26.Автонастройка электропривода переменного тока. Идентификация, адаптация. Силовая схема. Элементы системы векторного управления.

Автоматическая настройка в системах управления асинхронного электропривода включает в себя внедрение преобразователей частоты, которые включают в свои функциональные возможности самонастройку регуляторов (автонастройка).

Для проведения автонастройки необходимо знать паспортные данные устанавливаемого двигателя. Затем в преобразователе выбирается режим автонастройки и после подачи команды запуска, процесс автонастройки системы запускается. Процесс длится 75 с и состоит из трех равных интервалов по 25 с. На первом интервале на каждую фазу двигателя последовательно подается постоянное напряжение, при этом ток нарастает ступенчато до 72% и затем до 92% от номинального тока двигателя. Полученные данные о величине и характере изменения тока позволяют определить значение активного сопротивления статора двигателя, а также провести настройку регуляторов тока преобразователя. На втором интервале ток в фазах А,В и С – синусоидальный с амплитудой 5% I_н двигателя, с частотой 4 Гц и смещен относительно нулевой оси на 15% I_н. Такой вид тока выбран с целью недопущения вращения оси ротора асинхронного двигателя. Полученные данные о токе могут быть использованы для нахождения значений индуктивностей статора и ротора, а также взаимной индуктивности. Третий интервал – ток в фазах А, В и С – синусоидальный с амплитудой 2.5% I_н двигателя, частотой 8 Гц и смещен относительно нулевой оси на 70% I_н. При этом ось ротора асинхронного двигателя остается неподвижной. Информация о токе используется для уточнения рассчитываемых значений индуктивности статора и ротора, а также взаимной индуктивности.

После проведения автонастройки и определения параметров двигателя, настраивается математическая модель асинхронного двигателя. В процессе проведения автонастройки определяются следующие параметры: активное сопротивление ротора, индуктивное сопротивление ротора, индуктивность рассеяния двигателя, коэффициенты регулятора тока и т.д.

Существуют следующие виды автонастройки:

1)Автонастройка без вращения – применяется только для векторного управления.

2)Автанастройка без вращения - служит для определения межфазного сопротивления. Может применятся в любом режиме регулирования. Такая настройка может использоваться для улучшения характеристик регулирования при большой длине кабеля, при изменении длины кабеля, а также в случае, когда двигатель и инвертор различаются по мощности.

Идентификация системы управления:

В екторное управление:

• Векторное регулирование магнитного потока

• Управление, ориентированное по полю

• Управление по вектору главного потокосцепления двигателя

• Управление по вектору потокосцепления статора

• Управление по вектору потокосцепления ротора

• Частотно-токовое векторное управление

Элементы системы векторного управления:

27.Одно- и двухфазные асинхронные двигатели. Передаточные функции и структурные схемы двухфазного асинхронного двигателя.

Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели.

Принцип действия однофазного двигателя. В однофазном асинхронном двигателе обмотка статора расположена в пазах, занимающих примерно 2/3 окружности, соответствующей паре полюсов (рис. 1, а). По этой причине мощность однофазного двигателя также составляет около 2/3 мощности трехфазного двигателя с теми же габаритными размерами.

Однофазная обмотка статора 2 создает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить в виде двух полей, вращающихся в разные стороны с частотой n1 (рис. 1,б). Поле 5, которое вращается в том же направлении, что и ротор 3, называется прямым полем; поле 6, вращающееся в противоположном направлении,— обратным полем. Эти поля, воздействуя на ротор, создают два противоположно направленных электромагнитных момента Мпр и Мобр. Следовательно однофазный асинхронный

Зависимости М(s) однофазного двигателя от прямого и обратного вращающихся полей

двигатель может быть представлен в виде двух совершенно одинаковых трехфазных двигателей, роторы которых тесно связаны друг с другом, а обмотки подключены к трехфазной сети так, что их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях.

Однако если ротор раскрутить в каком-либо направлении, то моменты Мпр и Мобр не будут равны. В этом случае на вал двигателя будет действовать некоторый результирующий момент Mрез, который обеспечит его дальнейшее вращение в заданном направлении. Объясняется это тем, что ток в обмотке ротора, созданный обратным полем, оказывает сильное размагничивающее действие и существенно ослабляет обратное поле.

Из анализа кривых М (s), показанных на рис. 2, следует, что:

однофазный двигатель не имеет начального пускового момента так как при s=1, т. е. при неподвижном роторе, результирующий момент Мрeз = 0;

частота вращения однофазного двигателя при холостом ходе меньше, чем у трехфазного двигателя, из-за наличия тормозящего момента Мобр. По этой же причине однофазный двигатель имеет худшие рабочие характеристики: меньший к. п. д., меньшую перегрузочную способность, повышенное скольжение при номинальной нагрузке.

Пусковые устройства. Чтобы получить пусковой момент, однофазные двигатели снабжают пусковой обмоткой Я, расположенной со сдвигом на 90° по отношению к основной рабочей обмотке Р (рис. 3,а и б). На период пуска пусковую обмотку присоединяют к сети через фазосдвигающие элементы — конденсатор или резистор. После окончания разгона двигателя пусковую обмотку отключают, и двигатель продолжает работать как однофазный. Поскольку пусковая обмотка работает лишь короткое время, ее изготовляют из провода меньшего сечения по сравнению с рабочей обмоткой и укладывают в меньшее число пазов.

Если использовать в качестве фазосдвигающего элемента конденсатор С (рис. 4, а), то можно получить режим работы при пуске, близкий к симметричному, т. е. получить круговое вращающееся поле.

При легких условиях пуска (небольшой нагрузочный момент в пусковой период) применяют двигатели с пусковым резистором R (рис. 4,б). Наличие резистора в цепи пусковой обмотки обеспечивает меньший сдвиг фаз ?1 между напряжением и током в этой обмотке, чем сдвиг фаз ?2 в рабочей обмотке. В связи с этим

токи в рабочей и пусковой обмотках оказываются сдвинутыми по фазе на угол ?1 – ?2 и образуют несимметричное (эллиптическое) вращающееся поле, благодаря чему и возникает пусковой момент. Однофазные двигатели с конденсаторным пуском и двигатели с пусковым резистором имеют высокую эксплуатационную надежность.

Поскольку включение второй обмотки существенно улучшает характеристики двигателя, в некоторых случаях применяют двухфазные двигатели, в которых обе обмотки включены постоянно. Если сдвиг по фазе 90° между токами в фазах А и В (рис. 5) осуществляется путем включения в одну из них конденсаторов, то такие двигатели называются конденсаторными.

В двухфазных двигателях обе обмотки А и В занимают, как правило, одинаковое число пазов и имеют равную мощность. При пуске конденсаторного двигателя рационально иметь увеличенную емкость Ср + Сп. После разгона двигателя и уменьшения тока часть конденсаторов Сп отключают, чтобы увеличить емкостное сопротивление и при номинальном режиме (когда ток двигателя становится меньшим, чем при пуске) обеспечить режим работы двигателя в условиях, близких условиям работы при круговом вращающемся поле.

Устройство. Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели устроены также, как и трехфазные: в них имеются однофазные или двухфазные обмотки статора и короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой (рис. 6, а). Широкое распространение получили однофазные двигатели с полым немагнитным ротором (рис. 6, б) и внешним статором, на котором расположены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. Ротор выполнен в виде тонкостенного полого цилиндра из алюминия. Для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода двигателя имеется внутренний статор, набираемый из листов электротехнической стали, так же, как и внешний статор.

Полый ротор можно представить в виде совокупности элементарных проводников. Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, индуцирует в каждом элементарном проводнике полого ротора э. д. с, под действием которой по ним протекают вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся полем возникают электромагнитные силы и вращающий момент.

Вопрос №30 Асинхронный тахогенератор

Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение (рис. 1).

Р ис. 1. К вопросу о принципе действия асинхронного тахогенератора

Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в следующем. (Для упрощения качественного анализа примем полый ротор состоящим из конечного числа витков, замкнутых на торцах).

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты fВ возникает пульсирующий магнитный поток ФВ, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС - ЕТ (показана внутри ротора) и ЭДС вращения - ЕВР(показана снаружи ротора). В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток ФТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку ФТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые создают свой поток ФВР. Он, пульсируя по оси генераторной обмотки, и наводит в ней выходную ЭДС.

При подключении нагрузки выходное напряжение UГ станет меньше ЭДС ЕГ на величину внутреннего падения напряжения IГZГ

В общем случае асинхронный тахогенератор (АТГ) представляет несимметричную двухфазную машину, которую можно исследовать методом симметричных составляющих, что приводит к следующему выражению выходной характеристики

где: k = WЭГ/WЭВ - коэффициент трансформации АТГ; - напряжение возбуждения; n = n/n1 - относительная частота вращения; - комплексные коэффициенты, зависящие от величины и характера нагрузки ZН, от параметров схемы замещения АТГ.

Как следует из выражения , выходное напряжение UГ не является линейной функцией относительной угловой скорости вращения n. Нелинейность создает квадратичная зависимость Вn2. Если Вn2 = 0, то UГ становится пропорциональным n, а тахогенератор считается идеальным. При проектировании АТГ выражение Вn2стремятся уменьшить как за счет уменьшения n так и за счет уменьшения В.

Так как n1 = 60f/р, то с целью уменьшения n тахогенераторы проектируют на большую частоту f. Правда при этом не уменьшают р, поскольку при р > 1, слабее проявляется магнитная несимметрия машины. Обычно р = 2.

Комплексный коэффициент В :

где ZCB - полное сопротивление обмотки возбуждения статора АТГ. Ясно, что с увеличением rP, коэффициент В будет уменьшаться. Вот почему ротор АТГ выполняют из материала с высоким удельным сопротивлением (фосфористой или марганцевой бронзы, манганина и др.)! Повышению линейности выходной характеристики способствует и работа при больших сопротивлениях нагрузки ZH. К уменьшению k и ZCB обычно не прибегают т.к. первое снижает крутизну выходной характеристики, а второе - увеличивает габариты АТГ.

Вопрос №31. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор. Первичное и вторичное симметрирование.

Выходные напряжения. На статоре этого трансформатора расположены обмотки В и К, а на роторе — обмотки S и С (см. рис. 1).Рис. 1. Принципиальная схема четырехобмоточного вращающегося трансформатора

При холостом ходе напряжения на синусной S и косинусной С обмотках ротора равны соответствующим ЭДС:

U_S0 = E_S0 = kЕ_в sin θ; U_C0 = E_C0 = kЕ_в cos θ,

т.е. изменяются по требуемым законам. Аналогичный режим работы возникает в случае, когда нагрузка синуснокосинусного 

Векторная   диаграмма МДС при  подключении нагрузки  к  синусной обмотке

трансформатора представляет собой электронное устройство с большим входным сопротивлением.

Если к синусной обмотке S подключить некоторую нагрузку Z_н S , то по обмотке пойдет ток

Í_S = É_S /(Z_S + Z_нS ),

где Z_S — сопротивление обмотки S, которое считаем постоянным.

Ток I_S создает МДС ротора F_S . Как видно из рис. 2, ось этой МДС совпадает с осью фазы S , поэтому ее можно представить в виде суммы двух составляющих: продольной F_Sd = F_S sin θ и поперечной F_Sq = F_S cos θ. Продольная составляющаяF_Sd создает в обмотке возбуждения В компенсирующий ток, МДС которого F_в , так же как и в двухобмоточном трансформаторе, компенсирует действие F_Sd . Результирующий продольный поток Ф_d индуцирует ЭДС в обмотке S

E_Sd = kE_в sinθ.

Поперечная составляющая F_Sq создает во вращающемся трансформаторе поперечный поток Ф_q. Относительно поперечного потока Ф_q обмотка S является косинусной и, следовательно, в ней индуцируется ЭДС

E_Sq = 4,44f₁ w₂ k_o62 Ф_qm cos θ = CF_S cos² θ,

где С — постоянная.

Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке кроме требуемой ЭДС, пропорциональной синусу угла поворота θ, индуцируется ЭДС, пропорциональная току нагрузки и квадрату косинуса θ. Эта добавочная составляющая ЭДС вызывает появление погрешностей. Аналогично в косинусной обмотке при нагрузке поперечным потоком Ф_q индуцируется добавочная ЭДС E_Cq , пропорциональная току нагрузки и квадрату синуса θ, которая также вызывает появление погрешностей.

Для устранения погрешности вращающегося трансформатора, обусловленной поперечным потоком Ф_q , применяют так называемое симметрирование трансформатора, т. е. компенсацию поперечного потока ротора. Существует два способа симметрирования: вторичное (со стороны ротора) и первичное (со стороны статора).

Рис. 3. Схема синусно-косинусного трансформатора со вторичным симметрированием и диаграмма МДС, создаваемых обмотками ротора

Вторичное симметрирование. Для уменьшения погрешности выходного напряжения, снимаемого с синусной обмотки, подключают к косинусной обмотке сопротивление Z_нС (рис. 3, а). В этом случае ток, проходящий по обмотке С, создает МДС F_С , которую можно представить, так же как и МДС F_S , в виде векторной суммы двух составляющих (рис. 3,б): продольной F_Сd = F_С cos θ и поперечной F_Cq = F_С sin θ. Продольная составляющая F_Cd совпадает по направлению с F_Sd , a поперечная составляющая F_Cq направлена против F_Sq . При F_Cq = F_Sqпоперечный поток Ф_q = 0. Следовательно, не возникает и погрешность, обусловленная этим потоком. Сопротивление Z_нС, при котором обеспечено полное симметрирование, можно определить из условия

F_S cos θ = F_C sin θ

или с учетом значений F_S и F_C

Z_S + Z_нS = Z_C + Z_нC ,

т. е. полное симметрирование наблюдается при равенстве комплексных сопротивлений в цепи обмоток S и С ротора, т. е. их активных и реактивных составляющих. При вторичном симметрировании компенсируются МДС по поперечной оси; кроме того, ток I_в в обмотке возбуждения поворотного трансформатора не зависит от угла поворота, так как в формулу для результирующей продольной составляющей МДС ротора F́_2d = F́_Sd + F́_Cd (определяющей силу тока I_в) не входит какаялибо функция угла θ:

F́2d = F́S sin θ + F́C cos θ =

0,9kÉв w2 kоб2 sin θ ZS + ZнC

sin θ +

0,9kÉв w2 kоб2 cos θ ZC + ZнC

cos θ =

0,9kw2 kоб2 Z2 + Zн

Éв ,

где Z₂ = Z_S = Z_C ; Z_н = Z_нS = Z_нC .

В результате уменьшается погрешность поворотного трансформатора.

Рассмотренный метод симметрирования практически применим только при постоянном сопротивлении нагрузки, что является его недостатком.

Первичное симметрирование. Для уменьшения погрешности выходного напряжения снимаемого, например, с обмотки S (рис. 4, а), компенсационную обмотку К статора замыкают на какое-либо малое сопротивление Z_K или накоротко. В этом случае по поперечной оси вращающегося трансформатора действует результирующая МДС

F_q = F_Sq + F_K ,

где F_K — МДС, создаваемая компенсационной обмоткой.

Так как обмотка К относительно поперечного потока Ф_q представляет собой замкнутую накоротко вторичную обмотку трансформатора, то ее МДС F́_K направлена против МДС F́_Sq«первичной» обмотки, и результирующая МДС F_q , так   же   как   и   в   трансформаторе   тока, значительно

Рис, 4. Схемы синусно-косинусных вращающихся трансформаторов

меньше МДС F_Sq . Поэтому поперечный поток Ф_q и вызванная им погрешность резко уменьшаются. При изменении нагрузки, подключенной к обмотке ротора, МДС F_K изменяется примерно пропорционально МДС F_Sq , вследствие чего степень компенсации поперечного потока остается практически неизменной. Это является достоинством данного метода симметрирования. Однако при изменении угла поворота ротора θ изменяется ток I_в в обмотке возбуждения и при заданном напряжении Ú_в изменяется ЭДС É_в . В результате появляется дополнительная погрешность в значении выходных напряжений Ú_S и Ú_C на зажимах синусной и косинусной обмоток. Поэтому во вращающихся трансформаторах обычно применяют одновременно первичное и вторичное симметрирование (рис.4,б). Рассмотренные методы компенсации поперечного потока Ф_q позволяют использовать в качестве выходной как синусную, так и косинусную обмотки. Поэтому вращающийся трансформатор, включенный по схеме, изображенной на рис. 4,б, называют синусно-косинусным.

• (вопрос 32) Линейный режим работы поворотного трансформатора.

• Известно, что синус малого угла равен самому углу. Поэтому с погрешность 0,1% можно считать, что СКПТ обеспечит линейную зависимость U = ka в диапазоне a = ±4,5^о. Если допустить погрешность 1%, диапазон увеличится доa= ±14^о. Однако в гораздо более широком интервале углов линейную зависимость U = ka реализует функция

• 

• При k = 0,5 ее можно представить в виде степенного ряда

• 

• члены которого быстро убывают. С погрешность 1% можно ограничиться только линейным коэффициентом этого ряд в диапазоне углов ±60^о.

• 

• Рис.1. Схема ЛПТ с первичным симметрированием

• Подбором коэффициента в пределах k = 0,52¸0,56 точность аппроксимации можно довести до 99, 9% в диапазоне углов ±55^о.

• Наиболее распространенная схема линейного поворотного трансформатора представлена на рис.1, из которой видно, что это схема с первичным симметрированием. Следовательно, можно принять Ф_q = 0 и при анализе процессов в ПТ учитывать только продольный поток Ф_d.

• Если пренебречь внутренним падением напряжения в обмотках

• 

• Отсюда

• 

• Выходной сигнал

• 

• Из последней формулы видно, что при проектировании СКПТ следует коэффициент трансформации выбирать в пределах 0,52¸0,56.