Исследование методов управления

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Методические указания к исследовательскому

практикуму по курсу «Теория электропривода»

г.Пермь

2013

Общие положения

Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Основными достоинствами асинхронного двигателя являются простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения допускает регулирование скорости вращения в ограниченном диапазоне. Кроме того, короткозамкнутый асинхронный двигатель во избежание перегрева его ротора должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Для короткозамкнутых асинхронных двигателей

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Изменение скорости электромагнитного поля статора

Изменение скольжения двигателя

Частотное регулирова-ние изменением,

Переключение числа пар полюсов,

Изменение величины питающего напряже- ния,

Введение добавоч. сопротив-ления в цепь ротора,

Асинхрон-ный вентильный каскад

Двигатель двойного питания

Для асинхронных двигателей с фазным ротором

Рис. 1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (рис. 1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора и скольжением :

Вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого ω₀, называемая синхронной, находится по формуле

ω0=2πf1/pп (1) где f1 – частота переменного тока промышленной частоты, Гц, f1 = 50 Гц; рn –число пар полюсов двигателя (определяется из паспортных данных). Разность между синхронной угловой скоростью и текущим значением угловой скорости ротора ω, отнесенная к скорости ω0 , называется скольжением s = (ω0 – ω)/ ω0. (2)

Исходя из (1) и (2) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной .

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами: частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора, и числом пар полюсов двигателя . В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь питания статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменение числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой Э.Д.С. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

 

Регулирование скорости асинхронного электродвигателя

Частотное регулирование скорости АД

 

Влияние напряжения и частоты

ЛР №1

Исследование регулирования скорости АД

Электромашинный агрегат

 

Электромашинный агрегат (ЭМА) представляет собой две жестко соединенные валами электрические машины: исследуемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и нагрузочная машина - двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

Технические характеристики электрических машин:

Асинхронный двигатель короткозамкнутый

Тип	А-42-У
Номинальная мощность, кВт	3,2
Номинальное напряжение, В	380
Номинальный ток якоря, А	6,1
Номинальная скорость вращения, об/мин	1420

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

Тип	П-42-У
Номинальная мощность, кВт	3,2
Номинальное напряжение статора, В	220
Номинальный ток якоря, А	13,9
Номинальная скорость вращения, об/мин	1450
КПД, %	77,5
Момент инерции, кг м^2	0,2

 

Управление работой стенда

В лабораторной работе не предусмотрена смена режима плавного пуска асинхронного двигателя, поэтому устройство управления плавного пуска SIRIUS не используется. Управление нагрузкой на валу электромашинного агрегата осуществляется преобразователем SIMOREG DC MASTER с помощью панели управления OP1S, внешний вид которой представлен на рис.4.

 

Рис.4. Внешний вид панели управления OP1S

 

Включение в работу этой панели осуществляется нажатием (зеленой) кнопки «ПУСК». При этом включается зеленый (Run) светодиод, сигнализирующий об активизации этой панели. Сбой в работе этой панели отображается через включение красного (Fault) светодиода. Останов работы панели производится (красной) кнопкой «СТОП», при этом светодиоды гаснут.. Кнопки «вверх» и «вниз» (▲,▼) используются для перемещения курсора по строкам дисплея панели и для изменения численного значения регулируемых параметров.

Клавиши цифрового набора используются для задания конкретного цифрового значения регулируемым параметрам привода.

Клавиша Р используется для переключения режимов работы панели OP1S.

Кнопка «Reset» используется для сброса заданных параметров, в том числе и для выхода из аварийного режима.

Панель управления OP1S преобразователем SIMOREG DC MASTER оснащена экранным дисплеем с ЖК-индикатором. Этот индикатор с количеством символов 4х16 предназначен для отображения имен параметров в виде простого текста. В качестве языка отображения выбран английский язык. Местоположение и назначение информации отображаемой на экране дисплея показано на рис. 5.

На первой строке этого экрана расположены цифровые значения тока якоря в процентах от их номинальной величины. Напряжение питания якорной цепи показывается непосредственно в вольтах.

