Структурная схема электропривода

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ВВЕДЕНИЕ

Производственные агрегаты состоят из большого, отдельных машин аппаратов и деталей, выполняющих различные функции. Все части агрегатов в совокупности совершают работу, которая обеспечивает какой либо производственный процесс. Любой производственный агрегат или машинное устройство состоит из трёх основных частей: двигателя (служит для получения механической энергии), передаточного механизма (служит для пердачи механической энергии от двигателя) и исполнительного механизма, выполняющего производственный процесс (крыльчатка вентилятора, барабан лебёдки, брашпиль и т.д.) [1]. Исполнительный механизм так же называют рабочим органом.

Первые два элемента сложного производственного агрегата служат для приведения в движение исполнительного механизма , поэтому их обьединяют под общим названием привод.

Примером первого, простейшего привода является ручной привод ( человек рукой приводил в движение устройство для совершения полезной работы), затем появился конный привод (усилие человека заменено тяговой силой животного). На смену им пришёл механический привод , в котором механическая энергия пердавалась от ветряного, водяного колеса, паровой турбины, двигателя внутреннего сгорания.

В настоящее время для приведения в движение большинства рабочих машин применяется электрический двигатель и основным типом привода является электрический привод или электропривод.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 1

Основные понятия электропривода

ПЛАН ЛЕКЦИИ

Структурная схема электропривода

Общая классификация электроприводов

Классификация судовых электроприводов

Структурная схема электропривода

Электрический привод представляет собой электромеханическую систему , предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

В общем случае электропривод состоит из 4-х устройств ( рис.1.1 ):

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования рода тока, напряжения и частоты тока питающей сети и передачи преобразованных параметров сети в электрическую часть электропривода. Поэтому оно включается между питающей сетью и электрической частью электропривода.

Рис. 1.1. Структурная схема электропривода

В качестве преобразовательных устройств используются:

1. для преобразования рода тока – выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный;

2. для преобразования напряжения – трансформаторы, преобразующие переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения той же частоты;

3. для преобразования частоты тока – преобразователи частоты, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой, регулируемой частоты.

4. для преобразования напряжения – инверторы, преобразующие постоянное напряжение в пременное регулируемой амплитуды и частоты

Рассмотрим поочередно преобразовательные устройства.

Общая структура электропривода. Структурная схема

Электропривод имеет два канала — силовой и информационный (рис.3.2.1). По первому транспортируется преобразуемая энергия (широкие стрелки на рис. 3.2.1), по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей (тонкие стрелки на рис. 3.2.1).

Рис. 3.2.1. Общая структура электропривода.

Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей — электрической и механической и обязательно содержит связующее звено- электромеханический преобразователь.

В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю ЭМП и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия.

Электропривод взаимодействует с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны, с технологической установкой или машиной, с другой стороны, и наконец, через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком — оператором, с третьей стороны (рис. 3.2.1).

Функция электрического преобразователя ЭП (если он используется) состоит в преобразовании электрической энергии, поставляемой источником (сетью) и характеризуемой напряжением Uс и током Iс сети, в электрическую же энергию, требуемую двигателем и характеризуемую величинами U, I. Преобразователи бывают неуправляемыми (трансформатор, выпрямитель, параметрический источник тока) и чаще — управляемыми (мотор-генератор, управляемый выпрямитель, преобразователь частоты). Электромеханический преобразователь ЭМП (двигатель), всегда присутствующий в электроприводе, преобразует электрическую энергию (U, I) в механическую (М, ) и обратно.

Механический преобразователь (передача) — редуктор, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование момента М и скорости двигателя с моментом Мм (усилием Fм) и скоростью wм рабочего органа технологической машины.

1. Рабочий орган технол. уст.

