Теория электропривода

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Петрозаводский  государственный университет

Кольский филиал

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра электроэнергетики и электротехники

 

Дисциплина: Теория электропривода

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа, вопросы 14,29       

студента     3     курса 

(группа АЭАП - 04/5,5)

заочного отделения 

Физико-энергетического  факультета

специальность 140604– «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

 

 

 

 

 

Научный руководитель

(преподаватель) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2006

 

Содержание.

 

 

 

Введение                                                                                                                         3

 

                                                                                                                      

1. Вопрос 14 Регулирование скорости двигателя путём импульсного изменения

 напряжения  на якоре и его шунтирования.

1.1 Электроприводы  постоянного тока с широтно-импульсным

 регулированием.                                                                                                            4

 

 

2. Вопрос 29 Регулирование скорости в системе преобразователь-двигатель.

2.1. Система преобразователь  частоты - асинхронный двигатель.                           8

 

 

Список литературы                                                                                                       12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Технологические режимы многих производственных механизмов на разных этапах работы требуют движения исполнительного органа с различной скоростью, что обеспечивается либо механическим путем, либо путем электрического регулирования скорости электропривода. Механические способы регулирования реализуются с помощью ступенчатого или плавного изменения передаточного числа i₀ системы. Они требуют введения в кинематическую цепь привода коробок передач, механических вариаторов и других устройств, усложняющих механическую часть электропривода, снижающих его надежность и затрудняющих автоматизацию технологического процесса.

Этих недостатков  лишен другой путь - электрическое  регулирование скорости электропривода, поэтому разработке различных способов его реализации за время развития электропривода уделяется много внимания. В настоящее время механическое регулирование находит ограниченное применение и обычно сочетается с электрическим. В большинстве случаев регулирование скорости механизма обеспечивается заданием различной скорости двигателя, поддержанием ее на заданном уровне, изменением во времени по требуемым законам с определенной точностью. Главная задача - изучение основных способов регулирования скорости и физических свойств регулируемого по скорости электропривода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вопрос 14: Регулирование скорости двигателя путём импульсного изменения напряжения на якоре и его шунтирования.

 

 

1.1 Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным регулированием.

 

Развитие силовой  преобразовательной техники, прежде всего  силовых транзисторов с изолированным  затвором (IGBT - биполярные транзисторы с изолированным затвором) открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного напряжения (тока), которые находят широкое применение в электроприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов: высокие параметры силовой цепи (напряжение до 1500В, ток до 500А с возможностью параллельной работы), малая мощность управления; высокая частота переключений - десятки кГц; модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий обратный диод и элементы цепей управления и защиты, - делают эти приборы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить коммутацию электрических цепей.

Принцип работы привода с двигателем постоянного  тока независимого возбуждения и транзисторным широтно-импульсным регулятором напряжения уясняется из рассмотрения схемы рис.5.26.

 

            UZ VT

Риc.5,26. Схема электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулятором напряжения.

 

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подключается к источнику питания постоянного тока (неуправляемый выпрямитель UZ), имеющему постоянную величину напряжения U_n. Включение - отключение напряжения питания осуществляется ключом - транзистором VT, Частота коммутаций цепи

постоянная, равная f_k = 1/T_h .

Величина среднего напряжения U_ср поступающего к якорю двигателя, определяется отношением времени включенного состояния ключа t_В ко времени периода коммутаций Т_к=t_в+t₀, как это показано на рис.5.27. Если время включенного состояния велико и составляет порядка t_в = 0,95Т_к, то среднее напряжение, поступающее на двигатель, будет максимально и составлять U_макс 0,95U_n. Если уменьшать время включенного состояния ключа VT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться (оно пропорционально заштрихованной площади на рис.5.27, деленной на время Т_к).

 

Из  рис.5.27  следует,  что среднее напряжение  широтно-импульсного регулятора равно

 

 

 

Величину γ = t_в/Т_к называют скважностью импульсов.

 

При размыкании ключа VT ток в якорной цепи двигателя прекратиться мгновенно не может, т.к. цепь якоря обладает значительной индуктивностью. Поэтому после отключения VT ток будет под действием э.д.с. самоиндукции обмотки якоря протекать через шунтирующий диод VD2. Переход тока якоря от транзистора VT к диоду VD2 иллюстрируется диаграммами, представленными на рис.5.28. Величина пульсаций тока зависит от частоты коммутаций f_к - выше частота, меньше амплитуда пульсаций. В настоящее время щиротно-импульсные регуляторы (ШИР) проектируются с частотой 2-10кГц и более. При высоких частотах амплитуды пульсаций тока будут незначительными и существенно меньше, чем при использовании тиристорных преобразователей с импульсно-фазовым управлением, питающихся от промышленной сети напряжением частотой 50Гц.

 

Среднее напряжение, поступающее на якорную цепь двигателя,     будет     равно

U_d =U„γ и, следовательно, механические характеристики электропривода в данной схеме будут описываться выражением (см.5.30)

 

 

 

Заметим, что  величина скважности у может изменяться от О до 0,95. Величина U_n зависит от схемы выпрямления. При достаточно мощном фильтровом конденсаторе она приближается к амплитудному значению линейного напряжения переменного тока.

 

 

Рис.5.29. Схема реверсивного электропривода постоянного тока с  широтно-импульсным регулятором напряжения.

