Примеры выполнения курсового проекта

Пример №1

Введение

Современный автоматизированный электропривод — это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

В настоящее время автоматизированный электропривод является основ­ным видом привода стационарных машин и механизмов.

В качестве двигателей используются электрические машины постоянного и переменного тока различных типов. Для управления двигателями используются специализированные частотные и тиристорные преобразователи. Современный электропривод, как правило, автома­тизирован. Автоматическая система управления элект­роприводом позволяет наиболее рационально построить технологический процесс, повысить производительность труда, улучшить качество продукции и снизить ее се­бестоимость.

Тема данной курсовой работы: «Расчет и выбор силовой части автоматизированного привода» актуальна, так как определяющим фактором высокопроизводительной работы автоматизированного электропривода является правильно выбранная силовая часть.

В рамках курсовой работы будут рассмотрены такие аспекты, как расчёт и выбор двигателей постоянного и переменного тока, построение естественных и искусственных характеристик выбранных двигателей, расчёт и выбор преобразователей постоянного и переменного тока, выбор комплектного асинхронного и синхронного привода.

Будут рассмотрены двигатели и преобразователи российского и зарубежного производства.

АЭП с ДПТ НВ

Схема регулирования ТП-Д

Данный АЭП с ДПТ НВ реализован по системе ТП-Д с двух зонным регулированием.

Рис.1.1 Двухконтурная схема регулирования

Рис. 4.1. Функциональная схема двухконтурного подчинённого регулирования по системе ТП-Д

В данную схему входят: SA – программируемый логический контроллер или ПК с соответствующим ПО, т.е. электронное устройство, которое задаёт требуемую технологическим процессом скорость вращения вала двигателя. Сигнал с него одновременно поступает и в основной контур, и во вспомогательный контур.

В основной контур входят: BR – тахогенератор, который измеряет фактическую скорость вращения вала прямым измерением; PC - реле скорости; РТ – реле тока; СИФУ1 – система импульсно-фазового управления, в которой окончательно формируется управляющий сигнал; UZ1 – реверсивный тиристорный преобразователь; UA1 – измеряющее разделительное устройство, с помощью которого косвенным методом (по напряжению и току) измеряется фактическая скорость вращения вала; UE – определение напряжения на обмотке якоря.

Во вспомогательный контур входят: РТВ – реле тока обмотки возбуждения; СИФУ2 - система импульсно-фазового управления, в которой окончательно формируется управляющий сигнал; UZ2 – не ревесивный тиристорный преобразователь, UA2 - измеряющее разделительное устройство.

Обозначенные на схеме элементы под номерами 1, 2, 3, 4 – сравнивающие устройства.

Основной контур обеспечивает регулирование скорости вращения вала двигателя в первой зоне изменением напряжения на зажимах якоря.

Вспомогательный контур является подчинённым и осуществляет регулирование во второй зоне за счет уменьшения (ослабления) магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения.

4.1.3 Выбор ДПТ НВ

Исходные данные представлены в таблице 4.1 [1].

Таблица 4.1

Вариант	Заданная диаграмма	М1,	М2,	М3,	М4	t 1	t 2,	t 3,	t 4,	n,	Величина напряжения,
Н*м	Н*м	Н*м	Н*м	с	с	с	с	об/мин	В
4.	рис.3.2

Рис.4.2 Заданная диаграмма моментов

Для выбора двигателя производим построение временной диаграммы моментов (рис.4.3) с учётом изменений или постоянства моментов в определённые промежутки времени.

Рис. 4.3 Временная диаграмма моментов для заданного АЭП с ДПТ НВ

Затем определяем продолжительность включения

ПВ= (4.1)

ПВ=

Определяем эквивалентный момент по формуле 4.2. Коэффициент , учитывающий продолжительность включения двигателя, выбирается из таблицы 4.2:

Таблица 4.2

ПВ
	0,2	0,4	0,6	0,8

М_э= Н*м (4.2)

М_э= Н*м

Находим необходимую эквивалентную мощность, исходя из эквивалентного момента и заданной скорости вращения якоря

(4.3)

Так как согласно варианта n= 1070 об/мин, тогда по формуле 4.3

Искомая номинальная мощность двигателя принята равной (формула 4.4)

P_ном=(1,1-1,3)*P_Э (4.4)

Р_ном=(1,1-1,3) * 26.625кВт=(29.2875-34.6125) кВт.

Способ соединения ОЯ и ОВ – независимый, так как в промышленных АЭП для двухзонного регулирования применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением.

