Электрические машины и электрический привод

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Методическое пособие к курсовому проекту

на тему: «Расчёт и выбор силовой части автоматизированного электропривода постоянного и переменного тока»

для студентов направления подготовки

15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств,

профиль 01 - Автоматизация технологических процессов и производств (горно-металлургическое производство)

(все формы обучения)

Г. Старый Оскол

2016 г.

Список сокращений

АДК – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

АЭП – автоматизированный электрический привод;

БДПТ – бесконтактный двигатель постоянного тока;

ВД – вентильный электродвигатель;

ДПР — датчик положения ротора.

ДПТ НВ – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением;

ОВ – обмотка возбуждения двигателя постоянного тока;

ОЯ - обмотка якоря двигателя постоянного тока;

ПК — преобразователь координат;

ПЧ-АДК – система АЭП « преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором»;

РТП – реверсивный тиристорный преобразователь;

СД – синхронный двигатель;

СЭМП — синхронный электромеханический преобразователь;

ТП – тиристорный преобразователь;

ТП-Д – система АЭП «тиристорный преобразователь – двигатель»;

УМ — усилитель мощности;

ШИМ – широтно-импульсная модуляция;

ЩКУ – щёточно-коллекторный узел;

BLDC - Brushless Direct Current Motor – бесконтактный (бесщёточный) двигатель постоянного тока;

PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor – двигатель синхронный с постоянными магнитами;

Аннотация

Методическое пособие по курсовому проектированию на тему «Расчёт и выбор силовой части электропривода постоянного и переменного тока» предназначено для обучающихся по направлению15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, профиль 01 - Автоматизация технологических процессов и производств (горно-металлургическое производство) всех форм обучения.

Пособие содержит теоретический и практический материал по расчету и выбору двигателей постоянного и переменного тока, по выбору способов регулирования скорости вращения вала двигателей постоянного и переменного тока, по построению естественной и искусственных характеристик двигателей постоянного и переменного тока; по выбору тахогенераторов и преобразователей для приводов постоянного и переменного тока.

В методическом пособии приводятся примеры выполнения курсовых работ для разных вариантов заданий.

Варианты заданий размещены в приложениях к методическому пособию.

Содержание

Введение

Темой данного курсового проекта является выбор силовой части автоматизированного электропривода как постоянного, так и переменного тока.

Задачей курсового проектирования является закрепление теоретического материала по курсу «Электрические машины и электрический привод».

Во время проектирования обучающемуся необходимо будет компетентно работать с технической литературой, использовать типовые расчеты и проработки принципов работы электрических двигателей постоянного и переменного тока и требованиям к электроприводам, создаваемых на их основе.

До начала проектирования необходимо твердо усвоить теоретический материал лекционных курсов «Математика», «Электротехника» и «Электроника».

На защите курсового проекта студент обязан технически грамотно и достаточно убедительно изложить содержание проекта и быть готовым ответить на любые вопросы, связанные с обоснованием методов расчета и выбора отдельных элементов силовой части электропривода как постоянного, так и переменного тока.

В результате выполнения курсовой работы у обучающегося должны быть сформированы следующие компетентности:

· способность к коммуникации в устной и письменной формах на русском и иностранном языках для решения задач межличностного и межкультурного взаимодействия (код компетентности 0К-3),

· способность использовать современные информационные технологии, технику, прикладные программные средства при решении задач профессиональной деятельности (код компетентности ОПК-2);

· способность участвовать в разработке и практическом освоении средств, систем управления производством продукции, ее жизненным циклом и качеством, в подготовке планов освоения новой техники, в обобщении и систематизации результатов работы (код компетентности ПК-17);

· способность аккумулировать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции, компьютерных систем управления ее качеством (код компетентности ПК-18);

· способность проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом их результатов, составлять описания выполненных исследований и подготавливать данные для разработки научных обзоров и публикаций (код компетентности ПК-20).

Оценка, полученная студентом в результате защиты курсового проекта, зависит от полноты сформированности вышеперечисленных компетентностей, регламентируемых ФГОС 3+ направления 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», профиля 01 «Автоматизация технологических процессов и производств (горно-металлургическое производство)».

