Описание метода свободного выбега

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА

 

 

Учебное пособие

 

 

Таганрог

Южный федеральный университет

2016

УДК 62-83(075.8)

ББК 34.43я73

П ‑ 536

 

  Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент, НИЦ супер ЭВМ и нейрокомпьютеров, Левина М.Г.;

Кандидат технических наук, доцент, кафедры электротехники и мехатроники ЮФУ, Бурьков Д.В.

   

Полуянович Н.К., Дубяго М.Н., Щуровский В.А., Береснев М.А.Методы экспериментального определения характеристик электрического привода: учебное пособие. ‑ Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2016. ‑ 121 с.

 

В учебном пособии излагаются теоретические основы современных методов управления электроприводом постоянного и переменного тока. Основная цель работы состоит в том, чтобы научить студентов практическому приложению знаний и навыков по отдельным разделам курса "Электрический привод", приобретению самостоятельности при решении конкретных технических задач.

Пособие предназначено для использования в учебном процессе направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электрооборудование предприятий, организаций и учреждений, электрического транспорта, автомобилей и тракторов».

 

Ил. 42. Табл. 3. Библ.:23назв.

 

 №114041540005 «Теория и методы позиционно-траекторного управления морскими роботизированными системами в экстремальных режимах и условиях неопределенности среды».

 

ISBN                                                                                УДК 62-83(075.8)

ББК 34.43я73

 

© Южный Федеральный Университет, 2016

© Полуянович Н.К., Дубяго М.Н., Щуровский В.А., Береснев М.А

Введение

        

Решение вопросов автоматизации технологических процессов, а именно автоматизированных систем управления различных электроприводов, является актуальной задачей.

Современный автоматизированный электропривод ‑ сложная многокомпонентная система. Понимание физических процессов в ЭП, знакомство с современными техническими решениями, умение оценивать и сопоставлять их возможности, применять на практике ‑ все это необходимо инженерам многих специальностей, чей труд связан с эксплуатацией, техническим обслуживанием различных электромеханических преобразователей.

При проектирования систем управления они представляются функционально законченными подсистемами. Выделяются следующие основные основные уровни:

1. Высший уровень управления. На котором осуществляется решений глобальных задач управления технологическим процессом, а именно планирование функционированием электроприводом.

2. Средний уровень. Осуществляет решение локального управления технологическим процессом, а именно распределение движений механизмов электрического привода по степеням подвижности.

3. Нижний уровень. На этом уровне характерно цифровое или цифро-аналоговое управление исполнительными приводами оборудованием электропривода.

    Целью учебного пособия является закрепление и систематизация знаний по автоматизированному электроприводу, развитие самостоятельной работы студентов с использованием различной литературы, а именно учебников, справочников, периодических изданий а также интернет ресурсов.

    Учебное пособие нацелено на изучения скоростных и механических характеристик двигателей постоянного и переменного тока, исследование схем управления электроприводом, широтно-импульсных преобразователей, систем стабилизации скорости ЭП, исследование систем подчинённого регулирования.

 

Глоссарий

 

1. Асинхронный двигатель ‑ двигатель переменного тока, в котором ротор вращается с частотой меньше частоты вращения электромагнитного поля статора (относительная разность этих частот - скольжение).

Асинхронные двигатели:

· с короткозамкнутым ротором (беличье колесо);

· с фазовым ротором.

Режимы работы:

· двигательный режим    0 < s < 1 n<n1;

· генераторный режим    s < 0      n>n1.

Преимущества АД с короткозамкнутым ротором:

- нетребовательны к тех. обслуживанию;

- эксплуатация во взрывоопасной зоне (так как отсутствуют щётки, а следовательно - искрение);

- высокий КПД и коэффициент мощности;

- низкая стоимость

 

2. Синхронный двигатель ‑ машина переменного тока, в котором ротор вращается с той же частотой, что и электромагнитное поля статора. Двигатель имеет постоянную скорость, не меняющуюся во времени при номинальных изменениях нагрузки, скольжение s=0%. Двигатель имеет сложную конструкцию и поэтому высокую стоимость.

