История развития электропривода

История развития электропривода

1834 г. – академик Якоби создал первый двигатель постоянного тока, работающий от гальванической батареи;

1838 г. – этот двигатель использовании в первом ЭП (катер; 12 – 14 человек; испытан на Неве; не нашел применения из-за отсутствия источников питания);

1889 г. – Доливо – Добровольский изобрел систему трехфазного переменного тока;

1891 г. – Доливо – Добровольский изобрел асинхронный двигатель;

22 дек. 1920 г. – план ГОЭЛРО – электрификация страны.

Теорию электропривода разработали: Голован, Ринкевич, Попов, Чиркин.

1.2 Основные направления развития электропривода

1. Разработка и выпуск комплектных ЭП с использованием совершенных преобразователей и микропроцессорного управления.

2. Увеличение надежности, унификации и улучшение энергетических показателей ЭП.

3. Расширение области применения регулируемого асинхронного ЭП.

4. Использование ЭП с новыми типами электродвигателей (линейными, шаговыми, вентильными).

5. Создание математических моделей и алгоритмов технических процессов, машинных средств проектирования ЭП.

6. Подготовка инженерно – технических ресурсов и научных кадров, способных проектировать, создавать и эксплуатировать современные автоматизированные ЭП.

1.3 Структурная схема электропривода

Элктропривод – электромеханическая система, состоящая из электродвигателя, преобразователя, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение ИО рабочей машины и управления этим движение (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Структурная схема электропривода.

Механика электропривода

Статические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

На рисунке 3.1:

R_я = r_оя + r_ко + r_дп + r_щ,

где r_оя – обмотки якоря;

r_ко – компенсационной обмотки;

r_дп – добавочных полюсов;

r_щ – щеточного контакта;

R = R_я + R_д – сопротивление якорной цепи

Принимаем следующие допущения:

1) реакцией якоря пренебрегаем;

2) момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

Для вывода формул воспользуемся основными формулами:

U=E+IR (1),

E=kФω (2),

M=kФI (3),

где Ф – магнитный поток;

k – конструктивный коэффициент машины , k=pN/(2πa)

Подставим формулу (2) в (1):

U=kФw+IR,

Получаем уравнение электромеханической характеристики ω=f(I),

Выведем уравнение механической характеристики ω=f(М). Из формулы (3) выразим ток , а затем подставим в формулу (4):

Характеристики линейны, их можно совместить, т.к. М~I

Характерные точки:

1) точка А – точка идеального холостого хода;

I=0, M=0, U=E;

2) точка В – точка короткого замыкания;

ω=0, E=0,

Режим к.з. машины соответствует неподвижному состоянию якоря при поданном напряжении якоря, а не замыканию его цепей друг с другом или на корпус (пример – момент пуска).

Расчет резисторов

Задача 3.2 ДПТ НВ	Из предыдущего расчета (см. пример расчета естественных характеристик): ωн=131 рад/с kФн=3,05 В·с Мн=2290 Н·м ω0=144 рад/с 1. Номинальное ЭДС, В Ен= kФн·ωн Ен =3,05·131=400 2. Номинальное КПД 3. Сопротивление якоря, Ом 4. Сопротивление добавочное, Ом
Дано: Р=300 кВт Uн=440 В nн=1250 об/мин Iн=750 А Динамическое торможение ω=ωн Iт=1,5Iн
Rдоб. -?
Задача 3.3
Дано: Этот же ДПТ; Режим противовключения ω = 0,7ωн Iт=1,7Iн	Из предыдущих расчетов: Rя=0,03 Ом Eн= 400 В 1. Добавочное сопротивление, Ом:
Rдоб. -?
Задача 3.4 Дано: Этот же ДПТ; Пуск двигателя U=Uн Iпуск=2,5Iн	Из предыдущих расчетов: Rя=0,03 Ом 1. Добавочное сопротивление, Ом:
Rдоб. -?

Механические характеристики

Уравнение механической характеристики:

(*)

Исследуем зависимость на экстремум,→ , получаем две максимальные точки: М_к, s_к – критические.

(+) – s >0 (двигательный режим)

(–) – s <0 (генераторный режим)

Чаще применяют более удобную формулу механической характеристики:

где a=R₁/R₂

Если ω→ +∞, s→ -∞, то М→0

ω→ -∞, s→ +∞, то М→0

Вывод: ось скорости является асимптотой механической характеристики. Для построения механической характеристики по паспортным данным используют упрощение: R₁=0. Получаем:

- упрощенная формула Клосса.

где - перегрузочная способность

Рабочий участок характеристики (прямолинейный) можно построить по двум точкам (ω₀, М=0, s=0) и (ω_н, М_н, s_н).

Характерные точки (см. рисунок 4.2):

1) М=0, s=0, ω=ω₀ – точка идеального Х.Х.;

2) М=М _н, s=1, ω=0 – КЗ/пуск;

3) М_кд, s_кд; М_к2, s_к2 – критические точки;

4) s→±∞, ω→±∞, → М→0

Решение:

1) Угловая номинальная скорость, рад/с

ω_н=2πn_ном/60=2·3,14·1465/60=153,3

2) Угловая скорость идеального Х.Х., рад/с

ω₀=2πf₁/р=2·3,14·50/2=157

3) Номинальный момент, Н·м

М_ном=Р_ном/ ω_ном=15000/153,3=98

4) Номинальное скольжение

s_ном=(ω₀-ω_н)/ω₀=(157-153,3)/157=0,025

5) Критический момент АД, Н·м

М_к=λ_м·М_ном=2,3·98=225

6) Критическое скольжение

7) Пусковой момент, Н·м

М_п=λ_п·М_ном=1,1·98=107,6

АД может работать во всех энергетических режимах, которые определяются значением и знаком скольжения (рисунок 4.2):

1) s=0, ω=ω₀ – режим идеального Х.Х.;

2) s=1, ω=0 – режим КЗ;

3) 0<s<1, 0<ω<ω₀ – двигательный режим;

4) s<0, ω>ω₀ – генераторный режим;

5) s>1, ω<0 ( при ω₀>0) – противовключение;

Расчет пусковой диаграммы

1. Задаются моментом переключения М₂, М₂=(1,1…1,3)М_с и числом ступеней Z (см. рисунок 4.5)

2. Определяют кратность моментов при пуске:

, где

3. Определяют пиковый момент при пуске:

М₁=m·М₂

4. Если М₁≤(0,8…0,9)М_к, строят пусковую диаграмму.

5. Если не выполняется вышеуказанные условия, то задаются другими значениями.

Изменение пар полюсов.

→ ступенчатость регулирования скорости ω₀ вследствие ступенчатости регулирования числа полюсов p.

Статорная обмотка состоит из двух одинаковых секций – полуобмоток. Используются различные схемы их подключения благодаря чему меняется число пар полюсов (рисунок 4.14).

а)

	Рисунок 4.14 – Схемы подключения обмоток: а) последовательное согласное включение; б)последовательное встречное включение; в) параллельное включение

б)

в)

Чаще на практике используют две схемы переключения многоскоростных статорных обмоток:

а) переключение треугольник – двойная звезда ;

б) переключение звезда – двойная звезда ;

а) (рисунок 4.15)

А_1н и А_2н – начала 1 и 2 секции фаз.

А_1к и А_2к – концы этих фаз.

Переключение определяет уменьшение числа пар полюсов в 2 раза.

Целесообразно применять при нагруженном ЭП.

б) (рисунок 4.16)

Также характеризуется уменьшением числа пар полюсов в 2 раза.

Достоинства:

· Экономичность;

· Потери малы;

· Высокий КПД;

· Хорошая жесткость;

· Достаточная нагрузочная способность.

Целесообразно применять при постоянном моменте нагрузки

Недостатки:

- ступенчатость изменения скорости;

- небольшой диапазон регулирования.

Схема включения

Схема включения СД приведена на рисунке 4.17:

В – возбудитель (генератор постоянного тока, мощностью Р=(0,3..3%)·Р_СД), установленный на одном валу с СД

Статор СД аналогичен статору АД, подключается к трехфазной сети переменного тока.

Ротор имеет обмотку возбуждения и пусковую короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки. Обмотка возбуждения ротора питается от возбудителя. Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращающегося магнитного поля статора и ротора. Максимальный момент М_max определяется по угловой характеристике М=f(θ) (рисунок 4.19).

Участок 1 – режим устойчивой работы. Участок 2 (при θ >π/2) – режим неустойчивой работы (выход из синхронизма).

θ – угол между напряжением U_ф и ЭДС Е

При θ=π/2 – М = М_max;

Номинальный угол θ_н = 25...30°.

СД может работать во всех основных энергетических режимах.

Пуск синхронного двигателя

1. СД разгоняется с помощью вспомогательного двигателя до ω=0,95ω₀, а затем дают ток возбуждения в обмотку ротора и ротор втягивается в синхронизм.

2. Асинхронный пуск СД – для этого служит КЗ обмотка. СД разгоняется как АД (в обмотке ротора нет питания) до подсинхронной скорости ω=0,95ω₀, а затем на обмотку ротора подается ток возбуждения, ротор втягивается в синхронизм.

В зависимости от своих параметров пусковая обмотка СД обеспечивает 2 основных вида механической характеристики (рисунок 4.20). Выбор характеристики определяется условиями работы СД. Для тяжелых условий пуска выбирают характеристику 2, т.к. М_п2> М_п1, но на характеристике 1 СД легче втягивается в синхронизм, т.к. М_вх1> М_вх2.

При пуске используются две основные схемы возбуждения:

· с глухоподключенным возбуждением (см. схему без К1, R, К2), для легких условий пуска (характеристика 1);

· возбудитель подключается в конце пуска контактом К2. В начале пуска К1 замкнут, К2 разомкнут; в конце наоборот (характеристика 2).

Для небольших мощностей при мощной питающей сети пуск СД происходит без ограничений пускового тока (I_пуск=(4..5) I_н)

При больших мощностях (МВт), соизмеримых с мощностью питающей сети, возникает необходимость ограничения пусковых токов, что чаще всего достигается использованием добавочных сопротивлений R_доб, реакторов и автотрансформаторов.

КПД и коэффициент мощности

КПД для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный):

где А_пол , А_потр – полезная и потребленная энергия;

∆А – потери энергии;

Р_{пол i} – полезная механическая энергия на i-ом участке цикла;

∆Р_i – потери механической энергии;

n – число участков работы ЭП.

КПД для ЭП в установившемся режиме:

КПД ЭП как системы:

η_пу – КПД преобразующего устройства;

η_уу – КПД управляющего устройства;

η_д – КПД ЭД;

η_мп – КПД механической передачи;

Более мощные и скоростные ЭД характеризуются более высоким КПД. КПД зависит от развиваемой ЭД полезной механической на валу (рисунок 5.1).

Способы повышения КПД:

§ ограничение времени работы ЭД на холостом ходу;

§ обеспечение нагрузки ЭД при работе близкой к номинальной;

§ применение регулятора экономичности;

§ снижение потерь энергии в переходных режимах;

§ использование частотного регулирование скорости АД.

ЭП, подключаемые к сети ~I, потребляют активную и реактивную мощность. Активная мощность расходуется на полезную работу ЭП и покрытие в нем потерь. Реактивная создает электромагнитное поле, но непосредственно работы не совершает. Соотношение между активной и реактивной мощностью характеризуется коэффициентом мощности:

Стараются обеспечить максимальный коэффициент мощности cosφ.

Коэффициент мощности cosφ для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный)

, где А_п – полная энергия.

Более высокое значение cosφ соответствует ЭД с большими номинальными мощностями и скоростями вращения.

Способы повышения cosφ:

§ замена малозагруженных АД на ЭД меньшей мощности;

§ ограничение работы ЭД на хх;

§ понижение питающего напряжения;

§ замена АД на СД.

Системы электропривода

Системы ЭП бывают:

а) разомкнутые – без обратной связи;

б) замкнутые – сигнал с выхода идет обратно на вход

Следящий электропривод

ЭП, который обеспечивает, воспроизводит с заданной точностью движение ИО РМ в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления.

По своей структуре следящий ЭП представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения. Система управления состоит из усилителя и силового преобразователя (рисунок 6.16).

1;5 – датчики входного и выходного сигнала;

2 – измеритель рассогласования;

3 – система управления;

4 – электродвигатель;

6 – исполнительный орган рабочей машины.

Классификации следящего ЭП.

По назначению:

1) скоростной (воспроизводит заданной точностью скорость движения);

2) позиционный (воспроизводит положение);

По способу управления:

1) непрерывного действия (U рассогласования подается на ЭД постоянно);

2) релейного действия (сигнал подается при достижении U определенного уровня);

3) импульсно следящий ЭП (управляющий сигнал в виде импульсов. Амплитуда, f и заполнение их изменяется в зависимости от U∆). В этом случае говорят об амплитудно-частотной и широтно-импульсной модуляции.

По виду ЭД:

1) ДПТ;

2) ЭД переменного тока.

Библиография

1. Москаленко, В.В. Электрический привод [текст]: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000 368 с.

2. Хализев, В.П. Электрический привод [текст]: учебник для техникумов. М.: «Высшая школа», 1977 – 256с., с ил.

3. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам [текст]: В 2 т./С74 Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.: ил.

Приложение А

(справочное)

Основные формулы, используемые для расчетов в дисциплине «Электропривод»

1. По разделу 1 «Механика электропривода»:

· Динамический момент: ;

· Момент инерции: = m∙r² [кг∙м²]

· Маховый момент: M_м=G·D²

· Уравнение движения электропривода в общем виде:

;

· жесткость характеристик: ;

· общая формула приведения статического момента:

;

· общая формула приведения момента инерции:

2. По разделу 2 «Электропривод с двигателем постоянного тока»:

· Основные формулы для вывода:

U=E+IR (1),

E=kФω (2),

M=kФI (3),

· Уравнение электромеханической характеристики:

· Уравнение механической характеристики:

· Расчет номинальных величин:

; ; ; ; ;

· Ток переключения при форсированном пуске:

· Пиковый ток при нормальном пуске:

· Сопротивление якоря:

· Добавочное сопротивление в переходных процессах:

3. По разделу 3 «Электропривод с двигателем переменного тока»:

· Синхронная скорость двигателя: ;

· Уравнение механической характеристики АД:

· Критический момент АД:

· Критическое скольжение АД:

· Упрощенная формула Клосса:

· Уравнение механической характеристики СД:

4. По разделу 4 «Энергетика электропривода»:

· Переменные потери:

ДПТ –

АД –

СД –

· Переменные потери в ДПТ и роторе АД:

· Полные переменные потери в АД:

· Потери энергии в якоре ДПТ и роторе АД при переходных процессах:

· КПД для циклически изменяющейся нагрузки (средневзвешенный):

· Время переходного процесса при постоянном динамическом моменте:

· Время переходного процесса при линейных характеристиках ЭД и механизма:

· Электромеханическая постоянная времени:

· Время переходного процесса при изменяющемся динамическом моменте:

· Средний динамический момент:

· Уравнения нагрева и охлаждения:

;

· Эквивалентный момент:

· Коэффициент повторного включения:

Приложение Б

(справочное)

Выписка из государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по дисциплине «Электрический привод»

Специальность	индекс	наименование циклов, дисциплин, основные дидактические единицы	всего обязательных учебных занятий
Электрические машины и аппараты	СД.05	электрический привод: классификация электрического привода, его назначение; типы и характеристики приводных механизмов и электродвигателей; механика электрического привода, уравнение движения; электромеханические свойства двигателей постоянного и переменного тока; регулирование частоты вращения; установившиеся и переходные режимы работы электрического привода; элементы схем управления; расчет мощности, выбор электродвигателей и элементов схем управления; теоретические основы автоматизированного электропривода; принципы автоматического управления электрического привода; типовые схемы и узлы разомкнутых и замкнутых систем автоматического управления электрического привода; преобразовательные устройства

История развития электропривода

1834 г. – академик Якоби создал первый двигатель постоянного тока, работающий от гальванической батареи;

1838 г. – этот двигатель использовании в первом ЭП (катер; 12 – 14 человек; испытан на Неве; не нашел применения из-за отсутствия источников питания);

1889 г. – Доливо – Добровольский изобрел систему трехфазного переменного тока;

1891 г. – Доливо – Добровольский изобрел асинхронный двигатель;

22 дек. 1920 г. – план ГОЭЛРО – электрификация страны.

Теорию электропривода разработали: Голован, Ринкевич, Попов, Чиркин.

1.2 Основные направления развития электропривода

1. Разработка и выпуск комплектных ЭП с использованием совершенных преобразователей и микропроцессорного управления.

2. Увеличение надежности, унификации и улучшение энергетических показателей ЭП.

3. Расширение области применения регулируемого асинхронного ЭП.

4. Использование ЭП с новыми типами электродвигателей (линейными, шаговыми, вентильными).

5. Создание математических моделей и алгоритмов технических процессов, машинных средств проектирования ЭП.

6. Подготовка инженерно – технических ресурсов и научных кадров, способных проектировать, создавать и эксплуатировать современные автоматизированные ЭП.

1.3 Структурная схема электропривода

Элктропривод – электромеханическая система, состоящая из электродвигателя, преобразователя, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение ИО рабочей машины и управления этим движение (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Структурная схема электропривода.