- Оценка «отлично» выставляется при условии полностью сформированных всех пяти компетентностей;

- оценка «хорошо» - при условии полностью сформированных не менее трёх компетентностей и частично сформированных не менее двух компетентностей;

- оценка «удовлетворительно» - при условии частично сформированных всех пяти компетентностей.

Конечной целью курсового проектирования является разработка силовой части автоматизированного электропривода переменного тока по системе «преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (ПЧ-АДК)» и по системе «преобразователь частоты – синхронный двигатель (ПЧ-СД)», и силовой части автоматизированного электропривода постоянного тока «тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ТП-Д)».

При этом разработка должна вестись с обоснованием выбора электрических двигателей и преобразователей и с обоснованием выбора способа управления, обеспечивающего поддержание постоянной частоты вращения вала двигателя (указанной в задании) при различных (заданных) моментах.

Основные задачи курсового проекта:

– ознакомить студента с современной практикой проектирования электроприводов;

- научить технически грамотно производить выбор силовой части автоматизированного электропривода с ДПТ НВ, АДК и СД по системе, соответственно, ТП-Д, ПЧ-АД и ПЧ-СД;

- закрепить навыки расчета и построения естественных и искусственных характеристик электродвигателей в различных зонах регулирования и при различных режимах работы;

- закрепить теоретические знания устройства частотных и тиристорных преобразователей;

- научить студента применять полученные знания при решении реальной задачи, так как грамотный выбор силовой части электропривода является ключевым условием успешной работы производственных механизмов.

Таким образом, многофункциональной задачей данного курсового проектирования является развитие навыков решения инженерных задач в области электропривода, обращения со стандартами и справочными материалами при выборе силовой части электропривода, формирование приведенных в аннотации компетентностей.

Курсовой проект должен состоять из трёх основных разделов:

- расчёт и выбор силовой части автоматизированного электропривода (АЭП) двигателя постоянного тока независимого возбуждения с тиристорным преобразователем (система ТП-ДП);

- расчёт и выбор силовой части автоматизированного электропривода (АЭП) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с частотным преобразователем (система ПЧ-АДК);

- расчёт и выбор силовой части автоматизированного электропривода (АЭП) синхронного двигателя с частотным преобразователем (система ПЧ-СД).

Первый раздел включает в себя:

- схему регулирования ТП-Д и её описание;

- выбор двигателя постоянного тока,

- выбор способа соединения обмотки якоря с обмоткой возбуждения с обязательным приведением схемы соединения ОЯ с ОВ;

- построение естественной характеристики ДПТ,

- построение искусственных характеристик с предварительным определением зон регулирования и способов регулирования;

- обоснованный выбор тиристорного преобразователя с обязательным приведением принципиальной или структурной схемы преобразователя;

- обоснованный выбор тахогенератора.

Второй раздел состоит из следующих подразделов:

- схема регулирования ПЧ-АД и её описание;

- выбор асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

- построение его естественной характеристики,

- построение искусственных характеристик с предварительным определением зон регулирования и способов регулирования;

- выбор частотного преобразователя и системы управления с обязательным приведением структурной схемы преобразователя;

- обоснованный выбор комплектного асинхронного привода с построением искусственных характеристик с предварительным определением зон регулирования и способов регулирования.

Третий раздел состоит из следующих подразделов:

- выбор синхронного двигателя;

- выбор вентильного двигателя.

Исходные данные для выполнения проекта указаны в приложении 1, приложении 2 и приложении 3. Они выбираются в соответствии с номером варианта, предложенного руководителем проекта, и оформляются в бланке выдачи задания на курсовой проект (см. приложение 4).

Началом курсового проекта считается «Введение», в котором необходимо раскрыть понятие современного электропривода, кратко описать современные тенденции его развития и обосновать актуальность темы данного курсового проекта.

Логичным завершением проекта является «Заключение», в котором необходимо сделать вывод о результатах выполнения курсового проекта.

