Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ІНДУКТИВНО-ЄМНІСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2002
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Системи керування електроприводами транспортних засобів
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет ”Львівська політехніка“
ІНСТРУКЦІЯ
ТА МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторної роботи № 15
ВИВЧЕННЯ ТА НАЛАГОДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА ЗА СИСТЕМОЮ “ІНДУКТИВНО-ЄМНІСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ – ДВИГУН
з курсу
”Системи керування електроприводами транспортних засобів“
для студентів базового рівня підготовки
за напрямом 6.0922
“ЕЛЕКТРИЧНІ СИСТЕМИ І КОМПЛЕКСИ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ”
Затверджено
на засіданні кафедри електропривода та
автоматизації промислових установок
Протокол №____ від “____“_____2002 р
Львів 2002
Вивчення та налагодження динаміки тягового електропривода за системою "індуктивно-ємнісний перетворювач – двигун": Інструкція та методичні вказівки до лабораторної роботи № 15 з курсу ”Системи керування електроприводами транспортних засобів“ для студентів базового рівня підготовки за напрямом 6.0922 "Електричні системи і комплекси транспортних засобів" / Укл. І.З.Щур. – Львів, 2002. – 20 с.
Укладач Щур І.З., д-р техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Лозинський О.Ю., д-р техн. наук, проф.
Рецензенти Панченко Б.Я., канд. техн. наук, доц.
Карплюк Л.Ф., канд. техн. наук, ст. викл.
МЕТА РОБОТИ
В даній роботі проводиться вивчення особливостей та принципів побудови систем керування тяговим електроприводом постійного струму, який живиться від некерованого джерела струму (ДС), виконаного на базі індуктивно-ємнісного перетворювача (ІЄП). При цьому розглядаються два варіанти побудови САР: стабілізації швидкості та стабілізації потужності привода. В пускових та гальмівних режимах САК забезпечує стабілізацію момету. Крім цього, дана система електропривода органічно обмежує ривок, що є особливо важливо для тягових приводів.
ТЕОРЕТИЧНІ ПОЯСНЕННЯ
В ролі силового перетворювача в електроприводі протягом всього часу його розвитку використовується кероване джерело напруги (двигун – генератор, тиристорний перетворювач і т.д.), завдячуючи чому природньо регульованою координатою виступає швидкість електропривода. При необхідності регулювати іншу координату привода (наприклад, момент) або добуток кординат (потужність) використовуються спеціальні регулятори, які діють відповідним чином на ЕРС керованого перетворювача і формують відповідні характеристики.
Вказаний тип перетворювачів був передумовою визначення каналів керування двигуном: якірне коло стало основним каналом, оскільки керування по цьому колі дозволяє отримувати потрібні характеристики в будь-якій області площини ( – М, а коло збудження – допоміжним каналом, який дозволяє, якщо потрібно, регулювати швидкість вище номінальної послабленням поля.
Негативною особливістю, яка є невідємною в даній концепції є те, що силовий перетворювач у широко керованому приводі неодмінно повинен бути керованим із всіма наслідками, що витікають звідси: зниження коефіцієнта корисної дії, коефіцієнта потужності, спотворення напруги мережі, висока вартість силового регулятора і його низька надійність. Загальнопринятість даної концепції, а також великі успіхи її впровадженя в якісь мірі закрили від уваги інженерів іншу, теоретично рівноправну концепцію: ДС в колі якоря двигуна.
Розглянемо суттєві особливості цієї концепції. ДС нейтралізує дію активного елемента в силовому колі – ЕРС якоря, тобто виключає його дію на момент, що створює двигун. Момент тепер однозначно визначається струмом ДС і магнітним потоком машини і є природно регульованою в такому приводі координатою. Швидкість і ЕРС машини – “вільні“ координати, якими можна керувати за допомогою спеціальних регуляторів.
Новий тип силового перетворювача вирішальним чином впливає на роль каналів керування двигуном: вони стають рівноправними. Звідси випливає принциповий наслідок: силовий перетворювач – ДС – може бути некерованим; керування може здійснюватися по одному каналу – колі збудження. Отже, концепція, альтернативна до класичної, ДС–Д дозволяє створити широко регульований привід з некерованим силовим перетворювачем.
Основні закономірності розімкнутої системи ДС–Д
Припустимо, що ДС, яке використовується для живлення двигуна постійного струму з незалежним збудженням, здатне забезпечувати як живлення останнього при роботі в режимі двигуна, так і рекуперацію енергії, що виробляється двигуном у гальмівних режимах. Схема електропривода за системою “джерело струму – двигун” (ДС – Д) зображена на рис. 1, а. Через якір двигуна протікає незмінний за значенням струм Ія = Ін = const, а керування електроприводом здійснюється шляхом впливу на коло збудження через підсилювач напруги.
Для подальшого аналізу приймемо ряд допущень:
- ДС будемо вважати ідеальним, тобто заданий рівень його струму не залежить від напруги якоря (рис. 1, б);
- магнітний потік Ф двигуна лінійно залежить від струму збудження (рис. 1, в):
; (1)
- підсилювач в колі збудження теж ідеальний, тобто реверсивний, безінерційний, що має лінійну характеристику “вхід – вихід” (рис. 1, г):
. (2)
При незмінному струмі якоря момент двигуна пропорційний потокові:
, , (3)
тому, змінюючи потік двигуна, можна регулювати як значення, так і знак моменту.