 

3. Синхронный реактивный двигатель ‑ синхронный двигатель, в роторе которого отсутствует обмотка возбуждения (постоянные магниты). РД относительно недорогие и надёжные по сравнению с СД. Недостатками является низкий КПД и коэффициент мощности, большая масса.

 

4. Синхронная скорость (п1) - частота вращения электромагнитного поля статора:

n₁=  [min^-1],    

f₁ ‑ частота питающего напряжения;

p ‑ число пар полюсов двигателя.

 

5. Скольжение (s)- отношение скольжения скорости к синхронной скорости:

s =  =.

6. Скорость вращения ротора:

n = n₁ × (1‑ s)

7. Коэффициент мощности:

cos j =, P ‑ активная мощность; S ‑ полная мощность.

 

8. Номинальный момент двигателя:

 

   M_n [Nm] =     P_n ‑ номинальная мощность двигателя;

n_n ‑ номинальные обороты двигателя

9. Полная мощность двигателя: - мощность, потребляемая двигателем из сети и определяемая как геометрическая сумма активной и реактивной мощностей:

S = = × U₁ × I₁    

U₁ ‑ номинальное напряжение, I₁ ‑ номинальный ток; ‑ активная мощность; Q ‑ реактивная мощность.

10. Активная мощность двигателя ‑ мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в механическую энергию.

P = U × I × cos j = I ² × r = S × cos j.

j - угол сдвига между векторами напряжения и тока;

U,I ‑ действующие значения напряжения и тока.

11. Реактивная мощность двигателя ‑ мощность, связанная с созданием магнитных полей в обмотках двигателя и покрытием потерь на магнитные поля рассеяния.

Q = U×I×sinj = I²×x_l, x_l ‑ индуктивное сопротивление;

j - угол сдвига между векторами напряжения и тока;

U,I ‑ действующие значения напряжения и тока.

12. КПД двигателя ‑ отношение номинальной мощности двигателя к активной мощности.

h =   [%].

 

13.     Индуктивное сопротивление ‑ сопротивление обмоток двигателя, связанное с созданием вокруг них переменного магнитного поля.

x_l = 2 p fL = w L,

f ‑ частота тока, Гц;   w ‑ угловая частота, рад/с.

14. Переменные токи и напряжения:

f =, Гц - частота тока и напряжения двигателя

Мгновенные значения тока и напряжения: - значения тока и напряжения, определяемые для произвольного момента времени t.

i = I_msin (w t + Y _i), A,

u = U_m sin (w t + Y _u), B,

I_m,U_m ‑ амплитудные значения тока и напряжения;

Y _i, Y _u ‑ углы сдвига фаз тока и напряжения относительно начала координат;

Y _u ‑ Y _i, = j ‑ угол сдвига фазы тока относительно фазы напряжения.

Действующие значения ‑ значения такого периодического тока, который производит тот же тепловой эффект, что и равный ему по величине постоянный ток. Эти значения являются среднеквадратичными значениями их мгновенных значений.

I = = 0,707 × I_m, A;

U = = 0,707 × U_m, B;   I_m,U_m ‑ амплитудные значения тока и напряжения.

15. Режимы работы двигателей:

· продолжительный S1;

· кратковременный S2;

· прерывистый S3,S4,S5;

· продолжительный с периодической нагрузкой S6.

 

16. Преобразователь частоты (ПЧ) ‑ устройство для управления двигателями и позволяющее выполнять следующие основные функции:

-  плавное регулирование скорости двигателя;

- возможность запитывать ПЧ однофазным или трёхфазным напряжением;

- управление временем разгона и замедления;

- управление торможением:

1. замедление переменным током;

2. торможение постоянным током;

- электронное реверсирование;

- увеличение мощности двигателя (87-герцовая характеристика);

- защитные функции по току, напряжению, температуре и др.