Шпиндель токарного станка; подвижной стол строгального станка; лента (цепь) конвейера; ковш экскаватора; кабина подъемника; крыльчатка насоса; валки прокатного стана; ходовой винт механизма подачи станка; тележка механизма передвижения крана; крюк подъемной лебедки

Двигатель постоянного тока с разными видами возбуждения; асинхронный двигатель с фазным или короткозамкнутым ротором; синхронный двигатель; линейные двигатели постоянного или переменного тока; вентильный двигатель; шаговый двигатель; двигатели с катящимися и волновыми роторами; редукторные двигатели

3. Механическое передаточное

Цилиндрические и червячные редукторы; планетарная передача; передача винт ‑ гайка; волновая передача; кривошипно-шатунная передача; цепная и ременная передачи; реечная передача

Управляемый выпрямитель; преобразователи частоты, напряжения переменного тока; импульсные преобразователи напряжения; инверторы

5. Управляющее устройство

Кнопка, ключ управления; регулятор; управляющая вычислительная машина; реле; логические элементы; усилитель; фазовый детектор

6. Источник электрической

Однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты; цеховая сеть постоянного тока; аккумуляторная батарея; дизель-генераторная установка; солнечная батарея

Курсовая работа: Структурная схема и управление электроприводом

1. Описание САУ переменного тока

Развитие полупроводниковой преобразовательной техники привело к широкому использованию электроприводов с электродвигателями переменного тока, к созданию новых систем управления этими электродвигателями. По сравнению с системами управления электроприводами постоянного тока системы управления электроприводами переменного тока значительно более разнообразны. В регулируемых электроприводах используются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым или фазным ротором, синхронные и вентильные электродвигатели. Применяются различные способы регулирования скорости электродвигателя путем изменения: напряжения статора, частоты и напряжения статора, частоты и напряжения ротора, добавочного сопротивления в цепи ротора и др. Используется значительно большее число регулируемых координат, чем в электроприводах постоянного тока. Вместе с тем имеются определенные ограничения в использовании того или иного способа управления и созданной на основе этого способа системы управления электродвигателем. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу АСУ ЭП переменного тока в такой степени, как это было сделано в АСУ ЭП постоянного тока.

Управление электродвигателями переменного тока осложнено рядом обстоятельств, наиболее существенными из которых являются следующие: 1) момент электродвигателя определяется произведением двух результирующих векторов электромагнитных параметров статора и ротора и является функцией четырех переменных; 2) имеется сильное взаимодействие намагничивающих сил статора и ротора, взаимное состояние которых непрерывно меняется при вращении ротора; 3) с целью лучшего использования двигателя в различных режимах его работы возникает задача регулирования магнитного потока двигателя.

Электродвигатели переменного тока совместно с управляемыми преобразователями представляют собой сложные многосвязные нелинейные объекты управления. Полное математическое описание таких объектов оказывается довольно громоздким и неприменимым для инженерных методов синтеза систем управления. Вместе с тем в практике построения систем электроприводов, включая и АСУ ЭП переменного тока, получили распространение простые приемы синтеза систем управления, основанные на принципах подчиненного управления и на использовании унифицированных настроек контуров регулирования, входящих в систему управления. Использование этих приемов позволяет не только просто выполнить синтез систем управления, но и создает обоснованную возможность упрощения математического описания электроприводов переменного тока, в частности возможность пренебрежения взаимосвязью ряда координат и параметров электроприводов.

Основная сложность при создании АСУ ЭП переменного тока заключается в создании независимого управления электромагнитным моментом и потоком двигателя. Если это удается выполнить, то АСУ ЭП переменного тока с обратными связями по скорости или по положению выполняются точно так же, как и АСУ ЭП постоянного тока, включая и способы управления пусковыми и тормозными режимами.

При синтезе взаимосвязанных систем управления используются два основных приема, обеспечивающих автономность (независимость) контуров регулирования: а) использование различного рода дополнительных компенсационных связей между локальными контурами регулирования; б) разделение локальных контуров регулирования по быстродействию. Оба этих приема используются при выполнении АСУ ЭП переменного тока, и это дает основание уже на стадии формирования математической модели электропривода делать ряд упрощений.

2. Статические характеристики САУ переменного тока

2.1 Математическое описание преобразователя частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока на основе АИН

УВ – управляемый выпрямитель, отвечает за напряжение подаваемое на асинхронный двигатель;

АИН – автономный инвертор напряжения, отвечает за частоту подаваемого напряжения на асинхронный двигатель.

Функциональная схема преобразователя частоты

Исходное дифференциальное уравнение

Запишем эти уравнения в операторной форме

Структурная схема ПЧ на основе АИН.