 

Рис.5 Положение информации на дисплее панели управления OP1S

 

На второй и третьей строке экрана дисплея показывается соответственно в процентах от их номинальной величины фактического и заданного момента нагрузки на валу электромашинного агрегата.

Четвертая строка экрана дисплея отражает код рабочего состояния преобразователя SIMOREG DC MASTER.

 

ЛР №2

С автономным инвертором

 

1. Экспериментальное снятие механических характеристик при изменении частоты и напряжения статора одновременно.

2. Определение момента инерции привода с асинхронным двигателем методом свободного выбега.

 

Исследовательский комплекс для исследования характеристик частотно-управляемого асинхронного электродвигателя включает технические устройства в составе:

· Стенда с пультом управления преобразователем частоты ТЕР;

· Электромашинного агрегата;

· Тиристорного преобразователя (ТЕР4-63/460Н-2-2УХЛ4);

· Преобразователя частоты SB-17 С55У.

Расположение элементов функциональной схемы показано на рисунке лицевой панели (рис.1.):

· пульт управления преобразователем частоты для настройки, управления и индикации параметров преобразователя ТЕР (поз.1)..

· цифровые одноканальные измерительные приборы «Термодат – 10М2»: вольтметры (поз.2,6), амперметры (поз.3,4), тахометр (поз.5);

· переключатель режимов управления нагрузкой ТЕР «ручной – автоматический». При ручном режиме управления нагрузкой задание на ТЕР-е регулируется потенциометром. при автоматическом режиме напряжение задания подается с компьютера;

· кнопки «Стоп» (поз.8) и «Пуск» (поз.9) для коммутацию силовой цепи преобразователя частоты;

· лампы сигнализации: «Готовность ТЕР» (поз.10) – сигнализация о готовности к работе; «Авария» (поз.11) – сигнализация о срабатывании защиты;

· потенциометр задания нагрузки (при ручном управлении) (поз.12);

· дисплей компьютера (поз.13) для отображения динамических характеристик привода.

Рис.1. Внешний вид лицевой панели стенда

 

Электромашинный агрегат

Электромашинный агрегат (ЭМА) представляет собой две жестко соединенные валами электрические машины. Одна из них является исследуемой – асинхронный двигатель, другая нагрузочной – двигатель постоянного тока с закрепленным на валу тахогенератором.

 

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Тип……………………………………………….................... 4АХБ2П100L4ПБУХЛ4
Номинальная мощность, кВт ……………………………………………..
Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….
Пусковой / Номинальный ток, А………………………………………….	15/8,7
Номинальное напряжение, В…………………………………..………….	220/380
cosφ, ….………..………………………………………………..………….	0,84
Sном, %….……………………………………………………………………	0,02

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения

Тип...…………………………………………………………….………….	П-51
Номинальная мощность, кВт ………………………………….………….
Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….
Номинальный ток, А……………………………………………………….	21,7
Номинальное напряжение, В…………………………………..………….

Тахогенератор

Тип ……………………………………………………………....………….	ЭТ-7
Номинальная мощность, кВт ………………………………….………….	0,11
Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….
Номинальный ток, А……………………………………………………….	0,21
Номинальное напряжение, В…………………………………..………….

Тиристорный преобразователь

Тиристорный преобразователь (ТЕР) предназначен для подачи регулируемого напряжения в якорную цепь нагрузочного двигателя и подержания уровня тока, который определяет нагрузочный момент на валу АД и питания его обмотки возбуждения (ОВ).

Тиристорный преобразователь представляет собой модифицированный для работы в составе стенда агрегат типа ТЕР4-63/460Н-2-2УХЛ4. Уровень нагрузочного момент на валу НД задается резистором на ПУ.

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты предназначен для регулирования скорости вращения ротора асинхронного двигателя путем изменения частоты и уровня питающего напряжения. Преобразователь запрограммирован на закон управления U/f=const.

Для управления преобразователем частоты используется специальный пульт управления, лицевая панель которого изображена на рис.2.

