

способами:
Изменением напряжения на якоре двигателя при неизменном токе в обмотке возбуждения;
Изменением тока в обмотке возбуждения двигателя при неизменном напряжении на якоре;
Комбинированным изменением напряжения на якоре двигателя и тока в обмотке возбуждения.
Напряжение на якоре двигателя или ток в обмотке возбуждения изменяют с помощью управляемых выпрямителей, из которых наибольшее применение получили однофазные и трехфазные мостовые выпрямители.
При управлении двигателем по цепи обмотки возбуждения управляемый выпрямитель выполняется на меньшую мощность и обладает лучшими массо-габаритными и стоимостными показателями.

обладает худшими динамическими свойствами (является менее быстродействующим), чем по цепи якоря двигателя. Таким образом, выбор цепи управления определяется конкретными требованиями к приводу.
При работе с производственными механизмами (например, механизмы главной и вспомогательной передач в обрабатывающих станках, крановые механизмы, лифты) необходимо изменять направление вращения двигателя (осуществлять реверс). Изменению направления вращения обычно сопутствуют такие требования, как быстрое (и в то же время плавное) торможение и плавный набор скорости.

полярности подводимого к якорю напряжения либо изменением направления тока в обмотке возбуждения. С этой целью в цепь якоря или обмотки возбуждения вводят контактный переключатель (реверсор) или используют два управляемых тиристорных преобразователя.
Структурная схема реверсивного тиристорного преобразователя с контактным переключателем в цепи обмотки якоря показана на рисунке . В этой схеме, как и в большинстве преобразователей, предназначенных для электропривода, режим выпрямления чередуется с режимом инвертирования.
Так, например, при наборе скорости в режиме пуска и ее стабилизации в условиях повышения нагрузки на валу двигателя тиристорный преобразователь работает в режиме выпрямления, сообщая энергию двигателю. При необходимости торможения и последующего останова двигателя поступление энергии к нему от сети через преобразователь прекращают,

под действием инерционной массы на ее валу переходит в режим генератора, возвращая накопленную энергию через преобразователь в сеть переменного тока (рекуперативное торможение).

LM1

регулируемых ЭП постоянного тока, являются полупроводниковые статические преобразователи (транзисторные и тиристорные). Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схемам. Силовые транзисторы, применяются в основном для импульсного регулирования напряжения в ЭП небольшой мощности.
Принцип действия, свойства и характеристики системы ТП - Д рассмотрим на примере схемы, приведенной на рис. 2.

Т, имеющий две вторичные обмотки, два тиристора VS1 и VS2, сглаживающий реактор с индуктивностью L и систему импульсно-фазового управления СИФУ. Обмотка возбуждения двигателя ОВМ питается от своего источника.
Выпрямитель обеспечивает регулирование напряжения на двигателе за счет изменения среднего значения своей ЭДС ЕП. Это достигается с помощью СИФУ, которая по сигналу UУ изменяет угол управления тиристорами α (угол задержки открытия тиристоров VS1 и VS2 относительно момента, когда потенциал на их анодах становится положительным по сравнению с потенциалом на катоде). Когда α = 0, т.е. тиристоры VS1 и VS2 получают импульсы управления Uα от СИФУ в указанный момент, преобразователь осуществляет двухполупериодное выпрямление и на якорь двигателя подается полное напряжение. Если с помощью СИФУ подача импульсов управления на тиристоры VS1 и VS2 происходит со сдвигом (задержкой) на угол α ≠ 0, то ЭДС преобразователя снижается, а следовательно, уменьшается среднее напряжение, подводимое к двигателю.

управления тиристорами а имеет вид:
(1)
где m - число фаз;
Е - амплитудное значение ЭДС преобразователя;
ЕСР0 - ЭДС преобразователя при α = 0.
Для уменьшения вредного влияния пульсации тока в цель якоря обычно включается сглаживающий реактор, индуктивность L которого выбирается в зависимости от допустимого уровня пульсации тока. Уравнения для электромеханической и механической характеристик двигателя:
(2)

(3)

где - эквивалентное сопротивление преобразователя;
xT, RT - соответственно приведенные ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление обмоток трансформатора;
RL - активное сопротивление сглаживающего реактора.

