
- •Курс лекций по дисциплине «Электрический привод»
- •1 Механическая часть силового канала электропривода. Математическое описание. Динамическое моделирование механической части силового канала электропривода
- •1.1 Механическая часть силового канала электропривода. Обобщенная графическая модель (совместная механичная характеристика электропривода)
- •1.2 Двухмассовая модель, как объект управления (аналоговый вариант)
- •1.2.1 Динамическая модель двухмассовой системы в переменных «входы-выходы». Структурная схема динамической модели
- •1.2.2 Структурная схема двухмассовой механической системы, как звена входящую в более сложную систему. Преобразования структурных схем
- •1.2.3 Метод пространства состояния. Представление двухмассовой системы в переменных состояния
- •1.3 Одномассовая механическая модель силового канала электропривода
- •1.3.1 Одномассовая механическая модель как объект управления (аналоговый вариант). Динамическая модель одномассовой механической системы в переменных «входы-выходы»
- •2.1 Обобщенная электрическая машина. Координатные и фазные преобразования
- •2.2 Дпт с нв. Основные уравнения. Механические характеристики
- •2.2.1 Электромеханические характеристики дпт с нв в двигательном режиме
- •2.2.2 Механические характеристики дпт с нв при пуске
- •2.2.3 Механические характеристики дпт с нв в тормозных режимах
- •1) Рекуперативное;
- •2) Противовключением;
- •3) Динамическое.
- •Рекуперативное торможение
- •Торможение противовключением
- •Динамическое торможение
- •2.2.4 Дпт с нв, как объект управления. Динамическая модель дпт с нв в переменных «входы-выходы». Аналоговый вариант
- •2.2.5 Энергетические режимы в эп с дпт с нв
- •1. Режим хх.
- •4. Режим противовключения
- •2.3 Механические характеристики двигателей последовательного возбуждения
- •2.3.1 Механические характеристики дпт пв в двигательном режиме
- •2.3.2 Пусковой режим двигателя последовательного возбуждения
- •2.3.3 Тормозные режимы дпв. Механические характеристики дпв в тормозном режиме
- •2.4 Дпт смешанного возбуждения
- •2.5 Ад. Механические характеристики ад при различных режимах работы
- •2.5.1 Построение механических характеристик с использованием формулы Клосса
- •2.5.2 Пуск ад
- •2.5.3 Тормозные режимы ад. Механические характеристики в тормозном режиме
- •Рекуперативное торможение
- •Режим противовключения. Торможение противовключением
- •Динамическое торможение
- •2.5.4 Моделирование эп с ад. Асинхронный двигатель, как объект управления. Динамическая модель ад в переменных «входы - выходы»
- •2.5.5 Динамическая модель ад в переменных состояния. Математическое описание обобщенной асинхронной машины
- •2.5.6 Преобразователи координат и фаз
- •2.5.7 Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором
- •2.5.7.1 Анализ ад с кзр в неподвижной системе координат
- •2.5.7.2 Анализ ад с кзр во вращающейся системе координат
- •2.6 Синхронный электродвигатель. Механические характеристики сд в различных режимах работы. Механические характеристики сд в двигательном режиме. Угловая характеристика сд
- •2.6.1 Пуск сд. Механические характеристики в пусковом режиме
- •2.6.2 Тормозные режимы сд. Механические характеристики сд в тормозных режимах
- •2.6.3 Синхронный эд, как объект управления. Динамические модели синхронного эд и синхронный эп в переменных «входы-выходы»
- •3 Переходные процессы в эп
- •3.1 Электромеханические переходные процессы и их анализ
- •3.1.1 Решение уравнения движения при постоянном динамическом моменте
- •3.1.2 Решение уравнения движения при линейно изменяющемся динамическом моменте
- •3.1.3 Решение уравнения движения при нелинейно изменяющемся динамическом моменте и при постоянном моменте сопротивления
- •3.1.4 Решение уравнения при нелинейно-изменяющемся динамическом моменте и при изменяющемся моменте сопротивления
- •3.2 Анализ электромеханических переходных процессов
- •3.2.1 Нагрузочные диаграммы эп
- •1) Непрерывные
- •3.2.2 Расчет и построение нагрузочных диаграмм эп
- •3.2.3 Анализ нагрузочных диаграмм эп
- •3.3 Тепловые переходные процессы в эп
- •3.3.1 Уравнение теплового баланса эп
- •3.3.2 Постоянная времени нагрева
- •3.3.3 Допустимое превышение температуры двигателя. Классы изоляции
- •3.4. Динамическая тепловая модель эд в переменных «входы-выходы»
- •3.5 Выбор мощности эд. Номинальные режимы работы эп по нагреву
- •3.5.1 Выбор мощности эд для различных режимов работы
- •1. Выбор эд по нагреву.
- •2. Проверка по допустимой механическое перегрузке.
- •3. По возможности запуска.
- •3 Этап: Поверка по возможности запуска.
- •3.5.2 Выбор мощности эд для кратковременного режима работы
- •3.5.3 Выбор мощности эд для повторно-кратковременного режима работы
- •4 Регулирование «координат» эп
- •Регулирование скорости вращения в эп
- •4.1 Регулирование скорости дпт с нв
- •2. Регулирование магнитным потоком
- •3. Регулирование напряжением на зажимах якоря
- •Регулирование скорости вращения дпт с нв изменением напряжения подводимого к якорю
- •4.2 Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением
- •3. Регулирование изменением магнитного потока
- •3.1. Регулирование скорости дпт пв шунтированием оя.
- •3.2. Регулирование скорости шунтированием ов.
- •4.3 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
- •4.3.1 Регулирование скорости вращения ад изменением действующего значения напряжения, подводимого к статору
- •4.3.2 Регулирование скорости вращения ад изменением числа пар полюсов двигателя
- •4.3.3 Частотное регулирование скорости вращения ад. Принципы и законы частотного регулирования
- •1.Электромашинный пч
- •Особенности частотного регулирования сд
- •4.3.4 Регулирование скорости вращения ад введением добавочного эдс в цепи ротора (каскадное регулирование)
- •Классификация схем каскадного регулирования
- •5 Энергетическая эффективность эп
- •Случай разноправленного потока энергии
- •5.2 Обобщенный критерий энергетической эффективности
- •5.3 Коэффициент мощности
- •6 Надёжность эп. Основные понятия, критерии надёжности
- •6.1 Показатели надёжности
- •6.2 Расчёт показателей надёжности
4.3.4 Регулирование скорости вращения ад введением добавочного эдс в цепи ротора (каскадное регулирование)
Побудительной причиной применения каскадного способа регулирования АД является возможность полезного использования так называемый энергии скольжения присущей этим двигателям.
Расшифруем понятия энергии скольжения. В общем, виде энергетический баланс АМ может быть представлен в виде:
где -электрическая мощность потребляемое АД из сети, которую за вычетом незначительных потерь в статоре можно представить:
-
полезная механическая мощность,
отдаваемая двигателем механизму, которую
можно выразить:
- потери мощности в двигателе
-
та часть энергии, которая передается
ротору (энергия скольжения).
.
Уравнение энергетического баланса является алгебраическим, т.е. в нем за исключением все члены могут изменить свой знак в зависимости от режима работы ЭП (двигательный, генераторный, все тормозные режимы).
Мощность скольжения у АД в двигательном режиме составляет величину до 18% от .
Применительно к мощным ЭП с АД возможность
использования этих 18% представляется
весьма привлекающей и перспективной.
Очевидно, что такая возможность может
быть реализована, только у АД с фазным
ротором, у которых энергия скольжения
ротора может быть транспортирована
либо в питающую электрическую сеть в
виде электрической, либо на вал самого
двигателя в виде механической. При этом
регулирование скорости вращения АД
осуществляется посредством введения
в цепь ротора так называемой добавочной
ЭДС
.
Со стороны преобразователя в цепи
ротора, который называется каскад. Если
записать уравнение равновесия для цепи
ротора, то оно будет иметь следующий
вид:
- напряжение на кольцах ротора
- ЭДС индуцируемое в роторный цепи
- скольжение
-
полное сопротивление в цепи ротора
- ток ротора
Решив это уравнение относительно скольжения получим:
С учетом
:
Таким образом
,
можно воздействовать на скольжение и
как следствие на
.
Классификация схем каскадного регулирования
В общем случае, преобразователь, включенный в цепь ротора, называется каскад, и представляет совокупность 2-х преобразовательных блоков.
-
преобразует переменное напряжение на
кольцах ротора в постоянное выпрямленное
напряжение.
-
преобразует постоянное напряжение с
выхода
в :
а) переменное 3-х фазное напряжение, подключаемое к питающей сети, что даёт возможность транспорта скольжения.
б) постоянное напряжение с выхода в механическую энергию, возвращающуюся на вал регулируемого двигателя. Поэтому по способу преобразования энергии скольжения все каскады можно разделить на 2 вида:
1. электрические
2. электромеханические
Кроме того, в ряде случаев для улучшения показателей каскадного регулирования, примет так называемое комбинированное регулирование, в которых энергия скольжения частично преобразуется в электрическую энергию возвращающуюся в питающую сеть, частично в механическую - отдаваемую на вал двигателя. Структурную схему электрического каскада можно представить следующим образом:
Рис.123 Структурная схема электрического каскада
В электрическом каскаде управляющее воздействие с целью регулирования скорости вращения приводного двигателя вносится в преобразователь . Управляющее воздействия транспортируется через преобразователи и .
Рис.124 Структурная схема электромеханического каскада
Управляющее воздействия вносится в преобразующий элемент и соответственно транспортируется через в виде добавочной ЭДС
Технические средства, с помощью которых происходит реализация каскадного регулирования.
По этому признаку различают:
1. вентильные каскады. В этом случае преобразователи и представляют из себя статические полупроводниковые устройства.
-выпрямитель
- инвертор
2. вентильно-машинные каскады. В этом случае один из преобразователей является статическим, а 2-й либо электрошинным, либо сочетанием статического преобразователя с электромашинным либо сочетанием 2-х электрических машин.
Т.о. классификация каскадных схем регулирования может быть представлена следующим образом:
1. электрический вентильный каскад
электрический вентильно-машинный каскад
3. электромеханический вентильно-машинный каскад.
4. комбинированный вентильно-машинный каскад
Для того чтобы представить себе вид регулировочных механических характеристик при каскадном регулировании, запишем уравнение для тока на выходе преобразователя (выпрямителя).
где
-ЭДС
наведенная в фазе обмотки ротора при
(ротор
неподвижен).
- добавочное, ЭДС вводимая на кольца ротора со стороны каскада
-
потери напряжения в каскаде.
-
эквивалентное, активное сопротивление
каскада. Если пренебречь потерями
напряжения в каскаде
,
а так же учесть, что ЭДС на кольцах
неподвижного ротора
практически
равно напряжению на обмотках ротора
,
то для режима идеализированного
Х.Х.двигателя, т.е. при отсутствии нагрузки
на его валу, когда ток в ОР
,
а следовательно и
,
получим:
В этом выражении:
-
так называемое скольжение каскада в
режиме идеализированного х.х. Отсюда
получим выражение для угловой скорости
при каскадном регулировании:
-
угловая скорость идеального Х.Х. каскада
- угловая скорость идеального Х.Х. двигателя – угловая скорость ВМП – (синхронная скорость).
С учётом этого семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании будет иметь вид:
Рис.125 Семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании
Показатели качества:
1. напряжение: однозонное вниз
2. плавность: зависит от вида каскада, в любом случае высокая
3. допустимая нагрузка на валу: регулирование при постоянном моменте
4. стабильность: высокая, но ниже при частотном регулировании
5. энергетические показатели:
КПД всегда высокое: зависит от вида каскада, но в целом не высокий
6. диапазон регулирования: теоретически может быть любым, но практически не превышает 2:1 Т.к. в дальнейшем при увеличении диапазона существенно ухудшаются массогабаритные показатели.
Т.о. главным преимуществом каскадного регулирования является экономия электрической энергии, поэтому целесообразность использования таких ЭП определяется мощностью. Поэтому каскадное регулирование применяют в ЭП менее 1.5 МВт.