2.2 Математическое описание асинхронного двигателя при управлении частотой и напряжением статора

При исследовании переходных процессов в трехфазных асинхронных электродвигателях целесообразно принять следующие допущения, позволяющие в доступной математической форме выразить соотношения основных параметров и координат электродвигателя:

1) намагничивающие силы обмоток двигателя распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

2) потери встали статора и ротора отсутствуют;

3) обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом осей обмоток на 120°;

4) насыщение магнитной цепи отсутствует.

Уравнения равновесия напряжений для обмоток трех фаз статора имеют вид

(1)

Соответственно для обмоток трех фаз ротора

(2)

Где — мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора;

— мгновенные значения фазных токов статора и ротора;

— полные потокосцепления фазных обмоток;

R₁ , R₂ — активные сопротивления обмоток статора и ротора.

Асинхронный электродвигатель представляет собой систему магнитно-связанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение обмоток статора и ротора непрерывно изменяется, соответственно изменяется и взаимная индуктивность между ними. С учетом принятых допущений можно считать, что взаимная индуктивность пропорциональна косинусу текущего угла между осями обмоток ротора и статора.

При математическом описании трехфазных асинхронных двигателей удобно оперировать не мгновенным значениями координат, а их результирующими векторами. Если, например, мгновенные значения токов равны i_a , i_b , i_c , то результирующий вектор тока определяется уравнением:

,

Где a 0 =e j 0 =1; a=e j 2 π /3 ; a 2 = e j 4 π /3 .

Аналогично определяются результирующие векторы напряжения

Используя выражения результирующих векторов, уравнения (1) можно записать в виде одного дифференциального уравнения в векторной форме. Для этого первое уравнение из (1) умножается на 2/3a 0 , второе на 2/3a, третье на 2/3a 2 . Суммируя полученные произведения, получим

или в векторной форме

(4)

Аналогично векторное уравнение напряжений ротора:

(5)

В уравнениях (4) и (5) векторы записаны соответственно в системах координат статора и ротора. Для совместного решения уравнений их необходимо привести к одной системе координат.

При исследовании переходных процессов в электродвигателях переменного тока применяют различные ортогональные системы координат, отличающиеся угловой скоростью вращения координатных осей сок, например системы, оси которых неподвижны относительно ротора, или неподвижны относительно статора, или вращаются с синхронной скоростью.

Уравнения асинхронного электродвигателя в системе координат, вращающейся с произвольной скоростью ω_к , имеют вид

(6)

где ω — угловая скорость вращения ротора; p_п — число пар полюсов.

При исследовании переходных процессов в асинхронном электродвигателе, управляемом частотой и напряжением статора, удобно использовать систему координат, вращающуюся со скоростью ω_к , равной угловой скорости вращения магнитного поля ω ’, приведенной к числу пар полюсов, равному единице (приведенной к двухполюсному электродвигателю). Предполагается при этом справедливым равенство

,

где f₁ — частота напряжения статора, Гц; ω₁ — угловая частота напряжения статора, рад/с.

На основании уравнений (6) для рассматриваемой координатной системы можно записать

(7)

где s — скольжение электродвигателя:

(ω = ω ’/p_п — угловая скорость вращения магнитного поля, или синхронная скорость электродвигателя).

Потокосцепления связаны с токами через индуктивности

(8)

Для определения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя используется векторное произведение ψ₁ и i₁

(9)

или векторное произведение ψ₂ и i₂ ’, тогда

(10)

Учитывая выражения (8), можно записать (9) и (10) в виде

; (11)

. (12)

Вторые равенства в уравнениях (11), (12) справедливы потому, что векторное произведение двух одинаково направленных векторов равно нулю.

Для полного описания переходных процессов в асинхронном электродвигателе к уравнениям напряжений и моментов следуй добавить уравнение

, (13)

записанное для скалярных значений моментов М и М_с .

Полученная система уравнений электродвигателя является нелинейной, и решение ее для различных динамических режимов работы электродвигателя может быть выполнено с использованием вычислительных машин. При синтезе систем управления асинхронным электродвигателем целесообразно располагать простыми и наглядными динамическими моделями электродвигателя в виде передаточных функций или структурных схем. Такая возможность появляется, если рассматривать переходные процессы в отклонениях относительно начальных координат электродвигателя.

