Выполнение лабораторных работ с использованием дистанционного метода

Кратковременный номинальный режим работы электропривода.

Это режим работы электропривода, при котором периоды номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения, за время которых электродвигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Государственный стандарт предусматривает номинальный кратковременный режим работы электродвигателя продолжительностью 10, 30, 60, 90 мин. Мощность электродвигателя для привода машины, работающей в кратковременном режиме, рассчитывается методом эквивалентных величин (тока, момента) по уравнениям, данные для которых принимают из нагрузочной диаграммы технологической машины.

Повторно-кратковременный номинальный режим работы электропривода

Это режим работы электропривода, при котором периоды номинальной нагрузки чередуются периодами отключения электродвигателя. При этом превышение температуры электродвигателя за время периода нагрузки не достигает установившегося значения. А за время периода отключения электродвигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения электродвигателя - ПВ. Определяют ПВ из нагрузочной диаграммы, как отношение времени нагрузки электродвигателя ко времени цикла

Государственными стандартами предусмотрена длительность номинального повторно-кратковременного режима работы электродвигателя с ПВ=15, 25, 40, 60% и с продолжительностью цикла 10 мин. Если цикл превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя следует считать продолжительным.

Методы эквивалентного момента и мощности не могут применяться для расчета электродвигателя с частым пуском и работающим в тормозных режимах. При значении ПВ электродвигателя отличного от стандартного, следует делать пересчет мощности электродвигателя на ближайшую номинальную со стандартным ПВ. По данным расчета из каталога выбирают электродвигатель единой серии ближайшей большей мощности для повторно-кратковременного режима, соответствующего ПВ с учетом исполнения и угловой скорости вала электродвигателя.

Нагрузочная диаграмма

Нагрузочной диаграммой называется график, определяющий зависимость тока, мощности или момента электродвигателя от времени его действия.

Определение мощности электродвигателя методом эквивалентного тока возможно в том случае, если нагрузочная диаграмма электродвигателя представлена зависимостью тока от времени. Если магнитный поток электродвигателя постоянный (синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением), то мощность электродвигателя определится методом эквивалентного момента. Через эквивалентные ток и момент определяют мощность электродвигателя по уравнениям. По данным расчета из каталога выбирают электродвигатель единой серии ближайшей большей мощности для кратковременного режима с периодом нагрузки и с учетом исполнения и угловой скорости вала электродвигателя.

Для расчёта эквивалентных величин используют нагрузочные диаграммы. Такие диаграммы представляют собой зависимости потребляемого тока I, полезного момента М и полезной мощности Р от времени t рис. 36.

Рис. 36 Нагрузочная диаграмма

Расчёт эквивалентных величин ведут по следующим выражениям:

а) эквивалентное значение тока

б) эквивалентное значение момента

В) эквивалентное значение мощности

где: I1,I2,In - значения токов, потребляемых электродвигателем из сети в соответствующие периоды переменной нагрузки t1,t2,tn; M1,M2,Mn -значения полезного момента на валу электродвигателя в соответствующие периоды переменной нагрузки; P₁,P₂,P_n - значения полезной мощности электродвигателя в соответствующие периоды переменной нагрузки.

При выборе мощности электродвигателя нужно эквивалентные значения величин сравнить с номинальными данными электродвигателя. Необходимо, чтобы эквивалентная величина была немного меньше либо равна номинальной. При выборе асинхронного или синхронного трёхфазного электродвигателя по эквивалентному току, чтобы избежать ошибки, следует обратить внимание на схему соединения обмотки статора.

Выбранный электродвигатель проверяют по перегрузочной способности:

Мнаиб Ј--lЧМном,

где М_наиб - наибольшее значение нагрузочного момента на нагрузочной диаграмме, НЧм; М_ном - номинальный момент выбранного электродвигателя, НЧм; ; l - перегрузочная способность выбранного электродвигателя.

Для двух других режимов работы, кратковременного и повторно-кратковременного, процедура выбора электродвигателя такая же, как и в продолжительном режиме, но двигатели выбираются специального назначения и, кроме того, в повторно-кратковременном режиме эквивалентные момент, ток и мощность приводятся к ближайшему стандартному значению продолжительности включения ПВ_ст:

Задание на выполнение лабораторной работы.