Рис. 4.4 Схема соединений ОЯ с ОВ в ДПТНВ

По справочным данным (ссылка на источник информации обязательна) выбран электродвигатель постоянного тока 4ПН225S.

· Номинальная мощность: P_ном=32 кВт

· Номинальное напряжение: U=220В

· Номинальная частота вращения n_ном=1060 об/мин,

· Максимальная частота вращения двигателя n_max=2500 об/мин

· Номинальный ток: I_ном=164 А

· КПД=85%

Электрические машины постоянного тока серии 4П с высотой оси вращения 200–280мм предназначены для комплектации электроприводов постоянного тока общепромышленного назначения (бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, полимерного оборудования, а также буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов).

Режим работы электродвигателей продолжительный S1 по ГОСТ 183. Электродвигатели допускают работу в режимах S2-S8 по ГОСТ183 при условии, что среднеквадратичный ток за цикл не превышает номинальное значение.

Возбуждение электродвигателей независимое 110, 220 В. Степень защиты электрических машин — IP23 по ГОСТ17494, электродвигатели типа 4ППМ, 4ПОМ и 4ПБМ имеют степень защиты IP44, вводное устройство всех типов машин —IP44.

Способ охлаждения электродвигателей IC01, IC06, IC0041, IC0141, IC17, IC37 по ГОСТ20459 .

Механические воздействия по группе М8 ГОСТ17516 - 190Е. Электродвигатели выпускаются в конструктивном исполнении IMB3, IMV5, IMV6, IMВ35, IMV1, IMV2, IM1002, IM1012, IM1032, IM2002, IM2012, IM2032 по ГОСТ2479 .

Структура условного обозначения:

4П — обозначение серии машины;

Х — обозначение машины в зависимости от исполнения по степени защиты и способа охлаждения: Ф — защищенное P23 с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора IC06; Н — защищенное IP23 с самовентиляцией IC01; П — закрытое IP44 (защищенное IP23) продуваемое от постороннего вентилятора IC37 (IC17); Б — закрытое IP44 с естественной вентиляцией IC0041; О — обдуваемое ICO141.

М — модификация серии 4П;

ХX — электрическая модификация: Г — генератор; 2В — возбудитель; отсутствие знака — двигатель.

ХХХ — высота оси вращения в мм;

Х — условная длина сердечника якоря: S — первая длина; М — вторая длина; L — третья длина; Х — повышенная точность; отсутствие знака — нормальная точность;

Г — наличие тахогенератора;

Х — температурная защита;

УХЛ4 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ15150.

Электрические машины закрытого и обдуваемого исполнений изготавливаются по отдельным заказам с параметрами, согласованными заказчиком с изготовителем.

Условия эксплуатации машин серии 4П: высота над уровнем моря — до 1000 м, температура окружающего воздуха — от 5 до 40 °С, относительная влажность воздуха до 80% при температуре 25 °С и при более низких температурах без конденсации влаги. Окружающая среда — невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию. Воздействие механических факторов внешней среды — по группе Ml ГОСТ 17516-72.

С помощью формул 3.5 – 3.9 построена естественная механическая характеристика (прямая 1, на рис. 3.5).

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

Для определения требуемой зонности регулирования, проведена прямая, соответствующая заданной скорости вращения вала двигателя (прямая 2, на рис 4.5), на которой отмечены заданные в условии моменты. В данном случае мы имеем двух зонное регулирование.

ω, рад/с

Рис. 4.5 Естественная и искусственные механические характеристики

Принимаем, что в первой зоне скорость вращения вала двигателя регулируется изменением напряжения на зажимах якоря.

В первой зоне регулирования характеристики, при регулировании скорости вращения вала двигателя изменением напряжения на якоре, сохраняют свою жесткость, следовательно, для построения искусственных характеристик в этом случае достаточно через требуемую точку провести прямые, параллельные прямой естественной характеристики (прямые 3 и 4, на рис.4.5).

Принимаем, что во второй зоне регулирование осуществляется за счет ослабления магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. Характеристики в этом случае прямолинейны, но не параллельны естественной характеристике. Регулируется скорость уменьшением магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения.

При построении искусственной характеристики во второй зоне (прямая 5, на рис.4.5), учитывая, что при таком способе регулирования P = const для данной характеристики, определено его значение по формуле 4.10.

(4.10)

Затем взято произвольное, но близкое к нулю, значение момента, и найдена еще одна точка с координатами { }.