Сравнительно простая структурная схема может быть получена, если пренебречь активным сопротивлением статорной цепи, т. е. положить R₁ =0. Безусловно, что такое пренебрежение накладывает определенные ограничения на использование получаемых моделей. Они вполне применимы для систем с небольшим диапазоном регулирования скорости относительно синхронной скорости, для электродвигателей средней и большой мощности. При широком регулировании скорости, а также для электродвигателей малой мощности необходимы уточнения структурных схем.

Для дальнейших исследований динамических свойств асинхронных ^ электродвигателей целесообразно результирующие векторы представить в виде проекций на комплексной плоскости и записать их через вещественные и мнимые части в следующем виде:

(14)

Совместив вектор напряжения статора с действительной осью координатной системы, т. е. положив u_{1 β} =0, на основании (7) получим

; (15)

; (16)

; (17)

. (18)

Выразив также электромагнитный момент по уравнению (9) через составляющие векторов тока и потокосцепления

и применив правило векторного произведения векторов, получим абсолютное значение момента:

, (19a)

где ;

Воспользовавшись выражением (10), можно аналогично получить

(19б)

где ;

Составляющие тока ротора могут быть выражены через составляющие потокосцепления в следующем виде:

(20)

где k₁ — коэффициент электромагнитной связи статора;

. (21б)

С учетом (8) и (21а) можно выражения моментов записать в форме, удобной для вывода передаточных функций двигателя;

. (22)

В случае одновременного изменения частоты и напряжения статора, при котором потокосцепление статора остается постоянным, из уравнений (15) и (16) можно получить

(23)

Для двигателя с короткозамкнутым ротором в уравнениях (17), (18) . Выразив из уравнений (20) ψ_2α и ψ_2β и подставив их в уравнения (17), (18), получим

(24)

(25)

. (26)

Рассматривая переменные величины в приращениях относительно начальных значений , , , , , , получим из (23) — (26) уравнения для статического режима, связывающие начальные значения координат,

(27)

(28)

(29)

(30)

и уравнения для динамического режима, связывающие приращения координат:

(31)

(32)

(33)

где — электромагнитная постоянная времени электродвигателя;

— критическое скольжение.

На основании уравнений (27)-(33) можно записать передаточную функцию

(34)

Выражение в первом слагаемом числителя (34) представляет собой значение фиктивного пускового момента М_п.ф. определяемое в результате линеаризации рабочей части механической характеристики двигателя для принятых значений напряжения статора U_1α и угловой частоты напряжения статора Ω₁ :

, (35)

где — критический момент двигателя.

Момент М_нач во втором слагаемом числителя (34) можно записать с учетом принятых допущений в виде

, (36)

С учетом (35) и (36) выражение (34) примет следующий вид:

. (37)

Для рабочей части механической характеристики двигателя можно принять

,

и тогда передаточную функцию (37) можно записать в упрощенном виде

(38)

Представив зависимость скольжения электродвигателя от угловой частоты напряжения статора в приращениях и выполнив линеаризацию при условии, что в рабочей области s 4 , p 3 , p 2 , p 1 , p 0 соответственно.

;

;

;

Рассчитаем данные коэффициенты с помощью MathCad.

4. Анализ устойчивости САУ.

4.1 Критерий устойчивости Гурвица

Вывод: Исходя из критерия устойчивости Гурвица система устойчива.

4.2 Критерий устойчивости Найквиста

4.3 Критерий устойчивости Михайлова

4.4 Построение логарифмических амплитудно- и фазочастотных характеристик

Формулы для расчета ЛАЧХ и ФЧХ.

;

Запас по фазе равен 85,9

Частота среза равна 15 рад/с

5. Расчет переходного процесса

Для получения графика переходного процесса выполним обратное преобразование Лапласа для функции.

В ходе проделанной курсовой работы я получил практические навыки по построению структурной схемы для системы «Управляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения – асинхронный двигатель». Получил передаточную функцию. Проверил систему автоматического управления на устойчивость с помощью критериев устойчивости (Гурвица, Найквиста, Михайлова).

Построил логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики и график переходного процесса.

1. Комплектные электроприводы: Контрольные задания и методические указания для студентов заочного факультета специальности 21.05. / Сост. С.Н. Сидоров – Ульяновск, 1990. – 44с.

2. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. – 392 с., ил.

3. Настройка комплектного электропривода постоянного тока ЭТУ 3601: сборник лабораторных работ для студентов специальности 21.05./Сост. С.Н. Сидоров. – Ульяновск, 1992. — 28 с.