тока, что определяет заметное изменение (уменьшение) жесткости характеристик. Вследствие односторонней проводимости преобразователя характеристики располагаются только в первом (1 ...3 при α = 0; 30, 60°) и четвертом (4...7 при α = 90, 120, 150, 180°) квадрантах. Меньшим углам управления соответствует большая ЕП и, следовательно, более высокая скорость двигателя; при α = π/2 ЭДС УВ ЕП = 0 и двигатель работает в режиме динамического торможения.
На рис. 3 приведена схема ЭП с трехфазным мостовым нереверсивным УB.

используются реверсивные управляемые выпрямители, которые состоят из двух нереверсивных выпрямителей, например с нулевым выводом рис. 4.

Рисунок 4

и тока в нагрузке.
В реверсивных УВ используются два основных принципа управления комплектами вентилей: совместное и раздельное.
Совместное управление предусматривает подачу от системы импульсно-фазового управления тиристорами импульсов управления Uα одновременно на тиристоры обоих комплектов – VS1, VS3, VS5 (катодная группа) и VS2, VS4, VS6 (анодная группа). При этом за счет наличия угла сдвига между импульсами управления двух комплектов тиристоров, близкого к π, один из них работает в выпрямительном режиме и проводит ток, а другой, работая в инверторном режиме, ток не проводит. Для обеспечения такого управления между средними значениями ЭДС выпрямителя и инвертора должно существовать соотношение , однако за счет разности мгновенных значений ЭДС между комплектами тиристоров протекает так называемый уравнительный ток. Для его ограничения в схеме, приведенной на рис. 4, а, предусмотрены уравнительные реакторы L1 и L2.

требуется регулировать скорость приводного двигателя.
При использовании машин постоянного тока возникает задача не только регулирования скорости вращения, (за счет изменения величины питающего напряжения), но и изменения направления вращения (реверс). Для этого необходимо изменение как полярности напряжения на нагрузке, так и направления тока в нагрузке.
Эта задача решается с помощью специального преобразователя постоянного тока без применения контактной аппаратуры, так называемого реверсивного преобразователя постоянного тока, состоящего

которых обеспечивает протекание тока через нагрузку только в одном направлении.
Все существующие схемы реверсивных вентильных преобразователей можно разделить на два класса:
перекрестные («восьмерочные») схемы и
встречно –параллельные схемы.
В перекрестных схемах (рисунок а – нулевая и б – мостовая) трансформатор имеет две группы изолированных вентильных обмоток, от которых питаются два комплекта вентилей.
Во встречно-параллельных схемах (рисунок в) необходима лишь одна группа вентильных обмоток трансформатора.
В реверсивных преобразователях наиболее распространенными являются:
трехфазная нулевая;
дважды трехфазная с уравнительным реактором и
трехфазная мостовая схемы.

питания обмоток возбуждения электрических машин, шестифазные для питания якорных цепей двигателя, двенадцатифазные особо мощных электроприводов.

Работа реверсивного преобразователя
Предположим, что в начальный момент времени машина вращалась по часовой стрелке со скоростью n об/мин. При этом она развивала противо-ЭДС Eяк и через якорную цепь протекал ток I (рисунок ). Питание машины осуществлялась от первого вентильного комплекта преобразователя UZ1, работающего в выпрямительном режиме. Для снижения скорости вращения машины надо уменьшить подводимое к ней напряжение питания, то есть необходимо увеличить угол управления тиристорами VS1,VS2,VS3 выпрямителя UZ1.