Основные компоненты ПЧ:

- выпрямитель ‑ служит для преобразования переменного напряжения сети (однофазного или трёхфазного) в постоянное напряжение;

- промежуточный контур ‑ служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Состоит из сглаживающего конденсатора большой ёмкости и балластного резистора (для ограничения тока зарядки конденсатора);

- инвертор ‑ служит для инвертирования постоянного напряжения промежуточного контура в переменное по частоте и амплитуде напряжение при помощи силовых ключей (полевые или IGBT транзисторы) с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Несущая частота при этом достигает 16 кГц.

Параметры, измеряемые в ПЧ для реализации защитных функций:

- напряжение промежуточного контура;

- ток между конденсатором и инвертором;

- сумма выходных напряжений;

- токи выходных фаз.

 

17. Буст ‑ увеличение входного напряжения двигателя для компенсации его падения на индуктивном сопротивлении обмотки статора на малых частотах.

 

18. Пульт управления (оператор) ‑ устройство для ввода параметров.

Типы операторов:

- цифровой;

- интерфейс-оператор;

- оператор с памятью (COMBICARD);

- интерфейсы (CAN; LON; InterBus; PropfiBus; LWL; BUS).

19. PLC ‑ программируемый контроллер.

 

20. Резольвер ‑ sin-cos датчик обратной связи для измерения скорости вращения ротора (аналог СКВТ).

 

21. Энкодер ‑ оптический датчик для измерения скорости вращения ротора посредством подсчёта числа импульсов в единицу времени. Используется в цепях обратной связи.

 

МЕТОД СВОБОДНОГО ВЫБЕГА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ И МАХОВОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Целью работы является приобретение практических навыков в получении опытных данных и построении нагрузочных диаграмм электродвигателя при продолжительной переменной нагрузке и в применении этих диаграмм при выборе мощности электродвигателя.

 

Задание на выполнение лабораторно-практической работы

1. Для заданных преподавателем токов нагрузки снять кривые нагрева и охлаждения машины М2.

2. Определить соотношения времён работы и пауз, при которых машина М2 будет работать в кратковременном режиме, в повторно-кратковременном, в продолжительном.

3. Реализовать заданную преподавателем циклограмму работы. Снять температурную зависимость нагрева двигателя М2 от времени при работе по заданной циклограмме. Сделать вывод о режиме работы машины М2. Проверить соответствие тока, момента и мощности двигателя заданной нагрузке.

 

ПРОТИВОВКЛЮЧЕНИЕМ

Целью работы является практическое изучение реверсивной схемы автоматического управления пуска и торможения противовключением трёхфазным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором и приобретение практических навыков в сборке этой схемы.

 

РОТОРОМ

Цель работы является приобретение практических навыков в выполнении опытов по снятию данных и построению механических характеристик трёхфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором при различных режимах его работы, а также экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о механических характеристиках этого электродвигателя.

 

 

СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ

Цель работы является опытное определение регулировочных свойств электропривода, выполненного по замкнутой схеме, и приобретение практических навыков расчёта по заданным показателям качества и настройки реальной системы электропривода. Опытная проверка результатов расчета.

 

Процессов

Перед включением автомата питания стенда тумблеры SA100, SA101, SA200, SA300, SA301, SA302, SA700, SA1 должны находиться в нижнем положении (в сервоприводе SA1 ‑ вверх).

