Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» Інститут енергозбереження та енергоменеджменту Кафедра автоматизації управління електротехнічними комплексами

Методичні вказівки до лабораторної роботи

Дослідження механічних характеристик системи «Сервоперетворювач - вентильний двигун»

з курсу: «Теорія електроприводу» для студентів спеціальності 8.092203 «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод»

ЗАТВЕРДЖЕНО на засіданні кафедри автоматизації  управління електротехнічними комплексами Протокол № від «_28_» _серпня_ 2012 р.

КИЇВ 2012

ЗМІСТ

1. Мета роботи

2. Теоретичні відомості

3. Завдання

4. Запуск і порядок роботи з системою

5. Зміст звіту

6. Контрольні питання

7. Література

Додаток А Вимірювач – регулятор двухканальний з RS485 ОВЕН ТРМ 202

Додаток Б Сервоперетворювач TSTA - 20C

1. Мета роботи

Аналіз та практичне дослідження механічних характеристик системи «сервоперетворювач-вентильний двигун»у швидкісному режимі.

2. Теоретичні відомості

На сьогодні найбільш енергоефективними є системи електроприводу на базі перетворювачів напруги з широтно-імпульсною модуляцією та синхронними двигунами з постійними магнітами. У синхронних машинах даного типу постійно направлене поле збудження утворюється за допомогою постійних магнітів. Синхронні машини з постійними магнітами (СДПМ) (PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor) не потребують зовнішньої системи збудження а і завдяки відсутності втрат на збудження мають високий ККД. Також їх надійність істотно вища, ніж в звичайних синхронних машин, в яких обмотка збудження, що обертається, і щітковий пристрій достатньо часто пошкоджуються. Конструкція синхронного серводвигуна вказана на рисунку 1.

Рисунок 1 – Повздовжній розріз синхронного двигуна з постійними магнітами

СДПМ мають трифазну обмотку на статорі з кількістю полюсів 2р, яка є аналогічною обмотці асинхронного двигуна, та закріплені на роторі постійні магніти кількістю полюсів також 2р (по р кожній магнітній полярності). Матеріал постійних магнітів має магнітну проникність, близьку до магнітної проникності повітря, і їх наявність не впливає на індуктивність обмотки статора.

Існує 3 режими роботи синхронного двигуна з постійними магнітами:

• кроковий режим;

• синхронний режим.

• вентильній режим.

Синхронний двигун, що має датчик зворотного зв’язку за положенням та працює в вентильному режимі іноді називають вентильним двигуном.

• Відмінності та переваги синхронного серводвигуна:

• Завдяки відсутності механічного колектора:

• повна безконтактність;

• висока надійність та відсутність в необхідності технічного обслуговування;

• Підвищена перевантажувальна здатність, що практично не залежить від швидкості;

• Висока допустима швидкість;

• Менший момент інерції (в 1.5 … 4 рази);

• Висока швидкодія;

• Можливість підвищення значення номінальної напруги та виключення понижуючого трансформатора;

• Менша вага (в 2 … 2.5 рази) та об’єм (1.2 … 2 рази);

• Вищий ККД;

• Завдяки оберненій конструкції електричної машини (обмотка на статорі, магніти на роторі) кращі умови теплообміну з навколишнім середовищем (втрати виділяються лише у статорі).

• На рисунку 2 криві допустимого момента вентильного двигуна.

Рисунок 2 - Основні параметри і характеристики серводвигунів

На рис.2. крива (1)визначає область розмагнічування постійних магнітів;крива (2) – область нагріву обмоток.

В якості датчика зворотного зв’язку за швидкістю та положенням для вентильного двигуна, можуть використовуватись:

- інкрементальний енкодер, суміщений з датчиком Холла, що визначає абсолютне положення ротора;

- абсолютний синусно-косинусний енкодер;

- револьвер (синусно-косинусний трансформатор, що обертається).

У більшості випадків схема керування електроприводом з СДПМ є двоконтурною підлеглого регулювання: з внутрішніми контурами складових струму статора, та зовнішнім контуром швидкості. Поточне значення положення ротора при цьому визначається за допомогою датчика Холла чи абсолютного енкодера.

Для аналізу та налагодження регуляторів току і струму використовується математична модель СДПМ в координатах ротора, що обертається, d-q. При цьому здійснюється перехід від координат нерухомого статора а-b, який зображено на рис.3.

Рисунок.3 - Перетворення з системи координат статора a-b в систему координат ротора d-q

При цьому структурна схема системи керування вентильним двигуном приймає вигляд, зображений на рис.4.

Рисунок 4 –Структурна схема електропривода системи СД ПМ

На рис.4 введені наступні позначення:

a -b – нерухома система координат орієнтована по осі фази«a» обмотки статора;

d-q – система координат, що обертається синхронно зпотокощепленням ротората оріентована зайго напрямом;

(3) - цифровое позначення нижчевказаної системи рівнянь:

(3)

Окрім перетворювачів координат система має також і перетворювачі фаз (з двух в три і навпаки). Необхідність в таких елементах повязана з тим що вектор має дві проекції, а кількість фаз статорної обмотки- три.

СП- сервоперетворювач;

СДПМ – синхронний двигун з постійними магнітами;

ДПР – датчик положення ротора (абсолютний датчик положення та швидкості);

РШ – регулятор швидкості;

РС – регулятор струму.

Для регулювання швидкості та моменту серводвигуна використовують сервоперетворювач.