не может резко изменится и оказывается больше, чем напряжение Ud1 на выходе преобразователя (на якоре двигателя). Вентили преобразователя UZ1 быстро запираются, и ток нагрузки снижается до нуля. Но на зажимах якорной цепи электрической машины, вращающейся по инерции, сохраняется противо-ЭДС Eяк, что позволяет полезно использовать кинетическую энергию вращающего привода, преобразовав ее в электрическую, и одновременно быстро затормозить электрическую машину.
Для этого требуется перевести первый вентильный комплект в инверторный режим, то есть увеличить угол α1 > 90°. Но первый комплект UZ1 преобразователя нельзя использовать в инверторном режиме, так как необходимо иметь на машине обратную полярность напряжения Ud1. Поэтому в инверторный режим переводится второй вентильный комплект UZ2 (α2 > 90°), выход которого подключен к нагрузке параллельно выходу первого комплекта UZ1. Машина работает в генераторном режиме, поэтому скорость вращения ее падает. Следовательно, снижается и противо-ЭДС Eяк,, являющаяся питающим напряжением для второго комплекта UZ2, работающего в инверторном режиме.

второй комплект вентилей UZ2 в выпрямительный режим (α2<90°). При этом электрическая машина опять переходит в режим двигателя и питается от второго комплекта вентилей UZ2. Направление вращения машины изменяется на противоположное (реверс двигателя), и она снова начинает разгоняться (от n=0 до заданной частоты вращения, например, до n=nном в третьем квадранте координат электропривода: n и I или n и M).
Если вновь требуется осуществить реверс, то увеличивается угол α2 второго комплекта вентилей UZ2, его вентили запираются. Первый комплект вентилей UZ1 переводится в инверторный режим (α 1>90°), направление тока якоря Id меняется на обратное, электрическая машина работает в генераторном режиме до полной остановки двигателя.
В дальнейшем с уменьшением угла α1>90° первый комплект вентилей UZ1 переводится в выпрямительный режим и осуществляется разгон двигателя до заданной частоты вращения.

и UZ2 получаем выражение
Udocosα1= Udocosβ2.
Следовательно, необходимо, чтобы α1= β2. Так как при инверторном режиме β =180°- α, то условие равенства средних значений напряжений в уравнительном контуре можно представить в виде α1+ α2 =180°, где α1 и α2 – углы управления тиристорами первого и второго комплектов вентилей, отсчитываемые от точки естественного отпирания тиристоров.

инверторного комплектов в этом случае являются продолжением одна другой и дают линейную результирующую внешнюю характеристику реверсивного преобразователя

на вентили обоих комплектов UZ1 и UZ2, а углы управления тиристорами соответствуют условию
α1 + α2 = π,
управление вентильными группами называют согласованным.

электропривод, работающий во всех четырех квадрантах поля: ω – I или ω - М, необходимо использование реверсивного тиристорного преобразователя, обеспечивающего протекание тока якоря двигателя в обоих направлениях.
Реверсивные преобразователи содержат две группы тиристоров, включенных встречно-параллельно друг другу.
В этой схеме два вентильных комплекта UZ1 и UZ2, собранные каждый по трехфазной мостовой схеме, включены параллельно друг другу с противоположной полярностью на стороне выпрямленного тока.
Подавать отпирающие импульсы одновременно на обе группы тиристоров нельзя, так как произойдет короткое замыкание. Поэтому в данной схеме может работать только

это такие преобразователи, в которых управляющие импульсы приходят только на один из комплектов вентилей, проводящих ток. Импульсы управления на второй комплект вентилей в это время не подаются, и его вентили заперты. Реактор Lур в схеме может отсутствовать. См Горби243с
При раздельном управлении вентилями включается только та группа тиристоров, которая в данный момент должна проводить ток в нагрузке. Выбор этой группы зависит от направления движения привода («Вперед» или «Назад») и от режима работы привода : двигательный режим или рекуперативное торможение.

одна группа тиристоров UZ1 или UZ2; другая группа тиристоров должна быть закрыта (отпирающие импульсы сняты).

ЭП выбор и включение нужной группы тиристоров производится автоматически посредством логического переключающего устройства ЛПУ, принцип построения которого показан на рисунке.