1.Для заданных преподавателем токов нагрузки снимите кривые нагрева и охлаждения машины М1.

2.Определите 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.

Методика выполнения

1. Запустить программу удаленного управления рабочим столом (см. выше).

2. Запустить программу El-drive. Пройти тест по 4-й лабораторной работе "Проверка знаний">Лаб.№4 "Исследование нагрузочных диаграмм электродвигателя"

3. После успешного прохождения теста, в меню откроются пункты "Проведение лаб. работ", "Настройки", "Просмотр журнала событий".

4. Войти в меню "Настройки" и установить маркер напротив пункта "Режим управления", который позволит управлять стендом с ПК и маркер напротив пункта "Регистрировать по событию"

5. Войти в пункт меню "Проведение лаб. работ" выбрать пункт "Лаб.№4 "Исследование нагрузочных диаграмм электродвигателя". Откроется окно лабораторной работы № 4. (см. рис. 37).

Рис. 37 Окно лабораторной работы №4

6. Циклограмма работы задается при токах возбуждения машины М1, равным 220mA, 110mA и 440mA при временах работы 10-15 мин и временах паузы тоже 10-15 мин.

7. Задать начальную скорость на уровне 80 рад/с.

8. Задать циклограмму работы, используя ток якоря машины М1 и время работы.

ВНИМАНИЕ:

· ток якоря ограничен в пределах 5 А;

· время цикла устанавливать в пределах 600..1000 сек.

Кнопкой "Сохранить" осуществляется сохранение настроек для заданного номера цикла и переход на следующий цикл. Кнопкой "Сброс" осуществляется сброс всех установок в блоке "Циклограмма работы". Параметры работы для каждого цикла работы задаются преподавателем.

Например, циклограмма может быть задана так:



Таблица 2

Пример циклограммы

Номер цикла	Ток якоря *0,1А	Время работы
	Значения, вводимые в поля
1	10	600
2	20	600
3	30	600
4	10	600
5	0,1	600
6	10	600
7	20	600

После задания параметров циклограммы нажать кнопку "Пуск". Начнется построение графика температурной зависимости рис. 38

Рис. 38 Окно лабораторной работы в процессе выполнения

9. После задания циклограммы осуществить запуск процесса выполнения лабораторной работы кнопкой "Пуск". Затем следить за ходом выполнения лаб. работы. При необходимости можно остановить процесс кнопкой "Стоп".

10. Теперь нужно зафиксировать результаты работы .Для этого, в меню "Отчет" выбрать пункт "Создать новый", затем из того же меню пункт "Просмотр и редактирование", просмотреть отчет и сохранить его в указанном преподавателем месте или в вашей папке.

11. Для сохранения графика выполнить действия аналогичные пп. 6.3-6.4 в л.р. №1.

12. Нажать кнопку "Выход".

Контрольные вопросы.

1. Какие существуют режимы работы электропривода.

2. Охарактеризуйте продолжительный номинальный режим работы электропривода.

3. Охарактеризуйте кратковременный номинальный режим работы электропривода.

4. Охарактеризуйте повторно-кратковременный номинальный режим работы электропривода.

5. Что представляет собой нагрузочная диаграмма электродвигателя?

6. В чём состоит метод эквивалентных величин при выборе мощности электродвигателя?

7. В каком случае этот метод неприменим?

8. Каковы нежелательные последствия работы электродвигателя при его перегрузке и недогрузке? Научно-техническое предприятие «Центр». Описание лабораторных работ "Электропривод". Могилев, 2005.



• ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. "ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ"

Цель работы.

1. Приобрести практические навыки в выполнении опытов по снятию данных и построению механических характеристик трёхфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором при различных режимах его работы.

2. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о механических характеристиках асинхронного электродвигателя (АД).

Теоретическая часть.

Общие сведения

Асинхронная машина - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не кратна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки возбуждения. Асинхронные машины -- наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. Асинхронные двигатели получили в промышленности весьма широкое применение благодаря ряду существенных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей. Асинхронный двигатель прост и надёжен в эксплуатации, так как не имеет коллектора. Асинхронные двигатели дешевле и значительно легче двигателей постоянного тока.