 

Важным достоинством схем с широтно-импульсным регулированием напряжения является то, что на входе преобразователя устанавливается неуправляемый выпрямитель, вследствие чего его cosφ₁ (по первой гармонике) близок к единице, а коэффициент мощности будет не ниже 0,95.

Для реализации реверсивного привода с ШИР-регулятором  напряжения используется мостовая схема  включения силовых транзисторных  ключей, показанная на рис.5.29. В этой схеме якорь двигателя включен в диагональ моста ключей VT₁-VT₄. Протекание тока в одном направлении происходит через транзисторные ключи VT₁-VT₃, в другом - через ключи VT₂-VT₄. Для обеспечения непрерывности тока служат обратные диоды VD.

Широтно-импульсное регулирование напряжения может  в данной схеме производиться двумя способами: первый аналогичен расмотренному для нереверсивных схем (рис.5,27), второй предусматривает двуполярную коммутацию за время каждого периода заданной тактовой частоты (рис.5.30). В последнем случае в течение времени t_в включены ключи VT₁ и VТ₃, а в течение времени (T_K-t_e) включены ключи VT₂ и VT₄,

Среднее напряжение U_cp на нагрузке (якорной цепи двигателя) будет пропорционально разности заштрихованных площадей. Когда t_в > 0_,5T_K напряжение положительно, когда t_e - 0,5T_K оно равно нулю; когда t_в < 0,5Т_к среднее напряжение отрицательно.

Величина среднего напряжения при двухполярной коммутации будет:

 

 

Рис.5.30. Диаграмма напряжений ШИР при двуполярной коммутации.

 

где; Y= t_в / T_K -отношение времени включенного состояния ключей TV₁ TV₃ ко времени периода.

Применяется также  комбинированный алгоритм коммутации, когда при значениях U_cp< 0,5 U_n производится двуполярная коммутация, а при U_cp>0_,5U_n -однополярная, или когда на части периода Т_к открыты   ключи   VT₂-VT₄, на части все ключи закрыты.

Процесс торможения в реверсивном электроприводе постоянного тока с ШИР (см. рис.5.29) происходит следующим образом. Если в двигательном режиме для выбранного направления вращения работали транзисторные ключи VT₁ и VT₃, то в режиме торможения эти ключи будут закрыты и открываются ключи VT₄ и VT2, которые также работают в щиротно-импульсном режиме. Ток в цепи якоря двигателя меняет свое направление, совпадая по направлению с э.д.с. якоря Е_я, Величина тока ограничивается на требуемом уровне посредством широтно-импульсного регулирования работы ключей VT₄ и VT₂. Ток якоря попеременно проходит через эти ключи, когда они открыты, и через обратные диоды VD, включенные встречно параллельно ключам VT₁ и VT₃ (когда ключи VT₄ и VT₂ закрыты). В первом случае энергия торможения накапливается в индуктивности обмоток якоря. Во втором случае энергия торможения расходуется на подзаряд конденсатора С, напряжение на котором под действием суммы э.д.с. якоря и э.д.с. самоиндукции обмоток якоря растет. Благодаря этому источник питания UZ в самом начале процесса торможения оказывается заперт. Когда напряжение на конденсаторе достигнет определенной величины, открывается транзистор VT₅ и происходит частичный разряд конденсатора на тормозное сопротивление R.

В схемах с широтно-импульсными  регуляторами и нерегулируемым источником постоянного тока режим торможения с отдачей энергии в сеть невозможен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Вопрос 29: Регулирование скорости в системе преобразователь-двигатель.

 

 

2.1. Система преобразователь частоты - асинхронный двигатель.

 

Наименьшим числом ступеней преобразования энергии обладают вентильные преобразователи частоты Они содержат ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в преобразователях частоты со звеном постоянного тока В преобразователе частоты с непосредственной связью функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого изменяются с требуемой частотой с помощью системы управления преобразователем. Как следствие, наиболее близкими к системе ТП-Д массогабаритными показателями обладает система ПЧ-АД с преобразователем с непосредственной связью. Однако различия по мере совершенствования вентильных преобразователей частоты постепенно сокращаются, и существенные преимущества асинхронного двигателя определяют несомненную перспективность системы ПЧ-АД.

Известно, что  вентильные преобразователи частоты  могут обладать либо свойствами источника напряжения, либо свойствами источника тока. В первом случае наряду со входом управления частотой u_y.ч преобразователь имеет вход управления напряжением u_ун (рис.6.13,a). В случае инвертора тока регулирование магнитного потока машины при регулировании частоты осуществляется по входу управления током u_ут (рис.6.13,б).

Канал управления частотой может осуществлять либо дискретное, либо непрерывное формирование частоты  напряжения и тока. При непрерывном  формировании синусоидальных напряжений или токов заданной частоты его можно считать практически безынерционным. Канал управления напряжением или током воздействует на тиристорный преобразователь, и его быстродействие может оцениваться быстродействием этого управляемого преобразователя

При таком управлении напряжением в схеме рис.6.13,а или током в схеме рис.6.13,б, которое обеспечивает постоянство потокосцепления Ψ₁=const, или при постоянстве Ψµ или Ψ₂ в пределах значений абсолютного скольжения s_a≤s_k уравнение механической характеристики двигателя имеет вид