Обязательными составляющими пояснительной записки курсового проекта являются: титульный лист (см. приложение 5); задание на курсовой проект (см. приложение 4); отзыв руководителя (см. приложение 6); перечень сокращений, использованных в проекте; содержание; список источников информации.

Титульный лист, задание, отзыв, перечень сокращений и содержание не нумеруются, но включаются в общее количество листов проекта, и помещаются перед введением, с которого и начинается нумерация страниц.

Список источников информации помещается после заключения и тоже нумеруется.

Если есть приложения к курсовому проекту, то их размещают после списка источников информации, нумеруют, но в общий список листов проекта не включают.

Схема регулирования ТП-Д

Рис. 1.1. Функциональная схема двухконтурного подчинённого регулирования по системе ТП-Д

В настоящее время наиболее распространенными являются системы управления электроприводом, построенные по принципу подчиненного регулирования. Они обладают большим быстродействием, выполнены на базе унифицированных элементов, что облегчает их проектирование и монтаж. Хотя в наши дни существуют системы управления, обеспечивающие лучшие показатели, системы подчиненного управления все еще актуальны.

Принципы подчиненного управления позволяют соединить систему управления с объектом независимо от того, используется ли в нем система ТП-Д, Г-Д либо иной управляемый преобразователь.

Современные унифицированные системы автоматического управления электроприводом строят по принципу подчиненного регулирования параметров.

Достоинство системы подчиненного управления в возможности ограничения величины подчиненного параметра путем ограничения выходного сигнала регулятора внешнего контура.

В курсовой работе необходимо:

- описать приведённую выше функциональную схему регулирования ТП-Д (см. рис.1.1).

- указать, как реализован данный АЭП с ДПТ НВ, и кратко охарактеризовать каждый элемент контура.

- определить, как происходит регулирование скорости двигателя (позонно).

Выбор ДПТ НВ

По заданным значениям моментов и времени (приложение 1) и с учетом изменения нагрузки, показанной на диаграмме (приложение 3) построить временную диаграмму моментов для заданного механизма. Определить, какие моменты на данной диаграмме являются неизменяющимися за соответствующие промежутки времени, а какие меняют свое значение. Для внесения заданных элементов в курсовой проект создать таблицу и рисунок, используя данные приложений 1 и 3.

Определить продолжительность включения по формуле 1.1 и по результату указать режим работы.

ПВ= ; (1.1)

Определить эквивалентный момент по формуле 1.2.

М_экв= Н*м; (1.2)

где M_i - момент в определенный промежуток времени, ;

t_i - продолжительность данного промежутка времени, сек.;

Σt_раб - суммарное время работы двигателя, сек.;

Σt_nауз - суммарное время пауз в работе, сек.

- коэффициент, учитывающий продолжительность включения двигателя.

Коэффициент нужно выбрать из таблицы 1.1.

Таблица 1.1

ПВ
	0,2	0,4	0,6	0,8	0,9

Найти необходимую эквивалентную мощность в Вт, исходя из значений эквивалентного момента и заданной скорости вращения якоря n_зад, по формуле 1.3.

, Вт (1.3)

Искомую номинальную мощность двигателя в кВт принять, с учётом коэффициентов запаса, равной (формула 1.4):

P_ном=(1,1 - 1,3)∙P_{Э ,} кВт (1.4)

Определить способ соединения ОЯ и ОВ и отобразить его графически.

По справочнику (ссылка на источник информации обязательна) выбрать электродвигатель постоянного тока и обозначить его основные технические характеристики (тип, номинальную мощность P_H, кВт, номинальную скорость вращения n_ном, об/мин, максимальную скорость вращения n_max, об/мин; сопротивление обмотки якоря R_a, A и обмотки возбуждения R_в, А; номинальный ток двигателя I_ном, А; напряжение U,В, КПД, %,).

Алгоритм выбора двигателя:

1. Выбрать двигатель независимого соединения;

2. По определенному (формула 1.4) диапазону мощностей выбрать тип двигателя;

3. Проверить выбранный двигатель по напряжению – если не совпадает, то продолжать выбор;

4. Проверить выбранный двигатель по номинальной скорости – если расхождение с заданной скоростью велико, то продолжать выбор;

5. Выбранный двигатель, в итоге, должен соответствовать всем трём параметрам: диапазону мощности, величине напряжения и заданной скорости.