Конструкция. Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором. Ее активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части -- конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т.п. Обмотка статора представляет собой трехфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам "треугольник" или "звезда" и подключают к сети трехфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора -- из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая "беличье колесо" из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями "беличьей клетки" отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности "беличью клетку" выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока возбуждения из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком "беличьей клетки". Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить легкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае -- многофазную) обмотку, обычно соединенную по схеме "звезда" и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щеток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Общие сведения о режимах работы АД.

Принцип работы. При питании обмотки статора трехфазным током (в общем случае - многофазным током) создается вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц] соотношением:

,

где - число пар полюсов ротора.

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки якоря и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке якоря начинает течь ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы, их суммарное усилие образует электромагнитный крутящий момент, увлекающий ротор за магнитным полем.

Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки якоря станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство: .

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

.

Очевидно, что при двигательном режиме .

Рис. 39. Механическая характеристика асинхронной машины

Теоретически асинхронная машина может работать в диапазоне изменения скольжения s=-?...+? (рис. 39), но не при s=0, так как в этом случае проводники обмотки ротора неподвижны относительно поля статора, ЭДС и ток в обмотке равны нулю и момент отсутствует. В зависимости от практически возможных скольжений различают несколько режимов работы асинхронных машин (рис. 39): генераторный режим при s<0, двигательный при 0<s<1, трансформаторный при s=1 и тормозной при s>1.

В генераторном режиме ротор машины вращается в ту же сторону, что и поле статора, но с большей частотой.

В двигательном -- направления вращения поля статора и ротора совпадают, но ротор вращается медленнее поля статора: = (1 - s).

В трансформаторном режиме ротор машины неподвижен и обмотки ротора и статора не перемещаются относительно друг друга. Асинхронная машина в таком режиме представляет собой трансформатор и отличается от него расположением первичной и вторичной обмоток (обмотки статора и ротора) и наличием воздушного зазора в магнитопроводе.

В тормозном режиме ротор вращается, но направление его вращения противоположно направлению поля статора и машина создает момент, противоположный моменту, действующему на вал. Подавляющее большинство асинхронных машин используют в качестве двигателей, и лишь очень небольшое количество - в генераторном и трансформаторном режимах, в тормозном режиме - кратковременно.

Рис. 40. Зависимость тока и момента асинхронного двигателя от скольжения

Для оценки механической характеристики АД моменты, развиваемые двигателем при различных скольжениях, обычно выражают в относительных единицах, указывая кратность по отношению к номинальному моменту: М*=M/Мном. Зависимость М*=f(s) асинхронного двигателя (рис. 40) имеет несколько характерных точек, соответствующих пусковому М*, минимальному М*min, максимальному М*max и номинальному М*ном моментам.

Пусковой момент М* характеризует начальный момент, развиваемый двигателем непосредственно при включении его в сеть при неподвижном роторе (s - 1). После трогания двигателя с места его момент несколько уменьшается по сравнению с пусковым (см. рис. 40). Обычно М*min на 10...15 % меньше М*. Большинство двигателей проектируют так, чтобы их М*min был больше М*ном, так как они могут достигнуть номинальной скорости лишь при условии, что момент сопротивления, приложенный к валу, будет меньше, чем М*min .

Максимальный момент М*max характеризует перегрузочную способность двигателя. Если момент сопротивления превышает М*max, двигатель останавливается. Поэтому М*max называют также критическим, а скольжение, при котором момент достигает максимума, - критическим скольжением sкp. Обычно sкр не превышает 0,1...0,15; в двигателях с повышенным скольжением (крановых, металлургических и т. п.) sкp может быть значительно большим.

В диапазоне 0 < s < sкр характеристика М - f(s) имеет устойчивый характер. Она является рабочей частью механической характеристики двигателя. При скольжениях s > sкр двигатель в нормальных условиях работать не может. Эта часть характеристики определяет пусковые свойства двигателя от момента пуска до выхода на рабочую часть характеристики.