1. Разомкнутая система.Собрать схему (рис. 10.3). Включить автомат питания. Включить тумблерами SA300, SA301 ШИП-1 ШИП-2. Резистором R300 установить ток возбуждения М,1 равным 400 mA (pA1). Резистором R301 установить ток возбуждения М2, равным 0 (pA2). Замкнуть SA1. Включить тумблером SA100 ШИП. Движок резистора R201 установить в среднее положение. Включить SA200. Включить SA700. Запустить двигатель М1 кнопкой SB704. Установить, вращая резистор R201 против часовой стрелки, напряжение на якоре М1 (pV10), равное 105 В. Изменяя ток возбуждения машины М2 резистором R301 (pA2), снять электромеханическую характеристику М1 4-5 точек (pA2 ‑ пересчитать момент, ИС1 ‑ частота вращения). Тестером измерить напряжение на выходе датчика скорости (операционный усилитель с надписью Kw) и по показаниям тестера и ИС1 определить величину коэффициента обратной связи по скорости к_с (величина к_с не должна быть больше 0,048 ‑ если больше ‑ уменьшить резистором с надписью Kw). Резистором R201 уменьшить напряжение на якоре М1 (pV10) до расчётного минимального. Изменяя ток возбуждения машины М2 резистором R301 снять электромеханическую характеристику на минимальной частоте вращения. Резистором R301, уменьшить ток возбуждения М2 до нуля. Резистором R201 уменьшить частоту вращения М1 до нуля (ИС1). Кнопкой SB703 отключить М1 от ШИП.

10.3.1. Переходной процесс в разомкнутой системе. Опыт производится при управлении стенда с ПК. Запустить М1 кнопкой SB704. Движком резистора R201 (диалоговое окно на мониторе ПК) установить напряжение на ШИП (pV10 ‑ диалоговое окно на мониторе) 40 ‑ 50 В. Резистором R301 (диалоговое окно монитора) задать момент нагрузки 0,5 Мн. Кнопкой SB703 на стенде остановить М1. После полной остановки двигателя М1 нажать кнопку SB704 ‑ запустить М1. В диалоговом окне на мониторе ПК появится график переходного процесса. Резистором R301 (диалоговое окно) уменьшить ток возбуждения М2 до нуля. Резистором R201 (диалоговое окно) уменьшить частоту вращения М1 до нуля (ИС1). Кнопкой SB703 отключить М1 от ШИП.

3. Замкнутая система (рис. 10.4). Кнопкой SB704 запустить М1. Задав резистором R201 некоторую частоту вращения двигателя М1 (20 ‑ 30 рад/с) тестером определить знак сигнала задания, а по ИС1 знак сигнала обратной связи по скорости. Для успешного замыкания системы знаки сигнала задания и сигнала обратной связи должны быть противоположны. Если знаки одинаковы, то сигнал обратной связи по скорости подать на резистор R210 через инвертор «-1». Уменьшить резистором R201 частоту вращения М1 до нуля. Кнопкой SB703 отключить М1 от ШИП. Замкнуть систему см. (рис.10.4) установив перемычки в цепи обратной связи по скорости (ИС1, Кω, «-1» ‑ если надо, резистор R210).

Запустить двигатель М1 кнопкой SB704. Установить, вращая резистор R201 против часовой стрелки, напряжение на якоре М1 (pV10), равное 105 В. Изменяя ток возбуждения машины М2 резистором R301 (pA2), снять электромеханическую характеристику М1 4-5 точек (pA2 ‑ пересчитать момент, ИС1 ‑ частота вращения). Резистором R201 уменьшить напряжение на якоре М1 (pV10) до расчётного минимального. Изменяя ток возбуждения машины М2 резистором R301, снять электромеханическую характеристику на минимальной частоте вращения. Резистором R301 уменьшить ток возбуждения М2 до нуля. Резистором R201 уменьшить частоту вращения М1 до нуля (ИС1). Кнопкой SB703 отключить М1 от ШИП.

10.3.2 Переходной процесс в замкнутой системе. Опыт производится при управлении стенда с ПК. Запустить М1 кнопкой SB704. Движком резистора R201 (диалоговое окно на мониторе ПК) установить напряжение на ШИП (pV10 ‑ диалоговое окно на мониторе) 40 ‑ 50В. Резистором R301 (диалоговое окно монитора) задать момент нагрузки 0,5 Мн. Кнопкой SB703 на стенде остановить М1. После полной остановки двигателя М1 нажать кнопку SB704 ‑ запустить М1. В диалоговом окне на мониторе ПК появится график переходного процесса. Резистором R301 (диалоговое окно) уменьшить ток возбуждения М2 до нуля. Резистором R201 (диалоговое окно) уменьшить частоту вращения М1 до нуля (ИС1). Кнопкой SB703 отключить М1 от ШИП. Осуществить процедуру выключения стенда.