 

Техническая характеристика:

Тип ……………………………………………………………………...	SB-17 C55У
Входное напряжение………………………………………………......	380 – 480 В
Входная частота……………………………………………………......	; 50-60 Гц
Выходное напряжение…………………………………….…………..	380 – 480 В
Выходная частота………………………………………………….......	0,1 – 440 Гц
Номинальная мощность, кВА ………………………………………...	9,0
Выходной ток, А…………………………………………...………......	11,5
Мощность двигателя, кВт…………………………………………......	5,5
Несущая частота, кГц……………………………………...………......	4; 3 - 12

 

 

 

 

Рис.2. Панель управления преобразователем частоты

 

Схема силовой части лабораторного стенда приведена на рис.3.

 

Рис.3. Силовая схема стенда

Порядок выполнения работы

 

Перед работой необходимо убедитесь в том, что измерительные приборы включены и горит индикатор «Работа ТЕР» на лицевой панели стенда; «Сеть» на лицевой панели агрегата ТЕР.

В данной работе используется ручной режим управления нагрузкой электропривода (переключатель (поз.7) должен быть в положении «ручной».

Для снятия семейства механических характеристик АД нужно проделать следующее:

1. Нажать кнопку «Пуск». На светодиодном индикаторе панели управления преобразователем отобразится сообщение «OFF». Преобразователь готов к работе.

2. Нажатием кнопки , на панели управления преобразователем выбрать режим А00-0 (режим задания частоты). На светодиодной панели преобразователя будет попеременно отображаться наименование параметра и его значение.

3. Нажать кнопку . На светодиодной панели загорится установленное ранее значение частоты. Последний (младший) разряд будет мигать.

4. Переходим к снятию первой механической характеристики:

· Значение параметра А00-0 устанавливается 50.00Hz.

· Повернуть ручку потенциометра нагрузки в крайнее левое положение.

· Нажатием кнопки запустить двигатель и дождаться

установившегося режима холостого хода.

· Показания приборов занести в табл.1.

5. Плавно повернуть ручку потенциометра нагрузки вправо, тем самым увеличить нагрузку. На одной нагрузочной характеристике необходимо снять 4-5 экспериментальных точек.

6. Показания приборов занести в приложенную ниже табл.1.

7.Устанавливая другие значения частоты (40, 30, 20 и 10 герц) необходимо снова нажать кнопку . На светодиодной панели снова загорится установленное ранее значение частоты. Последний (младший) разряд будет мигать. Для изменения этой частоты нужно перейти на старший разряд этого значения. Такой переход производится последовательным нажатием кнопки . После чего вращением колеса на панели управления против часовой стрелки изменяем значение частоты до нужного значения. Аналогичным образом снимаются показания приборов для построения 4 механических характеристики.

 

После окончания измерений электромашинный агрегат останавливается нажатием кнопки на пульте управления преобразователем.

Внимание!. Нагружая двигатель, нужно следить за током статора. Он не должен превышать своего номинального значения, т.е. должен быть не более 8,7 А.

Табл.1

№ п/п	f1, Гц	Результаты опыта	Расчет
АД	НД	Мнагр= с ∙Iя,
Uст., В	n об/мин	Iя, А	Uякоря, В	Iякоря, А

*k_м – масштабный коэффициент.

 

7. С использованием паспортных данных электрических машин по данным каждого эксперимента определить постоянную момент нагрузочной машины и построить зависимости n = f(М_нагр).

 

Асинхронного привода

 

Момент инерции привода, его маховый момент и электромеханическая постоянная времени могут быть определены в результате проведения опыта свободного выбега привода.

Сущность свободного выбега или самоторможения заключается в следующем:

Если отключить от сети электродвигатель работающий вхолостую, то ротор двигателя и соединенная с ним рабочая машина, будут продолжать вращаться за счет запаса кинетической энергии, постепенно замедляясь из-за действия тормозящих сил, обусловленных потерями вращения (рис. 1).

Определение момента инерции асинхронного двигателя, соединенного с рабочей машиной (или без нее), производится при помощи касательной, проводимой в начальной точке А (см.рис.2) к кривой n = f(t). Этот метод является приближенным.