Трансформаторный режим, т. е. режим, когда обмотка статора подключена к сети, а ротор неподвижен, называют также режимом короткого замыкания двигателя. При s = 1 ток двигателя в несколько раз превышает номинальный, а охлаждение много хуже, чем при номинальном режиме. Поэтому в режиме короткого замыкания асинхронный двигатель, не рассчитанный для работы при скольжениях, близких к единице, может находиться лишь в течение нескольких секунд.

Режим короткого замыкания возникает при каждом пуске двигателя, однако в этом случае он кратковременен. Несколько пусков двигателя с короткозамкнутым ротором подряд или через короткие промежутки времени могут привести к превышению допустимой температуры его обмоток и к выходу двигателя из строя.

Кроме перечисленных выше режимов, следует отметить, что АД имеет ещё три тормозных режима: а) генераторный тормозной с отдачей энергии в сеть; б) торможение противовключением; в) динамическое торможение.

Генераторное торможение АД с отдачей энергии в сеть наступает при частоте вращения ротора, превышающей синхронную. В этом режиме электродвигатель отдаёт в сеть активную энергию, а из сети в электродвигатель поступает реактивная энергия, необходимая для создания электромагнитного поля. Торможение в этом режиме происходит лишь до синхронной частоты вращения. Торможение противовключением соответствует направлению вращения магнитного поля статора, противоположному вращению ротора. В этом режиме скольжение больше единицы, а частота вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора - отрицательна. Ток в роторе, а следовательно, и в статоре достигает большой величины. Для ограничения этого тока в цепь ротора вводят добавочное сопротивление.

Режим торможения противовключением наступает при изменении направления вращения магнитного поля статора, в то время как ротор электродвигателя и соединённые с ним механизмы продолжают вращение по инерции. Этот режим возможен также и в случае, когда поле статора не меняет направления вращения, а ротор под действием внешнего момента изменяет направление вращения. При этом механические характеристики электродвигателя являются продолжением характеристик двигательного режима.

Динамическое торможение асинхронного электродвигателя осуществляется следующим образом: обмотку статора отключают от сети переменного тока, а затем две фазы обмотки статора подключают к источнику постоянного тока. Постоянный ток, проходя по обмотке статора, образует магнитное поле, неподвижное относительно сердечника статора. Но так как ротор электродвигателя продолжает вращение по инерции, то это магнитное поле наводит в обмотке ротора переменный ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создаёт тормозной момент, величина которого определяется величинами МДС обмотки статора, активного сопротивления обмотки ротора и частоты вращения ротора. Торможение длится до полной остановки ротора. Для более эффективного торможения в цепь ротора вводят активное сопротивление.

В режиме динамического торможения механическая характеристика рассчитывается по выражению описывающему вращающий момент асинхронного двигателя (упрощённая формула):

Однако, М_К и s_К рассчитываются специально для этого режима.

Критический момент Мк.т. в режиме динамического торможения

определяют из выражения:

Критическое скольжение sк.т. в режиме динамического торможения:

x_? - для тока намагничивания равного току холостого хода можно определить из приближённой зависимости:

Методика выполнения

1. Запустить программу удаленного управления рабочим столом (см. выше).

2. Запустить программу El-drive. Пройти тест по 7-й лабораторной работе "Проверка знаний">Лаб.№7 "Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором"

3. После успешного прохождения теста, в меню откроются пункты "Проведение лаб. работ", "Настройки", "Просмотр журнала событий".

4. Войти в меню "Настройки" и установить маркер напротив пункта "Режим управления", который позволит управлять стендом с ПК и маркер напротив пункта "Регистрировать по событию"

5. Войти в пункт меню "Проведение лаб. работ" выбрать пункт "Лаб.№7 "Исследование механических характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором"". Откроется окно лабораторной работы № 4. (см. рис. 41).

Рис. 41 Окно лабораторной работы

6. Естественная характеристика. Выбрать опцию "Показать график". В блоке "Режим работы" выбрать "Электромеханические характеристики". В блоке "Двигатель М4" установить задание частоты 50Гц и задание PV3 - 220В. Нажать кнопку "Старт". Через некоторое время начнется построение графика. При необходимости измените масштаб области построения.