Живлення двигуна від ДС повністю виключає будь-який електромеханічний зв’язок, тому що всі зміни швидкості та відповідно ЕРС двигуна компенсуються без запізнення зміною ЕРС джерела живлення, яке підтримує струм навантаження незмінним. Тому при Ф = const двигун розвиває постійний момент при будь-яких збуреннях, в тому числі і при реальних межах зміни швидкості.
Для ідеалізованого електропривода за системою ДС–Д, що керується з боку кола збудження, з врахуванням (1)–(3) справедливими є наступні рівняння:
; (4)
; (5)
; (6)
; (7)
. (8)
Для отримання результатів у загальному вигляді перейдемо до безрозмірних величин. Виберемо як базові величини , , , , , наприклад, номінальні величини двигуна і визначимо базову напругу збудження як
, (9)
а базовий вхідний сигнал як
. (10)
Визначивши відносні безрозмірні величини як відношення фізичних величин до базових, отримаємо наступні рівняння, що описують поведінку системи:
; (11)
; (12)
; (13)
, (14)
де – базова електромеханічна стала часу; – базова електромагнітна стала часу кола збудження.
Будемо вважати, що струм якоря є незмінним, , і на вхід системи подається сигнал , тобто
. (15)
Рівнянням (13) – (15) при переході до зображень відповідає структурна схема, показана на рис. 2. Привід є лінійною аперіодичною ланкою: рівняння, що пов’язує зображення та має вигляд:
. (16)
В усталеному режимі отримаємо:
, (17)
тобто привід забезпечує сімейство вертикальних механічних характеристик (суцільні лінії на рис. 3) і є керованим джерелом моменту.
Напруга на виходах машини змінюється при цьому за лінійним законом:
; (18)
(штрих-пунктирні лінії на рис. 3 для випадку ).
Теоретично – при відсутності будь-яких обмежень – характеристики на рис. 3 можуть займати будь-яке положення в площинах та . Однак на практиці, очевидно, обмеження існують. Розглянемо їх природу і визначимо на підставі цього область, в якій можна реалізувати властивості джерела моменту.
Якщо привід працює в тривалому режимі, то допустиме перевищення температури обмотки якоря визначає допустимий струм
(як базові величини змінних тут прийняті їх номінальні значення); в короткочасному або повторно-короткочасному режимі (при періодичних відмиканнях ДС від мережі) значення струму буде обмежене умовами нормальної комутації
.
Насичення магнітного кола машини обмежує допустимий магнітний потік для двигунів нормального виконання значенням
,
причому в тривалому режимі за умовою допустимого перевищення температури обмотки збудження необхідно прийняти
.
Таким чином, при вказаних умовах допустимий момент, що розвивається двигуном, визначається як
.
Це обмеження є доволі суттєвим при використанні некерованого ДС і повинне враховуватись при проектуванні привода.
Друге обмеження стосується напруги на якорі двигуна і обумовлюється в інструкції з експлуатації двигуна. Згідно (1-12), при заданому межа допустимих швидкостей визначається як
.
Отже електропривід, виконаний у вигляді розімкнутої системи ДС–Д, природнім чином забезпечує незалежність моменту від швидкості, регулювання моменту в колі збудження, керування моментом, а значить, прискоренням і ривком.
Механічні характеристики при різних значеннях моменту двигуна в межах від -Фн до +Фн показані на рис. 4. Розглядаючи їх, можна зробити висновок, що електропривод за системою ДС–Д має властивості повністю керованого джерела моменту, що забезпечує точне і плавне регулювання моменту в межах –Мн до +Мн як в режимі двигуна, так і в гальмівному режимі при будь-якому напрямі швидкості. Для отримання знакозмінного моменту в даному випадку не потрібно змінювати напряму струму якоря, тому джерело струму може мати односторонню провідність. Ці умови визначають мінімальні габарити керованого вентильного перетворювача, на базі якого можна реалізувати джерело струму, наприклад нереверсивного тиристорного перетворювача, замкнутого швидкодіючим зв’язком за струмом.
Рис. 4. Характеристики електропривода за системою ДС–Д з джерелом
струму, до складу якого входить некерований випрямляч
Для отримання характеристик в другому та четвертому квадрантах (як на рис. 4) при односторонній провідності джерела струму необхідно, однак, забезпечити зміну знаку напруги на його затискачах при досягненні ЕРС двигуна Е = ІнRя( (при ( < 0). При цьому джерело струму перейде в режим рекуперації; гранична швидкість, що відповідає цьому переходу, може бути визначена з рівності
. (19)
Залежність (гр = f (М) для двох значень Rя( у відповідності з (19) нанесена на рис. 4 пунктиром. Видно, що при швидкостях ( > 0 (перший квадрант) та ( < 0 (третій квадрант) в системі ДС–Д існує режим двигуна; в діапазоні швидкостей від ( = 0 до ( = (гр (відповідно у другому та четвертому квадрантах) – режим гальмування противмиканням і при швидкостях, що перевищують (гр в цих же квадрантах, – режим рекуперації, якщо джерело струму дозволяє рекуперувати енергію в мережу.