(4.11)

Аналогично были произведены расчёты для прямой 6:

(4.12)

(4.13)

4.1.3 Выбор тиристорного преобразователя

Тиристорный преобразователь предназначен для преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное, и регулирования его действующего значения на активной, активно-индуктивной и активно-ёмкостной нагрузке. Регулирование осуществляется за счет изменения угла задержки отпирания силовых тиристоров.

Для данного привода выбран тиристорный преобразователь компании ООО “Звезда-Электроника” ТРС-ДПТ. В одном шкафу реализованы тиристорный преобразователь реверсивный для обмотки якоря и тиристорный преобразователь нереверсивный для обмотки возбуждения. Схема подключений приведена на рис. 4.6.

Рис.4.6 Схема подключения ТРС к обмоткамДПТ НВ

Данный комплектный преобразователь выбран по выходному напряжению обмоток якоря и возбуждения.

Выбор ТП осуществлён по:

· Регулируемому диапазону напряжений 0..500В.

· По номинальному току двигателя I_ном=164 А.

· По перегрузочной способности: I=1,5*Iн в течении 30 сек.

В данном комплектном тиристорном преобразователе реализован ряд защит:

· Защита от короткого замыкания на выходе.

· Защита от перегрузки длительным током.

· Защита от перегрева тиристоров, которая реализована с помощью датчика температуры.

· Защита от потери фазы или “слипания” фаз.

· Защита от потери поля возбуждения.

Технические характеристики реверсивного преобразователя приведены в таблице 3.3

Таблица 4.3

Выходное напряжение питания обмотки якоря	0..500 В, регулируемое
Выходное напряжение питания обмотки возбуждения	0..500 В, регулируемое
Регулирующий элемент	Тиристор
Торможение	Реверсом (противовключением)
Сигнал управления	0..10 В, 0..20 мА, 4..20 мА
Вспомогательное питание для системы управления	198-242 В 50Гц
Режим ограничения выходного тока или напряжения	Есть
Тип тиристорных модулей	Semikron

В качестве регулирующего элемента в устройстве используются тиристорные модули, каждый из которых содержит по два тиристора. Силовое напряжение для питания выпрямителя обмотки якоря подключается к клеммной колодке XT1 (cм. рис.3.6). Выход выпрямителя для питания обмотки якоря – XT2, выход для питания обмотки возбуждения – XT3(см. рис.3.6). На лицевой панели размещены элементы индикации и управления. Внешние провода и кабели для подключения напряжения сети, нагрузки и цепей управления вводятся в шкаф.

Преобразователь состоит из двух выпрямителей: один предназначен для питания обмотки якоря (см. рис. 4.6), второй – для питания обмотки возбуждения. Выпрямитель питания обмотки якоря – реверсивный, он состоит из двух мостов, соединенных встречно.

Выбор тахогенератора

Тахогенераторы - коллекторные машины, являющиеся генераторами постоянного тока с последовательным или независимым возбуждением постоянными магнитами.

Тахогенераторы ТГ постоянного тока функционально предназначены для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное частоте выходное напряжение постоянного тока.

Выходное напряжение тахогенератора используется для дистанционного измерения или индикации частоты вращения исполнительных механизмов и для выработки управляющих сигналов в системах автоматического регулирования.

Крепление тахогенераторов - за корпус.

Выбран тахогенератор ТГ-1. Технические данные тахогенератора см. в таблице 4.4

Таблица 4.4

Параметры	ТГ-1
Тип возбуждения	электро- магнитное
Напряжение возбуждения, В	задается током
Ток возбуждения, А	0,3±0,075
Номинальная частота вращения, об/мин	1100±11
Активное сопротивление нагрузки, Ом	10000±300
Крутизна изменения выходного напряжения при Rн=100000 Ом, Uв=110В, мВ*мин/об	91,54-101,18
Диапазон рабочих температур, °С	от-40 до +70
Верхнее значение относительной влажности воздуха, %	98 при 45°С
Масса, кг, не более	1,79
Общий гарантийный срок хранения и эксплуатации, год

Тахогенератор ТГ-1 выбран по следующим параметрам:

· Номинальной частоте вращения 1100±11 об/мин, что соответствует номинальной частоте вращения вала двигателя 1070 об/мин.

· Режиму работы – S1 продолжительному, что соответствует режиму работы выбранного двигателя.

· По минимальной и максимальной частоте вращения вала тахогенератора 0,1 до 6000 об/мин.

Данный ТГ пригоден для совместной установки с ДПТ4ПН225S,

АЭП с АДК

4.1.5 Схема регулирования ПЧ-АД

Данный АЭП с АДК реализован по системе ПЧ-АД.

