Электропривод двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технические и технологические требования к электроприводу лабораторного стенда

1.1 Назначение лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для выполнения студентами дневного и заочного отделений специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок» лабораторных работ по курсам:

- элементы систем автоматизации;

- теория электропривода;

- системы управления электроприводами.

В соответствии с требованиями указанных курсов на лабораторном стенде должны выполняться исследования статических, динамических и энергетических характеристик как разомкнутой, так и замкнутой систем электропривода.

1.2 Технические требования к лабораторному стенду

Лабораторный стенд должен обеспечивать выполнение следующих требований:

1) мощность силовой части электрооборудования стенда должна находиться в пределах 6 кВт, что определяется предельной мощностью питающей сети;

2) элементная база системы электропривода лабораторного стенда должна быть по возможности унифицирована с другими стендами;

3) безопасность при обслуживании и эксплуатации лабораторного стенда;

4) защиты системы электропривода при возникновении аварийных режимов работы.

1.3 Технологические требования к лабораторному стенду

При проектировании на систему электропривода накладывается ряд технологических требований, при которых должна обеспечиваться работа в нормальном режиме. Эти требования приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Технологические требования к системе электропривода

Наименование параметра	Обозначение	Численное значение
1	2	3
1 Колебание напряжения сети		0,1
2 Изменение статической нагрузки		2
3 Диапазон регулирования скорости вниз от номинальной		10

1.4 Исследование статических характеристик синхронного двигателя

Определение регулировочных характеристик

1) , при ,

где - скорость вращения вала синхронного двигателя;

- момент статических сил сопротивления;

- частота питания синхронного двигателя;

- напряжение питания синхронного двигателя;

- ток возбуждения синхронного двигателя.

2) , при и при питании двигателя от источника напряжения; (1.1)

3) , при и при питании двигателя от источника тока; (1.2)

4) , при . (1.3)

Определение механической и электромеханической характеристик электропривода при питании от источника напряжения

1) , при ; (1.4)

2) , при .; (1.5)

Определение механической характеристики электропривода при питании от источника тока:

, при . (1.6)

1.4.4 Определение основных статических параметров синхронного двигателя

1) - активное сопротивление фазы статора;

2) - активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя;

3) , (1.7)

где - коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении ; - отклонение скорости двигателя; - отклонение частоты сети.

4) , (1.8)

где - коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении напряжения ; - отклонение напряжения .

5) , (1.9)

где - коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении тока ; - изменение тока статора.

6) , (1.10)

где - коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении момента ;

- отклонение момента .

Определение энергетических характеристик электропривода в функции и :

1) - коэффициента полезного действия синхронного двигателя;

2) - коэффициента мощности синхронного двигателя;

3) - отклонения активной мощности;

4) - отклонения реактивной мощности;

5) - полной мощности синхронного двигателя.

1.5 Исследование динамических характеристик синхронного двигателя

Определение логарифмических характеристик синхронного двигателя, АЧХ основных звеньев и динамических параметров электродвигателя.

По управляющему воздействию со стороны преобразователя частоты:

1) , при , (1.11)

где - передаточная функция преобразователя частоты по отношению к скорости синхронного двигателя;

2) , при ; (1.12)

3) , при , (1.13)

где - передаточная функция преобразователя частоты по отношению к току статора синхронного двигателя.

По возмущающему воздействию со стороны нагрузки:

1) , при ; (1.14)

2) , при ; (1.15)

3) , при ; (1.16)

4) , при . (1.17)

Определение по экспериментальным данным следующих параметров синхронного двигателя:

1) - механической постоянной времени;

2) - электромагнитной постоянной времени цепи фазы статора;

3) - электромагнитной постоянной времени цепи обмотки возбуждения синхронного двигателя.

1.6 Исследование переходных процессов в синхронном двигателе

При питании от источника напряжения:

1) по управляющему воздействию;

2) по возмущающему воздействию:

и при , , (1.18)

где - напряжение на выходе преобразователя частоты.

