Основные системы регулируемого электропривода

Основные системы
регулируемого
электропривода
Промышленный электропривод
Определение
Регулируемый – это электропривод, в
котором,
скорость
движения
исполнительного органа изменяется в
соответствии
с
требованиями
технологического
процесса.
Регулируемый электропривод (РЭП) –
комплекс
из
двигателя
и
преобразовательно-регулирующего
устройства.
Основные требования
• регулирование скорости в необходимом
диапазоне;
• ускорение-замедление с заданным темпом
при переходе от любого начального
состояния привода к заданному состоянию;
• необходимость
ограничения
момента,
мощности, токов;
• минимизация
потерь
энергии
в
электроприводе;
• электромагнитная
совместимость
с
системой электроснабжения.
Системы регулируемых
электроприводов
• Система «Генератор – двигатель»
• Системы импульсных электроприводов
• Система «Управляемый выпрямитель –
двигатель
• Система «Преобразователь частоты –
асинхронный двигатель;
• Система каскадных электроприводов;
• Асинхронные электропривода двойного
питания.
Система «Генератор – двигатель»
Система уравнений
E  с  Ф   ω
E  I Я RЯ  EДВ
E  EДВ
IЯ 
RЯ
M  cД I Я
Уравнения
электромеханической и
механической
характеристики
электропривода
Rдв  Rг
Eг
I
ω
k  Фд
k  Фд
Rдв  Rг
Eг
ω
M
2
k  Фд
k  Ф д 
Структурная схема системы
генератор – двигатель
В системе генератор-двигатель можно
выделить следующие основные элементы:
•электромашинный
преобразовательный
агрегат;
•тиристорного возбудителя;
•приводной двигатель;
•исполнительный двигатель.
Механические характеристики
приводных двигателей
Характеристика тиристорного
возбудителя
Уравнение тиристорного
возбудителя
kU У  (1  T p)  U .г
где
k 
U .г
UУ
T  T
Характеристика генератора
E  f (U .г )
при
ω  const
kU .г  (1  T p ) E
где
k 
E
T 
LЯ
U .г
RЯ
Уравнение электрического
равновесия
diЯ
e  e  iЯ RЯ  LЯ
dt
c(ω0  ω)  RЯ (1  TЯ p)iЯ
iЯ  M
c
(1  Tß p) M   Ñ (0   )
где
c
Ñ 
2
Rß 
Естественные механические
характеристики системы Г-Д
Структурные схемы системы Г-Д
ω0  UУ k (1  e
 0нач  (
d0
dt
t
)нач 
T
)
kU 
T
  U Bmax / U Bном
гр  1/ (1  e
t /T
).
Зависимость
гр  f (tε / T )
Вывод
T
T tε
t
P.тр   трU .ном I .ном   тр P.ном
Импульсный электропривод
Импульсный способ
регулирования координат
ДПТ
Импульсное регулирование
сопротивления в цепи якоря
Tк  tзамк  tраз
tз
tз


Т к (t з  t р )
0  1
Характеристики
Уравнение механической
характеристики
U
М



Rд (1   )  Rя 
KФ ( КФ) 2
Импульсное регулирование
магнитного потока
Механические характеристики
Импульсное регулирование
напряжения U на якоре
f шим  1 / Tшим  const
U  при 0  t  t1;
diЯ
LЯ
 iЯ RЯ  
dt
 0 при t1  t  t2 ,
U   eЯ
 t /TЭ
 t /TЭ
iЯ1 (t )  iЯ (t ) |0t t1 
(1  e )  iЯ10e ;
RЯ
eЯ
 t /TЭ
 t /TЭ
iЯ2 (t )  iЯ (t ) |t1t t2   (1  e )  iЯ20e ,
RЯ
Временные диаграммы тока и
напряжения
Семейство механических
характеристик
Режим прерывистого тока
 1 

гр  0 1 
 Tк 
2Tя


I гр  I кз
 (1   )
2Т я
Тк
Уравнение

U
КФ

МRя
( КФ)
2
VS1
к ДПТ
Ск
VS2
СИФУ
Lк
VDк
Рис. 2.43
Uу
Система «Управляемый
выпрямитель – двигатель»
схемы электропривода с
тиристорными
преобразователями
Нереверсивный электропривод
Диаграммы напряжений на
выходе нереверсивного нулевого
тиристорного преобразователя
U
α1
UA
UB
UС
UA
γ
t
U тп  Eтп0  cos α - I  Rп
Характеристики электропривода
Eтп  cos 
Rдв  Rп

I
k  Фд
k  Фд
Rдв  Rп
Eтп  cos 

M
2
k  Фд
 k  Фд 
Электромеханические характеристики
нереверсивного
тиристорного электропривода
Реверсивный электропривод
Электромеханические
характеристики реверсивного
электропривода
Безтрансформаторные схемы
тиристорных преобразователей
Электромеханические
характеристики реверсивного
электропривода
Структурная схема системы
ТП – ДПТ
Регулировочная
характеристика тиристорного
преобразователя
Уравнения
U T  U Я  f (I Я , E )
E  f (U У )
k uУ  (1  T p )e
Система уравнений
e  e  RЯ (1  TЯ p)iЯ
(1  Tß p) M  C (0   )
0  e / c; C  c / Rß 
2
Система «Преобразователь
частоты – асинхронный
двигатель»
Энергетическая силовая часть
2    f1
0 
p
Структура частотного
преобразователя
Схема асинхронного
электропривода
Форма выходного напряжения и
тока ПЧ
Асинхронный электропривод с
частотным регулированием
угловой
скорости
Влияние частоты питающего
напряжения
X 1 j  X 1  f1 j / f1 ;
X 2 j  X 2  f1 j / f1 ;
X m  X m  f1 j / f1
  U1 4.44k1об W1 f1  const
P2  Pýì  P2  0  (1-s )  M ,
  M  / M C  const
Характеристики для типовых
механизмов
PÑ  k  
M С  const;
M Ñ  k   ; PÑ  const
1
M С  k   ; PС  k   .
2
3
Законы управления
U1 j f1 j  const ( M С  const)
2
1j
U
2
1j
U
f1 j  const
1
(M С  k  ω )
f1 j  const ( M С  k   )
2
Формула М.П. Костенко
U1 j  U1
f1 j
f1
MС
M
Анализ основных законов
частотного регулирования АД
I1
X1σj
R1
U1 j
E1
'
I2
I0
'
X 2σj
E2'
'
R2
Em
Xm
s
U1 j  E1  R1  I1
U1 j  Em   R1  j  X 1σj  I1
U1 j  E   R1  j  X 1σj  I1  j  X
'
2
'
2σj
I
'
2
R1  j  X 1σj
X 2 j
E1 j
Emj
'
E2 j
f1 j
f1 j
f1 j
S
m
R
R1
Характеристики
о. е. s
0,0
0,2
4
0,4
1
0,6
3
2
0,8
M
1,0
0
5
10
15
20
25
Hм
Электромеханические
характеристики
ω
U1 j f1 j  const.
ω
fн
U12j
f1 j  const
fн
0,5  f н
0,25  f н
I 2'
ω
U1 j f 12j  const
fн
0,5  f н
0,5  f н
0,25  f н
I 2'
I 2'
Основные соотношения
I1 
2
I0

 
sin  2 
' 2
I2
'
 2  I0  I2
xкн f1
( R1 
M
'
R2 2
s
) 
2
3  U1 j
2
xкн

 sin 2
2
f1
'
 R2

'
'




R
R

R
2
2
2
1
2




ω0j  s X кн  f1   R1   
s X  f 
s

μн
1 




2
2




M кj 
2
3  U1 j


2


R1  
2
2
2 

2  0 j R1  ( R1  X кн  f1 ) 1  2
 X μн  f12  




0 j 
  f1 j
p
1  R1 X н  f1 
2
sкj 
'
 R2
2
R1

2
X кн

2
f1
Структурная схема системы
ПЧ – АД
Функциональная схема
ПЧ-АД
АД работает при постоянном
потокосцеплении
2 f1

m

R
1
2
0 
  0  2  M ,
pп
ñ
d
M  MС  J
dt
M  M С  Jp.
При пропорциональном
частотном управлении
m1  R2
    0 


M
;
2
c
d(  )
M   M C  J 
.
dt
Структурная схема
Передаточная функция
с
1

 ( p )
1
R2 J  p
W ( p) 


,
2
с
1
0 ( p)
T  p  1
1 
R2 J  p
2
Tм 
J  0  sкр
M кр
Упрощенная структурная
схема системы ПЧ-АД
Каскадный электропривод
Определение
Каскадный электропривод – регулируемый
электропривод,
содержащий
асинхронный
электродвигатель с фазным ротором, питаемый
одновременно от двух источников энергии:
непосредственно от сети (питается статор) и от
дополнительного регулируемого источника,
обеспечивающего плавное изменение угловой
скорости (питает фазный ротор).
Каскад вентильный
Каскад электромашинный
Функциональные схемы
каскадного асинхронного
электропривода
Первая схема
Вторая схема
Принцип работы каскадных
электроприводов
Векторные диаграммы
Основные соотношения
EÄ
EÄ

E
cos


j
sin

2
E
s
s
I 2 

.
R2
Z 2
 jX 2
s
E2  R2  s  EÄ  R2 cos  EÄ  X 2 sin 
 
I 2à
.
2
2
2
R2  X 2  s
 ,
Рэм  m1  E2  I 2а

m1  E  R2  
X 2
Pýì 
1  cos +
sin   ,

2
R2
s
R2
2 

s  ( 2  X 2 )
s
2
2
2M к.н (1  q)  

M
1

cos





sin

,
 s

s
sк.н

 2q
sк.н
s
  EД / E2 .
q  sк.н
R1
;
R2
X 2

.
R2
M  M   M1  M 2
2M к.н (1  q) 
M1 
 cosθ,
s
sк.н
s

 2q
sк.н
s
2M к.н (1  q)
M
    sin θ.
s
sк.н

 2q
sк.н
s
Критический момент и
критическое скольжение
  cos   cos  2  q  s (1     sin  )
  cos
2
sê  
 sê.í 
.
2
1     sin
(1     sin )
sк.н
M   M  . (1     sin θ)
.
sк
Электромагнитный момент и
скорость в режиме холостого
хода
2M ê.í (1  q)
M0 
   cos .
sê.í
  cos
n0  nc (1 
),
1     sin 
Мощность в роторе
Pрот  Pэм.н s  Pэм.н   (cos  s   sin  ),
Pдоб  Pэм.н   (cos  s   sin  )
Pдоб  Pэм.н   cos
Pдоб  Pэм.н     sin 
Регулирование скорости АД в
каскадных схемах включения
P2  M  0  s
Схема электрического каскада
Pэл.с.  P2  P2эл.  Pп
Схема электромеханического
каскада
Pм  P2  Pп  P2эл  Рвм
Pм  P2  M  
Pвм  т2  M0 S
P  Pм  Рвм  M  М0 S  M0  Pэм
Классификация каскадов
Каскады бывают:
а) машинные;
б) машинно-вентильные;
в) вентильные.
• Машинно-вентильные каскады, в
свою очередь, могут быть:
• электромеханическими каскадами
• электрическими каскадами
Схема машинно-вентильного
электромеханического каскада
Схема машинно-вентильного
электрического каскада
Eв  Eвм
Id 
R
Механические характеристики
электромеханического и
электрического каскадов
Каскад постоянной мощности
P  M   ω = const
Каскад постоянного момента
M   const
Асинхронно-вентильный
каскад
Импульсный способ
регулирования координат АД
ВНИМАНИЕ
Изучить самостоятельно!!
Асинхронный
электропривод двойного
питания
Определение
Асинхронный
электропривод
двойного питания – это система
"преобразователь
частотыасинхронный двигатель", в которой
обмотка
статора
и
ротора
подключены к источнику энергии и
одна из них получает питание от
преобразователя частоты
Схема электропривода
Принцип действия машины
двойного питания
n  n1 ( f1  f 2 ) / f1
Генераторный режим
pn
f1 
 f2
60
Механические характеристики
машины двойного питания
Вентильный двигатель
ВНИМАНИЕ !!
Изучить самостоятельно
Асинхронный
электропривод с
тиристорными
регуляторами напряжения
Схема нереверсивного
тиристорного регулятора
напряжения
Схема реверсивного
тиристорного регулятора
напряжения
Механическая характеристика
асинхронного двигателя
2  M к 1  a  sк 
M
sк
s

 2  a  sк
s sк
sк  
M 
R2'
2
R12  X кн

m U
2  0  R1 
2
1j
R
2
1
X
2
кн

Pм 2  M c  0  sp  3 
Mc  M0  a  ω
x
 
' 2
I2
'
 R2
Механические характеристики
асинхронного двигателя
при регулировании напряжения
статора и вентиляторной
нагрузке
Устойчивость работы
электропривода
kβ  kβc  0
Жесткость механической
характеристики вентилятора

dM с d M 0  a  ω
kβc 

dω
dω
2
 2aω
Жесткость механической
характеристики двигателя
M
mc  U  R
2
1j
'
2
1 2



2
'  0   
'



(0   )   R1  R2  

X

X



1
2


0  




dM
k 
d
Зависимости жесткости
асинхронного двигателя и
вентилятора от скорости
ω0 (1  sк )
рад ω
с
kβ ω 
kβc (ω)
100
ωр1
kβ ω  - kβc (ω)
50
0
 1,0
 0,5
0
0,5
β
о.е.
Вывод.
Pэм  Pм1  Pм2  Pс1
 I0 
I0  2 
Pм1    1   c   Pм1н ;
 I1н  I1н  
Pм2    Pм2н ;
2
c
Pc1   B  1  B     Pc1н ,
2
c
Увеличить
диапазон
регулирования
скорости в асинхронных электроприводах
с регулированием напряжения обмоток
статора
удается
введением
отрицательной
обратной
связи
по
скорости двигателя
Асинхронные электроприводы с
регулированием
напряжения обмоток статора
Схема асинхронного электропривода с
фазовым регулированием
напряжения и отрицательной обратной
связью по скорости
U1 j  k трн  k1 U у
U у  U з  kс  ωk рс  U см

U1 j  k трн  k1 U з  kс  ωk рс  U см
