Автоматизований електропривод - курс лекцій. Автоматизований електропривод. Класифікація електронних пристроїв СЕП

АВТОМАТИЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД

Курс лекцій для студентів спеціальності

"Металообробні верстати та інструменти"

ГЛАВА 1ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ АЕП. МЕХАНІКА АЕП

1.1. Основні поняття та визначення

1.1. Механічні характеристики робочих машин та ЕД

1.2. Механічні характеристики ДПТ

1.3. Механічні характеристики АТ

1.4. Механічні характеристики ЦД

РОЗДІЛ 2МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ПОТУЖНОСТІ І ВИБОРУ ЕЛЕКТРОДВИГУНІВ

2.1. Сили та моменти, що діють в ЕП

2.2. Приведення моментів опору та інерції до валу двигуна

2.3. Загальні зауваження . Нагрів та охолодження двигунів

2.4. Метод середніх втрат . Еквівалентні способи.

2.5. Серії електродвигунів, що застосовуються у верстатах

РОЗДІЛ 3ЕЛЕМЕНТИ СИЛОВОЇ ТА РЕГУЛЮЮЧОЇ ЧАСТИН СЕП

Класифікація електронних пристроїв СЕП

3.1. Тиристорні перетворювачі

3.2. Транзисторні перетворювачі

3.3. Типові датчики

3.4. Типові вузли захисту ЕП

3.5. Типові регулятори

РОЗДІЛ 4ТИПОВІ СЕП МЕТАЛОРІЗНИХ ВЕРСТАТІВ

4.1. Принципи побудови типових СЕП

4.2. Одноконтурна СЕП постійного струму

4.3. СПР ЕП постійного струму з однозонним керуванням

4.4. СПР ЕП постійного струму з двозонним керуванням

4.5. СЕП змінного струму з АІН та АІТ (схеми з ОС за швидкістю та струмом)

4.6. Системи стабілізації технологічних параметрів під час різання металів

РОЗДІЛ 5СЛЕЖНІ СЕП МЕТАЛОРІЗНИХ ВЕРСТАТІВ

5.1. Типові структури стежать ЕП та їх елементи

5.2. Слідкуючий ЕП з підлеглим регулюванням параметрів

5.3. Слідкуючий ЕП подачі копіювально-фрезерних верстатів

ЛІТЕРАТУРА

1. Автоматизований електропривод типових виробничих механізмів та технологічних комплексів: Підручник для вузів/М.П. Бєлов, В.А. Новіков, Л.М. Розсудів. - М.: Видавничий центр "Академія", 2004. - 576 с.

2. Інжиніринг електроприводів та систем автоматизації: навч. посібник для студ. вищ. навч. закладів/М.П. Бєлов, О.І. Зементов, А.Є. Козярук та ін; під. ред. В.А. Новікова, Л.М. Чернігів. - М.: Видавничий центр "Академія", 2006. - 368 с.

3. Ковчин С.А., Сабінін Ю.А. Теорія електроприводу: Підручник для вишів. - СПб.: Вища школа, 2000. - 496 с.

4. Шестаков В.М., Дмитрієв Б.Ф., Репкін В.І. Електронні пристрої систем автоматичного керування: Навчальний посібник. - СПб: Вид. ЛДТУ, 1991.

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ АЕП. МЕХАНІКА АЕП.

1.1. Основні поняття та визначення

Існують різні види приводів, але завдяки ефективному акумулюванню, простоті передачі, властивостям підсумовування та подільності електроенергія ширше використовується порівняно з іншими видами енергії. Нині найчастіше використовується автоматизований електропривод (ГОСТ Р 50369-92).

Електричним приводом (ЕП)називається електромеханічна система, призначена для приведення в рух робочих органів машин, цілеспрямованого управління цими процесами і що складається з передавального, електрорухового, перетворювального, керуючого та інформаційного пристроїв.

Передавальний пристрійпризначено для перетворення форм руху та передачі механічної енергії від рухового пристрою до робочих органів машини.

Двигунперетворює електричну енергію на механічну і формує разом з передавальним пристроєм задані форми руху робочих органів.

Перетворювальний пристрійслужить зв'язку СЕП з джерелом електроенергії (промислова мережу чи автономний), перетворення однієї форми електроенергії на іншу (наприклад, випрямлення змінного струму).

Керуючий та інформаційний пристрійпризначені для формування заданих законів управління потоком енергії та руху робочих органів машин.

Класифікація ЕП

1. За призначенням: а) головні (наприклад, головний рух);

б) допоміжні (наприклад, подання).

2. За родом споживаного струму двигуна: а) постійного струму;

б) змінного струму.

3. На вигляд силових ключів: а) тиристорні;

б) транзисторні;

в) мікропроцесорні

4. На вигляд системи автоматичного управління (САУ):

а) аналогові (безперервні) системи ЕП (СЕП);

б) цифрові (дискретні) СЕП;

в) цифроаналогові СЕП;

г) лінійні чи нелінійні СЕП;

д) статичні чи астатичні СЕП;

5. За функціями, що виконуються:

а) грубе регулювання швидкості (розімкнені СЕП);

б) точне регулювання швидкості (замкнуті СЕП);

в) стеження за вхідними сигналами, що довільно змінюються (стежать системи);

г) програмне відпрацювання завдань (СЕП із програмним управлінням);

д) взаємопов'язане регулювання параметрів (багаторухові та взаємопов'язані СЕП);

Функції а)-д) вважаються основними. До додаткових функцій відносяться: сигналізація (діагностика) та захист ЕП.

Механічні характеристики асинхронних двигунів (АТ)

1) Механічні характеристики 3-фазних АТ

Асинхронний електродвигун має трифазну статорну обмотку. При подачі на неї трифазної напруги частотою утворюється магнітне поле, що обертається з кутовою швидкістю , де - число10

пар полюсів статора (визначається укладанням обмотки).

Ротор артеріального тиску найчастіше виконується короткозамкнутим ("білища клітина"). У підйомних та транспортних машинах застосовують фазний ротор, де обмотка ротора через контактні кільця виводиться на нерухому основу та з'єднується з додатковими опорами.

В даний час АТ за замовчуванням застосовують для приводу більшості об'єктів.

При описі АТ електричні параметри двигуна мають індекси: 1 – статор; 2 – ротор.

При R 1 =0 механічна характеристика описується формулою

, де – критичний момент; - ковзання.

1 - природна ();

1" – реверс (міняються місцями дві з трьох фаз);

4 - АТ з фазним ротором, .

гальмівні режими

5 - динамічне гальмування: на обмотку статора подається постійний струм, тоді ротор, що розкручується, буде гальмуватися;

6 – протитечії (реверс): (міняються місцями дві фази);

7 - рекуперація, реверс моменту. Для гальмування до нуля потрібно ПЛ, який безперервно знижує.

Пуск АТ: Для обмеження пускових струмів АТ великої потужності або отримання плавного пуску асинхронного приводу застосовують:

1) включення активних чи індуктивних опорів у ланцюги статора, що виводяться наприкінці пуску;

2) "частотний" пуск через перетворювач, що плавно змінює частоту живлення двигуна;

3) пуск із фазним ротором;

4) реакторний пуск - включення індуктивних опорів у ланцюг ротора. Спочатку пуску частота струму в роторі близька до частоти мережі, індуктивний опір великий і обмежує пусковий струм.

2) Механічні характеристики двофазних АТ

Випускаються на потужність 1 кВт. Можуть виконуватись із суцільним або порожнім ротором. ОВ, ОУ – відповідно обмотки збудження та управління; Для зсуву фаз у ланцюг ОВ послідовно включають конденсатор ємністю 1-2 мкФ на кожні 100 Вт.

При однофазному включенні.

Примітка: при частотному керуванні характеристики стануть лінійними та паралельними один одному, при фазовому – лише лінійними.

Загальні зауваження

1) Завданням є грамотний вибір електродвигуна для заданого механізму (агрегату) з урахуванням допустимого нагріву та перевантаження за струмом та моментом.

Втрати поділяються на:

Постійні – механічні та сталі – не залежать від струму двигуна;

Змінні – у міді – є функцією квадрата струму двигуна.

Зв'язок між втратами та ККД:

, де Р- Потужність на валу; Р 1 - споживана потужність.

2) Нагрів та охолодження ЕД при тривалому режимі роботи.

- кількість тепла, що виділяється (генерується) електродвигуном;

Теплоємність двигуна;

- Тепловіддача.

При незмінній температурі навколишнього середовища температура двигуна зростатиме за законом , де - Постійна часу нагріву, с; , град.

3) Режими роботи двигунів

а) тривалий (S1)

б) короткочасний (S2)

в) повторно-короткочасний (S3, S4)

тривалість включення , де - шпаруватість;

стандартизовані ПВ% = 15, 25, 40, 60%

4) Класи ізоляції та допустимі робочі температури двигунів.

Відповідно до міжнародних стандартів розрізняють такі класи ізоляції

У двигунах загального призначення застосовується ізоляція класів B та F.

5) Кліматичне виконання електричних машин

6) Ступені захисту електричних машин (ГОСТ 14254-80 та ГОСТ 17494-72)

Загальне позначення типу захисту (International Protection) – IP, де

1-а цифра: ступінь захисту персоналу від зіткнення з частинами обладнання, що рухаються, і від попадання всередину оболонки твердих сторонніх тіл;

2-а цифра: ступінь захисту від попадання всередину обладнання води.

IP	Цифра 1	Цифра 2
Захист від дотику	Захист від потрапляння сторонніх предметів	Захист від попадання води
	Не захищено	Не захищено	Не захищено
	Від дотику великої площі (рукою)	Від предметів розміром понад 50 мм	Від водяних крапель, що падають вертикально
	Від торкання пальцями	Від предметів розмірів понад 12 мм	Від вертикально падаючих крапель і бризок під нахилом до 15 0 до перпендикуляра
	Від дотику предметами або дротом діаметром понад 2,5 мм.	Від предметів розміром понад 2,5 мм.	Від вертикально падаючих крапель і бризок під нахилом до 60 0 до перпендикуляра
	Від дотику предметами або дротом діаметром понад 1 мм *)	Від малих твердих предметів (більше 1 мм)	Від крапель води з усіх боків
	Від дотику допоміжними засобами будь-якого типу *)	Від осадження пилу всередині	Від струменів води з усіх боків
	Від дотику допоміжними засобами будь-якого типу	Від попадання будь-якого пилу	Від хвиль води
	-	-	Захист при зануренні у воду
	-	-	Захист при тривалому зануренні у воду

*) Не відноситься до вентиляторів електричних машин

Стандартне виконання захисту двигунів IP 54. На замовлення забезпечуються підвищені ступеня захисту IP 55 та IP 65.

Приводи, що працюють із великою кількістю включень

Приводи з додатковою інерційною масою (інерційною крильчаткою)

Приводи з керуванням від перетворювача з діапазоном регулювання понад 1:20

Приводи з керуванням від перетворювача, що зберігають номінальний крутний момент при низькій частоті обертання або в положенні зупинки

Методи розрахунку потужності

Вибір потужності двигуна за стаціонарного навантаження здійснюється за умовою (найближчий більший за каталогом). В цьому випадку двигун підійшов по нагріву.

Розглянемо вибір потужності двигунів при змінному навантаженні:

1. Метод середніх втрат (прямий метод).

В основі методу лежить діаграма навантаження. Розглянемо прямий метод обліку втрат у двигуні

1) Розраховується середня потужність на валу двигуна за формулою

, Закон Джоуля-Ленца

Втрати у двигуні пропорційні активній потужності. Таким чином, нагрівання двигуна визначається не , а . Звідси постає завдання розрахунку втрат.

2) вибір потужності двигуна,

де k= 1,2...1,3 – коефіцієнт запасу, враховує пропорційність втрат квадрату струму;

3) Розрахунок втрат при різних навантаженнях з використанням каталожних кривих за формулою

4) визначаються середні втрати за цикл ;

5) вибір потужності двигуна за умовою , де - двигун підійшов по нагріву;

6) вибраний двигун повинен бути перевірений на перевантаження та пускові умови

ДПТ: , ;

АТ: ,

Еквівалентні методи

Ці методи відносяться до непрямих, оскільки опосередковано враховують втрати в електричній машині.

1) Метод еквівалентного струму.

Розраховується деякий еквівалентний струм, втрати якого рівнозначні фактичним при змінної навантаженні т.к.

2) Метод еквівалентного моменту при Ф-const

; - Двигун підійшов по нагріванню.

3) Метод еквівалентної потужності при Ф-const, -const

; - Двигун підійшов по нагріванню.

Потім вибраний двигун повинен бути перевірений на перевантаження та пускові умови.

Найбільш широке застосування методу еквівалентного струму, найбільш вузьке у методу еквівалентної потужності. Методи еквівалентного струму та потужності не застосовні при двозонному управлінні так як містять блоки творів у формулах, . Точнішим є метод середніх втрат (прямий метод).

Примітка: При повторному короткочасному режимі двигун вибирається з умови .

;

Тут методи еквівалентного моменту та струму практично не використовуються. У разі, якщо навантаження у різних циклах неоднакове, розраховують середню ПВ з урахуванням nциклів.

Тиристорні перетворювачі

Переваги: ​​а) надійність; б) мала маса; в) мінімальна потужність управління; г) висока швидкодія; д) високий ККД (0,95-0,97)

Недоліки: а) не витримує навантажень; б) зниження сos при малих навантаженнях; в) генерація вищих гармонійних коливань у мережу при комутації вентилів (для боротьби з ними включають ТОР)

1. Схеми ТП та способи управління:

1) Нульова схема реверсивного приводу

m=3 – фазність перетворювача. Переваги: ​​менша кількість тиристорів. Застосовується у малопотужних приводах.

