Лекция 2 Промышленный электропривод
advertisement
Лекция 2 Промышленный электропривод ВВЕДЕНИЕ Современные промышленные электроприводы (ЭП) и электроприводы автономных объектов (ЭАО) представляют собой замкнутую электромеханическую автоматическую систему, обеспечивающую то или иное воздействие на окружающие объекты для получения готовой продукции или управляющую перемещением объекта регулирования. Электропривод как система • Электропривод – это управляемая электромеханическая система. Её назначение – преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом. • Электропривод имеет два канала силовой и информационный Общая структура электропривода Силовой канал электропривода Силовой канал в свою очередь состоит из двух частей: •электрической части •механической части •обязательно содержит связующее звено электромеханический преобразователь. Электрическая часть В электрическую часть силового канала входят устройства ЭП, передающие электрическую энергию от источника питания (шин промышленной электрической сети, автономного электрического генератора, аккумуляторной батареи и т.п.) к электромеханическому преобразователю (ЭМП) и обратно и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии. Механическая часть Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия. Электропривод взаимодействует: - с системой электроснабжения или источником электрической энергии, с одной стороны; - с технологической установкой или машиной, с другой стороны; - через информационный преобразователь ИП с информационной системой более высокого уровня, часто с человеком – оператором, с третьей стороны - Практически все процессы, связанные с механической энергией, движением, осуществляются электроприводом. - Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава, судов), использующие неэлектрические двигатели. -В относительно небольшом числе промышленных установок используется гидропривод, еще реже – пневмопривод. - С энергетической точки зрения электропривод – главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электроэнергии. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. Функции электропривода • Основные функции электропривода реализуются его силовым каналом, который очень часто называют энергетический канал электропривода. •Рассмотрим подробнее силовой (энергетический) канал электропривода, используя его функциональную схему Функциональная схема силового канала Основная функция электропривода - Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями обслуживаемого технологического процесса. Управление координатами должно осуществляться в пределах, разрешенных конструкцией элементов электропривода, чем обеспечивается надежность работы системы. Нагрузочные диаграммы электроприводов и методы их построения - Мощность электропривода определяется главным образом выбором рода тока, типа и конструктивного исполнения электродвигателя. - Выбор двигателя – один из ответственных этапов проектирования привода, так как именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом. - Исходные данные для выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм механизма, т.е. зависимостей M C (t ) и ω(t ) и приведенного момента инерции J . - Зависимость ω(t ) иногда называют тахограммой. - Нагрузочные диаграммы механизма, вообще говоря, могут иметь любой вид, однако всегда можно выделить цикл, т.е. промежуток времени через который диаграмма повторяется. Пример нагрузочной диаграммы и тахограммы Для предварительного выбора двигателя по известной нагрузочной диаграмме механизма находят средний момент статической нагрузки. n M C СР M t Ci i i n t i i Номинальный момент искомого двигателя с учетом динамических нагрузок может быть оценен как M (1,1 1,3) M CCP а номинальная скорость ω макс при однозонном регулировании вниз от основной скорости, и ω мин если регулирование однозонное вверх от основной скорости. По найденным таким образом величинам можно выбрать двигатель по каталогу и, следовательно, определить его момент инерции, построить механические характеристики, кривые переходных процессов Нагрузочная диаграмма двигателя После того, как двигатель предварительно выбран, можно перейти к построению нагрузочной диаграммы двигателя, т.е. зависимости М(t). Это построение сводится к решению уравнения движения аналитическими классическим или операторным методами. Уравнение движения dω M M C J dt Рассмотрим нагрузочную диаграмму двигателя, построенную в предположении, что при изменении скорости и , когда M C const осуществляется наброс и сброс нагрузки, а привод работает на линейной механической характеристике. Нагрузочная диаграмма двигателя Основные уравнения электропривода постоянного тока Для получения простейшей модели электропривода постоянного тока, описывающей установившиеся (статические) режимы и позволяющей получить основные характеристики, воспользуемся схемой Схема включения ДПТ M cI E cω U E IR dω M M C J dt U E I R Электромагнитный момента М возникает в результате взаимодействия тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины. ЭДС вращения Е наводится в движущихся с угловой скоростью в магнитном поле под действием момента М в проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея. Где с – конструктивный параметр машины Уравнение равновесия напряжений Анализ уравнения равновесия напряжений позволяет отметить, что приложенное к обмотке якоря напряжение уравновешивается падением напряжения на сопротивлении R и противо – ЭДС . Решая данное уравнение относительно тока, можно установить основные причины влияющие на его величину. E Роль ЭДС Е в процессе преобразования энергии в электрической машине ЭДС Е в процессе преобразования энергии, осуществляемом электрической машиной, играет роль обратной связи. При возрастании МС скорость двигателя начнет снижаться, значит уменьшится и ЭДС (полагаем для простоты, что Ф, а также U и R - постоянные). Ток вырастет, обусловив тем самым рост момента. Двигатель автоматически, без каких-либо внешних воздействий перейдет в новое установившееся состояние. Эти процессы будут иметь место при любых величинах и знаках МС, то есть ЭДС будет выполнять функцию регулятора, как в двигательном режиме, так и в тормозных режимах работы машины. Номинальный режим. •Режимы работы любого электропривода определяются техническими ограничениями, играющие решающую роль в любых практических задачах. • Оценить эти ограничения можно по допустимым значениям основных координат привода – тока, момента и скорости. •В основе всех этих оценок лежат номинальные данные двигателя, указываемые обычно на заводском шильдике или в паспорте двигателя. •К таким данным для двигателей постоянного тока, предназначенных для работы в продолжительном режиме, относятся номинальные значения: • • • • напряжение Uн, В; ток Iн, А; мощность на валу Рн, кВт; частота вращения nн, об/мин, или ω n 30 рад/с • КПД ; • напряжение возбуждения Uвн, В; • ток возбуждения Iвн (для двигателей независимого возбуждения), • момент инерции Jн, кгм2, • исполнение двигателя IP. Естественные характеристики Номинальные данные используются для построения основных естественных – характеристик двигателя, служащих, основой для получения искусственных характеристик при регулировании координат. Механические и электромеханические характеристики ДПТ НВ – прямые линии и для их построения достаточно двух точек, например, точки идеального холостого хода ( ) и номинального режима ( ). M 0,ω0 M ,ω Естественная механическая характеристика Две из указанных координат ( M ,ω0 ) должны быть определены по номинальным U данным, причем 0 и M c I c т.е. нужно знать величину c . Для ее определения удобно воспользоваться следующим уравнением с номинальными величинами U I RЯ c ω Здесь неизвестно сопротивление якорной цепи –Rобмотки якоря, щеточного контакта, Я дополнительных обмоток, если они используются. Лучше всего иметь надежную оценку RЯ, но часто прибегают к грубой оценке, построенной на предположении, что половина номинальных потерь P– это потери в меди обмотки, т.е. 0,5P I RЯ , 2 0,5P 0,5U (1 ) Тогда RЯ 2 I I Естественные характеристики двигателей в относительных единицах Естественные характеристики двигателей постоянного тока очень часто строятся с использованием универсальных характеристик в относительных величинах. Для этого вводят базовые величины относительно которых отражаются текущие значения параметров и координаты электропривода. Базовые величины ДПТ Базовыми величинами для ДПТ являются: U с ω0 U , I ,ω , U R I Тогда электромеханическую характеристику можно записать в виде: * * * U I R , * * а механическую * * * U M R * * 2 ( ) * Тогда, приняв U и = 1, получим: * ω 1 I R * * * * * или при I = 1 (при номинальном токе) ω 1 R * * Последнее соотношение позволяет очень просто строить характеристику при заданном значении R или, наоборот, определять R , если известна характеристика Жесткость естественной характеристики Обычно относительное сопротивление собственно якорной цепи очень невелико: * RЯ 0,02 0,05 и жесткость естественной характеристики ( R R ) Я весьма высокая: M M1 M 2 k 50 20 1 2 Допустимые пределы изменения основных координат Основные координаты ДПТ имеют зону допустимых значений, превышение которых приводит к выходу из нормального режима работы электродвигатель и электропривода в целом. Магнитный поток ограничен номинальной величиной, поскольку при ее длительном превышении ток возбуждения, превышающий номинальный, может вызвать недопустимый перегрев обмоток. Скорость по условиям механической прочности нормально ограничена номинальным значением с небольшим 20 – 30% допустимым превышением. Ток якоря - координата, определяющая надежность работы электропривода. Зона допустимых значений основных координат Отличительные особенности двигателей переменного тока •Основной отличительной особенностью двигателей переменного тока является наличие реактивных (индуктивных) сопротивлений в обмотках статора и ротора. •Это приводит к взаимодействиям между фазами обмоток и перекрестными взаимодействиями между обмотками статора и ротора у асинхронного двигателя. Кроме этого наличие двух ЭДС вращения, зависящих от частоты питающей сети, а именно: E1 4,44kобм1W1f1 и E2 4,44kобм 2W2f1s При этом относительные значения приведенного * R2 s активного сопротивления ротора * при номинальной нагрузке. Если разделить 1 на cosφ значение которого указано на шильдике или в паспорте двигателя, то можно получить примерно электрические потери в статорной обмотке в долях от номинальной первичной мощности R Режимы работы асинхронного электропривода Асинхронный электропривод, как и электропривод постоянного тока, может работать в двигательном и трех тормозных режимах с таким же, как в электроприводе постоянного тока распределением потоков энергии Энергетические режимы работы АЭ Торможение противовключением Динамическое торможение Специфическим является режим динамического торможения, которое представляет собою генераторный режим отключенного от сети переменного тока асинхронного двигателя, к статору которого подведен постоянный ток Iп. Основные соотношения при динамическом торможении ω s ω0 2M km M , skm s skm s M km 2 экв 2 3I X 20 ( X X 2 ) R2 skm X X 2 Регулирование координат в электроприводах переменного тока Область работы при однозонном регулирование Характеристики при частотном регулирование Область работы при двухзонном регулирование