Функциональная схема частотного регулирования представлена на рис.4.7

Рис.4.7. Функциональная схема частотного регулирования

Условные обозначения на схеме (рис.4.7): U1,В; f1, Гц - входное значение, соответственно, амплитуды питающего напряжения и частоты. Uu,В; Uf, Гц – значения, соответственно, амплитуды и частоты, поступающие с контроллера. Uвых,В; fвых,Гц - выходные значения, соответственно, амплитуды и частоты, подаваемые на обмотку статора и соответствующие заданной частоте вращения ротора. УВ - управляемый выпрямитель, который преобразовывает переменное напряжение в постоянное. УУ - управляющее устройство (может быть программируемым логическим контролером или ЭВМ), которое формирует значение амплитуды и частоты, соответствующие заданной частоте вращения ротора. УИ - управляемый инвертор, который осуществляет преобразование сформированного значения амплитуды напряжения из постоянной величины в переменную.

4.1.6 Выбор асинхронного двигателя

Исходные данные представлены в таблице 4.5[1] и на рис. 4.6.

Таблица 4.5

№ варианта	Заданная диаграмма	М1,	М2,	М3,	М4	t 1	t 2,	t 3,	t 4,	n 2
Н*м	Н*м	Н*м	Н*м	с	с	с	с	об/мин
	Рис.3.6

Рис. 4.6 Заданная диаграмма моментов производства механизма

Для выбора двигателя построена временная диаграмма моментов, приведенная на рис. 4.7

Рис. 4.7 Временная диаграмма моментов для АЭП с АДК

Определена продолжительность включения (формула 4.15):

ПВ= (4.15)

ПВ=

Определен эквивалентный момент по формуле 4.16.

М_э= (4.16)

где M_i - момент в определенный промежуток времени, Н*м; t_i - продолжительность данного промежутка, сек.; Σt_раб - суммарное время работы двигателя, сек.; Σt_n - суммарное время пауз в работе, сек; - коэффициент, учитывающий продолжительность включения двигателя (см. таблицу 4.7).

Таблица 4.7

ПВ
	0,2	0,4	0,6	0,8

Учитывая, что Σt_nауз =0, получено:

М_э= Н*м

Определена необходимая эквивалентная мощность, исходя из эквивалентного момента и заданной скорости вращения ротора:

, кВт (4.16)

,кВт (4.17)

Так как согласно варианту n= 748 об/мин, тогда по формуле (4.17)

Найдено заданное скольжение, используя формулу (4.18):

(4.18)

Определена номинальная мощность двигателя по формуле 4.19.

P_ном=(1.1-1,3)∙P_Э (4.19)

P_ном=(1.1-1,3)∙0.5429 кВт = (0.597 – 0.705) кВт

Из полученного интервала мощностей, номинальной частоты вращения, а также по скольжению выбран двигатель, определены его номинальные значения и пусковые свойства.

По справочным данным (ссылка на источник обязательна) выбран двигатель типа 4А80В8У3 со следующими данными:

· Р=0,55 кВт

· Синхронная частота вращения n₁ = 750 об/мин

· η=64%

· cosφ = 0.65

· S_к= 34%

· S_ном= 9%

· m_K= 1.7

· m_M= 1.2

· m_П= 1.6

На основании технических данных двигателя и после преобразования формулы 3.20 получаем значение номинальной скорости вращения ротора n_ном.

, % (4.20)

По формуле 3.21 определяем значение номинального момента М_ном.

(4.21)

На основании табличных значений относительных моментов m_K и m_П и используя формулы 3.22 и 3.32, определяем, соответственно, значения критического момента М_к и пускового момента М_п , которые необходимы для построения естественной механической характеристики.

(4.22)

отсюда

(4.23)

Построена естественная механическая характеристика (см. рис 4.8)

Рис.4.8.Естественная механическая характеристика

Для определения максимальной частоты, которую должен обеспечить на выходе частотный преобразователь, определяем во сколько раз изменится скорость для максимального момента искусственной характеристики по сравнению со скоростью для такого же момента на естественной.

По формуле 3.24 определяем скорость вращения ротора электродвигателя:

(4.24)

n_2ест = (1- 0,15)683,506=580,98 об/мин

где - величина скольжения (отн. ед.) на естественной характеристике, соответствующая значению максимального момента для заданной скорости на искусственной характеристике.

Соответственно, при скольжении , скорость ротора равна .

