Автоматизированный электропривод с синхронным двигателем

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 мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений [].Структура БДПТ проще, чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно рассматриваются в составе электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor).

Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления: структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со щёточно-коллекторным узлом (ЩКУ).

Это - искрение, помехи, создаваемые в питающих сетях переменного тока, износ щёток, плохой теплоотвод якоря, и проч.

Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех случаях, когда использование ДПТ затруднено или невозможно.