6. Охарактеризовать выбранный тип электродвигателя.

После выбора двигателя и определения всех его номинальных данных необходимо построить естественную механическую характеристику выбранного двигателя (прямая 1 на рис.1.2).

Так как она прямолинейна, то для её построения достаточно найти две точки с координатами {М_ном; n_ном} и {М_min; n_max}, используя формулы 1.5 – 1.8.

сек^-1 (1.5)

Нм (1.6)

сек^-1 (1.7)

Нм (1.8)

Рис.1.2 Естественная и искусственные механические характеристики ДПТ

Для определения требуемой зонности регулирования необходимо провести прямую, соответствующую заданной скорости вращения вала двигателя (прямая 4 на рис.1.2), и отметить на ней заданные в условии моменты.

Затем необходимо выбрать и обосновать способы регулирования скорости вращения вала двигателя.

В первой зоне регулирования, характеристики, при уменьшении напряжения на якоре, сохраняют свою жесткость, т.к. согласно формуле 1.9 скорость холостого хода n₀ при этом снижается, а приращение скорости n остаётся неизменным.

n= n₀ - n,об/мин

или

, об/мин (1.9)

где: U_a,B – напряжение на якоре; с – безразмерный конструктивный коэффициент; Ф, Веб – суммарный магнитный поток машины; ΣR_a , Ом – суммарное сопротивление цепи якоря; М₂, Нм – момент на валу.

Следовательно, для построения искусственных характеристик в этом случае достаточно через требуемые точки провести прямые, параллельные естественной (прямые 2а и 2б на рис. 1.2).

Во второй зоне регулирование осуществляется за счет ослабления магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. Т.к. согласно формуле 1.9 и скорость холостого хода n₀, и приращение скорости n при этом увеличиваются, то жёсткость искусственных характеристик падает. Характеристики прямолинейны, но не параллельны естественной характеристике.

Для построения искусственной характеристики во второй зоне (прямая 3 на рис.1.2), учитывая, что при таком способе регулирования P=const, вначале нужно определить его значение по формуле 1.10, используя соответствующие координаты.

, Вт (1.10)

Затем, задавая произвольное, но близкое к нулю, значение момента, найти еще одну точку с координатами { }, рассчитав значение скорости по формуле 1.11.

, об/мин (1.11)

Выбор тахогенератора

Кратко сформулировать назначение, принцип действия, области применения тахогенераторов.

Выбор из каталогов (ссылка на который обязательна) соответствующего двигателю тахогенератора осуществлять таким образом, чтобы при максимальной скорости вращения якоря двигателя, у тахогенератора оставался запас по механической прочности (скорости вращения).

Аргументировать свой выбор, отобразить внешний вид выбранного тахогенератора, указать его основные технические характеристики.

Короткозамкнутым ротором

Схема регулирования ПЧ-АД

АДК является сегодня самым массовым и надежным устройством для привода различных машин и механизмов. Однако в АЭП их использование до середины 20 века было ограничено из-за двух основных недостатков АДК – это невозможность простого регулирования скорости вращения ротора и очень большой пусковой ток - в пять, семь раз превышающий номинальный. Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводили к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам, что отрицательно сказывалось на сроке службы оборудования.

В результате исследовательских работ в направлении использования АДК в АЭП родился новый класс устройств, позволивший решать эти проблемы не механическим, а электронным способом – частотные преобразователи (ПЧ).

Принцип работы ПЧ с ШИМ заключается в следующем:

- переменное напряжение сети выпрямляется входным диодным мостом (устройство УВ на рис.2.1),

- сглаживается и фильтруется конденсаторами,

- из полученного постоянного напряжения с помощью микросхем управления и выходных мостовых IGBT ключей, формируется ШИМ последовательность определенной частоты и скважности (устройство УИ, рис.2.1), заданное управляющим устройством (устройство УУ, рис.2.1).