7. Нажав кнопку "Стоп", можно остановить процесс снятия характеристики, либо дождаться 100%-ого выполнения. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.

Рис. 42 Пример графической зависимости скорости вращения ротора от тока, построенной для режима "Естественная характеристика".

8. Регулирование изменением напряжения. Повторить п. 6-7 для напряжения PV3 = 150В, затем для напряжения PV3 = 100В. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.

9. Регулирование изменением частоты. Повторить п. 6-7. для напряжения PV3 = 100В и частоты 35Гц, затем для напряжения PV3 = 100В и частоты 25Гц. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.

10. Регулирование изменением напряжения и частоты. Повторить п. 6-7 для напряжения PV3 = 154В и частоты 35Гц. Затем для напряжения PV3 = 110В и частоты 25Гц. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей паке или в указанном преподавателем месте.

11. Характеристика динамического торможения. В блоке "Режим работы" выбрать "Характеристики динамического торможения". В блоке "Двигатель М4" установить движком необходимый ток динамического торможения (передвинуть движок примерно на середину). Нажать кнопку "Старт". Через некоторое время начнется построение графика. При необходимости изменить масштаб области построения. Затем скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей папке или в указанном преподавателем месте.

Рис. 43 Пример графической зависимости скорости вращения ротора от тока, построенной для режима "Характеристики динамического торможения".

12. Нажать кнопку "Выход".

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение асинхронной машине.

2. Опишите конструкцию АД.

3. АД с фазным ротором, особенности, области применения

4. АД с короткозакнутым ротором, особенности, области применения.

5. Принцип работы АД.

6. Разновидности режимов работы АД.

7. Тормозные режимы АД.

8. Режим торможения противовключением.

9. В каких диапазонах изменяется скольжение асинхронного электродвигателя в режимах генераторного торможения, двигательном, торможения противовключением и динамического торможения?

10. Что такое перегрузочная способность асинхронного электродвигателя и какова её зависимость от напряжения в обмотке статора?

11. Различаются ли по значению максимальные моменты асинхронного электродвигателя в двигательном и генераторном режимах?

12. Может ли критическое скольжение асинхронного электродвигателя иметь значение, превышающее единицу?

13. Как изменится механическая характеристика АД в режиме динамического торможения при увеличении активного сопротивления в цепи ротора?

14. На что расходуется энергия, вырабатываемая в электродвигателе при его работе в режимах торможения? Научно-техническое предприятие «Центр». Описание лабораторных работ "Электропривод". Могилев, 2005.

• ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9. "ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА IGBT-МОДУЛЯХ"

Цель работы:

1. Изучение устройства и принципа действия ШИП на IGBT-модулях.

2. Исследование характеристик ШИП на IGBT-модулях.

Теоретическая часть.

Традиционно широтно-импульсные преобразователи применялись для электроприводов малой мощности с широким диапазоном регулирования. С развитием элементной базы, в частности появлением IGBT-модулей, диапазон мощностей где целесообразно применять ШИП значительно увеличился. По сравнению с управляемыми выпрямителями ШИП отличают более высокие динамические показатели при высоком диапазоне регулирования скорости - порядка 2000-6000, лучшее использование двигателя по току, меньшее влияние на питающую сеть.

Рис. 44

Для системы с ШИП (рис.44) среднее напряжение на нагрузке Uср определяется следующим образом:

где Uп - напряжение питания; g = tи / T - период коммутации; tи - длительность рабочей части T.

Рис. 45

Широтно-импульсный преобразователь состоит из широтно-импульсного модулятора ШИМ, усилителей импульсов или драйверов УМ1-УМn и импульсного усилителя мощности ИУМ (рис.45). ШИМ формирует необходимые по длительности импульсы в зависимости от уровня сигнала управления. Существуют различные варианты схемной реализации широтно-импульсных модуляторов. Однако все они используют два способа получения модулированных импульсов. Один из них основан на сложении двух прямоугольных импульсов с регулируемым сдвигом по фазе между ними, второй - на сравнении опорного напряжения определённой несущей частоты и формы (треугольной, пилообразной) и напряжения управления. При совре-менном уровне развития интегральной схемотехники дешёвой и наиболее универсальной представляется реализация ШИМ на основе микропроцессора.

В лабораторной установке в качестве ШИМ использован микроконтроллер фирмы Fujitsu MB90F562 серии F2MC-16F. Одновременно в преобразователе он осуществляет отработку защит по току, температуре и напряжению.

Его основные особенности:

· Быстрое 16-ти битное ядро (время выполнения инструкции 62,5

· нс)

· Малый уровень электромагнитных помех

· Обработка команд с использованием 4-х байтной очереди

· Мощная система команд (340 инструкций)

· Аппаратное умножение 16*16 и деление 32/16

· 32-х битный аккумулятор

· Большое адресное пространство 16 Мбайт

· Мультиплицированная шина адреса/данных (24/16)

· Большой объем на кристалле (64 Кбайт) Flash памяти программ программируемых в системе

· ОЗУ данных 2 Кбайт на кристалле

· 50 портов ввода-вывода

· Два Full duplex UART0 на скорость до 2 Мбит и UART1 на скорость до 1 Мбит (синхронный режим при частоте 16Мгц)

· Встроенный быстрый АЦП (время преобразования 26,3 мкс для одного канала) 10 или 8 бит 8 каналов

· Мощная таймерная подсистема, в том числе ШИМ

· PLL-синтезатор

· Малопотребляющая технология с управлением тактовой частотой Режимы остановки CPU, sleep режим

Рис. 46. Схема электрическая принципиальная ШИП

Усилители импульсов предназначены для управления силовыми ключами. Они формируют требуемую амплитуду импульсов, скорость нарастания и спада. В современной схемотехнике такие устройства называют драйверами и, как правило, это специализированные мик-росхемы для управления конкретным типом ключей. В рассматривае-мом ШИП драйверы входят в состав силового модуля.

Силовая часть широтно-импульсного преобразователя выполнена на основе интеллектуальных модулей фирмы Mitsubishi Electric - PS11035 (1.5kW), PS11036 (2.2kW). Модуль этого типа состоит из собранных в одном корпусе силовых IGBT-ключей с защитными обратными диодами (количество ключей -- от одного до семи, в зависимости от типа модуля), датчика тока, датчика напряжения, датчика температуры и входных и выходных драйверов управления. Особенностью модулей является наличие встроенных защит по току, напряжению и температуре, что позволяет не размещать дополнительные элементы для реализации этих функций. Встроенные схемные решения также осуществляют мониторинг за питающим напряжением и при уменьшении его ниже определенного значения запрещают работу силовых ключей. Защита по току реализует двухстадийный алгоритм, который обеспечивает отключение силового ключа при превышении номинального тока с некоторой задержкой по времени, что в свою очередь обеспечивает плавное снижение подводимой мощности. Наряду с этим при превышении уровня тока, который система считает током короткого замыкания, силовой ключ отключается сразу, что позволяет сохранить работоспособность устройства. В обоих этих случаях схема формирует сигнал "неисправности" высокого уровня на выходной линии. Сигнал высокого уровня "неисправность" формируется также при выходе питающего напряжения за допустимые пределы и при перегреве модуля. Следует заметить, что при перегреве и превышении тока сигнал формируется импульсом длительностью порядка 1,5 мс. При изменении питающего напряжения сигнал пропорционально увеличивается от минимума до максимума, в зависимости от степени отклонения напряжения от оптимального значения. При использовании оптопары с пороговым включением отследить медленно повышающееся напряжение на выводе "авария" достаточно затруднительно. При возникновении перегрева сигнал аварии возникает при превышении некоторой температуры, модуль отключается и начинает остывать. Сигнал аварии продолжает находиться в высоком состоянии. После остывания модуля до рабочей температуры модуль включается, и сигнал аварии снимается, при этом длительность сигнала составляет несколько секунд. Различия во временных характеристиках сигнала позволяют в какой-то мере идентифицировать причину аварии.