По формуле 3.25 вычислено, во сколько раз увеличилась скорость ротора для искусственной характеристики:

(4.25)

Так как скорость вращения ротора прямо пропорциональна частоте питающей сети, то вычислено, как увеличилась частота питающей сети, по формуле 3.26:

(4.26)

Так как полученная частота удовлетворяет условию , то потерями на намагничивание статора можно пренебречь, т.к. они не будут значительно сокращать срок службы двигателя.

Для определения минимальной частоты, которую должен обеспечить на выходе частотный преобразователь, определено, во сколько раз изменится скорость для минимального момента искусственной характеристики по сравнению со скоростью для такого же момента на естественной (на естественной характеристике двигатель работает при частоте питающей сети, равной 50Гц).

По формуле 4.24 следует определена скорость вращения ротора электродвигателя:

(4.24)

n_2ест = (1- 0,02)683,506=669,84 об/мин

где - величина скольжения (отн. ед.) на естественной характеристике, соответствующая значению минимального момента для заданной скорости на искусственной характеристике.

Соответственно, при скольжении , скорость ротора равна .

Вычислено, во сколько раз уменьшилась скорость ротора для искусственной характеристики по формуле 4.27:

(4.27)

Вычислено, как уменьшилась частота питающей сети (формула 4.28):

(4.28)

Так как полученная частота удовлетворяет условию , то потери на нагрев обмоток ротора не будут значительно сокращать срок службы двигателя.

Рабочие части искусственных характеристик – прямолинейны, т.к. частотное регулирование, не зависимо от способа регулирования, сохраняет жёсткость рабочей части искусственных характеристик.

Для выбора способа регулирования во второй зоне определяем величину превышения напряжения на искусственной характеристике, соответствующей максимальному моменту.

Учитывая, что отношения амплитуд и частот на разных характеристиках приблизительно равны, воспользуемся отношением (формула 3.29)

(4.29),

где: U_max – максимальная требуемая амплитуда напряжения, В; U_ном – номинальное значение напряжения питающей сети, В; f_max –максимальная выходная частота, Гц (определяется по формулам 2.12-2.14); f_ном – частота питающей сети, Гц.

Определив превышение напряжения в %, проверяем, удовлетворяет ли это превышение условию :

Т.к. условие не выполнено, то способ регулирования – векторный с изменением только частоты питающего напряжения.

Для определения требуемой зонности регулирования, вынесена в большем масштабе рабочая часть естественной характеристики (прямая 1, см рис. 4.9) на отдельный график.

Затем проведена прямая, соответствующая заданному скольжению (прямая 6, см. рис. 4.9), на которой отмечены заданные в условии моменты.

В данном случае имеется одно зонное регулирование (искусственные характеристики расположены только во 2-ой зоне – прямые 2,3,4,5, см. рис. 4.9).

Рис.4.9 Рабочая часть естественной и искусственных характеристик

4.1.7. Выбор частотного преобразователя

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является сегодня самым массовым и надежным устройством для привода различных машин и механизмов.

Его два основных недостатка – это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, очень большой пусковой ток - в пять, семь раз превышающий номинальный.

Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводят к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам. Это крайне отрицательно сказывается на сроке службы оборудования.

Частотный преобразователь с широтно–импульсным управлением (ПЧ с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданному закону частотного управления.

Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Двигатели российского производства на низких частотах сильно греются, это следует учитывать при выборе частотного преобразователя.

Выбор осуществляется по следующим параметрам:

· Мощности, большей 0,55 кВт в 1,8 раз

· Напряжению, равному 400 В (380В-500В)

· По номинальному току (см. формулу 4.24)

Iн= Рн/(Uн·√3·ηн·cosφ) (4.24)

Iн= 550/ 380*1.7*0.64*0,65=2,8А

· По типу защиты:

o Защита от перегрева привода

o Исчезновение фазы на входе привода

o Исчезновения фаз двигателя привода

o Короткое замыкание между фазами двигателя привода

o Сверхток между выходной фазой и землей (только при включенном питании) привод

o Тепловая защита двигателя

o Функция защиты от значительного уменьшения напряжения фазного питания привода

o Цепи защиты от повышенного и пониженного напряжения линии питания привода

Выбран преобразователь частоты ATV312 1 кВт 500В 3ф, произведённый фирмой Schneider Electric (ссылка на источник обязательна).

Каталожный номер: ATV312H055N4.

Технические характеристики (см. табл. 4.8) удовлетворяют характеристикам выбранного двигателя.

Преобразователь Altivar 12 наряду с традиционными для такого класса ПЧ функциями располагает также следующими функциональными возможностями:

· переключение между локальным управлением и управлением через клеммник;

· законы управления двигателем: скалярный, векторный и квадратичный;

· пропуск частотного окна;

· заданные скорости;

· ПИД-регулятор;

· S- и U-образные кривые разгона-торможения, переключение темпов разгона-торможения;

· остановка на выбеге и быстрая остановка;

· пошаговая работа (JOG);

· конфигурирование аналоговых и дискретных входов;

· контроль недогрузки и перегрузки;

· отображение состояния дискретных входов на экране ПЧ;

· конфигурирование отображения параметров.

Таблица 4.8

Семейство продуктов	Altivar 312
Тип изделия или компонента	Привод с регулируемой частотой вращения
Назначение изделия	Асинхронные электродвигатели
Стиль сборки	С радиатором
Наименование компонента	ATV312
Фильтр помех	Встроенный
[Us] номинальное напряжение питания	380...500 V (- 5...5 %)
Частота сети питания	50...60 Hz (- 5...5 %)
Число фаз сети	3 фазы
Мощность двигателя, кВт	1 kW
Линейный ток	3,7 A для 500 V 4,9 A для 380 V , 1 kA
Полная мощность	3,2 kVA
Макс. переходной ток	4,5 A для 60 s
Рассеиваемая мощность, Вт	37 W при номинальной нагрузке
Диапазон скоростей	1...50
Профиль управления асинхронным электродвигателем	Бессенсорное векторное управление двигателем с помощью сигнала ШИМ Заводская настройка: постоянный момент
Питание	Внутреннее питание для логических входов при 19...30 V ? 100 A для защита от перегрузки и короткого замыкания Внутреннее питание для регулировочного потенциометра (2,2 - 10 кОм) при 10...10,8 В ? 10 A для защита от перегрузки и короткого замыкания
Протокол порта обмена данными	CANopen Modbus
Опциональная карта	DeviceNet коммуникационная карта Fipio коммуникационная карта Modbus TCP коммуникационная карта Profibus DP коммуникационная карта Шлейф CANopen коммуникационная карта

Законы регулирования:

Возможен выбор одного из 3 законов управления двигателем в зависимости от применения:

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 и т.д.

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.

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.

Для данного привода выбираем векторный закон управления.

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части принято разделять на два класса:

1. Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

2. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью, в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на тиристорах. Система управления поочередно отпирала группы тиристоров, формируя выходной сигнал. В настоящее время этот метод преобразования частоты в новых разработках ПЧ не используется.

Все преобразователи частоты компании Schneider Electric построены по схеме с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 3.11).

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии.

Входное синусоидальное напряжение (L1, L2, L3) с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR) и фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (BF), в результате получается постоянное напряжение. Этот узел называется звеном постоянного тока.

Рис.4.11 Преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока

Для формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой служит блок преобразования (BD). В качестве электронных ключей, с помощью которых формируется выходной сигнал, применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Управляются перечисленные блоки по заранее запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или блоком логики (BL-управляющее устройство).

Преобразователи частоты могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. В этом случае защита ПЧ осуществляется быстродействующими предохранителям.

4.1.8 Выбор комплектного асинхронного привода

Комплектные электроприводы позволяют осуществлять плавный пуск с управляемым ускорением, плавное регулирование скорости в заданном диапазоне, реверс, точное позиционирование (с помощью датчиков обратной связи по скорости) при ограничении перегрузочных моментов и токов, что важно, например, для кранового электропривода.

Комплектные электроприводы в лифтах и подъемниках дают возможность осуществлять плавные пуски и торможение, остановки с высокой точностью, работать в сети с другими асинхронными двигателями, что с одной стороны упрощает систему управления, с другой стороны повышает комфортность.

При режимах работы, характерных, в частности, для буровых механизмов, наличие быстродействующего вычислительного устройства, осуществляющего оперативный контроль за работой комплектного АЭП в реальном времени, позволяет реагировать на внезапные изменения характера нагрузки, уменьшать динамические нагрузки, количество оборотов, осуществлять реверс механизма, тем самым предотвращая разрушение как самого двигателя, так и приводного механизма.

При режимах работы, характерных для автоматизированных линий станков, можно осуществлять пропуск частот, нежелательных для работы электропривода, задавать высокие темпы разгона и торможения, высокую точность позиционирования, осуществлять циклический режим работы благодаря векторному управлению электродвигателем.