Хотя выходное напряжение не синусоидальное, но т.к. в работе участвует и двигатель, то его индуктивность приводит к сглаживанию кривой тока, который оказывается пропорциональным среднему значению напряжения (поэтому от преобразователя частоты без специальных мер и нельзя питать другие нагрузки).

По такой силовой схеме собрано подавляющее большинство представленных на рынке преобразователей частоты. Все отличия кроются в функциях системы управления, которые можно разделить на три группы: управление силовыми ключами выходного генератора; обеспечение защиты двигателя, сети и самого преобразователя частоты; система обмена информацией с внешним миром.

Рис. 2.1 Функциональная схема регулирования по системе ПЧ-АДК

Большинство современных частотных преобразователей реализуют векторный, скалярный и/или квадратичный законы управления.

Векторное управление дает возможность более точного управления, снижая статическую ошибку. Векторный закон (векторное управление потоком без обратной связи по скорости) - закон, гарантирующий получение оптимальных характеристик двигателя мощностью равной или отличающейся на один типоразмер от мощности ПЧ. Этот закон позволяет получить наилучшие динамические характеристики, в том числе и при работе на нижней скорости. Предназначен для управления высокодинамичными приводами.

Скалярный режим только поддерживает постоянное соотношение между выходным напряжение и выходной частотой, но например, для вентиляторов это вполне достаточно. Скалярный закон (U/f-регулирование) - простой закон управления двигателем с поддержанием постоянного соотношения между напряжением и частотой питания двигателя и возможностью подстройки этого соотношения на нижней скорости. Предназначен для небольших конвейеров, параллельно включенных двигателей, механизмов, не требующих точного позиционирования и т.д.

Квадратичный закон (Kn²) - закон для механизмов с вентиляторной характеристикой, позволяющий получить момент, пропорциональный скорости. Закон позволяет оптимизировать потребляемую энергию в зависимости от нагрузки механизма. Предназначен для управления насосными, вентиляционными установками и т.д.

При выполнении курсового проекта необходимо указать, как реализован заданный АЭП с АДК.

Привести и описать функциональную схему регулирования скорости вращения ротора электродвигателя, кратко охарактеризовав каждый функциональный блок данной схемы.

Схема регулирования ПЧ-СД

Рис. 3.1 Функциональная схема регулирования по системе ПЧ-СД

АЭП по системе ПЧ-СД, в принципе, ничем не отличается от АЭП по системе ПЧ-АДК. Поэтому рассматриваются и выбираются только СД, и выбираются для них ПЧ, причем, сразу как комплектный привод.

Синхронные двигатели в сравнении с асинхроннымиимеют следующие достоинства:

а) уменьшение габаритов двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности;

б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения, как у АД);

в) абсолютно жёсткую механическую характеристику, т.е. строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции;

б) сравнительная сложность пуска;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда важно иметь уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю.

При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Внастоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка».

При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током I_п в пусковой обмотке, создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п₂ ⁼ п₁) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента М_вн, приложенного к ее валу.

Статическая устойчивость обеспечивается только при углах θ < π/2.Угол θ между векторами напряжения и ЭДС называют углом нагрузки. При работе синхронной машины в генераторном режиме напряжение U всегда отстает от ЭДС Е_о, в этом случае угол θ считается положительным. Чем больше нагрузка генератора (отдаваемая им мощность),тем больше угол θ.

В практике эксплуатации синхронных машин бывают случаи, когда отдельные машины выпадают из синхронизма и их роторы начинают вращаться относительно поля якоря (статора) асинхронно, с некоторым скольжением s. Это случается вследствие перегрузки машин, значительного падения напряжения в сети и потери возбуждения в результате каких-либо неисправностей в системе возбуждения или ошибочного срабатывания автомата гашения поля, в результате чего равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол нагрузки θ возрастать. Вследствие этого ротор по инерции проскакивает устойчивое положение, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение из синхронизма — аварийный режим, так как сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора Ε и напряжение сети U_c при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор — сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Синхронная машина работает устойчиво при выполнении условия dM/dθ > 0, и неустойчиво, если dM/dθ < 0; чем меньше угол нагрузки θ, тем больший запас по устойчивости имеет машина.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле θ, то малое отклонение Δθ от этого угла сопровождается возникновением момента

ΔΜ=(d/Μ/dθ)Δθ,(3.1)

который стремится восстановить исходный угол θ. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности.

Производные dM/dθ и dP_3M/dθ называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности).

Статическая перегрузка синхронной машины оценивается отношением

(3.2)

Для того, чтобы избежать выпадения из синхронизма из-за перегрузки, а также для обеспечения плавного пуска и торможения используют привод по системе ПЧ-СД.

Выбор комплектного АЭП, состоящего из синхронного двигателя и преобразователя частоты, осуществить по данным, полученным в подразделе 3.2:

- требуемая мощность двигателя;

- частота и амплитуда питающего напряжения;

- синхронная скорость;

- максимальная и минимальная частоты вращения ротора для выбранного способа регулирования;

- мощность преобразователя (формула 2.17):

;

- полученный диапазон регулируемых частот выходного напряжения;

- номинальный ток (формула 2.18):

, А

- требуемые защиты.

Указать фирму-производителя (ссылка на источник информации обязательна) и тип выбранного комплектного АЭП с указанием типа и технических данных входящих в него СД и ПЧ.

Аргументировать свой выбор, обозначить основные технические характеристики электропривода, достоинства и функциональные возможности, область применения.

Выбор синхронного двигателя

Используя метод эквивалентных моментов, определить мощность двигателя.

По заданным значениям моментов и времени (приложение 2) и с учетом изменения нагрузки, показанной на заданной диаграмме (приложение 3), построить временную диаграмму моментов для заданного механизма.

Определить, какие моменты на данной диаграмме являются не изменяющимися за соответствующие промежутки времени, а какие меняют свое значение.

Следует при этом учитывать, что направления изменения на диаграмме и при построении с учётом заданных моментов могут не совпадать.

Для внесения заданных элементов в курсовой проект создать таблицу и рисунок, используя данные приложений 2 и 3.

Определить продолжительность включения по формуле 3.3 и по результату указать режим работы.

ПВ= ; (3.3)

Определить эквивалентный момент по формуле 3.4.

М_экв= Н*м , (3.4)

где M_i - момент в определенный промежуток времени, Нм; t_i - продолжительность данного промежутка времени, сек; Σt_раб - суммарное время работы двигателя, сек; Σt_nауз - суммарное время пауз в работе, сек; - коэффициент, учитывающий продолжительность включения двигателя.

Коэффициент следует выбирать из таблицы 3.1.

Таблица 3.1

ПВ
	0,2	0,4	0,6	0,8

Найти необходимую эквивалентную мощность в Вт, исходя из эквивалентного момента и синхронной скорости вращения якоря n₁ по формуле 3.5.

P_э= (3.5)

где n₁ , об/мин – синхронная скорость вращения ротора;

Искомую номинальную мощность двигателя в кВт вычислить с учётом коэффициентов запаса по формуле 3.6.

P_ном=(1.1-1,3)∙P_Э (3.6)

Из полученного интервала мощностей (результат из формулы 3.6) и синхронной скорости n_1, об/мин по справочнику выбрать синхронный электродвигатель, указать его основные технические характеристики и пусковые свойства. (Ссылка на справочник обязательна).

Охарактеризовать выбранный электродвигатель.

Выбор вентильного двигателя

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является интеграция в единый корпус с двигателем управляющей электроники.

Такое решение позволяет выбирать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы. Функциональную схему такого привода см. рис.3.2.

Непосредственно векторныйконтроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования Парка-Кларка.

В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИ-регулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Рис.3.2. Векторный контроль тока вентильного двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3.3. Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель (ВД) — это замкнутая электромеханическая система, состоящая из синхронной машины с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности [].

Механическая и регулировочная характеристики вентильного двигателя линейны и идентичны механической и регулировочной характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока.

ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой, что подчёркивается словом "вентильный", т.е. "управляемый силовыми ключами" (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя