Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., Чернышев И.А. Электропривод переменного тока

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А.Ю. Чернышев, Ю.Н. Дементьев, И.А. Чернышев

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 140604 – «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов» направления

подготовки 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

Издательство

Томского политехнического университета

2011

УДК 68-83-523(075.8)

ББК 31.291.я73

Ч-49

Чернышев А.Ю.

Ч-49 Электропривод переменного тока: учебное пособие /

А.Ю. Чернышев, Ю.Н. Дементьев, И.А. Чернышев; Томский по-

литехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политех-

нического университета, 2011. – 213 с.

ISBN 978-5-98298-832-4

В учебном пособии приведены примеры промышленных систем

управления электроприводами переменного тока. Описана работа по функ-

циональным схемам, даны особенности настройки. Рассмотрены вопросы

расчета статических и динамических механических и электромеханических

характеристик наиболее распространенных систем автоматизированного

электропривода с двигателями переменного тока. Приведены схемы имита-

ционных моделей для расчета динамических характеристик электроприво-

дов переменного тока.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140604

«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологиче-

ских комплексов», и магистров, обучающихся по магистерской программе

140611 «Электроприводы и системы управления электроприводов» направ-

ления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротех-

нологии».

УДК 68-83-523(075.8)

ББК 31.291я73

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор кафедры конструирования

электронно-вычислительной аппаратуры ТУСУРа

В.А. Бейнарович

Кандидат технических наук, доцент кафедры электроники

и автоматики физических установок СГТА

В.Б. Терехин

ISBN 978-5-98298-832-4 © ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011

Дементьев Ю.Н.,

Чернышев И.А., 2011

политехнического университета, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Электродвигатели переменного тока являются самыми распростра-

ненными видами электрических машин. Они применяются во всех об-

ластях человеческой деятельности, где необходимо преобразование

электрической энергии в механическую.

Процесс производства электродвигателей переменного тока срав-

нительно прост, технологичен и в настоящее время практически полно-

стью автоматизирован, его можно рассмотреть на примере асинхронно-

го двигателя.

Короткозамкнутые

обмотки беличьей клетки роторов асинхронных

двигателей на мощности до нескольких сотен киловатт выполняют за-

ливкой пазов алюминием либо его сплавами. Одновременно с заливкой

стержней отливают и замыкающие кольца, и вентиляционные лопатки.

Стержни обмотки не изолируют от штампованных пластин сердечника

ротора. Такая конструкция ротора позволяет получить двигатель с малым

моментом инерции,

к тому же он может работать при повышенных тем-

пературах, а при тщательной балансировке и при повышенных угловых

скоростях вращения, достигающих десятки тысяч оборотов в минуту.

Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей про-

изводится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопрово-

да – на пресс-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора,

механизирована сборка

и заливка ротора. Укладка статорной обмотки

производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток –

на автоматических установках [13].

В электрических машинах переменного тока отсутствуют ограни-

чения по предельной мощности, а питание обмотки статора может про-

изводиться от сети с напряжением в десятки киловольт. Отсутствие ще-

точно-коллекторного узла значительно сократило

эксплуатационные за-

траты на обслуживание электродвигателей переменного тока.

В двадцатом веке асинхронные машины применялись, как правило,

в нерегулируемых электроприводах, пуск которых осуществлялся пря-

мым включением в сеть с помощью магнитных пускателей. Современ-

ные пусковые устройства – «мягкие пускатели» – нерегулируемых элек-

троприводов переменного тока позволили производить более эконо-

мичные и надежные в эксплуатации

электроприводы.

В настоящее время в своем большинстве эксплуатируемые в произ-

водстве регулируемые электроприводы – это электроприводы постоян-

ного тока. К сожалению, ХХ век – век регулируемых электроприводов

постоянного тока закончился. Их разработка и серийный выпуск пре-

кращается в большинстве развитых стран мира.

Регулируемый электропривод начала ХХI века – это электропривод

с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и синхронными дви-

гателями с постоянными магнитами, с современными преобразователя-

ми частоты на базе силовых модулей MOSFET и IGBT транзисторов

и микропроцессорным управлением. В последние годы в связи с появ-

лением новых поколений транзисторов и тиристоров, а также относи-

тельно недорогих микропроцессоров

высокого быстродействия стои-

мость электроники в электроприводах значительно сократилась и их

применение расширилось.

В ближайшее время увеличится сфера применения синхронных реак-

тивных и вентильно-индукторных двигателей. Последний тип двигателей

находит преимущественное применение в транспортных механизмах, вен-

тиляторных и насосных агрегатах, а также в бытовой технике.

Следует отметить, что электропривод переменного

тока все еще не

получает на сегодняшний день должного распространения, в том числе

и из-за недостаточной подготовки как действующего инженерного пер-

сонала предприятий, так и уровня подготовки выпускников вузов в об-

ласти электропривода переменного тока.

Структурные и функциональные схемы большинства общепро-

мышленных электроприводов переменного тока в настоящее время оп-

ределены

. Поэтому проектирование систем автоматизированного элек-

тропривода сводится в основном к синтезу параметров регуляторов, ис-

ходя из необходимого качества переходных процессов двигателя или

рабочего органа производственного механизма. В то же время продол-

жают развиваться и совершенствоваться новые системы управления

в электроприводе на основе полузамкнутых структурных схем и систем

с нечеткой (fuzzy) логикой.

Такие системы находят применение в небы-

стродействующих электроприводах, например, тепло- и водоснабжения.

В связи с явной нелинейностью структур электроприводов пере-

менного тока необходимо совершенствование методик по расчету их

динамических и статических характеристик, так как поддержание с за-

данной точностью регулируемых координат при изменениях нагрузки

является определяющим показателем качества систем электропривода.

Авторы

поставили задачу обобщить имеющийся материал по

электроприводам переменного тока, добавив свои разработки и иссле-

дования.

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1. Общие положения

Электроприводом переменного тока называется электромеханиче-

ская система, предназначенная для приведения в движение рабочих ор-

ганов машин и механизмов, управления их технологическим процессом,

состоящая из двигателя переменного тока, преобразовательного устрой-

ства, устройства управления и передаточного устройства.

Функциональная схема электропривода переменного тока пред-

ставлена на рис. 1.1.

Сеть

СПУ

ЭМП

РД

ИСУ ПУ

ИМ

ссс

,, fIU

111

,, fIU

ээ

ω,M

роро

ω,M

гательЭлектродви

ПрУ

ЗУ

ДОС

смопз

,, UUU

ω,,

Рис. 1.1. Функциональная схема электропривода переменного тока

На рис. 1.1 приняты следующие обозначения:

ПрУ – преобразовательное устройство;

СПУ – силовое преобразовательное устройство;

ИСУ – информационная система управления;

ЭМП – электромеханический преобразователь;

РД – ротор двигателя;

ПУ – передаточное устройство;

ИМ – рабочий орган исполнительного механизма;

ЗУ – задающие устройства;

ДОС – датчики обратной связи;

ccc

,, IfU – напряжение, частота и ток, потребляемый электроприводом

из сети;

111

,, IfU – напряжение, частота и ток обмоток статора двигателя пере-

менного тока;

ээ

ω,M – электромагнитный момент и скорость вращения магнитного

поля, созданного обмотками статора;

ω,

– момент и скорость вращения двигателя;

роро

ω,M – момент и скорость вращения рабочего органа исполнитель-

ного механизма;

смопз

,, UUU

– задающие сигналы: задающее напряжение, опорное на-

пряжение, напряжение смещения.

Из определения понятия «электропривод переменного тока» и его

функциональной схемы следует, что электропривод состоит из четырех

основных частей:

• электрического двигателя переменного тока;

• силового преобразовательного устройства;

• передаточного устройства;

• системы управления.

Вначале рассмотрим коротко составные части электропривода.