2) Мостова схема випрямлення реверсивного приводу (схема Ларіонова)

m=6; Переваги: ​​а) менша кількість дроселів, що згладжують; б) менший клас тиристорів; Застосовується у приводах середньої та великої потужності.

2. Способи керування реверсивними ТП:

а) роздільне, коли групи тиристорів керуються послідовно.

Переваги: ​​1) відсутність зрівняльного струму і, отже, необхідності включення зрівняльних реакторів (УР);

Недоліки: 1) широка зона уривчастих струмів; 2) нелінійність механічних характеристик на початку координат; 3) уповільнений реверс напруги перетворювача.

Водночас роздільне управління ТП застосовується найчастіше.

б) узгоджене, коли обидві групи тиристорів управляються спільно, за умовою , причому , ;

Переваги: ​​1) лінійна характеристика; 2) вузька зона уривчастих струмів; 3) швидкий реверс.

Недоліки: 1) наявність статичних та динамічних зрівняльних струмів. Для боротьби із нею включають зрівняльні реактори (УР).

3. Математичний опис ТП

1) Система управління тиристорним перетворювачем (СУТП) або система імпульсно-фазового управління (СІФУ)

а) зі стабілізованою пилкоподібною опорною напругою . Не містить вищих гармонік в опорній напрузі, забезпечує чітке відкриття тиристорів та застосовується у ТП середньої та великої потужності.

б) з нестабілізованою синусоїдальною опорною напругою . Застосовується в малопотужних ТП за широкого діапазону регулювання швидкості ТП.

в) якщо СУТП є цифровою, то кут відкриття тиристорів , де код числа.

2) Силова частина ТП.

Описується виразом , де - максимальна випрямлена ЕРС ТП. Крім того, ТП має запізнення, середньостатистичне. При m=6 .

а) СУТП зі стабілізованою пилкоподібною опорною напругою.

Нелінійна залежність .

б) СУТП з нестабілізованою синусоїдальною опорною напругою.

; - лінійна залежність !

З малюнків видно, що коливання напруги мережі змінного струму (пунктирна лінія) впливають на вихідну ЕРС у разі а) і не впливають у разі б).

3) Навантаження ТП (двигун). Формує характер струму перетворювача, який може бути безперервним, гранично-безперервним та уривчастим.

Характер струму впливає характеристики привода. У зоні безперервного струму характеристики жорсткі, оскільки внутрішній опір перетворювача невеликий. При переривчастому струмі внутрішній опір ТП значно зростає, що знижує жорсткість параметрів. , де – комутаційний опір. утворюється у режимі безперервного струму при перекритті фаз. - динамічний опір тиристорів.

Зона уривчастого струму вкрай несприятлива для регулювання, оскільки падає жорсткість характеристик приводу, і з'являється нелінійна залежність (див. мал.).

Типові датчики

Розглянемо датчики вітчизняної універсальної системи блокових регуляторів аналогового виконання (УБСР-АІ).

1) Датчик струму ДТ1-АИ Застосування операційного підсилювача (ОУ) дозволяє розв'язати силову та керуючу ланцюга приводу, що також необхідно з техніки безпеки. Коефіціент посилення підбирається так, щоб максимальному струму, що вимірюється, відповідало .

2) Датчик напруги ДН1-АІ. Коефіцієнт посилення підбирається так, щоб максимальному вимірюваному напрузі відповідало .

3) Датчик ЕРС

3) Датчики швидкості. Як датчики швидкості використовуються прецизійні тахогенератори постійного та змінного струму.

4) Датчики становища

а) Резольвер (англ. resolver). Працює за принципом синусно-косинусного трансформатора, що обертається (СКВТ). У трансформатора, що обертається, ротор складається з котушки (обмотки), яка разом з обмоткою статора утворює трансформатор. Принципово резольвер влаштований точно так само з тією різницею, що статор виконаний не з однієї, а з двох розташованих під кутом 90 ° один до одного обмоток. Резольвер служить визначення абсолютного становища валу двигуна всередині одного оборота. Крім того, сигналом резольвера визначається значення швидкості і моделюється інкрементний датчик для регулювання положення. Ротор резольвера закріплений на валу двигуна. Для того щоб можна було передавати змінну несучу напругу на ротор без щіток, на статорі та роторі розміщені додаткові обмотки. За двома вихідними синусоїдальними напругами і , зрушеними на 90° (рис. 7), можна визначити кут повороту ротора, швидкість та інкрементний сигнал по положенню (моделювання інкрементного датчика).

б) Фотоелектричні датчики серії ПДФ. Відсутність температурного та тимчасового дрейфу. 500-5000 імп/об.

5) Датчики неузгодженості. Застосовуються у стежать системах.

а) Потенціометричні датчики неузгодженості

б) Сельсини у трансформаторному режимі. Сельсин має 2-фазну обмотку статора та 3-фазну обмотку ротора. Вісь сельсина-датчика приводиться в рух від пристрою, а вісь сельсина-приймача - від виконавчого. При різниці кутів (тобто помилки стеження) на обмотці статора генерується напруга . Сельсини працюють з кутами помилки до 90 градусів, далі відбувається "перекидання" сигналу (див. мал.). Існують також індуктосини – лінійні аналоги сельсинів.

Типові регулятори

1) Статика описується алгебраїчними рівняннями (АУ), а динаміка – диференціальними ДУ. Для полегшення дослідження динаміки складних електромеханічних систем за допомогою перетворення Лапласа переходять з тимчасової t-області до р-області зображень, де р (s) – оператор диференціювання (Лапласа), . У цьому ДУ замінюються АУ.

Передавальною функцією (ПФ) W(p) називається відношення зображень за Лапласом вихідною змінною до вхідної (див. курс ТАУ).

2) Показники якості перехідного процесу. Розглянемо перехідний процес у замкнутій системі:

а) Статична помилка ;

б) Час перехідного процесу – час останнього входження регульованої величини 5% зону;

в) Перерегулювання ;

3) Типові регулювальники. Використовуються в замкнутих системах для отримання потрібних показників якості. Найчастіше застосовуються пропорційні (П), пропорційно-інтергальні (ПІ) та пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори. Вибір типу регулятора визначається передавальною функцією об'єкта управління. Передавальні функції регуляторів

; ;

Реалізація аналогової схеми	Коефіціент посилення
;
; ;

Одноконтурні СЕП

Багато хто помилково вважає, що електропривод – це електродвигун, який виконує якусь роботу. Насправді це не зовсім правильно. У систему електроприводу входить не тільки електродвигун, а й редуктор, система управління до нього, датчики зворотного зв'язку, різні реле та ін. Це не електрична система, а електромеханічна. Вона може бути регульованою (автоматизованою, автоматичною або не автоматизованою) або не регульованою (насоси побутові та ін.). Ми розглянемо види регульованих пристроїв.

Не автоматизований електропривод

Під час роботи пристрою всі дії з регулювання будь-яких координат виконуються в ручному режимі. Тобто для роботи даного типу пристроїв необхідний оператор, який стежитиме за правильністю виконання процесів. Як приклад можна навести крановий електропривод, де всі дії виконуються оператором.

Автоматизований електропривід

На відміну від не автоматизованих приводів, в автоматизованих присутні сигнали зворотного зв'язку за координатами або параметрами (струм двигуна, швидкість, положення, момент). Нижче наведено структурну схему:

Структурна схема автоматизованого електроприводу

ЗА – захисна апаратура (автоматичні вимикачі, запобіжники та ін.)

ПЕЕ – перетворювач електричної енергії (частотник, тиристорний перетворювач)

ДТ – струмовий датчик

ДН – датчик напруги

СУ ПЕЕ – система управління перетворювачем

ПУ – пульт керування

ПМ – передавальний механізм (муфта, редуктор та ін.)

РО – робочий орган

ЕД - електродвигун

За такої структури управління СУ ПЕЕ управляє як перетворювачем, а й системою одночасно. При такому управлінні датчики зворотного зв'язку забезпечують контроль параметрів і сигналізують про це оператору. Дана система в автоматичному режимі може проводити деякі операції (пуск, зупинка та ін), але все одно потрібна присутність людини, для контролю, за роботою даного пристрою. Наприклад, пуск багато конвеєрної лінії, де пускаються не всі конвеєри відразу, а по черзі, де враховується також час пуску кожної лінії та умови пуску. Так само вони і зупиняються.

Як бачимо зі структурної схеми сигнали зворотного зв'язку приходять на пульт оператора, який безпосередньо дотримується технологічного процесу, і частина приходить в систему управління перетворюючим пристроєм для здійснення основних захистів і відпрацювання деяких змін сигналу, що надходить, що надходить з пульта управління.

Автоматичний електропривід

Для роботи електроприводу в автоматичному режимі не потрібна наявність людини. У цьому випадку все відбувається автоматично. Нижче наведено структурну схему:

Структурна схема системи автоматичного керування електроприводом

АСУ ТП – автоматична система керування технологічним процесом

Як бачимо зі структурної схеми, що в АСУ ТП приходять всі датчики зворотного зв'язку. У ньому відбувається обробка сигналів від датчиків, і видаються керуючі сигнали інших підсистем. Дана структура управління дуже зручна, тому що не вимагає постійного спостереження оператора за технологічним процесом і знижує вплив людського фактора. Наприклад, модернізовані шахтні підйомні машини, які можуть працювати в автоматичному режимі, орієнтуючись на датчики зворотного зв'язку.

У світі активно впроваджуються АСУ ТП як для електроприводів. Дуже рідко зустрічаються системи з ручним управлінням технологічними процесами, всі вони або автоматизовані, або на цих лініях повністю впроваджені АСУ ТП.

Сучасний електропривод є конструктивною єдністю електромеханічного перетворювача енергії (двигуна), силового перетворювача та пристрою управління. Він забезпечує перетворення електричної енергії на механічну відповідно до алгоритму роботи технологічної установки. Сфера застосування електричного приводу у промисловості, на транспорті та у побуті постійно розширюється. В даний час вже більше 60% всієї електричної енергії, що виробляється у світі, споживається електричними двигунами. Отже, ефективність енергозберігаючих технологій значною мірою визначається ефективністю електроприводу. Розробка високопродуктивних, компактних та економічних систем приводу є пріоритетним напрямком розвитку сучасної техніки. Останнє десятиліття століття, що минає, ознаменувалося значними успіхами силової електроніки – було освоєно промислове виробництво біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), силових модулів на їх основі (стійкі та цілі інвертори), а також силових інтелектуальних модулів (IPM) з вбудованими інтерфейсами. для безпосереднього підключення до мікропроцесорних систем керування. Зростання ступеня інтеграції в мікропроцесорній техніці та перехід від мікропроцесорів до мікроконтролерів із вбудованим набором спеціалізованих периферійних пристроїв, зробили незворотною тенденцію масової заміни аналогових систем управління приводами на системи прямого цифрового керування.Під прямим цифровим управлінням розуміється не тільки безпосереднє управління від мікроконтролера кожним ключем силового перетворювача (інвертора та керованого випрямляча, якщо він є), але й забезпечення можливості прямого введення в мікроконтролер сигналів різних зворотних зв'язків (незалежно від типу сигналу: дискретний, аналоговий чи імпульсний) з подальшою програмно-апаратною обробкою всередині мікроконтролера. Таким чином, система прямого цифрового управління орієнтована на відмову від значної кількості додаткових інтерфейсних плат та створення одноплатних контролерів управління приводами. У межі вбудована система управління проектується як однокристальна і разом із силовим перетворювачем та виконавчим двигуном конструктивно інтегрується в одне ціле – мехатронний модуль руху.

Розглянемо узагальнену структуру електроприводу (рис. 6.25). У ній можна виділити два взаємодіючі канали - силового, що виконує передачу та перетворення енергії з електричної в механічну, та інформаційного.

Залежно від вимог до електроприводу як електромеханічний перетворювач використовуються різні електричні машини: асинхронні та синхронні змінного струму, колекторні та безколекторні постійного струму, крокові, вентильно-реактивні, вентильно-індукторні тощо.

Інформаційний канал призначений для управління потоком енергії, а також збору та обробки відомостей про стан та функціонування системи, діагностування її несправностей. Інформаційний канал може взаємодіяти з усіма елементами силового каналу, а також з оператором, іншими системами електроприводу та системою верхнього рівня керування.

Рис. 6.25. Узагальнена структура електроприводу

Довгий час масове застосування регульованих приводів стримувалося двома факторами:

щодо малими допустимими значеннями струмів, напруг та частоти перемикань силових напівпровідникових приладів;

обмеженням складності алгоритмів управління, що реалізуються в аналоговій формі або на цифрових мікросхемах малого та середнього ступеня інтеграції.

Поява тиристорів на великі струми та напруги вирішило проблему статичного перетворювача електроприводу постійного струму. Однак необхідність примусового закривання тиристорів по силовому ланцюзі суттєво ускладнювала створення автономних інверторів для частотно керованого електроприводу змінного струму. Поява потужних повністю керованих польових транзисторів, що позначаються в зарубіжній літературі MOSFET (Metal - Oxide - Semiconductor Field Effect Transistor), і біполярних транзисторів з ізольованим затвором IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) призвело до бурхливого розвитку. перетворювачами частоти. Іншим чинником, що зумовило можливість масового застосування частотнокерованого електроприводу, було створення однокристальних мікроконтролерів достатньої обчислювальної потужності.

Аналіз продукції провідних світових виробників систем приводу та матеріалів опублікованих наукових досліджень у цій галузі дозволяє відзначити такі яскраво виражені тенденції розвитку електроприводу:

Неухильно знижується частка систем приводу з двигунами постійного струму та збільшується частка систем приводуз двигунами змінного струму. Це пов'язано з низькою надійністю механічного колектора та вищою вартістю колекторних двигунів постійного струму порівняно з двигунами змінного струму. За прогнозами фахівців на початку наступного століття, частка приводів постійного струму скоротиться до 10 % від загальної кількості приводів.

Переважне застосування в даний час мають приводу з короткозамкненими асинхронними двигунами. Більшість таких приводів (близько 80%) – нерегульовані. У зв'язку з різким здешевленням статичних перетворювачів частоти частотно-регульованих асинхронних електроприводівшвидко збільшується.

Природною альтернативою колекторним приводам постійного струму є вентильними, тобто електронно-комутованими двигунами. Як виконавчі безколекторних машин постійного струму(БМПТ) переважного застосування отримали синхронні двигуни із збудженням від постійних магнітів або з електромагнітним збудженням (для великих потужностей). Цей тип приводу найбільш перспективний для верстатобудування та робототехніки, однак, є найдорожчим. Деякого зниження вартості можна досягти при використанні синхронного реактивного двигуна як виконавчого.

Приводом наступного століття, за прогнозами більшості фахівців, стане привід на основі вентильно-індукторного двигуна(ВИД). Двигуни цього типу прості у виготовленні, технологічні та дешеві. Вони мають пасивний феромагнітний ротор без будь-яких обмоток або магнітів. Разом з тим, високі споживчі властивості приводу можуть бути забезпечені лише при застосуванні потужної мікропроцесорної системи керування у поєднанні із сучасною силовою електронікою. Зусилля багатьох розробників у світі сконцентровані у цій галузі. Для типових застосувань перспективні індукторні двигуни із самозбудженням, а для тягових приводів – індукторні двигуни із незалежним збудженням із боку статора. В останньому випадку з'являється можливість двозонного регулювання швидкості за аналогією із звичайними приводами постійного струму.

6.2.1. Асинхронні електроприводи
зі скалярним керуванням

Скалярні методи управління забезпечували досягнення необхідних статичних показників і використовувалися в електроприводах зі «спокійним» навантаженням. На вході цих систем, як правило, включалися задатчики інтенсивності, які обмежували швидкість наростання (зменшення) вхідного сигналу до такої величини, при якій процеси в системі можна вважати такими, що встановилися, тобто в рівнянні можна було б знехтувати складниками , так як .

На рис. 6.26 наведено механічні характеристики асинхронного короткозамкнутого двигуна для всіх чотирьох законів керування для лінійної моделі, що не враховує насичення магнітопроводу. Слід повторити, що перелічені закони управління широко використовувалися і добре зарекомендували себе в електроприводах, де не потрібно швидкодії з управління і немає різких змін моменту навантаження.

Рис. 6.26. Механічні характеристики АКЗ
за різних законів управління

Найпростішим із перерахованих законів є перший: .Цей закон при використанні інвертора з синусоїдальної ШІМ реалізований практично у всіх напівпровідникових перетворювачах, що випускаються численними фірмами та пропонуються на ринку. Зручність цього закону полягає в тому, що електропривод може працювати без негативного зворотного зв'язку по швидкості і мати природну жорсткість механічних характеристик в обмеженому діапазоні регулювання швидкості.

У електроприводах зі скалярним керуванням для регулювання або стабілізації швидкості використовуються інші співвідношення між частотою і напругою. Вибір цього співвідношення залежить від моменту навантаження та визначається за умов збереження перевантажувальної здатності:

де М max - максимальний момент АКЗ, Μ Н –момент навантаження на вал машини.

Закон зміни напруги та частоти, що задовольняє вимогу (6.15) при допущенні r s= 0, встановлено
М.П. Костенко. Цей закон має вигляд

де U НОМ,f НОМ,Μ НОМ -номінальні значення, що наводяться в паспортних даних машини.

Якщо закон зміни моменту заздалегідь відомий, можна визначити необхідне співвідношення напруги і частоти на виході інвертора. Розглянемо три класичні види навантажень на валу машини:

M H= const, ; P H = M H wm = const, ; . (6.16)

У наявних над ринком перетворювачах часто передбачається можливість перебудови із забезпечення всіх трьох законів. Схема електроприводу, що реалізує розглянуті закони, показано на рис. 6.27. Функціональний перетворювач (ФП) реалізує одну із залежностей (6.16), що визначається характером навантаження. Напівпровідниковий перетворювач (ПП) включає автономний інвертор і його систему управління, задатчик інтенсивності (ЗІ), як вже було зазначено, формує повільно наростаючий вхідний сигнал. В цьому випадку в електроприводі наростання швидкості не супроводжуватиметься інтенсивними коливаннями моменту та струму, що спостерігаються при прямому пуску.

Рис. 6.27. Функціональна схема розімкнутого асинхронного

При найскладніших навантаженнях застосовуються інші закони скалярного регулювання, які реалізуються з допомогою зворотних зв'язків. Ці закони розглянуті вище на підставі аналізу роботи асинхронної машини в режимі, що встановився.

Розглянемо ще один скалярний закон управління, який використовується при побудові електроприводів з автономними інверторами струму – це ψ R= const.

Реалізація цієї залежності в електроприводі показано на функціональній схемі (рис. 6.28). Такі системи отримали назву частотнострумових.

Блок ПП у системі може бути реалізований двояким способом. У першому випадку (рис. 6.28) він містить керований випрямляч, послідовний індуктивний фільтр та автономний інвертор. Слід наголосити, що індуктивний фільтр надає інвертору характеристику джерела струму. Таке джерело струму називається параметричним.

Рис. 6.28. Функціональна схема асинхронного
електроприводу зі скалярним керуванням

6.2.2. Асинхронні електроприводи
з векторним керуванням

На рис. 629 показана структура приводу змінного струму з векторним керуванням. Як виконавчий двигун може застосовуватися або синхронний двигун з активним магнітоелектричним ротором, або синхронний реактивний двигун. Можливе використання цієї структури та для керування трифазними вентильно-індукторними двигунами з різнополярним живленням, а також кроковими двигунами в режимі безколекторних двигунів постійного струму.

Як силовий перетворювач використовується інвертор на IGBT-ключах або інтелектуальних силових модулях. Драйвери ключів інвертора підключені безпосередньо до виходів ШИМ-генераторамікроконтролера, що працює в режимі широтно-імпульсної модуляції базових векторів(векторної ШІМ-модуляції), що забезпечує максимально високий рівень використання напруги ланки постійного струму та мінімізацію динамічних втрат в інверторі (нижче докладніше).

Рис. 6.29. Структурна схема приводу
змінного струму з векторним керуванням

Структура на мал. 6.29 передбачає використання імпульсного датчика положення ротора двигуна. Сигнали з датчика вводяться безпосередньо в контролер і обробляються в блоці оцінки положення, який може бути реалізований на основі спеціального периферійного пристрою таймера із «квадратурним» режимом роботи. Код механічного становища ротора програмно перетворюється на код електричного становища ротора всередині полюсного поділу машини q. Для реалізації блоку оцінки швидкості можуть застосовуватися спеціальні периферійні пристрої мікроконтролера, принцип дії яких заснований на вимірюванні тимчасового інтервалу відпрацювання двигуном заданого відрізка шляху (Естиматори швидкості), або периферійні пристрої загального призначення, такі як процесори подійабо менеджери подій. В останньому випадку таймер, який працює в «квадратурному» режимі, є базовим для одного з каналів порівняння. Як тільки двигун відпрацює заданий відрізок шляху, виникне переривання порівняно. У процедурі обслуговування цього переривання центральний процесор визначить інтервал часу з моменту попереднього переривання і виконає розрахунок поточної швидкості приводу w. Бажано, щоб таймер, що працює в «квадратурному» режимі, допускав початкову ініціалізацію відповідно до числа міток на оберт імпульсного датчика положення, а також мав режим автоматичної корекції свого стану по реперному датчику. Естиматор швидкості повинен працювати з регульованою роздільною здатністю як за кількістю імпульсів на періоді вимірювання швидкості (від 1 до 255), так і з регульованою роздільною здатністю за часом (максимальна роздільна здатність 50 - 100 нс при діапазоні регулювання роздільної здатності 1:128). Якщо вищенаведені вимоги до периферійних пристроїв мікроконтролера будуть виконані, то виявиться можливим вимірювання швидкості в діапазоні, як мінімум, 1:20000 з точністю, не гірше 0,1%. Для вимірювання електричних змінних мікроконтроллер повинен мати вбудований АЦПз роздільною здатністю не нижче 10 - 12 двійкових розрядів і часом перетворення не гірше 5 - 10 мкс. Як правило, восьми каналів АЦП достатньо для прийому не тільки сигналів зворотних зв'язків по струмах фаз, але і сигналів зворотних зв'язків за напругою та струмом у ланці постійного струму, а також зовнішніх сигналів, що задають. Додаткові аналогові сигнали використовуються для захисту інвертора і двигуна. Робота АЦП буде більш продуктивною, якщо мікроконтролер допускає режим автоматичного сканування та запуску процесу перетворення. Зазвичай це робиться або за допомогою окремого периферійного пристрою процесора периферійних транзакцій, або за допомогою режиму автозапуску АЦПвід процесора подій чи генератора ШИМ-сигналів. Бажано, щоб вибірка як мінімум двох аналогових сигналів була одночасною.

У блоці векторної ШІМ-модуляції виконується спочатку перетворення компонент вектора напруги до полярної системи координат (g, r), пов'язаної з поздовжньою віссю ротора, а потім, з урахуванням поточного положення ротора q, визначається робочий сектор, внутрішньокутний кут і розраховуються компоненти базових векторів абсолютної системи координат, пов'язаної зі статором. Формуються напруги, що прикладаються до обмоток двигуна U a , U b , U c . Усі перелічені вище перетворення координат (прямі та зворотні перетворення Парку та Кларку) повинні виконуватись у реальному часі. Бажано, щоб мікроконтролер, що використовується для реалізації системи векторного управління, мав вбудовану бібліотеку функцій, адаптованих для ефективного керування двигунами, у тому числі функцій перетворення координат. Час реалізації кожної з цих функцій не повинен перевищувати кількох мікросекунд.

Відмінною особливістю системи векторного управління асинхронними двигунами є необхідність використання додаткового обчислювального блоку, в якому проводиться оцінка кутового поточного положення вектора потокосцепления ротора. Це робиться на основі рішення в реальному часі системи диференціальних рівнянь, складених відповідно до математичної моделі двигуна. Природно, що така операція потребує додаткових обчислювальних ресурсів центрального процесора.

6.2.3. Вентильні та безконтактні
машини постійного струму

Безконтактні машини постійного струму (БМПТ) та вентильні машини (ВМ) – це синхронний двигун у замкнутій системі (рис. 6.30), реалізованої з використанням датчика положення ротора (ДПР), перетворювача координат (ПК) та силового напівпровідникового перетворювача (СПП).

Різниця між БМПТ та ВМ полягає лише у способі формування напруги на виході силового напівпровідникового перетворювача. У першому випадку формується імпульсна напруга (струм) на обмотках машини. У другому випадку на виході СПП формується синусоїдальна або квазісинусоїдальна напруга (струм).

Слід зазначити, що БМПТ відрізняються від крокових машин тим, що включені до замкнутої системи формування напруги. Вони напруга формується залежно від становища ротора, і це їх важливим відмінністю від крокових, у яких становище ротора залежить від кількості управляючих імпульсів.

Рис. 6.30. Функціональна схема БМПТ та ВМ

Окремо серед синхронних машин стоять гістерезисні і реактивні двигуни. Ці машини рідко використовуються у електроприводі.

З усіх розглянутих типів синхронних машин у керованих системах найперспективнішими вважаються вентильні машини.

У ряді застосувань, наприклад, для приводів з вентильно-індукторними та безколекторними двигунами постійного струму, цілком достатньо на інтервалі комутації підтримувати в обмотці двигуна заданий фіксований рівень струму. Структура системи управління у своїй помітно спрощується. Особливість схеми (рис. 6.31) полягає в тому, що ШІМ-генератор забезпечує відразу дві функції: автокомутацію фаз двигуна за сигналами датчика положення та підтримання струму на заданому рівні шляхом регулювання прикладеного до обмотування двигуна напруги.

Перша функція може бути реалізована автоматично, якщо генератор має вбудований блок управління виходами, що дозволяє прийом команд від процесора подій. Друга функція традиційна і реалізується шляхом зміни шпаруватості вихідних ШІМ-сигналів. Для оцінки положення ротора двигуна можна використовувати датчик датчика на елементах Холла, або більш дорогий імпульсний датчик положення. У першому випадку сигнали з датчика положення вводяться в мікроконтролер на входи модулів захоплення процесора подій.

Відпрацювання двигуном кожного цілого кроку ідентифікується процесором подій та викликає автокомутацію ключів інвертора. Переривання, що виникає при кожному захопленні фронту сигналу з датчика, використовується для оцінки часу між двома сусідніми перемиканнями і далі швидкості приводу. У другому випадку можна отримати більш точну інформацію про поточне становище ротора двигуна і його швидкість, що може знадобитися в приводах з інтелігентним управлінням кутом комутації у функції швидкості. Таким чином, повноцінні системи векторного управління приводами змінного струму вимагають для реалізації високопродуктивних мікроконтролерів з широким набором перерахованих вище вбудованих периферійних пристроїв, що допускають спільну роботу і вимагають від центрального процесора мінімальних ресурсів на своє обслуговування.

Рис. 6.31. Блок-схема системи керування
безколекторним двигуном постійного струму

6.3. Силові напівпровідникові
перетворювачі в системі
автоматизованого електроприводу

Силові напівпровідникові перетворювачі в системах автоматики виконують функцію регулювання швидкості та моменту електричного двигуна. Вони включені між споживачем потужності (як правило, електричним двигуном) та основним джерелом живлення (рис. 6.32). За принципом дії силові перетворювачі поділяються на такі базові типи:

керовані випрямлячі (УВ), які перетворюють змінну, зазвичай синусоїдальну напругу джерела живлення постійної частоти (як правило, промислової
fі = 50 Гц або fі = 400 Гц) і з постійним чинним значенням (зазвичай Uі = 220 В або Uі = 360 В), регульована вихідна напруга постійного струму ( Uп = var, fп = 0).

широтно-імпульсні перетворювачі (ШИП), які перетворюють постійну напругу джерела живлення
(Uі = const, fі = 0) у постійне регульоване напруження постійного струму на виході ( Uп = var, fп = 0).

автономні інвертори (АІ), які перетворюють постійну напругу живлення ( Uі = const, fі = 0) змінну напругу на виході з регульованим чинним значенням і регульованою частотою ( Uп = var, fп = var).

безпосередні перетворювачі частоти (НПЛ) перетворюють змінну, зазвичай синусоїдальну, напругу постійної частоти ( fі = 400 Гц або fі = 50 Гц) постійного чинного значення (зазвичай 220 В) в змінну напругу на виході з регульованим чинним значенням та регульованою частотою ( Uп = var, fп = var).

Рис. 6.32. Базові способи використання силових перетворювачів

Слід зазначити, що тут постійна напруга ( f= 0) характеризуються середніми значеннями Uі.ср, Uп.ср, а змінні ( f ¹ 0) - діючими значеннями ( Uі, Uд).

Таким чином, силові перетворювачі УВ, ШИП можуть використовуватися для керування (напругою, струмом, потужністю) споживачами постійного струму. Причому останні можуть бути не тільки електричними двигунами, а й бути споживачами з активним (резистивним) навантаженням (такі силові перетворювачами застосовуються в регульованих джерелах живлення). Якщо джерелом живлення є мережа змінного струму, може бути застосований або УВ, або поєднання випрямляча і ШИП.

Для споживачів змінного струму (яким найчастіше є машина змінного струму) застосовується АІ, а при живленні від джерела змінного струму НПЛ, або поєднання УВ та АІ, або випрямляча та АІ.

6.3.1. Керовані випрямлячі

Джерелом енергії для керованих випрямлячів є мережа змінного струму. Принцип управління полягає в тому, що в позитивний напівперіод напруги живлення електронний ключ (як правило, тиристор) відкривається і подає напругу до споживача лише частина цього напівперіоду. Напруга та струм на виході керованого випрямляча містять постійні та змінні складові. Змінюючи момент (фазу) відкриття електронного ключа змінюють середнє значення напруги на вході споживача потужності. Випрямлячі, що керуються, найчастіше використовуються для управління двигуном постійного струму по ланцюгу якоря.

Існує велика кількість різних схем керованих випрямлячів. За принципом дії і побудови вони можуть бути розділені на дві групи: однополуперіодні (схеми з нульовим проводом), в яких використовують тільки одну напівхвилю напруги мережі, і двополуперіодні (мостові схеми), де використані обидві напівхвилі змінної напруги мережі.

Розглянемо роботу найпростішої двонапівперіодної тиристорної схеми з суто активним навантаженням Rн (рис. 6.33).

До джерела синусоїдальної напруги мережі Uі з амплітудою через тиристорний міст
VS1 – VS4. Діагональні тиристори VS1, VS4і VS2, VS3відкриваються попарно, по черзі в момент часу, що визначається кутом відмикання a.

В інтервал α < w t< 180° до навантаження підводиться напруга Uп = U m sin w t. На рис. 6.35 крива напруги на навантаженні зафарбована темним кольором.

Так як навантаження активне (резистивне), крива струму повторює криву напруги. У момент часу w t = 180° струм зменшується до нуля і відповідна пара діагональних тиристорів закривається. Цей процес повторюється кожний напівперіод. Управління тиристорами здійснюють імпульсами малої тривалості з досить крутим переднім фронтом, що зменшує втрати потужності в тиристорі при включенні, а отже, його нагрівання.

Розглянутий фазовий метод управління може бути реалізований за допомогою фазозсувних способів, одним з яких є вертикальний спосіб управління, заснований на порівнянні опорної напруги (зазвичай пилкоподібної форми) та постійної напруги сигналу управління. Рівність миттєвих значень цих напруг визначає фазу a, при якій схема виробляє імпульс, потім посилюється і подається на електрод керуючий тиристора. Зміна фази aкеруючого імпульсу досягається зміною рівня напруги сигналу управління Uупр. Функціональна схема управління наведено на рис. 6.34. Опорна напруга, що виробляється генератором пилкоподібної напруги ГПН і синхронізована з напругою мережі за допомогою синхронізуючого пристрою СУ, подається на схему порівняння СС, на яку одночасно надходить і вхідна напруга (сигнал управління). Сигнал зі схеми порівняння надходить на формувач імпульсів (ФІ), потім на розподільник імпульсів (РІ), на підсилювачі потужності (У), звідки у вигляді потужного, що володіє крутим фронтом і регульованого по фазі імпульсу подається на електрод, що управляє.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ
ФЕДЕРАЛЬНА АГЕНЦІЯ З ОСВІТИ
ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ ЗАКЛАД

ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ
УФІМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАФТОВИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

В.І.БАБАКІН

Курс лекцій з дисципліни:

«Автоматизований електропривод типових

виробничих механізмів та технологічних

комплексів».
Частина 2.

Уфа 2007

1.АЕП з асинхронним двигуном 4

1.1АЕП з АТ з реостатним регулюванням 4

1.2АЭП з АКЗД з регульованою напругою, що підводиться до статора АТ 5

2. Сучасний стан АЕП із двигунами змінного струму 7

2.1Проблеми синтезу та управління АЕП 7

3.Автоматизований асинхронний електропривод з використанням синхронних

Електромашинних перетворювачів частоти 9

4. Автоматизований асинхронний електропривод з використанням асинхронних

Електромашинних перетворювачів частоти 11

5.Автоматизований електропривод із двигуном змінного струму зі статичними перетворювачами частоти (СПЛ) 11

5.1Перетворювач частоти з ланкою постійного струму 12

6.Автономні інвертори (АІ)……………………………………………………………… 13

7.АЭПТ з ЧП має у структурі керований випрямляч………………………… .14

8.Регулювання швидкості в АЕП з ПЧ з УВ……………………………………………… ...17

9.Пуск в АЕП з ПЧ з УВ…………………………………………………………………… …18

10.Торможення в АЭП з УВ………………………………………………………………… ..19

10.1.Торможення противключенням (ТП)……………………………………………… ..19

10.2.Динамічне гальмування……………………………………………………………… 19

10.3.Реверс……………………………………………………………………………………. ..20

11. Переваги та недоліки АЕП з ПЧ з УВ…………………………………………… .20

12. Автоматизований електропривод з використанням ПЧ із ШИР……………… ….20

13.Регулювання швидкості, запуск гальмування в АЭП з ШИР…………………………… ...21

13.1 Регулювання швидкості в АЭП з ШИР……………………………………………… …21

13.2 Пуск в АЭП з ШИР…………………………………………………………………… ….22

13.3 Гальмування в АЭП з ШИР……………………………………………………………… 22

14 Автоматизований електропривод з використанням ПЧ із ШИМ…………………...22

15 Принцип дії ПЧ з ШИМ……………………………………………………………..23

16 Принципові схеми ПЧ з ШИМ………………………………………………………24

17 ПЧ з ШИМ з урахуванням незапираемых тиристорів…………………………………………....25

18 Елементна база сучасних частотних перетворювачів…………………………....26

18.1 Силові фільтри…………………………………………………………………………27

18.2 Характеристики сучасних потужних силових ключів із двостороннім тепловідведенням

19 Припинціальні схеми ПЧ з урахуванням IGBT транзисторов………………………………...29

20 Регулювання швидкості в АЭП з ПЧ із ШИМ…………………………………………….29

21 Пуск в АЭП з ПЧ із ШИМ…………………………………………………………………..29

22 Гальмування в АЭП з ПЧ із ШИМ……………………………………………………… .29

23 Аварійні режими в АЭП з ПЧ із ШИМ…………………………………………………29

24 Вплив довжини монтажного кабелю на перенапруги на затискачі двигуна……….30

25 Принципи та основи векторного управління……………………………………………...34

26 Реалізація векторного управления………………………………………………………..36

27 Автоматизований електропривод змінного струму з безпосереднім перетворенням.

Ванієм частоти (НПЧ)…………………………………………………………………… ..38

28 Автоматизований електропривод змінного струму в каскадних схемах………….40

29 Автоматизовані електроприводи з електричними електромашинними каскадами……………………………………………………………………………………… 42

30 Автоматизовані електроприводи з електромеханічними електромашинними каскадами………………………………………………………………………………………..43

31 Автоматизовані електроприводи з асинхронно-вентильними каскадами (АВК).44

32 Автоматизовані електроприводи змінного струму з машинами подвійного живлення-

Нія……………………………………………………………………………………………. .45

33 Автоматизовані електроприводи змінного струму з машинами подвійного живлення в синхронному режимі………………………………………………………………… 46

34 Автоматизовані електроприводи змінного струму з машинами подвійного живлення-

Нія в асинхронному режимі…………………………………………………………………..48

35 Автоматизовані електроприводи змінного струму з вентильним двигуном …50

36 Автоматизовані електроприводи змінного струму слідкуючого типу……… …….52
1. АЕП із асинхронним двигуном
1.1 АЕП з АТ із реостатним регулюванням.

Ці схеми застосовуються для АТ із фазним ротором.

Принцип дії:Змінюючи активний опір ланцюга ротора, ми цим впливаємо на ковзання, у своїй змінюється кутова швидкість.

Один із найважливіших показників якості регулювання – плавність. В даному випадку залежить від числа ступенів додаткового опору ротора, що вводиться в ланцюг, яке в свою чергу обмежується стандартною апаратурою управління за допомогою релейно-контакторних схем. Збільшення числа щаблів спричинить збільшення числа реле і контактів, що у свою чергу призведе до зменшення швидкодії та надійності системи загалом. Крім того, такі електроприводи мають низькі енергетичні показники, невисокі ККД в області глибокого регулювання, при значному збільшенні додаткового опору різко зменшується жорсткість характеристики, що позначиться на стійкості роботи електроприводу.

З метою збільшення плавності регулювання застосовують імпульсне параметричне регулювання. Сутність цього методу полягає в поперемінному введенні та виведенні додаткового опору в ланцюзі ротора, при цьому середнє значення одно:

де t 1 – тривалість замкнутого стану ключа;

T 2 - тривалість розімкнутого стану ключа.

рис.2

ω буде змінюватися плавно в межі між двома граничними характеристиками ε=1 і ε=0

Діапазон регулювання швидкості в ЕП з реостатним регулюванням обмежується:

1. 
   Великими втратами потужності (низький ККД)
2. 
   Низька стабільність (Д=1,5÷1).

^ 1.2 АЕП з АКЗД з регульованою напругою, що підводиться до статора АТ.
Принцип дії таких електроприводів полягає в тому, що при зменшенні напруги, що підводиться до статора, пропорційно квадрату напруги знижується електромагнітний момент і зменшується швидкість обертання ω.
Регулювання здійснюється за допомогою регуляторів напруги, що включаються до ланцюга статора. При цьому розрізняють два способи регулювання:

• 
  імпульсне;
• 
  безперервне.

Донедавна переважно використовувалися імпульсні способи регулювання.

Найпростіша принципова схема імпульсного регулювання:
рис.3
При цьому частота замикань розмикань співрівняна з частотою мережі f ≤ 200 Гц. При зміні шпаруватості керуючих імпульсів змінюється значення напруги, що діє:
При ε=1 двигун працює на природній механічній характеристиці, при цьому ключі постійно замкнуті. У міру зменшення ε кутова швидкість зменшується. При цьому зменшується критичний момент М КР, як наслідок зменшення перевантажувальної здатності (жорсткості) робочої частини механічної характеристики. При мінімальних значеннях шпаруватості, тобто. на малих швидкостях привід працює нестійко.

Недоліки:

• 
  Низькі енергетичні показники, що пов'язано зі збільшенням напруги та швидкості, а також із перехідними електромагнітними процесами, викликаними включенням вимкненням обмоток статора двигуна.
• 
  Такі електроприводи можуть працювати лише у тривалому режимі, т.к. не забезпечують короткочасного запуску та зупинки двигуна.

Дещо кращими, у цьому плані, показниками володіють електроприводи з імпульсним регулюванням напруги та імпульсним чергуванням фаз.

КН включається на інтервалах вимкненого стану ключів КВ, при ==0 імпульсів керуючих ключами КВ. ЕП працюватиме у режимі гальмування противключенням. Сімейство механічних характеристик у таких ЕП будуть жорсткішими в робочій частині (перевантажувальна здатність нижче).

Відмінність механічної характеристики при імпульсному регулюванні напруги та імпульсним чергуванням фаз (в робочій частині електропривод працює стійкіше). При дуже малих значеннях характеристики переходять в область гальмування противключенням, що дозволяє швидко зупинити двигун. Такі електроприводи для повторно-короткочасних режимів, але ці електроприводи мають ще нижчі енергетичні показники, т.к. накладання рухового та гальмівного режимів викликає практично безперервні електромагнітні перехідні процеси, що супроводжуються великими втратами потужності.

Недоліки:

Зменшення напруги живлення при постійній потужності на валу двигуна призведе до зменшення напруги на затискачах ротора, збільшення струму ротора, зменшення коефіцієнта потужності двигуна та зменшення ККД.

Показники якості:

1. 
   Низькі енергетичні показники;
2. 
   Низька стабільність регулювання:
3. 
   Діапазон регулювання Д=1,5÷1;
4. 
   Плавність висока;
5. 
   Напрямок одноланковий "вниз";

Доцільно регулювати при М =const т.к. це частково дозволяє позбутися першого недоліку.

В даний час широкого поширення набули ЕП з безперервним регулюванням напруги:

• 
  РН-АТ;
• 
  ТРН-АТ.

Такі електроприводи мають значно кращі енергетичні показники, ніж ЕП з ІРН, але всі інші показники такі ж.
Останнім часом такі електроприводи здобули невиправдано широку рекламу. Пропонується використовувати їх для механізмів, що працюють у короткочасному режимі. Регулювання в системі ТРН-АД здійснюється за допомогою зміни напруги на затиску статора шляхом зміни кута відмикання тиристорів. Рис.5

^ Переваги ЕП за системою ТРН-АТ: По початкових витратах на 30-40% дешевше, ніж ЕП із частотним перетворювачем; на 20-50% знижено витрати на техобслуговування.

^ Недоліки ЕП за системою ТРН-АТ: Низький діапазон регулювання Д=2÷1.

Цей недолік, якою мірою може бути усунений при використанні АЕП з регульованою ЕРС в статорній обмотці, тобто. регулюванням не напруги, а ЕРС.

^ 2. Сучасний стан АЕП із двигунами змінного струму.

2.1 Проблеми синтезу та управління АЕП.
Об'єкт управління –

1. 
   ЕД (електромеханічний перетворювач);
2. 
   СП (силовий електричний перетворювач);
3. 
   ІП (вимірювальний перетворювач).

1) ЕД(Електромеханічний перетворювач).

Найбільш широкий клас ЕД, що використовуються у сучасному електроприводі АКЗД загальнопромислового призначення. Ці двигуни призначені для використання в електроприводах, що регулюються, для прямого включення в промислову мережу. Здебільшого зміни у цій галузі мають характер деяких конструктивних удосконалень електродвигуна. Розробляються та серійно виробляються спеціальні модифікації АКЗД, призначені для використання у частотно регульованому електроприводі (фірмою Siemens розробляються та серійно випускаються протягом п'яти років АКЗД для використання при знижених та при підвищених частотах живлення 500-1000 Гц). Крім того спостерігається збільшення виробництва ЦД із збудженням від постійних магнітів (безконтактні). Ці ЕД мають покращені масогабаритні та цінові показники, і не поступаються за техніко-енергетичними показниками. Серед перспективних ЕД – індукторний двигун, який за твердженням розробників має значно кращі технічні та енергетичні характеристики та вимагає дуже простого силового перетворювача (собівартість електроприводу значно нижча). Синхронно-реактивний електродвигун має масогабаритні показники, що знаходяться в проміжку між АТ і ЦД і при цьому значно більш високу енергетичну ефективність при значно меншій вартості.
2) СП(силовий електричний перетворювач);

В області СП в електроприводі з двигунами постійного струму в даний час в основному використовуються перетворювачі, що мають структуру випрямляча - АІН. Причому якщо до 2000 р. вимоги до якості випрямлення не регламентувалося, нині виник ряд нормативної документації, яка суворо регламентує наявність у структурі СП випрямляльних пристроїв. Це стандарти IEEE-519, МЕК555 – інтеграційні стандарти; ГОСТ 13109. Для поліпшення якісних показників сучасних СП, зокрема поліпшення якості електроспоживання, саме підвищення коефіцієнта потужності нині застосовують випрямлячі на повністю керованих силових ключах зі стабілізацією вихідної напруги. Схеми з додатковою індуктивністю, схеми з комутуючим вхідним ключем реалізуються за смарт-технологією. Проте ефективнішими і дешевими видаються СП з некерованими випрямлячами. У СП в даний час використовується сучасна база, в якій використовуються сучасні електронні прилади, такі як тиристори MGT або IGST, а також транзистори IGBT, що повністю керуються. Крім того, в даний час ведуться розробка транзисторів з роздільною здатністю по напрузі 6-10 кВ.

В даний час найбільш перспективним режимом роботи СП є режим високочастотної ШІМ з частотою модуляції 20 кГц і векторним управлінням (вплив через моментоутворюючу та потокоутворюючу складову струму статора). Цей режим є найбільш сприятливим двигунів з номінальною частотою 500-1000 Гц т.к. в цьому випадку проблема узгодження частоти модуляції з частотою напруги, що живить двигун вирішується значно простіше. В даний час перспективним видом СП є також НПЛ, що має матричну структуру з матричною системою керування. Перевагою таких перетворювачів є реактивних елементів, тобто. ємностей та індуктивностей у силовій схемі, практично синусоїдальність форми вихідної напруги та струму, а також можливість роботи в режимі випереджаючого cosφ.
3) ІП(Вимірювальний перетворювач).

Як первинних вимірювачів в даний час використовують традиційно відомі засоби, до яких можна віднести датчики струму і напруги, що випускаються серійно, датчики Холла, тахогенератори, фотоімпульсні і кодові датчики переміщення і положення, електромагнітні револьвери, сельсини і т.д. Обсяг використання таких сучасних датчиків як ємнісні, лазерні практично дорівнює нулю. Найбільш перспективним видом ІП є непрямі вимірювачі, в яких на базі параметрів, що легко вимірюються, таких як активний і індуктивний опір двигуна, швидкість і положення ротора і т.д. При використанні таких вимірювальних систем відпадає необхідність використання великої кількості датчиків і зокрема датчика швидкості обертання. Такі системи виміру називаються безсенсорними.
^ Завдання управління електроприводом:

Найбільш часто зустрічається видом завдань управління є завдання безпосереднього регулювання швидкості обертання ЕП. Крім того, є спеціально регульовані приводи, які виконують завдання регулювання електромагнітного моменту, потужності, прискорення, регулювання ротора, регулювання будь-якого технологічного параметра. Крім того, є завдання стабілізації, стеження, позиціонування, забезпечення інваріантності (полягає в забезпеченні незалежності або слабкої залежності від неконтрольованих обурень), забезпеченні автономності (забезпечення незалежності будь-якого параметра об'єкта від інших параметрів).

Синтез управління ЕП зводиться до знаходження досить обумовленої моделі ЕП, яка в даний час є в більшості випадків системою рівнянь Кірхгофа за другим законом елю електромагнітних ланцюгів ЕД і СП. Зазвичай ці рівняння записуються для еквівалентної двофазної машини, і навіть системи рівнянь Ньютона для механічних ланцюгів ЭП.

Основна проблема при створенні моделі ЕП:

• 
  Облік насичення магнітного ланцюга двигуна;
• 
  Врахування пружних механічних зв'язків;
• 
  Врахування нелінійних зв'язків.

^ 3. Автоматизований асинхронний електропривод із використанням синхронних електромашинних перетворювачів частоти.
АЭП з електромашинними ПЧ мають важливу перевагу: сумісність з енергосистемою, тобто. не забруднюють мережу.

Розрізняють два види електромашинних ПЛ:

1. 
   Електромашинний синхронний ПЧ (ЕМСПЛ);
2. 
   Електромашинний асинхронний ПЧ (ЕМАСПЛ).

АЕП з електромашинною РПЛ.

Основним елементом такої системи є трифазний синхронний генератор, узгоджений за потужністю з приводним АТ. При цьому вихідна напруга та частота визначається кутовою швидкістю валу генератора та величиною магнітного потоку збудження. При зміні швидкості буде змінено вихідну напругу. Якщо прийняти напругу на затискачах фази обмотки статорної очевидно, що при Ф=const зі збільшенням швидкості обертання валу одночасно зі збільшенням частоти буде збільшуватися діючі значення вихідної напруги. У разі можна реалізовувати лише пропорційний закон регулювання.

рис.6

До складу ПЛ входять:

• 
  Основна ланка – трифазний синхронний генератор (Г2);
• 
  ДПТ НВ (Д2) вихід системи Г-Д з'єднаний за допомогою валу із СГ;
• 
  Допоміжний приводний двигун АКЗ (Д1) із нерегульованою швидкістю.

Коефіцієнт пропорційності вихідного генератора (Г2) можна змінювати при зміні I В3 за допомогою резистора R 3 . Швидкість обертання валу генератора Г 2 регулюється I В1 генератора (Г1) реостатом R 1 а також I В2 двигуна (Д2) реостатом R 2. У даній системі можливе регулювання швидкості в обидві сторони від номінальної. Однак, верхній діапазон регулювання швидкості використовується рідко, т.к. двигун працює при напрузі більше від номінального. При повністю виведених реостатах R 1 і R 2 при цьому напруга та швидкість обертання дорівнюють номінальному.
Показники якості:

• 
  
• 
  Низький ККД, високий cosφ;
• 
  P вуст min = 400%

Переваги АЕП з ЕСПЛ:

• 
  
• 
  Простота керування.

• 
  Недоліки АЕП з ЕСПЛ:
• 
  Низький ККД;
• 
  
• 
  
• 
  Можливість регулювати лише за пропорційним законом.

^ 4. Автоматизований асинхронний електропривод із використанням асинхронних електромашинних перетворювачів частоти.
Основним елементом такої системи є трифазний асинхронний генератор, узгоджений за потужністю з приводним АТ.

рис.7

Показники якості:

• 
  Регулювання двозонне, плавне, стабільне;
• 
  Низький ККД, високий cosφ;
• 
  P вуст min = 200-400%

Переваги АЕП з ЕСПЛ:

• 
  Немає негативного впливу на мережу;
• 
  Простота керування.

Недоліки АЕП з ЕСПЛ:

• 
  Низький ККД;
• 
  Наявність великої кількості частин, що обертаються;
• 
  Незадовільні масогабаритні показники;
• 
  Можливість регулювати будь-якому закону.
• 
  Необхідність застосування автотрансформаторів.

^ 5. Автоматизований електропривод із двигуном змінного струму зі статичними перетворювачами частоти (СПЛ).
В даний час РПЛ є найбільш широко застосовуваним і перспективним видом ПЛ у складі автоматизованого електроприводу з двигуном змінного струму.

СПЛ класифікується за такими ознаками:

1. 
   По структурі перетворення енергії.

• 
  СПЧ із безпосереднім перетворенням.
• 
  СПЛ зі ланкою постійного струму.

1. 
   По виду інвертерів поділяються на:

• 
  ПЧ із сітковідомими інверторами.

Силові ключі таких інверторів замикаються при подачі на анод негативної напівхвилі напруги живлення.

• 
  ПЧ із автономним інвертором

Силові ключі таких інверторів замикаються або при розряді конденсаторів, що комутують, або за допомогою керуючих імпульсів.

• 
  ПЧ з АІН
• 
  ПЧ з АІТ
• 
  ПЧ з АІ з почерговою комутацією (ПЧ з неповною керуючою напругою)
• 
  ПЧ з АІ з індивідуальною комутацією (ПЧ із повністю керуючою напругою)

^ 5.1 Перетворювач частоти з ланкою постійного струму
В даний час цей вид частотних перетворювачів є найпоширенішим видом, і при цьому на відміну від НП+Ч поставляється у вигляді самостійного елемента електроприводу.

мал.8

Де U 1 – трифазна змінна напруга з постійною амплітудою.

П 1 – керований або некерований випрямляч, який призначений для перетворення вхідної синусоїдальної напруги у вихідну постійну (пульсуючу) напругу.

Ф – фільтр струму чи напруги призначений для згладжування пульсації з виходу випрямляча.

П 2 - автономний інвертор струму або напруги, призначений для перетворення постійного згладженого струму або напруги змінне трифазне.

М – трифазний двигун змінного струму із короткозамкненим ротором.
У пропонованій структурній схемі блок П 1 може працювати як у керованому так і в некерованому режимах. При цьому в першому випадку АІ виконує функції зміни вихідної частоти перетворювача, а функції впливу на амплітуду вихідної напруги виконує випрямляч. У другому випадку АІ виконує функції зміни вихідної частоти та діючого значення вихідної напруги.

Варіант УВ має безперечну перевагу, що полягає у суттєвому спрощенні системи управління, незважаючи на наявність БУВ. У цьому вся система значно здешевлюється.

У випадку з НВ значно покращується сумісність всієї системи з електричною мережею. Однак при цьому схема управління суттєво ускладнюється і відповідно вся система стає значно дорожчою.
^ 6. Автономні інвертори (АІ).
За рівнем керованості АІ поділяються на:

• 
  АІ з послідовною комутацією.
• 
  АІ з індивідуальною комутацією.

Схемна відмінність цих двох інверторів полягає в тому, що в АІ з послідовною комутацією всі силові ключі є робітниками. В АІ з індивідуальною комутацією на кожен робочий силовий ключ припадає як мінімум по одному допоміжному силовому ключу. Другий варіант як правило більш функціональний, але при цьому значно дорожчий і менш надійний. В даний час практично всі АІ відносяться до АІ з послідовною комутацією.

Розглянемо принцип дії АІ з почерговою комутацією на прикладі однофазного АІ у якого замикання силових ключів здійснюється за допомогою конденсатора, що комутує.

Т 1, Т2 – робочі тиристори

Нехай у час t = 0 відкритий Т2, Т1 закритий; вхідна напруга прикладена до Rн2, через проміжок часу, що дорівнює періоду комутації Т2, подається відпираючий імпульс на Т1. При цьому вхідна напруга прикладається до Rн1, а через відкритий ланцюг Т1, Rн1, Rн2 до Т2 прикладається зворотну напругу зі Ск у результаті Т2 замикається і т.д. Період комутації – тривалість відкриття ключа.

За формою вихідної напруги та струму Аі ділиться на: У АІТ форма вихідної напруги залежить, як від послідовності та тривалості комутації силових ключів так і від характеру навантаження, а форма вихідного струму залежить, тільки від послідовності та тривалості комутації силових ключів.

У АІН форма вихідного струму залежить, як від послідовності та тривалості комутації силових ключів так і від характеру навантаження, а форма вихідної напруги залежить, тільки від послідовності та тривалості комутації силових ключів.

Зовнішнє відмінність АИТ від АИН: АИТ має вхідний L – фільтр, а вхідний L чи LC фільтр. Крім того, якщо в схемі інвертора використовуються не повністю керовані силові ключі, то на кожну фазу АІТ є один конденсатор, а у АІН по одному конденсатору, що комутує, на кожен силовий ключ.

Розглянемо роботу однофазного АІТ.

Т1, Т3 – силові ключі анодної групи

Т2, Т4 – силові ключі катодної групи

С К - комутуючий конденсатор

L – вхідний фільтр.
У перший момент часу у відкритому стані знаходяться два навхрест лежачі силові ключі – перший з анодної, другий з катодної групи. У момент відмикання двох інших силових ключів перші два замикаються і т.д. При цьому, якщо відкриті ключі Т3 і Т2 відбувається заряд конденсатора в прямому напрямку, при відкритих ключах Т1 і Т4 відбувається перезаряд конденсатора в протилежному напрямку.

рис.11

У момент часу t = 0 подається відпираючий імпульс Т1 і Т4. конденсатор Ск у цей час попередньо заряджений, і за відмиканні Т1 і Т4 розряджається на Т3 і Т2 у бік негативної полярності цим закриваючи Т3 і Т2. в наступний проміжок часу рівний періоду комутації Т1 і Т4 струм через опір навантаження протікатиме в позитивному напрямку. Після закінчення проміжку часу відбувається перезаряд конденсатора у протилежний напрямок. У цей момент подається відпираючий імпульс на Т3 і Т2 конденсатор розряджається в напрямку негативної полярності замикає Т1 і Т4 струм протікає через Т4, Zн, і відкритий Т2 і матиме негативний напрямок.

^ 7. АЭПТ з ЧП має у структурі керований випрямляч.
В даний час є тенденція розширення області застосування керованих випрямлячів у структурі ПЧ, зокрема в тих електроприводах, які за технологічними умовами потребують частого гальмування (тобто електроприводу працюючого в повторно-короткочасному режимі S5). Це пов'язано з тим, що УВ має таку важливу властивість, як двостороння провідність. Це дозволяє використовувати такий енергетично ефективний вид гальмування як рекуперативне. Але негативні властивості УР повністю усунути неможливо. В даний час використовуються перетворювачі, що містять два вхідні блоки: перший – некерований випрямляч, що бере участь у приводі в руховому режимі; другий – УВ, що у роботі ПЧ як гальмування.

Розглянемо схему та принцип роботи ПЧ з тиристорним УВ та тиристорним АІТ, у якого комутація силових ключів здійснюється за допомогою комутувальних конденсаторів.

-рис.12

Вхідним блоком перетворювача є УВ, побудований за шеститактною бруківкою трифазної схеми випрямлення. Основною функцією УВ крім випрямлення є регулювання значення вихідної напруги перетворювача. Для згладжування пульсації вихідного струму випрямляча використаний послідовний L-фільтр.

АІТ складається із шести силових ключів, три з яких Т1, Т3, Т5 мають загальний анод і утворюють анодну групу; три інших Т2, Т4, Т6 мають загальний катод і утворюють катодну групу. Принцип дії АІТ заснований на тому, що в перший момент часу у відкритому стані знаходяться два навхрест лежачі силові ключі: один з анодної групи, другий з катодної групи. Відмикання силових ключів здійснюється на момент подачі керуючих імпульсів від БУІ (багатоканальна система управління). При цьому послідовність подачі імпульсів на кожен вентиль відповідає їхньому порядковому номеру. Замикання силових ключів здійснюється при розряді якогось із трьох конденсаторів у напрямку негативної полярності і також відповідає порядку чергування номерів силових ключів.

При вихідній частоті f 2 = 50Гц перетворювач працює у наступному режимі: проміжок між двома сусідніми керуючими імпульсами становить
, тривалість відкриття кожного ключа становитиме 120 0 . При цьому замикаючі конденсатори С1, С2, С3 повинні володіти такою ємністю, щоб час 60 0 утримувати заряд необхідний для замикання чергового ключа.
Роботу перетворювача продемонструємо за допомогою діаграми:

1. 
   Струм із виходу випрямляча має ідеальну випрямлену форму.
2. 
   Напрямок струмів у фазах монтажного кабелю перетворювач-двигун
   • 
     від П до Д – позитивним.
   • 
     від Д до П – негативним.

рис.13

1. t = 0 Відкритий Т1, Т6. Струм ланцюга протікає через силовий ключ Т1 фазу кабелю А і через відкритий Т6 повертається у фазу С. . При цьому заздалегідь заряджений С3, в проміжок часу 0-60 0 перезаряджається С1, а С3 утримує свій заряд.

2. t = 60 0 Подається відмикаючий імпульс на Т2. У цьому С3 розряджається на Т6 і замикає його. Проміжок часу 60 0 - 120 0 відкриті Т1 і Т2. Струм тече через фазу А до двигуна, а через фазу Б від двигуна до перетворювача. . У цьому вся проміжку часу перезаряджається С2, С1 зберігає свій заряд.

3. t = 120 0 Подається відмикаючий імпульс на Т3. У цьому С1 розряджається на Т1 і замикає його. Проміжок часу 120 0 - 180 0 відкриті Т2 і Т3. Струм тече через фазу Б до двигуна, а через фазу від двигуна до перетворювача. . У цьому проміжку часу перезаряджається З3, З2 зберігає свій заряд.

4. t = 180 0 Подається відмикаючий імпульс на Т4. У цьому С2 розряджається на Т2 і замикає його. Проміжок часу 180 0 - 240 0 відкриті Т3 і Т4. Струм тече через фазу Б до двигуна, а через фазу А від двигуна до перетворювача. . У цьому вся проміжку часу перезаряджається С1, С3 зберігає свій заряд.

5. t = 240 0 Подається відмикаючий імпульс на Т5. У цьому С3 розряджається на Т3 і замикає його. Проміжок часу 240 0 - 300 відкриті Т4 і Т5. Струм тече через фазу до двигуна, а через фазу А від двигуна до перетворювача. . У цьому проміжку часу перезаряджається С2, С1 охороняє свій заряд.

6. t = 300 0 Подається відмикаючий імпульс на Т6. У цьому С1 розряджається на Т4 і замикає його. Проміжок часу 300 0 - 360 відкриті Т5 і Т6. Струм тече через фазу до двигуна, а через фазу Б від двигуна до перетворювача. . У цьому проміжку часу перезаряджається С3, С2 охороняє свій заряд.

Щоб збільшити вихідну частоту, необхідно зменшити проміжок між керуючими імпульсами для цього збільшуємо кут управління β. Відповідно до закону управління зміниться діюче значення вихідної напруги, зокрема при пропорційному законі управління зі збільшенням частоти кут управління випрямлячем α зменшиться пропорційно до збільшення кута β.

Істотним недоліком розглянутої схеми є необхідність використання конденсаторів великої потужності, необхідної для підтримки зарядів у проміжку між двома комутаціями. Частково позбутися цього недоліку дозволяє використання АІ з діодами, що відсікають.

рис.14

Тут у катодного та анодного ланцюга силових ключів послідовно включаються відсікаючі діоди Д1, Д3, Д5 та Д2, Д4, Д6. Їх число дорівнює числу ключів. Ці діоди перешкоджають розряду конденсаторів у період комутації ключа і за рахунок цього суттєво покращують показання інвертера.

^ 8. Регулювання швидкості в АЕП із ПЧ з УВ.
В АЭП з перетворювачем частоти і мають у структурі керований випрямляч регулювання швидкості здійснюється в широкому діапазоні, при цьому забезпечуються досить високі показники якості. Регулювання здійснюється впливом на АІ за допомогою БУІ при одночасному впливі на УВ за допомогою БУВ відповідно до закону регулювання. При цьому можливе двозонне регулювання. Однак для механізмів з M C = const, і для механізмів з лінійно зростаючою М Зрегулювання вгору обмежене тим, що для цього необхідно одночасно зі збільшенням частоти щодо f НОМ,збільшувати напругу. Внаслідок чого може статися пробою ізоляції. Регулювання вгору застосовується значно рідше, ніж у діапазоні вниз і в незначних болях.

У загальному випадку сімейство регулювальних характеристик матиме вигляд:

рис.15
Показники якості регулювання:

1. 
   Стабільність при частотному регулюванні висока, т.к. Показники у робочої частини мають однакову жорсткість.
2. 
   Плавність мало обмежена.
3. 
   Висока економічність, однак при глибокому регулюванні вниз від основної частоти, при якому потрібне суттєве зменшення кута управління α випрямляча і при цьому коефіцієнт потужності приводу в цілому може бути дуже низьким.
4. 
   Регулювання в основному здійснюється за M C = const на валу двигуна.
5. 
   Напрямок двозонний, в основному застосовується регулювання вниз.
6. 
   Діапазон регулювання Д=100÷1.

^ 9. Пуск в АЕП із ПЧ із УВ.
Пуск починається при зниженій напрузі і при мінімальній частоті, що забезпечує відсутність кидка струму або мінімізацію струму і одночасно великі пускові моменти. При цьому інвертор працює з великими періодами комутації силових ключів, а УВ із кутом управління α = П/2.Енергетична ефективність пуску у такій системі зменшується за рахунок того, що на початку пуску привід споживає велику кількість реактивної складової.

рис.16

S=UI
P=Mω
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Вступ

1.1.Визначення поняття «Електричний
привід»
Електропривод
це керована електромеханічна
система. Її призначення перетворюватиме електричну енергію
в механічну та назад і керувати цим процесом.
Електропривод має два канали силовий та інформаційний
(малюнок
1.1).
за
першому
каналу
транспортується
перетворювана
енергія, по другому каналу здійснюється
управління потоком енергії, а також збирання та обробка відомостей про
стан та функціонування системи, діагностика її
несправностей.
Силовий канал складається із двох частин
електричної та
механічною та обов'язково містить
зв'язуюча ланка
електромеханічний перетворювач.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Малюнок 1.1. Загальна структура електроприводу

АСУ верхнього рівня
Канали зв'язку
ІП
Мережа
ЕП
канал
електроприводу
ЕМП
МП
Робочий
орган
Електрична частина
Механічна частина
Силовий канал електроприводу
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Технологічна установка
Система
електропостачання
Інформаційний

В електричну частину силового каналу електроприводу
входять електричні перетворювачі ЕП, що передають
електричну енергію від джерела живлення ІП до
електромеханічного перетворювача ЕМП і назад
здійснюють перетворення параметрів електричної
енергії.
Механічна
частина
електроприводу
складається
з
рухомого органу електромеханічного перетворювача,
механічних передач МП та робочого органу установки,
якому корисно реалізується механічна енергія
Електропривод
взаємодіє
з
системою
електропостачання (або джерелом електричної енергії),
технологічною установкою та через інформаційний
перетворювач ІП з інформаційною системою більше
найвищого рівня.
Електричний
привід
використовується
в

господарстві.
Широке
поширення
електроприводу
Н.І. Усенков. Електричне
обумовлено
особливостями
електричної
енергії:
ський привід

Електричний привід один з найенергоємніших
споживачів та перетворювачів енергії. Він споживає
більше 60% усієї виробленої електроенергії.
Електричний
привід
широко
використовується
в
промисловості, на транспорті та в комунальному
господарстві.
Електричний
привід
один
з
самих
енергоємних споживачів та перетворювачів енергії.
Теорія
регульованого
електроприводу
отримала
інтенсивний розвиток завдяки
удосконалення
традиційних та створення нових силових керованих
напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів та
тиристорів), інтегральних схем, розвитку цифрових
інформаційних технологій та розробки різноманітних
систем мікропроцесорного керування.
Володіння
теорією
в
області
регульованого
електроприводу
є
однієї
з
найважливіших
складової професійної підготовки фахівців
Н.І. Усенков. Електричне
напрямки «Електротехніка,
енергетика та технологія
ський привід

1.2. Склад та функції електроприводу

Функція
електричного
перетворювача
ЕП
складається
в
перетворення електричної енергії, що поставляється мережею С і
характеризується напругою Uс і струмом Iс мережі, електричну
ж енергію, потрібну двигуном і характеризується величинами
U, I.
Перетворювачі бувають некерованими та керованими. Вони
можуть мати односторонню (випрямлячі) або двосторонню (при
наявності
двох
комплектів
вентилів)
провідність,
При
односторонній провідності перетворювача та зворотному (від
навантаження) потоці енергії використовується додатковий ключовий
елемент на транзисторі для «зливу» енергії у гальмівному режимі
електроприводи.
Електромеханічний перетворювач ЕМП (двигун), завжди
присутній в електроприводі, перетворює електричну
енергію (U, I) - механічну (M,ω).
Механічний перетворювач МП (передача): редуктор, пара
гвинтгайка, система Н.І.
блоків,
Усенков.кривошипно
Електричний шатунний механізм
здійснюють узгодження
моменту М та швидкості ω двигуна з
ський привід

Малюнок 1.2. Енергетичний канал електроприводу
P2
P1
Мережа
ΔPс
ΔPе
Uс, I с
ΔPr
ΔPм
ΔPем
U, I
Mм, ω м
M, ω
ЕМП
ЕП
Δ Pро
МП
ΔPr
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
РО

Величини,
характеризуючі
перетворювану
енергію:
напруги, струми моменти (сили) швидкості положення валу
просторі називають координатами електроприводу.
Основна функція електроприводу полягає в управлінні
координатами, тобто в їхньому примусовому спрямованому
зміні відповідно до вимог технологічного
процесу.
Управління координатами має здійснюватися в межах,
дозволених
конструкцій
елементів
електроприводу,
чим
забезпечується надійність роботи системи. Ці допустимі
межі зазвичай пов'язані з номінальними значеннями координат,
що забезпечують оптимальне використання обладнання.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Автоматизований
електропривод
(АЕП)
це
електромеханічна система, що складається з електричної
машини ЕМ, пов'язаної за допомогою механічної передачі
ПУ з робочим механізмом РМ, силового перетворювача СП,
системи управління СУ, блоку сенсорних пристроїв БСУ,
які виконують роль датчиків зворотного зв'язку
основним
змінним
стану
ЕП
(Параметри:
положення валу робочої машини, кутова швидкість, момент,
струм двигуна) та джерел живлення, що забезпечують
живлення зазначених електротехнічних пристроїв.
Напівпровідникові
СП
служать
для
погодження
електричних
параметрів
джерела
електричної
енергії
(напруга,
частота)
з
електричними
параметрами машини ЕМ та регулювання її параметрів
(швидкість, напруга та зміна напрямку обертання
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Малюнок 1.3. Блок схема автоматизованого
електроприводу
Джерело живлення
Сигнал
завдання
ЕМ
СУ
СП
БСУ
ПУ
РМ
Інформаційний канал ЕП
Електрична частина ЕП
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Механічна частина ЕП

Система управління призначена для управління
силовим перетворювачем і будується, як правило, на
мікросхеми, або мікропроцесори. На вхід системи
управління
подається
сигнал
завдання
і
сигнали
негативних зворотних зв'язків від блоку сенсорних
пристроїв.
Система
управління,
в
відповідно
з
закладеними у ній алгоритмом, виробляє сигнали
управління силовим перетворювачем, керуючого
електричної машини.
Найбільш
досконалим
електроприводом
є
автоматизований
електропривод
регульований
електропривод
з
автоматичним
регулюванням
змінних станів.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Автоматизований електропривод поділяється на:
Стабілізований за швидкістю або моментом ЕП;
Програмно керований ЕП, що здійснює переміщення
робочого механізму відповідно до програми, закладеної в сигнал
завдання;
Слідкуючий ЕП, що здійснює переміщення робочого механізму
відповідно до вхідного сигналу, що довільно змінюється.
Позиційний
ЕП,
призначений
регулювання положення робочого механізму
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
для

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Електропривод на основі двигунів постійного
струму
використовується
в
різних
галузях
промисловості:
металургії,
машинобудування,
хімічної, вугільної, деревообробної та ін.
Регулювання
кутовий
швидкості
двигунів
постійного
струму
займає
важливе
місце
в
автоматизованому електроприводі. Застосування з
цією метою тиристорних перетворювачів є
одним із сучасних шляхів створення регульованого
електропривод постійного струму.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Управління швидкістю ДПТ з НВ здійснюється трьома
способами:
1.Зміною напруги на якорі двигуна при постійному струмі в обмотці
збудження;
2.Зміною струму в обмотці збудження двигуна при постійному
напрузі на якорі;
3. Комбінованою зміною напруги на якорі двигуна
обмотці збудження.
і струму в
Напруження на якорі двигуна або струм в обмотці збудження змінюють з
допомогою керованих випрямлячів, у тому числі найбільше застосування
отримали однофазні та трифазні мостові випрямлячі.
При керуванні двигуном ланцюга обмотки збудження керований
випрямляч виконується на меншу потужність і має кращі масогабаритні та вартісні показники.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Проте внаслідок великої постійної пори
обмотки збудження електропривод має гірші
динамічними
властивостями
(є
менше
швидкодіючим), ніж по ланцюгу якоря двигуна. Таким
чином,
вибір
ланцюги
управління
визначається
конкретні вимоги до приводу.
При роботі з виробничими механізмами
(наприклад, механізми головної та допоміжної
передач в обробних верстатах, кранові механізми,
ліфти) необхідно змінювати напрямок обертання
двигуна
(здійснювати
реверс).
Зміни
напрямки обертання зазвичай супроводжують такі
вимоги, як швидке (і водночас плавне)
гальмування та плавний набір швидкості.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Реверс напряму обертання приводного двигуна може досягатися
зміною полярності напруги, що підводиться до якоря, або зміною
напрями струму в обмотці збудження. З цією метою в ланцюг якоря або
обмотки збудження вводять контактний перемикач (реверсор) або
використовують два керовані тиристорні перетворювачі.
Структурна схема реверсивного тиристорного перетворювача
контактним перемикачем у ланцюзі обмотки якоря показано малюнку. В
цій схемі, як і в більшості перетворювачів, призначених для
електропривод, режим випрямлення чергується з режимом інвертування.
Так, наприклад, при наборі швидкості в режимі пуску та її стабілізації в
умовах
підвищення
навантаження
на
валу
двигуна
тиристорний
перетворювач працює в режимі випрямлення, повідомляючи енергію
двигуна. При необхідності гальмування та подальшого зупинки
двигуна надходження енергії до нього від мережі через перетворювач
припиняють,
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Перекладаючи
двигун у режим інвертування.
Машина постійного струму під дією інерційної
маси на її валу переходить у режим генератора,
повертаючи накопичену енергію через перетворювач
у мережу змінного струму (рекуперативне гальмування).
Блок-схема реверсивного перетворювача
Мережа
380 B, 50 Гц
Uсинхр
VS1
UZ1
VS6
СІФУ
Uо.с
1
Id1
2
QS1
Udα
1
2
Id2
M1
LM1
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Uз.с

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Система «Тиристорний перетворювач-двигун»

Основним типом перетворювачів, що застосовуються в регульованих
ЕП постійного струму, є напівпровідникові статичні
перетворювачі (транзисторні та тиристорні). Вони представляють
керовані реверсивні або нереверсивні випрямлячі,
зібрані за нульовою або бруківкою однофазною або трифазною
схем. Силові транзистори, що застосовуються в основному для
імпульсного регулювання напруги в ЕП невеликої потужності.
Принцип дії, властивості та характеристики системи ТП – Д
розглянемо з прикладу схеми, наведеної на рис. 2.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

à)
á)
~ U1
i1
T1
e2.1
VS1
Ud
+
M2
+
Ia1
Id
UÓ1
UÓ
2
e2.2
LM
3
VS2
I
0
L
1
Ia2
4
5
6
UÓ2
Ñ È Ô Ó
UÑ
Малюнок
2
Н.І. Усенков.
Електричне
ський привід
7
M

Керований випрямляч (перетворювач) включає
узгоджуючий трансформатор Т, що має дві вторинні обмотки,
два тиристори VS1 і VS2, що згладжує реактор з
індуктивністю L та систему імпульсно-фазового управління
СІФ. Обмотка збудження двигуна ОВМ живиться від свого
джерела.
Випрямляч забезпечує регулювання напруги на
двигун за рахунок зміни середнього значення своєї ЕРС ЕП. Це
досягається за допомогою СІФУ, яка за сигналом UУ змінює
кут керування тиристорами α (кут затримки відкриття
тиристорів VS1 і VS2 щодо моменту, коли потенціал на
їх анодах стає позитивним у порівнянні з
потенціалом на катоді). Коли = 0, тобто. тиристори VS1 та VS2
отримують імпульси управління Uα від СІФУ у вказаний момент,
перетворювач здійснює двонапівперіодне випрямлення
і на якір двигуна подається повна напруга. Якщо з
за допомогою СІФУ подача імпульсів управління на тиристори VS1 та
VS2 відбувається зі зсувом (затримкою) на кут α ≠ 0, то ЕРС
перетворювача знижується, а отже, зменшується
середня напруга, що підводиться до двигуна.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Залежність середнього значення ЕРС багатофазного перетворювача
від кута управління тиристорами а має вигляд:
(1)
ECP Emax m sin m cos ECP 0 cos
де m – число фаз;
Е - амплітудне значення ЕРС перетворювача;
ЕСР0 – ЕРС перетворювача при α = 0.
Для зменшення шкідливого впливу пульсації струму в ціль якоря
зазвичай включається згладжуючий реактор, індуктивність L якого
вибирається залежно від допустимого рівня пульсації струму.
Рівняння для електромеханічної та механічної характеристик
двигуна:
(2)
(3)
ECP 0 cos k I RЯ RП k
ECP 0 cos
k M RЯ
RП
k 2
де
- еквівалентний опір
RП xT m 2 RT RL
перетворювача;
xT, RT - відповідно наведені до вторинної обмотки
індуктивний опір розсіювання та активний опір
обмоток трансформатора;
RL - активний опір реактора, що згладжує.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

У заштрихованій області двигун працює у режимі
переривчастого струму, що визначає помітну зміну (зменшення)
жорсткості параметрів. Внаслідок односторонньої провідності
перетворювача характеристики розташовуються лише у першому
(1 ...3 при α = 0; 30, 60 °) і четвертому (4 ... 7 при α = 90, 120, 150, 180 °)
квадрантів. Найменшим кутам управління відповідає велика ЄП та,
отже, більш висока швидкість двигуна; при α = π/2 ЕРС
УВ ЕП = 0 і двигун працює у режимі динамічного гальмування.
На рис. 3 наведена схема ЕП із трифазним мостовим
нереверсивним УВ.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

~ 380 Â; 50 Ãö
T1
UÑ
UÓ
Ñ
È
Ô
Ó
U
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
Ud
L
Id
M1
+
LM
-
UB
Н.І. Усенков.
Електричне
Малюнок
3
ський привід
-

Для отримання характеристик двигуна у всіх чотирьох
квадрантах використовуються реверсивні керовані випрямлячі,
які складаються з двох нереверсивних випрямлячів, наприклад,
нульовим виведенням рис. 4.
а)
~ 380; 50 Гц
б)
T1
2
UС
U
UУ
З
І
Ф
У
VS1
+
VS6
VS1
VS4
VS3
VS6
VS5
VS2
L1
-
2
L
1 хв
0
min
M
1 2
1 max
M1
UB
2 2
L2
+
max
-
Н.І. Усенков.
Електричне
Малюнок
4
ський привід

Реверсивними
називаються
перетворювачі,
що дозволяють
змінювати полярність постійної напруги та струму у навантаженні.
У реверсивних УВ використовуються два основних принципи
управління комплектами вентилів: спільне та роздільне.
Спільне управління передбачає подання від системи
імпульсно-фазового керування тиристорами імпульсів керування
Uα одночасно на тиристори обох комплектів – VS1, VS3, VS5
(катодна група) та VS2, VS4, VS6 (анодна група). При цьому за рахунок
наявності кута зсуву між імпульсами керування двох комплектів
тиристорів, близьких до π, один з них працює у випрямлячому
режимі та проводить струм, а інший, працюючи в інверторному режимі, струм
не проводить. Для забезпечення такого управління між середніми
значеннями ЕРС випрямляча та інвертора має існувати
співвідношення
, проте за рахунок різниці миттєвих значень
ЕРС між комплектами тиристорів протікає так званий
зрівняльний струм. Для його обмеження у схемі, наведеній на рис.
4 а передбачені зрівняльні реактори L1 і L2.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Схеми вентильних перетворювачів
що забезпечують зміну напряму
потоку енергії
В автоматизованих електроприводах
регулювати швидкість приводного двигуна.
потрібно
При використанні машин постійного струму виникає
завдання не тільки регулювання швидкості обертання, (за
рахунок зміни величини напруги живлення), але і
зміни напряму обертання (реверс). Для цього
необхідна зміна як полярності напруги на
навантаженні, так і напрямки струму в навантаженні.
Це завдання вирішується за допомогою спеціального
перетворювача постійного струму без застосування
контактної апаратури,
так званого реверсивного
Н.І. Усенков. Електричне
перетворювача постійного
струму, що складається
ський привід