Використання керованого перетворювача (I = var) дозволяє розширити діапазон регулювання моменту за рахунок збільшення струму якоря на окремих етапах роботи електропривода до значень, допустимих умовами комутації. Однак, найпростіші схемні розв’язання з високими показниками якості регулювання моменту отримуються при використанні параметричних джерел струму, принцип дії яких базується на явищі резонансу в колі змінного струму, до якого входять індуктивність та ємність.
Відома ціла низка схем подібних перетворювачів, найбільш поширений варіант трифазної схеми індуктивно-ємнісного перетворювача (ІЄП) для живлення двигуна постійного струму показаний на рис. 5. Ця схема при певному виборі параметрів забезпечує стабілізацію струму навантаження в широких межах зміни проти-ЕРС двигуна. Ці параметри обмежуються тільки лінійністю та допустимим струмом і напругою елементів схеми.
Для пояснення особливостей ІЕП завдяки симетричності схеми можна обмежитись розглядом роботи однієї фази. Струм навантаження однієї фази при прийнятих на схемі напрямках рівний:
.
Струми реактивних елементів схеми визначаються відомими співвідношеннями:
;. (20)
Звідси
. (21)
При xC = xL = x співвідношення (21) набуває вигляду:
, (22)
де – лінійна напруга мережі живлення.
Оскільки випрямлений струм Id пропорційний ефективному значенню струму I2, з (22) з усією очевидністю випливає, що при ідеальних лінійних реактивних елементах струм якоря двигуна не залежить від проти-е.р.с. двигуна та опору кола навантаження і при Uл = const є постійним: Iя = Id = const.
ІЄП є найбільш простим з можливих джерел струму, він забезпечує високу стабільність струму в динамічних режимах, і має високий к. к. д. та коефіцієнт потужності, рівний одиниці. Однак наявність некерованого випрямляча не дає можливості рекуперації енергії в мережу при гальмівних режимах роботи двигуна, що понижує керованість привода.
Показані на рис. 4 механічні характеристики відповідають системі ІЄП–Д. Зона підтримання струму якірного кола постійним при цьому обмежується областю режиму двигуна та вузькою областю режиму противмикання від ( = 0 до ( = (гр. При ( = (гр (19) напруга на виході джерела струму рівна нулю і при подальшому збільшенні ( струм (ЕРС) зростає у відповідності з характеристикою динамічного гальмування. Таким чином, для системи ІЄП–Д залежність (гр = f (М) визначає швидкість, при якій характеристики на рис. 4 мають злам і при ((( > ((гр( відповідають характеристикам динамічного гальмуваня при відповідному значенні потоку Ф.
Обмеження діапазону, в якому момент підтримується постійним, у розглянутій схемі можна практично усунути при введенні в коло якоря постійно ввімкненого, або ввімкненого на час гальмування додаткового опору Rг. На рис. 4 сімейство механічних характеристик при введенні в коло якоря додаткового опору показано для четвертого квадранту тонкими лініями. Вони в межах ( = (гр аналогічні характеристикам системи з рекуперацією енергії, проте введення постійно ввімкненого опору значно збільшує потужність, що споживається в режимах двигуна та противмикання. Цей ефект можна суттєво знизити шляхом введення додаткового опору тільки в режимах гальмування.
Техніко-економічні аспекти промислового застосування системи
“індуктивно-ємнісний перетворювач-випрямляч-двигун” (ІЄП-В-Д)
Електроприводи з керованим моментом, виконані за системою ІЄП–В–Д, наділені певними особливостями, які зумовлені як принципом побудови (структурою), так і типом силового перетворювача. Сформулюємо ці особливості.
Особливості, що зумовлені принципом побудови системи:
1. Можливість формування по одному каналу – кола збудження – будь-яких механічних характеристик (М=const, (=const, Р=const і т. п. ) в області, що обмежена допустимими механічними, тепловими і електромагнітними навантаженнями двигуна, при якому завгодно, в тому числі некерованому силовому перетворювачі – ДС. Електропривід за системою ДС–Д –є електромеханічним підсилювачем, що керується по колу збудження, причому Рмех/Рел.з.=26–40 і зростає зі збільшенням потужності двигуна. Потужність керованого збудника з врахуванням форсувань більш ніж на порядок відрізняється від потужності силового перетворювача, що може бути некерованим.
2. Значна інерційність у каналі керування (коло збудження двигуна), що приводить до негативних і позитивних наслідків.
Перший негативний наслідок – обмежена швидкодія системи, що зумовлена постійною часу кола збудження Тз. Цей наслідок має принциповий характер і обмежує область застосування системи ДС–Д з керуванням по каналу збудження: система не може застосовуватися в установках, де швидкодія привода обґрунтовано визначається його найважливішою якістю і необхідний час реакції tр<<Тз.
Другий негативний наслідок полягає в схильності системи ДС–Д, замкнутої за швидкістю, до коливань. Ця вада не носить принципового характеру і може бути усунута, по-перше, правильним проектування і, по-друге, шляхом застосування коректуючих пристроїв.
До позитивних наслідків потрібно віднести параметричне обмеження ривка, м'який вибір проміжку у передачах, що зменшує їхнє зношування, обмеження навантажень у механічному устаткуванні.
Можливість компонування багатодвигунних систем (при використанні двигунів із близькими номінальними струмами) із спільним силовим перетворювачем (ДС) і роздільним керуванням кожним двигуном по колу збудження; забезпечення при поєднанні двигунних і гальмівних режимів машини умови Руст.д.с << (Руст.д.
Особливості, зумовлені використанням в ролі ДС некерованого ІЄП
з випрямлячем
Незмінність струму; за умови допустимого нагріву двигуна Ідс <= Ін.д. Ця особливість викликає ряд наслідків, а саме: обмеження моменту, що розвивається двигуном, М <= 1,3Мн.д, що приводить до обмежень як динамічних можливостей, так і перевантажень механічних передач; сприятливі умови комутації в двигуні; можливість використання простих технічних рішень для компенсації тертя.
Низький і стабільний рівень пульсацій випрямленого струму при будь-яких режимах, відсутність режиму перервних струмів, відсутність необхідності зглажуючого реактора.
Відсутність принципових обмежень напруги на виході ДС, пов'язаних з напругою мережі живлення. Максимальна напруга ДС може бути вибрана із питань економії електроенергії, з врахувань технічних обмежень. Ця особливість сприятлива і досить істотна при побудові багатодвигунних структур.
Відсутність рекуперації енергії в мережу живлення; необхідність, у зв'язку з цим, застосування в ряді випадків гальмівного резистора. Цей недолік, |відчутний в однодвигунних електроприводах з інтенсивними гальмівними режимами, практично не проявляється в багатодвигунних структурах і поєднанням режимів двигуна і гальмівних режимів.
Висока надійність статичного, некерованого, що не потребує обслуговування силового перетворювача, виконаного на пасивних елементах, як правило, за безтрансформаторною схемою.
Високі енергетичні показники силового блоку – ККД 0,94—0,97, коефіцієнт потужності 0,85—0,95 (за першою гармонікою cos(= 1) у широкому діапазоні зміни навантаження (Ud); незначні спотворення напруги мережі живлення з практично незмінним частотним спектром і амплітудами вищих гармонік; можливість застосування найпростіших параметричних фільтрів для усунення спотворень.
Із приведеного огляду особливостей системи ІЕП–В–Д випливає, що головні її недоліки – обмежена швидкодія і відсутність рекуперації, а головні переваги – дуже гарна керованість, простота, надійність, високі енергетичні показники.
Вибір двигунів. Специфіка звичайної системи ДС–Д полягає у тому, що в якірному колі двигуна при роботі привода з будь-якою швидкістю постійно протікає незмінний струм Ідс. У зв'язку з цим потрібно вибирати двигуни, тепловіддача яких мало залежить від швидкості (закриті, із зовнішнім обдувом). Якщо ж використовується тип двигуна, для якого ця умова не виконується, необхідно, щоб Ідс < Ін.
У багатодвигунних приводах із спільним джерелом струму потрібно вибирати двигуни з однаковими (близькими) номінальними струмами.
Регулювання швидкості в системі ДС–Д
Раніше було встановлено, що принциповою особливістю системи ДС–Д є виключення впливу ЕРС двигуна на роботу привода за рахунок властивостей джерела живлення – ДС. Ця обставина – блокування “внутрішнього регулятора” електромеханічного перетворювача енергії дозволяє доволі просто і ефективно здійснювати регулювання різних змінних в приводі за системою ДС–Д за рахунок використання зовнішніх регуляторів.
Розглянемо реалізацію такої можливості стосовно регулювання основної координати – швидкості привода, для чого введемо зворотний зв’язок за швидкістю, як показано на рис. 6,а.
При дотриманні сформульованих раніше умов та допущень процеси в приводі, що розглядається, будуть описуватися рівняннями (11) – (14), доповненими рівнянням замикання системи
, (23)
де – безрозмірний коефіцієнт зворотного зв’язку за швидкістю; – коефіцієнт зворотного зв’язку; – базове значення коефіцієнта зворотного зв’язку.
Структурна схема системи показана на рис. 6, б. Рівняння для змінних, записані в операторній формі, мають вигляд:
, (24)
. (25)
В усталеному режимі швидкість та момент зв’язані співвідношенням
, (26)
тобто привід має лінійні механічні характеристики, розміщення яких в площині , визначається напругою . Швидкість ідеального неробочого ходу можна знайти за формулою
; (27)
жорсткість від’ємна і рівна за абсолютним значенням коефіцієнту зворотного зв’язку
. (28)
Приклад сімейства механічних характеристик показаний на рис. 7,а (пунктиром тут і далі позначені ділянки характеристик, які неможливо реалізувати через насичення машини).
Отримані результати виявляють принципово важливу властивість структури, що розглядається – можливість плавно регулювати швидкість привода в широких межах (від 0 до ) за рахунок впливу на коло збудження при некерованому силовому перетворювачі ДС. Таким чином, економічний спосіб регулювання швидкості зміною магнітного потоку двигуна, що реалізується в класичній схемі ДН–Д тільки при швидкостях, вищих від основної, поширюється в системі, що розглядається, на будь-які швидкості. По одному каналу можливим є регулювати швидкість в межах, що визначаються лише електричною та механічною міцністю машини.
Напругу на якорі в усталеному режимі знайдемо, підставивши в (12) вираз для , отриманий з (26):
. (29)
Напруга – вільна величина, пов’язана зі швидкістю параболічною залежністю, досягає екстремуму (додатного максимуму)
, (30)
коли
; (31)
при швидкостях та напруга стає від’ємною і зростає за абсолютним значенням.
Як приклад на рис. 7,б показані дві криві напруги при (штрих-пунктирні лінії) та відповідні їм механічні характеристики (суцільні лінії).
Регулювання потужності в системі ДС–Д
На підставі керованого джерела моменту, розглянутого раніше, просто і ефективно реалізується електропривід, в якому величиною, що регулюється, є електромагнітна потужність . При підтримання на заданому рівні можливе за рахунок замикання системи за ЕРС якоря або при прийнятому допущені – за напругою на якорі . Схема електропривода, що реалізує регулювання потужності, показана на рис. 8,а.
Рівняння замикання системи має вигляд:
, (32)
де – безрозмірний коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою в прийнятій раніше системі відносних одиниць; ; – базове значення коефіцієнта зворотного зв’язку за напругою, .
Динамічні процеси в системі описуються рівняннями (11) – (14) та (32), які за рахунок останнього стають суттєво нелінійними навіть при прийнятій раніше ідеалізації елементів.
Прийнявши в (14) похідну від моменту рівною 0, з врахуванням (32) будемо мати:
. (33)
Механічні характеристики мають вигляд гіпербол з асимптотами (вісь ординат) та . Сімейство механічних характеристик при та показане на рис. 8,б суцільними лініями.
Жорсткість характеристик є змінною. Вона визначається співвідношенням
. (34)
Вирази для потужності та напруги знайдемо, помноживши обидві частини (33) відповідно на і на та прийнявши до уваги (32):
; (35)
. (36)
Значення цих величин при заданому визначаються сигналом завдання, ступінь стабільності залежить від режиму роботи і .
Криві при , та показані на рис. 8,б штрих-пунктирними лініями.
При
; (37)
. (38)
Електропривід, побудований на базі силового модуля ДС – Д, який має зворотній зв’язок за напругою якоря, забезпечує стабілізацію потужності на заданому рівні при цілком задовільних динамічних якостях.
Розглянемо ще один варіант замкнутої системи ДС–Д, що займає проміжне положення у порівнянні з двома, розглянутими раніше, – електропривід з одночасно діючими від’ємними зворотними зв’язками за швидкістю та напругою на якорі.
Рівняння замикання системи в цьому випадку запишеться у вигляді
, (39)
а рівняння механічної характеристики має вигляд:
(40)
або, якщо ввести відношення коефіцієнтів ,
. (41)
Механічні характеристики являють собою криві гіперболічного типу з асимптотами ; . Сімейство механічних характеристик при і показане на рис. 9 суцільними лініями. Жорсткість механічних характеристик визначається як
, (42)
тобто суттєво залежить від параметрів і та координат робочої точки , .
Залежності напруги від швидкості для показані на рис. 9 штрих-пунктир ними лініями.
ПРОГРАМА РОБОТИ
Ознайомитися з електричними машинами, ІЄП, ТП, вимірювальними приладами та регулюючою апаратурою даної експериментальної установки.
Зібрати електричну схему за приведеними нижче принциповими схемами та вказівками викладача.
Запустити розімкнуту систему ІЄП–Д без навантаження, перевірити працездатність захисту від перевищення напруги на якорі двигуна та визначити полярність напруги тахогенератора.
Здійснити налагодження замкнутої за швидкістю системи ІЄП–Д: пускового і гальмівного моментів на рівні номінального, жорсткості зворотного зв'язку.
За допомогою навантажувального пристрою зняти механічну та електромеханічну (залежність ω від Uя) характеристики електропривода зі зворотним зв'язком за швидкістю при заданому викладачем завданні.
З електронного осцилографа замалювати перехідні процеси при пуску, гальмуванні та накиданні навантаження в електропривода зі зворотним зв'язком за швидкістю.
Здійснити налагодження замкнутої за ЕРС системи ІЄП–Д: пускового і гальмівного моментів на рівні номінального, жорсткості зворотного зв'язку.
За допомогою навантажувального пристрою зняти механічну та електромеханічну (залежність ω від Uя) характеристики електропривода зі зворотним зв'язком за ЕРС при заданому викладачем завданні.
За допомогою навантажувального пристрою зняти механічну та електромеханічну (залежність ω від Uя) характеристики електропривода зі зворотним зв'язком за ЕРС при заданому викладачем завданні.
З електронного осцилографа замалювати перехідні процеси при пуску, гальмуванні та накиданні навантаження в електропривода зі зворотним зв'язком за ЕРС.