При питании от источника тока:

1) по управляющему воздействию при; (1.19)

2) по возмущающему воздействию при . (1.20)

При линейном изменении входного сигнала управления:

1) при питании от источника напряжения

, при и , (1.21)

где - коэффициент изменения выходной координаты преобразователя во времени; - время;

, при и . (1.22)

2) при питании от источника тока

, при и ; (1.23)

, при и . (1.24)

1.7 Исследование регулировочных, механических и электромеханических характеристик электропривода

1) при , (1.25)

где - напряжение управления преобразователя частоты;

2) при ; (1.26)

3) при ; (1.27)

4) при ; (1.28)

5) при ; (1.29)

6) при ; (1.30)

7) при ; (1.31)

8) при . (1.32)

2. Выбор силовой части электропривода

2.1 Проверка синхронного двигателя по нагреву

В качестве синхронного двигателя используется синхронный трехфазный генератор переменного тока БМЗ - 4,5/4-М1. Электрическая машина представляет собой агрегат, состоящий из двух машин: генератора переменного тока и возбудителя постоянного тока, смонтированных на одном валу. Технические данные синхронной машины представлены в таблице 2.1 Обмоточные данные двигателя БМЗ - 4,5/4-М1 приведены в таблице 2.2

Таблица 2.1 - Технические данные синхронного двигателя

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Исследуемая машина 1 Мощность номинальная при cos ц=0,8 при cos ц=1	Р1 Р1*	кВт кВт	3,6 4,5
2 Частота вращения при номинальной нагрузке	n1	об/мин	1500
3 Напряжение номинальное	UСН	В	220
4 Ток статора номинальный	IСН	А	11,3
5 КПД при cos ц=1 при cos ц=0,8	з з	% %	80,6 74,2
6 Ток возбуждения холостого хода	IВХХ	А	5
7 Ток возбуждения при UСН, IСН	IВН	А	11
8 Момент маховой	JСД	кг·м2	0,225
Возбудитель 9 Потребляемая мощность при cos ц=1 при cos ц=0,8	Р1 Р2	кВт кВт	5,2 4,8
10 Напряжение	UВН	В	22
11 Ток	IВН	А	11,4
12 Сопротивление при t=20°C	RВ	Ом	0,16

Таблица 2.2 - Обмоточные данные двигателя БМЗ - 4,5/4-М1

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Статор 1 Число полюсов	2 р		4
2 Число пазов			36
3 Число витков в катушке	W		13
4 Число параллельных ветвей	а		1
5 Средняя длина витка	l		512
6 Активное сопротивление фазы при t=20°C	RC	Ом	0,725
Ротор 7 Число витков в катушке	WР		190
8 Средняя длина витка	l		280
9 Активное сопротивление при при t=20°C	RР	Ом	1,5
10 Синхронное продольное индуктивное сопротивление	Х*d		1
11 Синхронное поперечное индуктивное сопротивление	Х*q		0,64
12 Реактивное сопротивление рассеивания полюсов			0,152

Для соответствия синхронного двигателя по условиям нагрева должно выполняться следующее условие:

,

где - ток статора среднеквадратичный.

С помощью программы ZINA-98 были построены кривые переходных процессов щ_ОН, щ, I=f(t), представленные на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Переходные процессы щ_ОН, щ, M, I=f(t)

В результате построения переходных процессов был определен параметр А·А·с - показатель нагрева двигателя (квадрат тока якоря на время).

. (2.1)

А.

9,8А<11,3А, следовательно синхронный двигатель проходит по условиям нагрева.

2.2 Проверка электродвигателя нагрузочного устройства

К электродвигателю нагрузочного устройства предъявляется ряд требований. Двигатель должен обеспечивать:

- двукратную нагрузку исследуемого синхронного двигателя по моменту;

- превышение скорости вращения исследуемого двигателя для создания генераторного режима работы синхронного двигателя;

- соответствие конструктивных размеров электродвигателя нагрузочного устройства и исследуемого двигателя по высоте оси.

В качестве электродвигателя нагрузочного устройства используется двигатель постоянного тока типа 2ПБ160МГУ4, который в наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям.

Таблица 2.3 - Технические данные электродвигателя нагрузочного устройства

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
1 Мощность номинальная	Р2	кВт	6
2 Напряжение номинальное	U2	В	220
3 Частота вращения при номинальной нагрузке	n2	об/мин	2200
4 Частота вращения максимальная	nmax	об/мин	4000
5 Ток якоря при номинальной нагрузке	IЯН	А	30,7
6 Момент инерции якоря	JНМ	кг·м2	0,083
7 Коэффициент полезного действия	з	%	86,5

Выбранный двигатель имеет встроенный тахогенератор, технические данные которого приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Технические данные встроенного тахогенератора

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Мощность номинальная	РН	кВт	0,005
2 Напряжение на якоре номинальное	UЯН	В	100
3 Сопротивление нагрузки	RН	кОм	2
4 Частота вращения номинальная	nН	об/мин	3000

Двигатель нагрузочного устройства должен обеспечивать выполнение следующего условия:

,

где - момент номинальный электродвигателя нагрузочного устройства;

- момент эквивалентный.

Момент эквивалентный определяется номинальным моментом синхронного двигателя:

. (2.2)

Н·м.

Момент номинальный электродвигателя нагрузочного устройства:

. (2.3)

Н·м.

26 Н·м > 22,9 Н·м, следовательно двигатель удовлетворяет поставленным требованиям.

В качестве системы управления нагрузочной машины выбран преобразователь постоянного тока MENTOR 2 М25RTB14.

Электопривод Mentor 2 является представителем современных промышленных приводов постоянного тока с изменяемой скоростью и микропроцессорным управлением.

2.3 Выбор источника питания синхронного двигателя

В настоящее время известно большое количество силовых схем преобразователей с частотным управлением, отличающихся между собой числом фаз на входе и выходе, типами вентильных групп, способами управления и способами потенциального разделения фаз нагрузки.

В электроприводах применяют реверсивные преобразователи постоянного напряжения (ППН), позволяющие менять не только величину, но и знак напряжения на нагрузке. На рисунке 2.2 приведена схема реверсивного ППН, получившая наибольшее распространение. Пары транзисторов V1, V2 и V3, V4 образуют диагонали моста, а пары транзисторов V1, V4 и V2, V3 образуют стойки моста. При попарном включении транзисторов V1, V2 или V3, V4 знаки напряжения на нагрузке противоположны.

Существуют симметричный и несимметричный способы управления ключами.

Если транзисторы диагонали моста включаются и выключаются одновременно, то такой способ управления называется симметричным. При этом напряжение на нагрузке всегда двуполярное, а проводят либо два транзистора, либо два диода. Таким образом, при симметричном управлении происходит двуполярная модуляция.

Если выключение транзисторов происходит не одновременно, то такое управление называется несимметричным. При этом напряжение на нагрузке всегда однополярное. Таким образом, при несимметричном управлении происходит однополярная модуляция.



Рисунок 2.2 - Реверсивный ППН

Рисунок 2.3 - Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу реверсивного ППН с активно-индуктивной нагрузкой при симметричном управлении

Рассмотрим работу реверсивного ППН на активно-индуктивную нагрузку при симметричном управлении.

Анализ проведем при следующих допущениях: все вентили и источник питания идеальны, индуктивность в цепи нагрузки очень велика и, поэтому, ток в нагрузке непрерывен.

При включении транзисторов V1, V2 (рисунок 2.2) ток проходит по цепи + источника питания, V1, L_Н, V2, - источника питания. После выключения транзисторов ток проходит по цепи L_Н, VD3, источник питания, VD4. Энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. Затем снова включаются транзисторы V1, V2.

Для реверса после спада тока нагрузки до нуля включают транзисторы V3, V4.

Временные диаграммы тока нагрузки и напряжения на нагрузке приведены на рисунке 2.2. Видно, что в напряжении на нагрузке имеются отрицательные участки.

Уравнения регулировочных характеристик преобразователя в относительных единицах для непрерывного режима, полученные по временной диаграмме (см. рис. 2.4, б) для первого и четвертого квадрантов (направлений вперед «В» и назад «Н»):

, , при 1>г>0,5, (2.4)

где - относительное время включения транзисторов, а индексы указывают номера включенных транзисторов.

Уравнения регулировочных характеристик системы управления при пилообразном опорном напряжении имеют следующий вид:

если U_УПР > 0 ,

если U_упр<0 . (2.5)

Регулировочные характеристики системы управления преобразователя, построенные по уравнениям (2.5), приведены на рис. 2.4, б.

Уравнение регулировочной характеристики преобразователя вместе с системой управления имеет следующий вид:

(2.6)

Регулировочная характеристика преобразователя вместе с системой управления, построенная по уравнению (2.6), приведена на рис. 2.4, в. Участок характеристики, соответствующий направлению вперед «В», находится в первом квадранте, а соответствующий направлению назад «Н» - в третьем.

Выбираем преобразователь Control Technic Maxi Maestro, основные технические характеристики которого приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5 - Технические характеристики преобразователя Control Technic Maxi Maestro

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Ток номинальный	IН	А	25
2 Напряжение номинальное	UН	В	230

Преобразователь был выбран на основании следующих требований:

U_НП > U_НДВ 230 В > 220 В;

I_НП > I_НДВ 25 А > 11,3 А,

где U_НП, I_НП - номинальные выходные напряжение и ток преобразователя;

U_НДВ, I_НДВ - номинальные напряжение и ток на якоре двигателя.

На рисунке 2.5 изображена схема преобразователя. Также там приведена схема питания преобразователей и показано подключение обмоток статора синхронной машины.

Рисунок 2.5 - Преобразователь Control Technic Maxi Maestro

2.4 Выбор источника питания обмотки возбуждения синхронного двигателя

В качестве источника питания обмотки возбуждения синхронного двигателя используется преобразователь ТПЕ, технические характеристики которого приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Технические характеристики преобразователя питания обмотки возбуждения

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Ток номинальный	IН	А	25
2 Напряжение номинальное	UН	В	380

Преобразователь должен удовлетворять следующим требованиям:

U_НП > U_ВН

I_НП > I_ВН

2.5 Выбор силового трансформатора

На рисунке 2.6 изображена схема замещения питания одной фазы синхронного двигателя.

Рисунок 2.6 - Схема замещения питания одной фазы синхронного двигателя

На схеме обозначено:

- Е_Ф - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора питания преобразователя;

- R_ТР, L_ТР - активное и индуктивное сопротивления двух последовательно включенных вторичных обмоток трансформатора питания преобразователя;

- R_СТ, L_СТ - активное и индуктивное сопротивления фазы статора синхронного двигателя;

- Е_СД - ЭДС синхронного двигателя.

ЭДС синхронного двигателя можно определить из соотношения для активной мощности явнополюсной синхронной машины:

. (2.7)

где m=3 - число фаз питания синхронной машины;

Е₀ - ЭДС обмотки статора;

U_C - фазное напряжение питания обмотки статора;

И - угол сдвига между ЭДС обмотки статора и фазным напряжением U_C, определяемый угловым положением ротора относительно результирующего вращающегося магнитного потока статора;

Х_d - продольное индуктивное сопротивление синхронной машины;

Х_q - поперечное индуктивное сопротивление синхронной машины;

Р - активная мощность синхронной машины.

Значение угла И определяется из соотношения:

,

где - коэффициент перегрузочной способности синхронной машины.

Тогда .

Значения Х_q и Х_d определяются из соотношений:

, (2.8)

. (2.9)

где Z_Н - полное номинальное сопротивление синхронной машины. Оно вычисляется по формуле:

. (2.10)

Ом.

Тогда по формулам 2.8 и 2.9:

Ом;

Ом.

Тогда ЭДС обмотки статора:

(2.11)

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора определяется по соотношению:

; (2.12)

В,

где г_max=0,9-0,95 - коэффициент использования элементов силовой схемы.

Ток вторичной обмотки силового трансформатора:

; (2.13)

А.

Полная мощность нагрузки трансформатора определяется следующим образом:

; (2.14)

В·А.

Типовая мощность трансформатора:

; (2.15)

Вт.

В соответствии с приведенными расчетами выбирается трансформатор типа ТСП 10/0,7-744,4. Технические характеристики трансформатора представлены в таблице 2.7

Таблица 2.7 - Технические характеристики трансформатора ТСП 10/0,7-744,4

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Число фаз	-	-	3
2 Частота сети	fC	Гц	50
3 Напряжение сети	UC	В	380
4 Ток первичной обмотки	I1	А	11,1
5 Номинальная мощность трансформатора	SТР	кВА	7,3
6 Потери холостого хода	ДРХХ	Вт	77
7 Потери короткого замыкания	ДРКЗ	Вт	266
8 Напряжение короткого замыкания	ДUK	%	4,9
9 Напряжение фазное вторичной обмотки	U2	В	118
10 Ток вторичной обмотки	I2	А	35,5

Расчет параметров силового трансформатора.

Активное сопротивление трансформатора определяется по формуле:

; (2.16)

Ом.

Полное сопротивление трансформатора:

; (2.17)

Ом.

Индуктивное сопротивление трансформатора:

; (2.18)

 Ом.

Индуктивность обмоток трансформатора:

; (2.19)

Гн.

2.6 Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя

Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя строится исходя из ограничений, накладываемых на систему электропривода. Эти ограничения формулируются следующим образом:

1) ограничение по величине тока, длительно протекающего через преобразователь и синхронный двигатель;

2) ограничение по мощности двигателей и преобразователей;

3) ограничение по скорости вращения синхронного двигателя;

4) ограничение по перегрузке преобразователя

Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя

Литература

электропривод двигатель синхронный нагрев

1 Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: Учебное пособие. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2001 - 360 с.

2 Выпрямители ТПЕ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

3 Гельман М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие в 3-х частях. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2002

4 Вольдек А.И. Электрические машины. - М. Энергия, 1973 - 711 с.

5 Правила устройства электроустановок, 2003

6 С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов /.; Под общ. ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999.

7 Стандарт предприятия. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к оформлению. Техн. редактор А.В. Миних. - Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2004 - 50 с.

8 Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. Учебник для ВУЗов. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1981 - 576 с.

9 Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 560 с.

10 Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990 - 288 с.

Размещено на Allbest.ru

...