Министерствообразования и науки Украины
ОДЕССКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА
КАФЕДРАЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
к курсовому проекту
«ЭЛЕКТРОПРИВОДПО СХЕМЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЧАСТОТЫ- АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»
по дисциплине
элементыи системы автоматизированногоэлектропривода
Оглавление
Введение
1. Исходные данные и Построение нагрузочной диаграммыисполнительного механизма
2. Выбор элементов силовой схемы
2.1 Выбор двигателя и определение его параметров
2.2 Выбор автоматического воздушного выключателя
2.3 Выбор преобразователя частоты
3. Расчет механических характеристик
3.1 Параметры механических характеристик
3.2 Естественная характеристика
3.3 Искусственные характеристики
3.4 Искусственные характеристики при пониженномнапряжении
3.5 Механические характеристики при экстренномторможении
4. Оценка необходимости применения обратной связи поскорости
5. Определение среднего КПД системы
6. Переходные процессы в электроприводе
Вывод
Список литературы
Введение
В настоящее времяпрактически любой производственный механизм приводится в действиеавтоматизированной системой, одним из основных элементов которой,непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, являетсяэлектрический двигатель. При помощи соответствующих преобразовательных иуправляющих устройств формируются требуемые статические и динамическиехарактеристики исполнительных органов рабочей машины.
Типичнаяэлектромеханическая система включает электрический двигатель, а такжепреобразовательное, передаточное и управляющее устройства, предназначенные дляприведения в движение и управления исполнительным органом рабочей машины.
Речь идет не только осообщении рабочему органу вращательного или поступательного движения, но,главным образом, об обеспечении оптимального режима работы системы в целом, прикотором достигается наибольшая производительность при требуемой точности.
В данном курсовомпроекте рассматривается электротехническая система переменного тока,использующая короткозамкнутый асинхронный двигатель, питающийся отполупроводникового преобразователя частоты.
Широкомураспространению данной системы способствовало появление сравнительно дешевых идостаточно мощных (до 300 кВт в серийном варианте) транзисторных (реже –тиристорных) преобразователей частоты (ПЧ).
Частотный способрегулирования является наиболее перспективным и широко используемым в настоящеевремя способом регулирования скорости АД. Изменяя частоту f1 питающегонапряжения, можно, в соответствии с выражением ω0= 2.p.f1/p,изменять угловую скорость вращения магнитного поля, получая тем самым различныеискусственные характеристики асинхронного двигателя.
Этот способобеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемыехарактеристики обладают высокой жесткостью. Электрические потери в роторе,связанные со скольжением, в этом случае невелики, поэтому частотный способнаиболее экономичен.
Для лучшегоиспользования АД и получения высоких энергетических показателей его работы –коэффициента мощности, коэффициента полезного действия и перегрузочнойспособности – одновременно с изменением частоты приложенного напряжения,необходимо изменять и его величину.
Применяются различныезаконы изменения напряжения в зависимости от характера нагрузки. Часто исходятиз условия сохранения постоянной перегрузочной способности l,которая равна отношению критического момента Мк к моменту нагрузки Мс — l= Мк / Мс = const.
Система ПЧ-АД, по своимрабочим свойствам приближаясь к системам постоянного тока, одновременносохраняет все преимущества асинхронного двигателя, как-то — надежность,долговечность, высокую перегрузочную способность, отсутствие щеточного контакта(а значит и искрения) и т.п.
1. Исходные данные и построение нагрузочной диаграммыисполнительного механизма
/>
2.Выбор элементов силовой схемы
2.1Выбор двигателя и определение его параметров
2.1.1Определение мощности двигателя
Асинхронный двигатель выбираем (табл.П2)таким образом, чтобы его номинальный момент был больше максимального момента,найденного из нагрузочной диаграммы.
/>
Видим, что приведенная нагрузочнаяхарактеристика системы ПЧ-АД соответствует нагрузочной характеристикемеханизма, так как для всех скоростей удовлетворяется неравенство Mad>M1mex.
2.1.2Параметры и характеристики двигателя
С учетом необходимогозапаса мощности выбираем четырехполюсный асинхронный двигатель 4A160S4со следующими параметрами:
/>
2.1.3Параметры Г-образной схемы замещения
/>
Параметры Т-образной схемы замещения.
Т – образная схема замещения трехфазной(m1=3)асинхронной машины строится для одной фазы, и, по существу, аналогична схемезамещения трансформатора (рис. 1).
/>
Рис. 1 Схемазамещения асинхронной машины
Здесь: U1 — фазное напряжение, В;
R1и R2’– активные сопротивления первичной и вторичной обмоток;
X1= ω1.L1σи X2’= ω1.L2’σ– индуктивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток, где ω1=2.π.f1– циклическая частота сети, а f1– частота сети;
Xmи Rm – индуктивноесопротивление намагничивающей ветви, обусловленное основным магнитным потоком,и активное сопротивление, искусственно вносимое в схему замещения для учетамагнитных потерь в ферромагнитных частях магнитопровода;
I1,I2’– фазные токи в обмотках статора и ротора;
Im-ток намагничивания, создающий основной магнитный поток Фm;
Здесь индекс «штрих» (‘), относящийся ковторичной обмотке, обозначает, что данная величина приведена к первичнойобмотке.
/>
2.2Выбор автоматического воздушного выключателя
Силовые выключатели служат дляраспределения электроэнергии в низковольтных установках в качестве аппаратовзащиты питающих линий и потребителей. Они защищают от перегрузки и короткогозамыкания установки, двигатели, генераторы и трансформаторы. Предназначены длякоммутации и защиты установок, двигателей, трансформаторов и конденсаторов.
Выбор автоматическоговоздушного выключателя осуществляется по номинальному току двигателя.
Для этой цели могутбыть использованы трехфазные силовые автоматические выключатели серии 3VFфирмы SIMENS.Токуставки теплового расцепителя устанавливается на 30% больше номинального токадвигателя Iu= 1.3 In
/>
2.3Выбор преобразователя частоты
Частотный способрегулирования является наиболее перспективным и широко используемым в настоящеевремя способом регулирования скорости АД. Принцип его заключается в том, чтоизменяя частоту питающего напряжения f1, можно, в соответствии с выражениемω0 = 2..f1/p, изменять угловую скорость вращения магнитного поля(синхронную скорость вращения ротора), получая тем самым различныеискусственные характеристики.
Этот способобеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, получаемыехарактеристики обладают высокой жесткостью. Электрические потери в роторе,связанные со скольжением, в этом случае невелики, поэтому частотный способнаиболее экономичен
3.Расчет механических характеристик
3.1Параметры механических характеристик
Всемеханические характеристики двигателя строятся совместно с механическойнагрузочной характеристикой механизма, приведенной к валу двигателя.
Вначале находим жесткостьестественной механической характеристики двигателя
/>,
где Moи о – момент и скорость холостого хода, а Mnи n– момент и скорость при номинальной нагрузке.
/>
3.2Естественная характеристика
Для построения естественной механическойхарактеристики(рис.5) используем формулу для момента асинхронной машины М(), вкоторой явно показана зависимость момента от частоты (f) и напряжения (U):
/>
Здесь: s (,0) = 1 — /0– скольжение; — текущее значение угловойскорости; 0 =2f/p– угловая скорость магнитного поля при данной частоте f; р – число парполюсов; m – число фаз, для трехфазного двигателя m =3; U – текущее значениефазного напряжения; R1 и R2’ – активные сопротивления, а L1 и L2’ –индуктивности первичной и вторичной (приведенной к первичной) обмоток.
С помощью формулы для момента асинхронной машиныстроим естественную механическую характеристику привода для номинальныхзначений напряжения и частоты. На этом же графике строится нагрузочнаяхарактеристика механизма.
/>
/>
Определив параметры естественноймеханической характеристики строим график зависимости моментов от угловыхскоростей:
3.3Механическая характеристика при экстренном торможении
Экстренноеторможение осуществляется в режиме динамического торможения, при котором вобмотку статора — например на зажимы А и ВС, соединенные вместе, подаетсяпостоянный ток. Предварительно необходимо задаться кратностью токадинамического торможения Idtпо отношению к номинальномуКid= Idt/ In,которую выбирают в интервале 1.8 – 2.2 ( например Кid= 2) и рассчитать величину тормозного тока, величину эквивалентного тока Ieи добавочного сопротивления
/>
4.Оценка необходимости применения обратной связи по скорости
/>
5.Определение среднего КПД системы
Средний КПД электроприводаопределяется как произведение КПД двигателя, преобразователя частоты иисполнительного механизма: ср = д.пч.m.
/>
6.Переходныепроцессы в электроприводе
Анализпереходных процессов выполняется с помощью программы Matlab. В среде Matlabсобрали модель (рис.9), задали требуемые параметры(рис.10) ее элементов ивыполнить расчет переходного процесса для случая частотного пусканенагруженного двигателя с последующим 100% увеличением нагрузки.
БлокStep осуществляет скачкообразный наброснагрузки по окончании пуска.
Широтно-импульсныйпреобразователь вырабатывает переменную частоту, при частоте треугольной волнымодуляции обычно выбираемой в диапазоне 1500-3000 Гц.
Амплитуданапряжения задается блоками RelayA, RelayB и RelayС, и равна 220√2.
Связьблоков Simulink и PSBосуществляется через управляемые источники напряжения ControlledVoltage SourceVao, Vboи Vco.
Основнойособенностью данной модели является возможность наблюдать работу асинхронного короткозамкнутогодвигателя от преобразователя частоты, который изменяет одновременно какнапряжение, так и частоту, в соответствии с заданными законами.
Изменениенапряжения и частоты в функции времени задается блоками Fcn и Fcn1,соответственно. На их входы подается время, а выходы определяют напряжение ичастоту (в относительных единицах), подводимые к двигателю.
Обычнонесколько лучшие результаты (с точки зрения сокращения времени пуска придопустимых бросках тока и момента) получаются, если скорость возрастаниянапряжения немного больше скорости возрастания частоты.
Зависимостинапряжения v(t) и частоты f(t) (в о.е.) от времени t при пуске могут бытьприняты линейными c ограничениями ( которые реализуются с помощью блоковsaturation)
v(u)= kv.u; f(u) = kf.u, при ограничениях v(u)
экспоненциальнымис одной постоянной времени Т
v(u)= f(u) = 1- .exp(-.u/T),
или экспоненциальными сдвумя (близкими по величине) постоянными времени Т1 и Т2 (Т1>Т2),
что при правильномвыборе постоянных времени Т1 и Т2 дает, при несколькоувеличенном времени пуска, минимальные броски тока и момента.
Здесь во всех формулах вместо времени tподставлена u – стандартная входнаяпеременная блока Fcn.Экспоненциальный характер изменения v(t)и f(t)для Т=0.2 (экран Scopev*,f*)показан на рис.11. Одновременно на экране ScopeVabm можно видеть характер изменениянапряжения, приложенного к статорной обмотке двигателя во время пуска (рис.12).
Промоделируем системубез наброса нагрузки чтобы оценить параметры переходного процесса по скорости(рис15):
Установившася скорость ωуст=157,5
Время 1го согласования t1=0.59c
Время переходного процесса τр=1,03с
Перерегулирование />
Изменяя параметрымодели, проследим их влияние пусковые параметры, такие как время пуска ипусковые броски тока и момента.
Увеличив в полтора разамомент нагрузки и момент инерции, моделируя тем самым незапланированный набросдополнительной нагрузки на вал двигателя проследим переходные процессы скоростиω(t) и момента Te(t),а также графики токов статора is(t)и ротора ir(t)при частотном пуске(рис16, 17).
Из графиков(рис16, 17)видно, что повышение момента инерции и величины нагрузки негативно влияют напульсацию, и амплитуду роторных и статорных токов, а так же увеличивает времяпереходных процессов. Однако выбранный двигатель справляется с нагрузкой. Такимобразом можно считать допустимым не продолжительное увеличение нагрузки. Таккак амплитуда тока превышает ток теплового расцепления автомата, длительнаяработа в данном режиме не предусмотрена.
Обычно несколько лучшиерезультаты (с точки зрения сокращения времени пуска при допустимых бросках токаи момента) получаются, если скорость возрастания напряжения немного большескорости возрастания частоты. По этому в исходной модели увеличим скоростьизменения напряжения на 50%(рис.18, 19, 20) и проанализируем основные параметрыпуска(рис.21, 22)
Промоделируем системубез наброса нагрузки чтобы оценить параметры переходного процесса поскорости(рис 23):
Установившася скоростьωуст=157,5
Время 1го согласования t1=0.43c
Время переходного процесса τр=1,04с
Перерегулирование />
Таким образом приувеличении скорости изменения напряжения мы значительно уменьшаем время первогосогласования по скорости и время пусковых токов статора и ротора. Следовательномы можем уменьшить время наброса нагрузки с 1 до 0,6с. При этом значениеперерегулирования по скорости не превышает 20%, а величина пусковых токов непревышает номинальные, что положительно сказывается на эксплуатационныххарактеристиках двигателя.
Вывод
Мыприобрели навыки для решения инженерных задач по расчету и проектированиюсистем автоматизированного электропривода в статических и динамических режимах,а так же навыков расчета параметров в программном пакете Mathcadи моделирования в программном пакете MatlabSimulink системы электропривода«преобразователь частоты-асинхронный двигатель».
Входе разработки электропривода мы достигли диапазона регулирования скорости от30 до 300 рад/с.
Впроцессе моделирования при разных параметрах системы мы проследили переходныепроцессы и дали им характеристику. Мы так же сделали следующие выводы:
· Повышениемомента инерции и величины нагрузки негативно влияют на пульсацию, и амплитудуроторных и статорных токов, а так же увеличивает время переходных процессов.Однако выбранный двигатель справляется с нагрузкой. Таким образом можно считатьдопустимым не продолжительное увеличение нагрузки. Так как амплитуда токапревышает ток теплового расцепления автомата, длительная работа в данном режимене предусмотрена.
· Приувеличении скорости изменения напряжения мы значительно уменьшаем время первогосогласования по скорости и время пусковых токов статора и ротора. Следовательномы можем уменьшить время наброса нагрузки с 1 до 0,6с. При этом значениеперерегулирования по скорости не превышает 20%, а величина пусковых токов непревышает номинальные, что положительно сказывается на эксплуатационныххарактеристиках двигателя.
Длядостижения минимального времени пуска нужно увеличивать скорость изменениячастоты и напряжения и уменьшить момент инерции. При этом необходимо следить запульсацией и амплитудами токов статора и ротора.
Списоклитературы
1. Методическиеуказания к курсовому проекту «Электропривод по схеме преобразователь частоты — асинхронный двигатель»
2. Конспектлекций по курсу «Элементы и системы автоматизированного управления»
3. Методическиеуказания к лабораторным работам по курсу «Элементы и системыавтоматизированного управления»