 

 

 

 

Рис. 1. Зависимость n=f(t), снимаемая в результате опыта свободного выбега.

 

Основное уравнение движения электропривода имеет следующий вид:

 

, (12)

 

где	МД	-	момент двигателя, Н·м;
МС	-	момент сопротивления, Н·м;
n	-	скорость вращения, об/мин;
t	-	время, с;
J	-	Момент инерции вращающихся частей.

 

В случае самоторможения М_Д = 0, а М_С является общим моментом сопротивления механизма и моментом потерь вращения привода, поэтому выражение (12) для J примет вид:

. (13)

Если снята кривая выбега (рис.1), то проводя касательную к этой кривой в начальной точке выбега Адо пересечения с осью абсцисс, получают величину подкасательной t _подк. Изполученно­го треугольника ОАВвидно, что

. (14)

Тогда

. (15)

Величина момента сопротивления определяется но формуле

 

. (16)

где ΔР _мех - механические потери вращения привода, соответствующие

скорости n, Вт.

Механические потери вращения находятся из потерь холостого хода Р₀, которые в свою очередь состоят из потерь в стали статора, механических потерь вращения и потерь в меди статора. Потери в меди статора (Вт) определяются по формуле:

 

, (17)

 

где	I1	-	линейный ток статора, А;
	Rст	-	сопротивление фазы статора, Ом.

 

Суммарные потери в стали статора и механические потери вращения находят следующим образом:

 

. (18)

 

Для того, чтобы найти , необходимо отделить от Р _ст.мех потери встали статора. Это достигается построением зависимости (рис.3.) по нескольким точкам. Экстраполируя кривую до оси ординат, получают значение , так как при U_л=0 потери в стали статора равны нулю, и, следовательно, остаются одни механические потери вращения.

 

Рис.2. Зависимость

В теории электропривода часто оперируют не моментами инерции, а маховыми моментами, обозначаемыми (Нм²):

, (19)

где	m	-	масса вращающихся частей, кг;
	ρ	-	радиус инерции, м;
	ξ	-	вес вращающихся частей, Н;
	g	-	ускорение свободного падения
	D	-	диаметр инерции, м.

 

Отсюда находим:

. (20)

Зная момент инерции, можно также определить электромеханическую постоянную времени привода, под которой понимается время, в течение которого привод, обладающий моментом инерции J, разгоняется без нагрузки из неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода ω₀ при неизменном моменте, равном момен­ту короткого замыкания М_К:

, (21)

где s _н - номинальное скольжение, ;

М_Н - номинальный момент двигателя, .

Величина электромеханической постоянной времени зависит от сопротивления цепи статора и не зависит от нагрузки привода.

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Методические указания к исследовательскому

практикуму по курсу «Теория электропривода»

г.Пермь

2013

Общие положения

Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Основными достоинствами асинхронного двигателя являются простота конструкции и сравнительно невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения допускает регулирование скорости вращения в ограниченном диапазоне. Кроме того, короткозамкнутый асинхронный двигатель во избежание перегрева его ротора должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

Для короткозамкнутых асинхронных двигателей

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Изменение скорости электромагнитного поля статора

Изменение скольжения двигателя

Частотное регулирова-ние изменением,

Переключение числа пар полюсов,

Изменение величины питающего напряже- ния,

Введение добавоч. сопротив-ления в цепь ротора,

Асинхрон-ный вентильный каскад

Двигатель двойного питания

Для асинхронных двигателей с фазным ротором

Рис. 1. Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (рис. 1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора и скольжением :

Вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого ω₀, называемая синхронной, находится по формуле

ω0=2πf1/pп (1) где f1 – частота переменного тока промышленной частоты, Гц, f1 = 50 Гц; рn –число пар полюсов двигателя (определяется из паспортных данных). Разность между синхронной угловой скоростью и текущим значением угловой скорости ротора ω, отнесенная к скорости ω0 , называется скольжением s = (ω0 – ω)/ ω0. (2)

Исходя из (1) и (2) принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной .

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами: частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора, и числом пар полюсов двигателя . В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь питания статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменение числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой Э.Д.С. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).