двигательном режиме за положительное. При положительном сигнале задания скорости ωзад, соответствующем движению «Вперед», и сигнале ошибки по скорости, которая в двигательном режиме также будет (ωзад- ω)≥0, сигнал, поступающий на ЛПУ от регулятора тока, будет иметь знак (+). В соответствии с этим ЛПУ включит электронный ключ QS1, который подает отпирающие импульсы на тиристорную группу UZ1. Угол управления α1 устанавливается системой автоматического регулирования в соответствии с сигналом выхода регулятора тока РТ. Обе СИФУ (1) и (2) работают согласованно так, что сумма углов сумма
α1 + α2 = π . (1)
Таким образом, на тиристорную группу, работающую в выпрямительном режиме, подаются отпирающие импульсы с углом α1 = 0… π/2. При этом СИФУ2 вырабатывает импульсы

то есть с углом управления, соответствующем инверторному режиму работы преобразователя UZ2. Однако, поскольку электронный ключ QS2 разомкнут, импульсы управления на тиристоры группы UZ2 не поступают. Преобразователь UZ2 закрыт, но подготовлен к работе в инверторном режиме.
Такой принцип согласованного управления вентильными комплектами, определяемый (1), позволяет согласовать механические характеристики привода в двигательном и тормозном режимах, что показано на рисунке .
При необходимости торможения привода уменьшается сигнал задания скорости ωзад. Ошибка по скорости меняет знак (ωзад - ω) <0, и на входе ЛПУ знак сигнала изменяется с (+) на (-), в соответствии с чем

включение контакта QS2 происходит не сразу, а с некоторой выдержкой времени, которая необходима, чтобы ток якоря уменьшился до нуля и тиристоры UZ1 восстановили запирающие свойства. Спадание тока до нуля контролируется датчиком тока ДТ и нуль-органом НО (в других схемах для этой цели используются датчики проводимости вентилей).
Когда ток спадет до нуля, по прошествии некоторой выдержки времени, включается ключ QS2 и вступает в работу преобразователь UZ2, уже подготовленный к работе в инверторном режиме. Привод переходит в режим рекуперативного торможения, Общее время переключения тиристорных групп составляет 5 – 10 мс, что является допустимым для обеспечения высокого качества управления ЭП.
При работе в двигательном режиме в направлении «Назад» знак задания скорости отрицателен, а абсолютное значение

поэтому на вход ЛПУ поступает отрицательный сигнал, и включается ключ QS2. Работает преобразователь UZ2 в выпрямительном режиме. Логические правила работы ЛПУ иллюстрируются таблицей 2.
Находят применения также и другие схемы ЛПУ. Механические характеристики реверсивного привода ТП-Д с раздельным управлением показаны на рисунке .
При непрерывном токе якоря двигателя они описываются уравнением (1).
В режиме прерывистых токов в области малых значений момента линейность характеристик нарушается. В современных замкнутых по току и скорости системах регулирования, благодаря применению адаптивных регуляторов, удается линеаризировать механические характеристики ЭП и при малых значениях момента.

Мс при подъеме груза (рисунок 1), если известно: Jд=3,2 кг⋅м2; Jр.о.=3,6 кг⋅м2; передаточное число редуктора ηр=0,96; КПД исполнительного органа (барабана) ηБ=0,94; угловая скорость двигателя ω=112 рад/с; скорость подъема груза v=0,2 м/с; масса груза m=1000 кг.
Пояснение.
Приведенный статический момент:



Приведенный момент инерции J:

кг м2.

Тематические задачи

U

М, ωд, J

Рисунок 1

б) в)
Рисунок 1 – Схема включения АД с фазным ротором (а) и с коротко замкнутым ротором (б), и схема замещения АД (в)

с применением прикладных программ

MatLab/Simulink.
Ознакомиться с библиотекой основных блоков в программе MatLab7/Simulink3.
Составить блок-модель лабораторной установки для проведения исследования в соответствии с заданной темой и дать краткое описание используемых функциональных устройств и виртуальных измерительных приборов.
Изучить виртуальную лабораторную установку и ввести исходные данные в диалоговые окна программы. Сформулировать план проведения эксперимента.
После выполнения работы составить отчет по структуре:
Название работы и цель работы;
Описание лабораторного стенда;
Анализ осциллограм экспериментальных зависимостей;
Выводы.

двигатель»

Блок-модель электропривода с асинхронным двигателем