Электрические двигатели предназначены для преобразования

электрической энергии в механическую. На рис. 1.1 электрический дви-

гатель состоит из двух частей: электромеханического преобразователя

энергии ЭМП, преобразующего электрическую энергию в электромаг-

нитную, и ротора двигателя РД, в котором электромагнитная энергия

преобразуется в механическую. Двигатель развивает момент

на валу

ротора, который вращается с угловой скоростью ω .

Электроприводы переменного тока могут быть реализованы на базе

следующих двигателей переменного тока:

• асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором;

• асинхронных двигателей с фазным ротором;

• синхронных двигателей с независимым возбуждением;

• синхронных двигателей с постоянными магнитами;

• однофазных асинхронных двигателей;

• двигателей двойного питания;

• реактивных синхронных двигателей;

• синхронных гистерезисных двигателей;

• редукторных двигателей;

• линейных двигателей;

• коллекторных двигателей переменного тока;

• электровибрационных двигателей;

• емкостных двигателей и т. д.

В регулируемых электроприводах переменного тока находят приме-

нение все основные типы силовых преобразовательных устройств (СПУ):

• выпрямители, преобразующие переменное напряжение в постоянное;

• инверторы, осуществляющие преобразование постоянного напря-

жения в переменное;

• непосредственные преобразователи частоты;

• конверторы, обеспечивающие преобразование постоянного напря-

жения в регулируемое постоянное.

Передаточные устройства (ПУ) предназначены для передачи ме-

ханической энергии от электродвигателя к исполнительному механизму

(ИМ) и согласования вида и характера движения электродвигателя и ра-

бочего органа исполнительного механизма. Наиболее характерные типы

передаточных устройств:

• редукторы;

• цепные передачи;

• ременные передачи;

• планетарные системы;

• кулисные механизмы;

• шарико-винтовая передача;

• электромагнитные муфты скольжения и т. д.

Системы управления электропривода представляют собой сово-

купность управляющих и информационных систем, предназначенных

для управления электроприводом с целью обеспечения заданного дви-

жения рабочего органа исполнительного механизма. Принципиально

системы управления различаются по уровню основных функций, кото-

рые они выполняют:

• пуск, реверс, торможение, а также поддержание угловой скорости с

невысокой точностью в статике и динамике. Такую функцию выполня-

ют разомкнутые релейно-контакторные системы управления электро-

приводов постоянного и переменного тока;

• поддержание скорости с высокой точностью в статике, а также фор-

мирование требуемых переходных процессов. Такую функцию выполня-

ют системы преобразователь-двигатель с различными обратными связя-

ми, например, по скорости, току двигателя, напряжению преобразователя;

• слежение за любыми, произвольно изменяемыми входными воз-

действиями. Эту функцию выполняют следящие системы;

• отработка заданной программы. Такую функцию выполняют сис-

темы программного управления;

• выбор оптимальных режимов работы. Эту функцию выполняют

адаптивные системы управления, автоматически изменяющие свою

структуру, или параметры системы управления с целью, например, вы-

работки оптимальных режимов работы.

Выбор системы управления определяется как технологическим

процессом, так и технико-экономическими обоснованиями.

1.2. Современный электропривод переменного тока

и тенденции его развития

Современный электропривод переменного тока практически пол-

ностью отвечает требованиям промышленности, сельского хозяйства,

науки, вооружений и военной техники по требуемой мощности, диапа-

зону регулирования, скорости и плавности ее регулирования.

Пределы мощности используемых машин в электроприводах весь-

ма широки – от десятков тысяч киловатт до долей ватт. Так, например,

в прокатных станах Западно-Сибирского

металлургического комбината

используются синхронные двигатели мощностью 30 МВт. Для привода

доменных воздуходувок применяются двигатели переменного тока

мощностью 50 МВт. В то же время емкостные микродвигатели враще-

ния с диаметром ротора до 100 мкм выполняются мощностью

до

−

Вт и частотой вращения до 50 000 об/мин.

В настоящее время основная цель серийно выпускаемых и вновь

разрабатываемых электроприводов переменного тока направлена в пер-

вую очередь на увеличение их надежности, уменьшение массогабарит-

ных показателей, стоимости и эксплуатационных расходов.

Новые системы электроприводов переменного тока получили рас-

пространение в связи с дальнейшим развитием

микропроцессорной тех-

ники и силовой полупроводниковой техники на полностью управляе-

мых тиристорах (GTO) и новых поколений транзисторов, прежде всего

биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и МДП-

транзисторов с индуцированным каналом (MOSFET).

На современной элементной базе получили возможность реализа-

ции следующие системы электроприводов:

• для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором – сис-

темы фазового управления (регулирование угловой скорости изменени-

ем напряжения), частотное регулирование (непосредственный преобра-

зователь частоты, автономный инвертор напряжения, автономный ин-

вертор тока), частотно-токовое управление;

• для асинхронного двигателя с фазным ротором – фазовое управ-

ление, частотное управление в режиме машины двойного питания, кас-

кадные схемы, системы с импульсным управлением в цепи выпрямлен-

ного тока ротора;

• для синхронных двигателей – частотное управление, частотно-

токовое управление, вентильный электропривод.

Для регулируемого электропривода переменного тока появилась

необходимость разработки специальных конструкций электрических

машин, предназначенных для регулирования угловой скорости, отли-

чающихся от серийно выпускаемых асинхронных и синхронных двига-

телей, рассчитанных для работы с постоянной скоростью. Это связано

с перегревом машин переменного тока, работающих

на пониженных

скоростях. Комплектные электропривода должны гарантированно обес-

печивать работу в заданном диапазоне скоростей без перегрева двигате-

ля и преобразователя.

1.3. Механические характеристики электродвигателей

переменного тока

При рассмотрении работы электропривода, вращающего рабочий

орган производственного механизма, необходимо, прежде всего, выявить

соответствие механических свойств электродвигателя и производствен-

ного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономич-

ной эксплуатации электропривода необходимо изучить и механические

характеристики электрических машин, и производственных механизмов.

Механическая характеристика электродвигателя определяет за-

висимость его скорости ω от развиваемого

им момента

. Часто

вместо угловой скорости ω используют внесистемную физическую

величину – частоту вращения

n , так как эти величины пропорцио-

нальны друг другу:

⋅

= . (1.1)

В этом случае механической характеристикой электродвигателя на-

зывается зависимость его частоты вращения

n от развиваемого им мо-

мента

, то есть )(

n = .

Степень изменения скорости с изменением момента у различных

типов электрических машин неодинакова и различается в зависимости

от жесткости механических характеристик (рис. 1.2).

Под жесткостью механической характеристики

k будем понимать

отношение приращения момента

к приращению скорости двигате-

ля ω

Δ :

ωωΔω

−

, (1.2)

где

ω ,M

– момент и угловая скорость в первой точке механической

характеристики;

ω ,M – момент и угловая скорость во второй точке

механической характеристики.

ωΔ

Рис. 1.2. Определение жесткости механической характеристики

Механические характеристики электродвигателей переменного

тока можно разделить на четыре основных типа в зависимости от их же-

сткости

k :

• абсолютно жесткая механическая характеристика, при которой

скорость с изменением момента остается неизменной. Из (1.2) следует,

что если 0ω

=Δ , то

∞=

. Такой характеристикой обладают синхрон-

ные двигатели (зависимость 1 на рис. 1.3), синхронные гистерезисные

двигатели на рабочем участке механической характеристики (зависи-

мость 2 на рис. 1.3);

• жесткая механическая характеристика, отличающаяся незначи-

тельным изменением угловой скорости с изменением момента. Жесткой

механической характеристикой обладают асинхронные двигатели (кри-

вая 3, рис. 1.3);

• мягкая механическая характеристика отличается значительным из-

менением угловой скорости с изменением момента. Такой характери-

стикой обладают коллекторные двигатели переменного тока (кривая 4,

рис. 1.3);

• абсолютно мягкая механическая характеристика, при которой мо-

мент двигателя остается неизменным с изменением угловой скорости.