 

Контрольные вопросы

 

 

1. Объясните назначение всех элементов рассматриваемого электропривода.

2. Как влияет ограничение выходного сигнала, например промежуточного усилителя, на эффект стабилизации скорости в замкнутой системе?

3. С какой целью в электроприводе применена отрицательная обратная связь по частоте вращения?

4. Как влияет величина коэффициента усиления промежуточного усилителя на устойчивость системы?

 

СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА

Цель работы является исследование статических характеристик одноконтурной системы с обратной связью по току.

 

РЕГУЛИРОВАНИЯ

Цель работы является приобретение навыков расчёта двухконтурной системы подчинённого регулирования; Приобретение навыков настройки контуров тока и скорости; Исследование статических и динамических свойств системы подчинённого регулирования с различными типами регуляторов.

 

Библиографический список

 

1. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. ‑ М.: Энергия, 1969. ‑ 359с.

2. Гузенко А.И. Основы теории автоматического регулирования. ‑ М. Высшая школа, 1967. ‑ 410 с.

3. Солодовников В.В. Критерии и методы анализа устойчивости линеаризированных САР. Кн.1 «Техническая кибернетика. ‑ М. Машиностроение, 1967. ‑ 385 с.

4. Асинхронные электродвигатели серии 4А: справочник. ‑ М. Энергоиздат, 1982.

5. Басов А.М., Шаповалов А.Т., Кожевников С.А. Основы электропривода и автоматическое управление электроприводом в сельском хозяйстве. ‑ М.: Колос, 1972.

6. Бодин А.П., Московкин Ф.И. Электрооборудование для сельского хозяйства. ‑ М.: Россельхозиздат, 1981.

7. Алиев А.А. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. город ‑Феникс, 2003г.

8. Галкин А.Ф. Комплексная механизация производственных процессов в животноводстве. ‑ М.: Колос,1974.

9. Изяков Ф.Я. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. ‑ М.: Колос, 1972.

10. Колесов Л.П. и др. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок. ‑ Л.: Колос, 1974.

11. Кудрявцев И.Ф. Автоматизация производственных процессов на фермах. ‑ М.: Колос, 1976.

12. Кудрявцев И.Ф. и др. Электрооборудование животноводческих предприятий и автоматизация производственных процессов в животноводстве. ‑ М.: Колос, 1979.

13. Мартыненко И.И., Тищенко Л.П. Курсовое и дипломное проектирование по комплексной электрификации. ‑ М.: Колос, 1972.

14. Рубцов П.А. и др. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. ‑ М.: Колос, 1972.

15. Фоменков А.П. Электропривод сельскохозяйственных машин, агрегатов и поточных линий. ‑ М.: Колос, 1984.

16. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. ‑ М.: Энергоиздат, 1981.

17. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. ‑ Л.: Колос, 1978.

18. ГОСТ 27.002‑83. Надежность в технике. Термины и определения. ‑ М., 1983.

19. ГОСТ 27.502‑83. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. ‑ М., 1983.

20. Мартыненко И.И., Лысенко В.Ф. Проектирование систем автоматики. ‑ М.: Агропромиздат, 1990. ‑ 230 с.

21. Полуянович Н.К. Исследование характеристик частотно-регулируемого асинхронного электропривода: Методическое пособие. ‑ Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. ‑ 40 с.

22. Полуянович Н.К. Электрический привод: учебное пособие. ‑ Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. ‑ 272 с.

23. Полуянович Н.К., Дубяго М.Н. Электрический привод: учебное пособие. ‑ Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2015. ‑ 174 с.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