Конструктивно модули выполнены таким образом, что стоки всех IGBT-ключей охлаждаются одной металлической пластиной. Она же служит нижним основанием модуля и крепится к теплоотводу болтами. Подключение силовых высоковольтных шин осуществляется ножевыми разъемами на вертикальные стойки сечением 5 на 1 мм. Для подключения схемы управления с верхней стороны модуля смонтированы вертикальные контакты с регулярным шагом небольшого сечения и высотой 10-15 мм у разных модулей, что позволяет пропускать их в отверстия печатных плат и без помех запаивать с верхней открытой стороны. Такой метод монтажа экономит место в устройстве, не мешает теплоотводу и не вносит дополнительных проводных связей, что благотворно сказывается на уменьшении помех и наводок.

Методика выполнения

1. Запустить программу удаленного управления рабочим столом (см. выше).

2. Запустить программу El-drive. Пройти тест по 9-й лабораторной работе "Проверка знаний">Лаб.№9 "Исследование широтно-импульсного преобразователя на IGBT-модулях".

3. После успешного прохождения теста, в меню откроются пункты "Проведение лаб. работ", "Настройки", "Просмотр журнала событий".

4. Войти в меню "Настройки" и установить маркер напротив пункта "Режим управления", который позволит управлять стендом с ПК, и маркер напротив пункта "Регистрировать по событию"

5. Войти в пункт меню "Проведение лаб. работ" выбрать пункт "Лаб. №9 "Исследование широтно-импульсного преобразователя на IGBT-модулях". Откроется окно лабораторной работы № 4. (см. рис. 47).

Рис. 47 Окно лабораторной работы №9

6. Вынуть все перемычки на панели.

7. Нажать кнопку "Старт". Дождаться выполнения процесса. Нажать кнопку "Стоп".

8. Скопировать график в буфер обмена как указано в пп. 6.3-6.4 в л.р. №1. Добавить полученные данные в отчет либо создать новый, и сохранить его в своей папке или в указанном преподавателем месте. Полученная зависимость будет следующий вид (см. рис. 48).

Рис. 48 Вольтамперная характеристика, полученная при выполнении пунктов 6-8.

9. Опыт начать через 5 мин после предыдущего. Установить перемычку, шунтирующую резистор R911. Выполнить п. 7-8.

10. Опыт начать через 5 мин после предыдущего. Зашунтировать резистор R912. Выполнить п. 7-8.

11. Нажать кнопку "Выход".

Контрольные вопросы.

1. Какие существуют способы коммутации?

2. Способы получения модулированных импульсов?

3. Достоинства и недостатки использования тиристоров в силовой части ШИП?

4. Достоинства и недостатки использования транзисторов в силовой части ШИП?

5. При каком способе коммутации возможен режим прерывистых токов? Научно-техническое предприятие «Центр». Описание лабораторных работ "Электропривод". Могилев, 2005.

• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Научно-техническое предприятие "Центр". Описание лабораторных работ "Электропривод". Могилев, 2005.

2. Научно-техническое предприятие "Центр". Лабораторный стенд "Электропривод" паспорт. Могилев, 2005.

3. Научно-техническое предприятие "Центр". Лабораторный стенд "Сервопривод" паспорт. Могилев, 2005.

4. Научно-техническое предприятие "Центр". Лабораторный стенд "Электропривод", Справочный материал. Могилев, 2005

5. Л.Б. Иванов. Методические указания к лабораторной работе "Определение момента инерции электропривода методом свободного выбега", Волгоград. гос. техн. ун-т., Волгоград 2001.

6. А.В. Мищенко, Н.П. Моторина "Электромеханика", Учебное пособие для студентов специальностей 110302, 140211, 140106, Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, Тамбов, 2007.

7. Романов А.В. Электрический привод: Курст лекций.: Воронеж. гос. техн. ун-т, Воронеж 2006.

8. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями/Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006

9. Электромеханические процессы в асинхронном двигателе в режиме частых реверсов/B.Я. Беспалов и др.//Электричество. 1985. № 1.C.62-64.

10. http://ru.wikipedia.org - Асинхронная машина

11. http://electrolibrary.narod.ru/elobor_privod2.htm Элементы проектирования электропривода

Размещено на Allbest.ru

...