Скласти звіт про лабораторну роботу.
ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ
Загальна схема лабораторної установки для дослідження тягового електропривода за системою ІЄП–Д представлена на рис. 10.
ІЄП джерела напруги в джерело струму GI автоматичним вимикачем SQ підключається до трифазної електромережі з лінійною напругою 220 В. Після випрямлення трифазним мостовим випрямлячем VD1 вихідний струм ІЄП величиною 20 А подається в силове коло якоря привідного двигуна М. В режимі гальмування противмиканням послідовно з
Рис. 10. Схема лабораторної установки
Рис. 11. Принципова схема САР швидкості
якорем двигуна в силовому колі може бути ввімкнений гальмівний опір Rг, який в тяговому режимі шунтується контактами 2КМ2 контактора КМ2. Обмотка збудження двигуна LМ отримує живлення від однофазного нереверсивного тиристорного перетворювача VS. В режимі гальмування напрям струму в обмотці збудження змінюється перемиканням контактів 1КМ2 контактора КМ2. Система автоматичного регулювання САР забезпечує регулювання швидкості і тягового та гальмівного моментів і може формуватися з допомогою від’ємних звортних зв’язків за швидкістю (з використанням тахогенератора BG) або за ЕРС (з використанням дільника R1–R2). САР живиться від стабілізованого джерела живлення GV, а релейно-контакторні кола – випрямленою з допомогою VD2 напругою мережі. Контактор КМ1 – лінійний, що забезпечує подання живлення в обмотку збудження. Блок-контакт 1КV1 здійснює захист, відключаючи обмотку збудження в аварійних випадках, коли напруга на двигуні, що контролюється реле напруги KV1, перевищить номінальне значення. Навантажувальний пристрій для дослідження даного електропривода виконується за типовою схемою реактивного навантаження з використанням генератора постійного струму, навантаженого реостатом. Зміна навантаження проводиться як зміною опору реостата, так і регулюванням збудження генератора.
Принципова схема САР у випадку використання зворотного зв’язку за швидкістю показана на рис. 11. Вона реалізована всього на одній мікросхемі LM324, яка містить 4 операційні підсилювачі (ОП) 1А1 – 4А1. На ОП 1А1 реалізовано вузол завдання швидкості (потенціометр R1), на 2А1 – задавач пускового і гальмівного моментів, 3А1 виділяє модуль сигналу керування, який далі поступає в систему імпульсно-фазового керування (СІФК), а ОП 4А1 забезпечує переключення обмотки збудження при гальмуванні.
Принципова схема СІФК представлена на рис. 12, а опис її роботи приведенов окремому параграфі нижче.
Рис. 12. Принципова схема СІФК
У випадку побудови САР потужності тягового електропривода замість тахогенератора GB необхідно підключити від’ємний зворотний зв’язок за ЕРС з дільника напруги R1 – R2 (рис. 10).
Пуск електропривода здійснюється вмиканням автомата SQ (рис. 10). При цьому в якірному колі двигуна буде протікати постійний струм величиною 20 А, а САР отримає живлення. Вихідна напруга ОП 1А1 (рис. 11) може змінюватися лише в межах від 0 до 4,7 В, що визначається напругою стабілізації та напрямком включення стабілітрона VD1, причому ця напруга появиться лише після того, як сигнал з тахогенератора перевищить сигнал завдання швидкості, який поступає з R1. Тому при нерухомому двигуні напруга на виході 1А1 дорівнює 0, а на виході 2А1 має додатнє значення, оскільки з потенціометра завдання моменту R10 на R13 поступає від’ємна напруга, яка задає величину пускового моменту. В результаті цього на виході ОП 4А1 появиться від’ємна напруга, що визнача ється стабілітроном VD5, транзистор VT1 відкриється і спрацює герконове реле KV2. Своїм контактом 1KV2 (рис. 10) воно подасть напругу на контактор КМ2, який зашунтує гальмівний опір Rг і переключить обмотку збудження для режиму пуску. Таким чином тяговий електропривід буде готовим до пуску.
Запуск відбувається після натискання на кнопку SB. При цьому спрацює контактор КМ1, який своїми блок-контактом 1КМ1 заблокує кнопку, а силовими контактами 2КМ1 подасть напругу на тиристорний перетворювач VS. Привід буде розганятися з постійним моментом, заданим R10, до того часу, поки сигнал з тахогенератора не первищить сигналу завдання швидкості. Після цього САР замкнеться, причому жорсткість від’ємного зворотного зв’язку можна регулювати потенціометром R7.
При зниженні завдання швидкості потенціометром R1 чи виведенні його до нуля відбуватиметься гальмування привода. При цьому на виході ОП 1А1 напруга матиме максимальне додатнє значення, що забезпечить більше значення вхідного струму через резистор R12, ніж струм від від’ємної напруги через опір R13. В результаті на виході ОП 2А1 напруга стане від’ємною, а на виході 4А1 впаде до нуля, що приведе до закриття транзистора VT1 і відпускання реле KV2. Останнє відключить контактор КМ2 (рис. 10), а він розшунтує гальмівний резистор Rг та перемкне полярність напруги на обмотці збудження LM. Гальмування буде відбуватися до того часу, поки вихідний сигнал тахогенератора не зрівняється із сигналом завдання швидкості. Тоді знову замкнеться САР і система повернеться в режим тяги.
Як і в пусковому, так і в гальмівному режимах напруга керування, що поступає на СІФК, буде додатню завдяки видільникові модуля на ОП 3А1. Співвідношення між пусковим та гальмівним моментами встановлюється потенціометром R10, а величина цих моментів – резистором R14.
СІФК ТП збудження двигуна
Розглянемо схему СІФК (рис. 12). В ній можна виділити наступні функціональні вузли:
а) вузол формування імпульсів;
б) вузол регулювання фази імпульсів;
в) вузол синхронізації;
г) підсилювально-розподільчий вузол.
Керуючі імпульси формуються релаксаційним генератором, зібраним на одноперехідному транзисторі VТ2, імпульсному трансформаторі Т1, конденсаторі С1 і резисторах R2 – R4. Для регулювання фази імпульсів відносно фази мережі живлення в залежності від вхідної напруги використовується підсилювач постійного струму на транзисторі VТ1. Синхронізація імпульсів з мережею виконується з допомогою стабілітрона VD3 і силового трансформатора T2, які одночасно виконують функції живлення. Ключові каскади на тиристорах VS1 і VS2 призначені для розподілення імпульсів по двох каналах і підсилення їх до рівня, потрібного для незалежного відкривання силових тиристорів VS (рис. 10).
Розглянемо принцип роботи СІФК.
Напруга, яка знімається з вторинної обмотки трансформатора Т2, випрямляється мостовим двохпівперіодним випрямлячем VD4 і через баластний опір R5 прикладається до стабілітрона VD3 (підстроювальний резистор R6 тимчасово виведений в нульове положення). З випрямленої синусоїди стабілітрон відтинає напругу трапецевидної форми, яка позначається UVD3 на часовій діаграмі (див рис. 13). Ця напруга через опір R4 прикладається до другої бази одноперехідного транзистора VT2. На емітер VТ2 подається напруга конденсатора часозадаючої ланки R2, R3, C1, постійну часу якої можна змінити в деяких межах резистором R2. Оскільки на ланку подається напруга, яка міняється протягом півперіоду за синусоїдальном законом, то напруга заряду конденсатора буде змінюватися за цей час за законом, близьким до косинусоїдального (UC1 на часовій діаграмі). Мета такого вирішення буде показана нижче. Коли напруга на конденсаторі С1 досягне значення спрацювання UСПР, транзистор VT2 відкриється, і конденсатор С1 розрядиться на первинну обмотку імпульсного трансформатора T1. Після того, як струм емітера зменшиться нижче значення струму утримання, транзистор VT2 закриється, і заряд конденсатора відновиться.
Рис. 13. Часові діаграми, що пояснюють роботу СІФК
Крім резисторів R2 і R3, конденсатор С1 має ще одне коло заряду – через резистор R1 і діод VD1. Опір резистора R1 вибрано таким, щоб постійна часу кола заряду була меншою одної двадцятої півперіоду напруги живлення, тобто меншою 0,5 мс. При цьому заряд конденсатора С1 через резистор R1 відбувається практично миттєво після подачі напруги на стабілітрон VD3 на початку кожного півперіоду напруги живлення. С1 заряджається до напруги, яка називається базовою (Uб на рис. 13) і визначається провідністю транзистора VТ1, а отже – вхідною напругою UК
Подальший заряд конденсатора С1 реалізується через резистори R2 і R3 від базової напруги до напруги спрацьовування VТ2. Після вмикання одноперехідного транзистора конденсатор С1 розряджається до напруги Uб, формується імпульс напруги на первинній обмотці трансформатора T1 (Uт на рис. 13) і VT2 закривається, що приводить до повторного заряду конденсатора і т. д. кінця півперіоду. Таким чином, фаза першого імпульсу залежить від вхідної напруги. На часовій діаграмі показана залежність фази першого спрацювання VТ2 від двох значень вхідного UK1 = 0 i UK2>0. В кінці кожного півперіоду напруга на стабілітроні VD3 зменшується до нуля, що приводить до аналогічного зменшення напруги спрацювання VТ2 і повного розряду С1. Так відбувається синхронізація релаксаційного генератора з частотою мережі живлення.
Перші в півперіоді напруги живлення імпульси, які наводяться у вторинних обмотках трансформатора Т1, відкривають тиристори VS1 та VS2 при умові, що на їхніх анодах присутня позитивна напруга. Оскільки ці тиристори знаходяться в колах протифазно ввімкнутих вторинних обмоток силового трансформатора Т2, то один з них буде відриватися лише в позитивний півперіод напруги мережі живлення, а другий в негативний. Вхідна напруга керування обмежується стабілітронами VD5 і VD6 на необхідному для конкретного типу тиристорів рівні (UVD на часовій діаграмі) і подається на керуючі електроди силових тиристорів, забезпечуючи їх надійне відкривання.
Розглянемо регулювальну характеристику ТП.