Возможность параметрирования нескольких независимых наборов параметров, с переходом на другой набор в режиме on-line, обеспечение высокого пускового момента, позволяет применять комплектный асинхронный привод с векторным управлением для привода центрифуг, мельниц, миксеров.

Ранее определен диапазон номинальных мощностей привода, равный (0.597 – 0.705) кВт.

Исходя из этих данных, выбираем комплектный асинхронный электропривод.

Отдаем предпочтение марке SIEMENS, так как электрические двигатели данной фирмы являются ведущими в сфере приводных технологий. Все крупные предприятия региона КМА используют электродвигатели данной компании.

Техническая конструкция и популярность электродвигателей SIEMENS на рынке трёхфазных электродвигателей неразрывно связана с их качеством. Для гарантии высокого качества в процессе производства двигателей используется специальная система контроля и мониторинга.

Достоинством двигателей SIEMENS является усиленная изоляция ротора двигателя и встроенные датчики температуры, что даёт возможность надежного регулирования на низких частотах.

Выбираем серию асинхронных электродвигателей SIEMENS 1LA7, типа 1LA7073-2AA. Электродвигатели SIEMENS типа 1LA7 – являются самыми популярными на Российском и мировом рынках, подходят для большинства приводных задач.

Технические данные двигателя см. таблицу 4.9.

Таблица 4.9

Тип	Мощность, кВт	n2, об/мин	КПД, %		n1, об/мин.
1LA7073-2AA	0.55			0,76		1.7	1.6

Преимущества двигателей типа 1LA7:

· оптимальная подстройка и настройка, позволяющая оптимизировать большинство приводных задач;

· высокие показатели КПД и отличное соотношение цены и качества;

· надежность и долговечность всех составляющих узлов и элементов, гарантирующая продолжительный срок службы электродвигателя без необходимости систематического проведения профилактических и ремонтных мероприятий;

· соответствие международным стандартам и нормам;

· высокая безопасность для операторов и обслуживающего персонала;

На основании технических данных двигателя и после преобразования формулы 3.20 получаем значение номинальной скорости вращения ротора n_ном.

По формуле 4.21 определяем значение номинального момента М_ном.

На основании табличных значений относительных моментов m_K и m_П и используя формулы 4.22 и 4.32, определяем, соответственно, значения критического момента М_к и пускового момента М_п , которые необходимы для построения естественной механической характеристики.

Пренебрегая активным сопротивлением статора, определяем S_кр:

(4.25)

где (4.26)

На основании полученных данных с помощью прикладных пакетов строим естественную характеристику для данного электродвигателя (см. рис. 4.12).

Т.к. максимально допустимый момент М_доп. меньше минимального заданного момента М₄, то при построении характеристики им можно пренебречь.

-*/

Рис.4.12 Естественная характеристика

Для определения зонности регулирования данного электродвигателя построена диаграмма искусственных и естественных характеристик (см. рис.4.13).

Рис.4.13 Рабочие части искусственных и естественной характеристик

Проведена рабочая часть естественной характеристики (прямая 1, см. рис.4.13), затем проведена прямая, соответствующую заданному скольжению (прямая 6, см. рис.4.13), на которой отмечены заданные в условии моменты.

В данном случае имеется однозонное регулирование (искусственные характеристики расположены только во 2-ой зоне – прямые 2,3,4,5, см. рис.4.13).

Для определения максимальной частоты, которую должен обеспечить на выходе частотный преобразователь, определяем во сколько раз изменится скорость для максимального момента искусственной характеристики по сравнению со скоростью для такого же момента на естественной.

По формуле 4.24 определяем скорость вращения ротора электродвигателя:

n_2ест = (1- 0,15)675=573,75 об/мин

По формуле 4.25 вычислено, во сколько раз увеличилась скорость ротора для искусственной характеристики:

Так как скорость вращения ротора прямо пропорциональна частоте питающей сети, то вычислено, как увеличилась частота питающей сети, по формуле 4.26:

Так как полученная частота удовлетворяет условию , то потерями на намагничивание статора можно пренебречь, т.к. они не будут значительно сокращать срок службы двигателя.

Для определения минимальной частоты, которую должен обеспечить на выходе частотный преобразователь, определено, во сколько раз изменится скорость для минимального момента искусственной характеристики по сравнению со скоростью для такого же момента на естественной (на естественной характеристике двигатель работает при частоте питающей сети, равной 50Гц).

По формуле 4.24 определена скорость вращения ротора электродвигателя:

n_2ест = (1- 0,02)675=661,5 об/мин

Соответственно, при скольжении , скорость ротора равна .

Вычислено, во сколько раз уменьшилась скорость ротора для искусственной характеристики по формуле 3.2

Вычислено, как уменьшилась частота питающей сети (формула 4.28):

Так как полученная частота удовлетворяет условию , то потери на нагрев обмоток ротора не будут значительно сокращать срок службы двигателя.

Рабочие части искусственных характеристик – прямолинейны, т.к. частотное регулирование, не зависимо от способа регулирования, сохраняет жёсткость рабочей части искусственных характеристик.

Для выбора способа регулирования во второй зоне определяем величину превышения напряжения на искусственной характеристике, соответствующей максимальному моменту.

Учитывая, что отношения амплитуд и частот на разных характеристиках приблизительно равны, воспользуемся отношением (формула 3.29)

Проверяем, определив превышение значения амплитуды напряжения в %, удовлетворяет ли это превышение условию :

Т.к. условие не выполнено, то способ регулирования – векторный с изменением только частоты питающего напряжения.

Для управления электродвигателями типа 1LA7 фирмой был разработан частотный преобразователь (ПЧ) серии SIEMENS SINAMICS G 110.

ПЧ этой серии характеризуется базовым набором функций, необходимых для промышленного применения в регулируемых приводах.

Технические данные см. таблицу 4.10.

Таблица 4.10

Показатели сетевого напряжения	120-240 В 1 АС
Функции защиты по:	1. пониженному напряжению 2. перенапряжению 3. перегрузке 4. включению на землю 5. короткому замыканию 6. блокировке двигателя 7. перегреву двигателя 8. перегреву преобразователя
Диапазон мощностей	120 Вт-3,0 кВт
Высота установки	до 1000 м над уровнем моря без уменьшения мощности
КПД преобразователя	90-94% для приборов <750 Вт 95% для приборов >750 Вт
Способность к перегрузкам	Ток перегрузки=1,5*номинальный выходной ток(т.е. 150% перегрузки) в течение 60 с, далее - 0,85*ном.выходной ток в течении 240с, время цикла 300 с.
Выходное напряжение для пользователя	24 В на клеммах 6 и 7 (50 мА нерегулировано): 10 В на клеммах 8 и 10 (5 мА)
Предварительный ток	Меньше, чем номинальный выходной ток
Специфика управления	Линейный, квадратичный, многоточечный (настраиваемый)
Частота импульсов	8 кГц (стандарт); 2кГц-16кГц (в шагах 2-кГц)
Постоянные частоты	3, можно настраивать
Фильтруемая полоса частоты	1, можно настроить
Цифровые входы	3, настраиваемый, потенциально связанный; PNP, совместимый с Simatic. Low<5.high>10 V, максимальное входное напряжение 30 В.
Аналоговый вход	1, для номинального значение (0 В-10 В, шкалируется или используется как 4-й цифровой вход)
Серийный интерфейс (вариант USS)	RS 485, для работы через протокол USSI
Длина проводов	макс. 25 м (экранированного) макс. 50 м (не экранированного)
Разрешение номинальных значений	0,01 Гц цифровой, 0,01 Гц серийный, 10 Бит аналоговый (потенциометр двигателя 0,1 Гц)
Торможение	Торможение постоянным током
Тип защиты	IP 20
Рабочая температура	-10 0C + 40 0С (до + 50 0С с уменьшением мощности)
Коэффициент мощности	COSф=0,95
Значения выходной частоты	0-650 Гц
Нормы	СE, c-tick, С-UL. Разрешение Гостехнадзора

Стандартные преобразователи SINAMICS G110 содержат управляющий модуль и силовой модуль. В модулях применена самая современная технология IGBT и цифровое микропроцессорное управление.

Силовые модули представлены на рис 4.15.

С данным двигателем используется силовой модуль на 1,1 кВт для обеспечения запаса по мощности. В комплекте используется базовая панель оператора для управления.

Рис 4.15 Силовые модули

Преимущества частотных преобразователей SIEMENS SINAMICS G 110:

· простота монтажа, подключения и параметрирования;

· компактность и эргономичность;

· разнообразие конфигураций, что говорит об универсальности и широком применении;

· высокая частота коммуникации, обеспечивающая бесшумную работу;

· аналоговый и USS вариант преобразователя.

Пример № 2

Во втором примере рассматриваются только выбор тахогенератора и тиристорного преобразователя для системы ТП-Д и выбор комплектного асинхронного электропривода для системы ПЧ-АД, поскольку эти варианты отличаются от рассмотренных в примере №1.