що складається з двох комплектів вентилів, кожен з яких
забезпечує протікання струму через навантаження лише в одному
напрямку.
Усі існуючі схеми реверсивних вентильних перетворювачів
можна розділити на два класи:
перехресні («вісімкові») схеми та
зустрічно-паралельні схеми.
У перехресних схемах (малюнок а – нульова та б – бруківка)
трансформатор має дві групи ізольованих вентильних обмоток,
від яких живляться два комплекти вентилів.
У зустрічно-паралельних схемах (малюнок в) потрібна лише одна
Група вентильних обмоток трансформатора.
У реверсивних
є:
перетворювачах
найбільш
трифазна нульова;
двічі трифазна з зрівняльним
реактором та
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
поширеними

Трифазний реверсивний перетворювач
з нульовим висновком
A
T1
C
Uсинхр
N
a
UZ1
B
b1
1
c1
a2
b
c2
2
Iур2
Lур1
Id1
Udα
Iур2
VS1…
VS3
UZ2
Lур2
Id2
M1
Н.І. Усенков. Електричне
LM1
ський привід
VS4…
VS6
СІФУ 1
СІФУ 2
Uсинхр
Uзс

Трифазні схеми випрямлячів застосовуються при індуктивній
навантаження для живлення обмоток збудження електричних машин,
шестифазні
для живлення якірних ланцюгів двигуна
дванадцятифазні особливо потужні електроприводи.
Робота реверсивного перетворювача
Припустимо, що в початковий час машина
оберталася за годинниковою стрілкою зі швидкістю n про/хв. При цьому вона
розвивала проти-ЕРС Eяк і через якірний ланцюг протікав струм I
(малюнок
). Харчування машини здійснювалося від першого
вентильного комплекту перетворювача UZ1, що працює в
випрямлячому режимі. Для зниження швидкості обертання
машини треба зменшити напругу живлення, що підводиться до неї, то
є необхідно збільшити кут управління тиристорами
VS1,VS2,VS3 випрямляча UZ1.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

При цьому через інерцію двигуна його проти-ЕРС Eяк не може
різко зміниться і виявляється більше, ніж напруга Ud1 на
виході
перетворювача
(на
якорі
двигуна).
Вентилі
перетворювача UZ1 швидко замикаються, і струм навантаження знижується
до нуля. Але на затисканнях якірного ланцюга електричної машини,
обертається за інерцією, зберігається проти-ЕРС Eяк, що
дозволяє корисно використовувати кінетичну енергію обертаючого
приводу, перетворивши її на електричну, і одночасно швидко
загальмувати електричну машину.
Для цього потрібно перевести перший вентильний комплект у
інверторний режим, тобто збільшити кут 1 > 90°. Але перший
комплект UZ1 перетворювача не можна використовувати в інверторному
режимі, тому що необхідно мати на машині зворотну полярність
напруги Ud1. Тому в інверторний режим переводиться другий
вентильний комплект UZ2 (α2 > 90°), вихід якого підключений до
навантаження паралельно виходу першого комплекту UZ1. Авто
працює в генераторному режимі, тому швидкість її обертання
падає. Отже, знижується і проти ЕРС Eяк, що є
напругою Н.І.
для Усенков.
другогоЕлектрич
комплекту UZ2, що працює в
інверторний режим. ський привід

n
Гальмування
Двигун. е
Розгін
режим
Двигун.
режим
0
t
Реверс
I
E
0
t
<90
UZ2
В
І
>90
І
>90
<90
UZ1
В
UZ1
<90
В
Рис. 1.2. Діаграма режимів роботи
електричної машини постійного струму
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

При зупинці електричної машини (Eяк = 0; n = 0) можна
перевести другий комплект вентилів UZ2 у випрямний
режим (α2<90°). При этом электрическая машина опять переходит
режим двигуна і живиться від другого комплекту вентилів
UZ2.
Напрямок
обертання
машини
змінюється
на
протилежне (реверс двигуна), і вона знову починає
розганятися (від n=0 до заданої частоти обертання, наприклад, до
n=n в третьому квадранті координат електроприводу: n і I або n
та M).
Якщо знову потрібно здійснити реверс, то збільшується
кут α2 другого комплекту вентилів UZ2, його вентилі замикаються.
Перший комплект вентилів UZ1 переводиться в інверторний
режим (α 1>90°), напрям струму якоря Id змінюється на зворотний,
електрична машина працює в генераторному режимі до
повної зупинки двигуна.
Надалі зі зменшенням кута α1>90° перший комплект
вентилів UZ1 переводиться у випрямний режим та
здійснюється розгін двигуна до заданої частоти обертання.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Регулювальна характеристика реверсивного
перетворювача
Udα
Ud0
Udα1
α1
Режим
випрямляча
0
Udβ1
π
π/2
Режим
інвертора
α2
β1
-Ud0
Udβ
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
α
β

При рівності середніх значень напруг на
виході UZ1 та UZ2 отримуємо вираз
Udocosα1= Udocosβ2.
Отже, необхідно, щоб α1 = β2. Бо при
інверторному режимі β =180°- α, то умова рівності
середніх значень напруг у зрівняльному контурі
можна уявити як α1+ α2 =180°, де α1 і α2 – кути
управління тиристорами першого та другого комплектів
вентилів, що відраховуються від точки природної
відмикання тиристорів.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Зовнішні характеристики реверсивного
перетворювача
Зовнішні характеристики випрямного та інверторного
комплектів у цьому випадку є продовженням одна
інший і дають лінійну результуючу зовнішню
характеристику реверсивного перетворювача
Udα
β1
α1
β1 > β
2
α2 > α
β3 > β
2
1
α3 > α
2
Режим
інвертора
Режим
випрямляча
0
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
Id

Спільне керування вентильними
комплектами
Якщо імпульси керування подаються одночасно на
вентилі обох комплектів UZ1 та UZ2, а кути управління
тиристорами відповідають умові
α1 + α2 = π,
управління
вентильними
узгодженим.
групами
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
називають

роздільне управління вентильними
комплектами
Для того, щоб отримати електропривод, що працює у всіх чотирьох
квадрантах поля: ω – I або ω - М, необхідно використання реверсивного
тиристорного перетворювача, що забезпечує протікання струму якоря
двигуна в обох напрямках.
Реверсивні перетворювачі містять дві групи тиристорів,
включених зустрічно-паралельно один до одного.
У цій схемі два вентильні комплекти UZ1 і UZ2, зібрані кожен по
трифазної бруківки, включені паралельно один одному з
протилежною полярністю за випрямленого струму.
Подавати відпираючі імпульси одночасно на обидві групи тиристорів
не можна, оскільки відбудеться коротке замикання. Тому в цій схемі
може працювати тільки
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

одна група тиристорів UZ1 або UZ2; інша група
тиристорів повинна бути закрита (відпирають імпульси
зняті).
Таким чином, реверсивні перетворювачі з
роздільним управлінням - це такі перетворювачі,
яких управляючі імпульси приходять тільки на один
з комплектів вентилів, що ведуть струм. Імпульси
управління на другий комплект вентилів в цей час не
подаються, та його вентилі замкнені. Реактор Lур у схемі
може бути відсутнім. Див Горбі243с
При роздільному керуванні вентилями включається
тільки та група тиристорів, яка на даний момент
повинна проводити струм у навантаженні. Вибір цієї групи
залежить від напрямку руху приводу («Вперед» або
"Назад") і від режиму роботи приводу: руховий
режим або рекуперативне гальмування.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Таблиця 1 - Вибір вентильного комплекту
Режим роботи ЕП
Двигун
Гальмівний
Напрямок
руху
"Вперед"
UZ1
UZ2
"Назад"
UZ2
UZ1
У системах управління ЕП вибір та включення потрібної групи
тиристорів проводиться автоматично за допомогою логічного
перемикаючого пристрою ЛПЗ, принцип побудови якого
показаний малюнку.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Приймемо напрям струму якоря під час роботи «Вперед» у
руховому режимі за позитивне. При позитивному сигналі
завдання швидкості ωзад, що відповідає руху
«Вперед», та
сигналі помилки по швидкості, яка в руховому режимі також
буде (ωзад- ω)≥0, сигнал, що надходить на ЛПУ від регулятора струму,
матиме знак (+). Відповідно до цього ЛПУ включить електронний
ключ QS1, який подає відпираючі імпульси на тиристорну
групу UZ1. Кут керування α1 встановлюється системою
автоматичного регулювання відповідно до сигналу виходу
регулятора струму РТ. Обидві СІФУ (1) та (2) працюють узгоджено так,
що сума кутів сума
α1 + α2 = π.
(1)
Таким чином, на тиристорну групу, що працює в
випрямлячому режимі, що подаються відпираючі імпульси з кутом α1 =
0… π/2. При цьому СІФУ2 виробляє імпульси
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

управління з кутом α2 = π - α1, тобто з кутом управління,
відповідному
інверторному
режиму
роботи
перетворювача UZ2. Однак, оскільки електронний ключ
QS2 розімкнуто, імпульси управління на тиристори групи
UZ2 не надходять.
Перетворювач UZ2 закритий, але
підготовлений для роботи в інверторному режимі.
Такий
принцип
узгодженого
управління
вентильними комплектами, що визначається (1), дозволяє
узгодити механічні характеристики приводу в
руховому та гальмівному режимах, що показано на
малюнку.
При
необхідності
гальмування
приводу
зменшується сигнал завдання швидкості ωзад. Помилка по
швидкості змінює знак (ω зад - ω)<0, и на входе ЛПУ знак
сигналу змінюється з (+) на (-), відповідно до чого
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Вимикається контакт QS1 та включається контакт QS2. Проте
включення контакту QS2 відбувається не відразу, а з деякою
витримкою часу, яка необхідна, щоб струм якоря
зменшився до нуля і тиристори UZ1 відновили замикаючі
властивості. Спадання струму до нуля контролюється датчиком струму ДП та
нуль-органом ПЗ (в інших схемах для цієї мети використовуються
датчики провідності вентилів).
Коли струм спаде до нуля, після деякої витримки
часу, включається ключ QS2 і входить у роботу перетворювач
UZ2 вже підготовлений до роботи в інверторному режимі. Привід
переходить у режим рекуперативного гальмування, Загальний час
перемикання тиристорних груп становить 5 – 10 мс, що є
допустимим для забезпечення високої якості керування ЕП.
При роботі у руховому режимі у напрямку «Назад» знак
завдання швидкості негативний, а абсолютне значення
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

помилки за швидкістю |ωзад - ω | позитивно, тому на
вхід ЛПЗ надходить негативний сигнал, і включається
ключ
QS2.
Працює
перетворювач
UZ2
в
випрямлячому режимі. Логічні правила роботи
ЛПЗ ілюструються таблицею 2.
Знаходять застосування також інші схеми ЛПУ.
Механічні характеристики реверсивного приводу ТП-Д
з роздільним управлінням показано малюнку.
При безперервному струмі
описуються рівнянням (1).
якоря
двигуна
вони
У режимі переривчастих струмів в області малих
значень моменту лінійність показників порушується.
У сучасних замкнутих по струму та швидкості системах
регулювання, завдяки застосуванню адаптивних
регуляторів, вдається лінеаризувати механічні
Показники ЕП иН.И.
приУсенков.
малихЕлектрич
значення моменту.
ський привід

Таблиця 2 – Логіка роботи ЛПЗ
Знак
Знак
Знак
Увімкнено
Працює
Режим
ωзад
|ωзад- ω|
на вході
ключ
роботи
ЛПЗ
QS
перетворюєте
ль
+
+
+
QS1
UZ1
+
-
QS2
UZ2
-
+
-
QS2
UZ2
-
-
+
QS1
UZ1
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід
електропривод
а
Двигуни
й
Гальмівний
Двигуни
й
Гальмівний

Зовнішня характеристика випрямляча
Udα
Ud0
Ud1
0
Id
I d1
I к.з
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

7.Електропривід та автоматика промислових установок та технологічних комплексів

Технічна реалізація
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Завдання 1. Визначити значення наведених моментів J та Мс при
підйомі вантажу (рисунок 1), якщо відомо: Jд = 3,2 кг м2; Jр.о.=3,6 кг м2;
передавальне число редуктора р = 0,96; ККД виконавчого органу
(Барабану) Б = 0,94; кутова швидкість двигуна ω=112 рад/с; швидкість
підйому вантажу v=0,2 м/с; маса вантажу m = 1000 кг.
Пояснення.
Наведений статичний момент:
Mc
Fp. o . p. o .
p Б Д
m g p.o.
p Б Д
1000 9,81 0,2
19,41H m
0,96 0,94 112
Наведений момент інерції J:
J
J Д J ро
i p2
m(
2 3,2 3,6
0,2 2
1000
) 3,3 кг м2.
2
Д
112
6,14
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Jд, nп, iп, п
М, д, Jд
Д
ПУ
Мpo, po, Jpo
РВ (б), і схема 3.Ознайомитися з
MatLab7/Simulink3.
бібліотекою
основних
блоків
в
програмі
4.Скласти блок-модель лабораторної установки для проведення
дослідження відповідно до заданої теми і дати короткий опис
використовуваних функціональних пристроїв та віртуальних вимірювальних
приладів.
5.Вивчити віртуальну лабораторну установку та ввести вихідні
дані у діалогові вікна програми. Сформулювати план проведення
експерименту.
6.Після виконання роботи скласти звіт за структурою:
Назва роботи та мета роботи;
Опис лабораторного стенду;
Аналіз осцилограм експериментальних залежностей;
Висновки.
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Робота № N. Дослідження електроприводу з
структурі «Випрямляч-перетворювач синхронний двигун»
Блок-модель електроприводу з асинхронним двигуном
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Результати моделювання
Н.І. Усенков. Електричне
ський привід

Н.І. Усенков. Електричне
ський привід