Оскільки напруга має синусоїдальну форму, то середнє значення вихідної напруги нелінійно, а саме за законом косинуса, залежить від кута α :
,
де Um – амплітудне значення напруги мережі; ω=2πf – кругова частота напруги мережі; f – частота напруги мережі.
Діюче значення напруги на навантаженні в 1,11 рази більше від середнього, тобто
. (43)
Якщо характеристика ( = ((Uк) пристрою керування тиристорами лінійна або близька до лінійної, що має місце в більшості випадків, то регулювальна характеристика ТП буде описуватись тим же косинусоїдальним законом і має вигляд, представлений на рис. 14 пунктиром. Оскільки тиристорний підсилювач повинен входити до складу лінійної САР, йому потрібно забезпечити лінійну регулювальну характеристику. З цією метою конденсатор С1 заряджається струмом, який змінюється в часі за наступним законом:
, (44)
де kтр – коефіцієнт трансформації силового трансформатора Т2 для обмотки 1–2; UVD4, UC1 – спадки напруги на діодах моста VD4 і конденсаторі С1 відповідно.
У виразі (44) UVD4 < 3 B, UC1 < 12 B. Для зменшення відхилення зміни струму заряду від синусоїдального необхідно забезпечити нерівність
,
шляхом зменшення kтр, що в свою чергу збільшує потужність, що розсіюється резистором R5. Спадами напруг UVD4 та UC1 можна знехтувати з достатньою точністю при kтр < 1,7.
З врахуванням (44) напругу спрацювання VТ2 можна виразити наступним чином:
. (45)
З (45) кут відкривання тиристорів α буде залежати від напруги за арккосинусоїдальним законом:
. (46)
Сумарна регулювальна характеристика ТП визначається, як добуток функцій
. (47)
Підставивши (43) та (46) в (47), одержуємо
.
Отримані лінійні регулювальні характеристики ТП показані на рис. 14. Підстроювальним резистором R2 можна одержати різні коефіцієнти підсилення підсилювача та початкові значення вхідної напруги. Для одержання характеристики, яка проходить через початок координат, необхідно, щоб опір резистора R2 мав величину
.
Рис. 14. Регулювальні характеристики ТП
Для часткової компенсації відхилень напруги мережі в СІФК введений додатковий спеціальний вузол – пристрій корекції напруги (ПКН), до складу якого входить підстроювальний резистор R6 та електролітичний конденсатор С2 (рис. 12). В ролі давача напруги використовується вторинна обмотка 3 – 4 силового трансформатора Т2 та випрямляч VD4. Введення деякого значення опору резистора R6, з паралельно під’єднаним до нього конденсатором С2, який зменшує пульсації напруги живлення, забезпечує збільшення напруги стабілітрона VD3 на деяке значення, яке залежить від величини напруги мережі. Відповідно зростає і буде залежати від Uм і напруга спрацювання одноперехідного транзистора VТ2. Тоді, наприклад, при збільшенні Uм зростає і Uспр, а отже і збільшується кут відкривання тиристорів, що в кінцевому результаті приводить до зменшення вихідної напруги.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Перед включенням лабораторної установки необхідно всі потенціометри завдання встановити в нульове (крайнє ліве) положення, а рубильник в силовому колі генератора навантаження – розімкнути.
Порядок вмикання схеми такий. Спочатку подається живлення в схему автоматичним вимикачем SQ. Потім, будучи напоготові до вимкнення SQ, натискається кнопка "Пуск" (SB). При цьому двигун почне розганятися і, якщо захист від перенапруги якоря справний, то після розгону до номінальної швидкості збудження зніметься контактором КМ2, і двигун зупиниться. Якщо ж захист не спрацює, то потрібно вчасно вимкнути живлення схеми.
Налагодження замкнутих систем слід проводити шляхом різкої зміни завдання швидкості, спостерігаючи за струмом збудження та швидкістю двигуна за допомогою електронного осцилографа. При цьому спочатку потенціометрами завдання моментів необхідно добитися в перехідних процесах пуску і гальмування рівності струму збудження номінальному значенню. Далі необхідно підібрати таку жорсткість зворотного зв'язку, щоб характер перехідних процесів без навантаження був з допустимою коливністю. Отримані результати слід замалювати з екрана осцилографа.
Швидкісні характеристики знімаються шляхом з показів напруги тахогенератора та вольтметра, підключеного паралельно до якоря двигуна.
Для отримання механічних характеристик знімаються покази амперметра та вольтметра в колі генератора навантаження при фіксованому його збудженні. Далі для визначення моменту навантаження використовують відомий з курсу електропривода метод балансу потужностей.
ЛІТЕРАТУРА
Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. – М.: Энергоиздат, 1981. – 144 с.
Ильинский Н.Ф. Выбор оптимального варианта нерегулируемого индуктивно-емкостного преобразователя для електропривода // Расчет и оптимизация систем стабилизированного тока. – К.: Наукова думка, 1976. – С. 40–52.
Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. – М,: Энергия, 1979. – 616 с.
Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. – М.: Энергоиздат, 1987. – 224 с.
Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с.
Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. – 392 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора