СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Общая часть проекта 1.1 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором 6 1.2 Технический паспорт стенда

1. Описание работы асинхронного привода с инвертором 6SE7031 16

2. Электрическая схема и описание работы стенда для испытания асинхронного двигателя 17

3. Монтажная схема 18

4. Спецификация комплектующих 19

5. Инструкция по охране труда 23

6. Инструкция по эксплуатации стенда 24

2 Экономическая часть 26

3 Безопасность движения 30

Заключение 35

Литература 36

Графическая часть

1 Принципиальная электрическая силовая схема стенда

2 Монтажная схема цепей управления стенда

3 Расположение оборудования стенда

ВВЕДЕНИЕ

Электропривод – электромеханическая система, осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую, состоящая из взаимосвязанных и взаимодейст-вующих друг с другом электротехнических, электромеханических и механических устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов машин и механизмов и управления этим движением.

Электропривод сочетает в себе 2 функции: преобразование электрической энергии в механическую и управление параметрами механической энергии (мощность, усилие, крутящий момент, скорость, ускорение, путь и угол перемещения) с целью рационального выполнения технологического процесса.

Частотно-регулируемый электропривод состоит из трехфазного электродвигателя переменного тока и инвертора, который обеспечивает плавный пуск электродвигателя, его остановку, изменение скорости и направления вращения. Подобное регулирование улучшает динамику работы электродвигателя и, тем самым, повышает надежность и долговечность работы технологического оборудования. Более того, инвертор позволяет внедрить автоматизацию практически любого технологического процесса. При этом создается система с обратной связью, где инвертор автоматически изменяет скорость вращения электродвигателя таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне различные параметры системы, например, давление, расход, температура, уровень жидкости и т.п. За счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки, потребление электроэнергии в насосных, вентиляторных, компрессорных и др. агрегатах снижается на 40-50%, а пусковые токи, составляющие 600-700% от номинального тока и являющиеся бичом для пускорегулирующей аппаратуры, исчезают совсем. Таким образом, применение регулируемых электроприводов на основе частотных преобразователей позволяет создать новую технологию энергосбережения, в которой не только экономится электрическая энергия, но и увеличивается срок службы электродвигателей и технологического оборудования в целом.

Использование частотных преобразователей обеспечивает:

• полную защиту электродвигателя

• плавное регулирование скорости вращения электродвигателя практически от нуля до номинального значения при сохранении максимального момента на валу

• уменьшение потребления электроэнергии за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки

• плавный пуск электродвигателя с током, не превышающим номинального значения

• устранение пиковых нагрузок на электросеть и просадок напряжения в ней в момент пуска электродвигателя

• увеличение срока службы электродвигателя и оборудования

• повышение надежности, упрощение технического обслуживания

Очевидно, что для развития электрической тяги на железных дорогах необходимо осуществлять переход с тяговых двигателей постоянного тока на бесколлекторные двигатели. В СССР и России неоднократно пытались создать электроподвижной состав с тяговыми двигателями переменного тока. Опытные образцы указаны в таблице 1.

Таблица 1. Опытный электроподвижной состав СССР и России.

Наименование	Год постройки	Тип тягового двигателя	Изготовитель
ВЛ80В	1970	Вентильный	Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ)
ВЛ80А	1971	Асинхронный	НЭВЗ
ВЛ83	1976	Вентильный	НЭВЗ
ВЛ86Ф	1985	Асинхронный	НЭВЗ
ЭП200	1996	Синхронный	Коломенский тепловозостроительный зав од
ЭС250 «Сокол»	1999	Асинхронный	Российское открытое акционерное общество "Высокоскоростные магистрали" (РАО ВСМ)

В настоящее время эксплуатируется электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями разработанные либо российскими и иностранными компаниями совместно (ЭП10, ЭП20, 2ЭС10, опытный образец 2ЭС5), либо полностью зарубежными компаниями (ЭВС1/ЭВС2 «Сапсан», ЭС1 «Ласточка», Sm6 «Аллегро»).

В связи с этим изучение свойств бесколлекторного тягового привода, в том числе в лабораторных условиях является актуальной задачей.

Цель дипломного проекта – модернизация лабораторного стенда, предназначенного для изучения работы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором со статическими преобразователями.

Создаваемые стенды будут использованы для проведения лабораторных работ по дисциплине «Силовые электронные преобразователи».

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

1.1 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатель постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжение, был прост и дёшев. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щёточный аппарат и сравнительно дороги.

Асинхронные двигатели широко распространены, надёжны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию.

Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей не в последнюю очередь стал возможен в связи с появлением новой элементной базы - силовых модулей на базе IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанный на токи до нескольких килоампер, напряжением до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше.

Частотный способ регулирования скорости обладает такими преимуществами, как экономичность, диапазон регулирования, плавности и точности при высокой жесткости искусственных механических характеристик. Одновременно с регулированием решается и проблема пуска в приводах с большими моментами инерции и работающих в повторно-кратковременных режимах. Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в изменении частоты питающего напряжения при неизменном числе пар полюсов, изменяя тем самым угловую скорость магнитного поля статора. Возможность регулирования скорости асинхронного двигателя изменением частоты вытекает из выражения синхронной скорости:

, (1)

где w_o – синхронная скорость;

f₁ – частота питающего напряжения;

р – число пар полюсов.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя

В 1925 году М. П. Костенко сформулировал основной закон регулирования, который записывается следующим образом:

, (2)

Где M_ci, M_ck – моменты нагрузки при скоростях двигателя, соответствующих частотам f_i, f_k при фазных напряжениях U_i, U_k.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте нагрузки (Mс=const) напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока.

В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально не может быть равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно равна в диапазоне от 0 до 25-33 Гц.

Но наибольшее распространение получили преобразователи чаcтоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения.

Типы нагрузок

Требования к электроприводу определяются диапазоном требуемых скоростей и типом нагрузки.

Многие нагрузки могут рассматриваться как имеющие постоянный момент во всём диапазоне изменения скорости. К ним относятся, например, конвейеры, компрессоры и поршневые насосы.

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются центробежные насосы и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения.

Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности - вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. Теоретически снижение скорости на 10% даёт тридцати процентную экономию мощности.

Есть класс устройств (экструдеры, промышленные миксеры), у которых механическая характеристика близка к характеристике насосов и вентиляторов. Но особенность нагрузок такого типа состоит в наличии высокого пускового момента, который с увеличением скорости снижается, а затем, начиная с некоторого значения, характеристика становится квадратичной.

Кроме того, существует и большое число нагрузок с совершенно уникальными механическими характеристиками. Поэтому в любом случае выбору электродвигателя и преобразователя частоты должен предшествовать этап анализа характера нагрузки и её механической характеристики.

Режимы управления электродвигателем

В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателем и выходным напряжением.

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключёнными параллельно.

Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения, которая используется для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер.

Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжения/частоты (U/f2=const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.

Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других, более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления протокосцеплением (Flux Current Control - FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control - SVC).

Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателем, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав управления преобразователя.

Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC).

Если в двигателях постоянного тока имеются две обмотки (статорная, или возбуждённая и роторная, или якорная), что позволяет управлять раздельно скоростью вращения (ток возбуждения) и электромагнитным моментом (ток якоря), то в двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, через которую формируется возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем.

Выход остаётся один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором, однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени.

Эта задача может быть решена с использованием датчика положения. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставим с приводом постоянного тока, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.

Применение же современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путём использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчёт параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и. т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объём вычислений с очень высокой скоростью. Последнее обеспечивается применением в составе системы управления преобразователя специализированных интегральных схем ASIC.

Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечивать динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью. Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1%. Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.

Вместе с тем режим векторного управления не может быть использован для синхронных или реактивных синхронных двигателей, для группы двигателей, чья номинальная мощность меньше половины мощности преобразователя частоты или превышает его.

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока.

Режимы торможения электродвигателя и способы останова

Самый простой способ останова - выбег электродвигателя. Двигатель отключается от питающей сети и останавливается по инерции. При этом время до полного останова не регулируется и определяется инерционными свойствами двигателя и его нагрузки.

Регулируемое время торможения обеспечивает генераторный способ, заключающийся в том, что преобразователь с необходимой скоростью уменьшает выходную частоту до требуемого значения. При этом двигатель превращается в генератор, преобразуя кинетическую энергию вращения в электрическую.

В зависимости от типа выпрямляющего устройства энергия возвращается в первичную сеть либо накапливается в контуре преобразователя частоты. Во втором случае и в случае нагрузки с большим моментом инерции для рассеивания энергии может потребоваться применение внешнего тормозного сопротивления, подключение которого при возникновении опасного перенапряжения в промежуточном контуре преобразователя осуществляет специальная контролирующая схема.

Таким образом, преимуществом генераторного торможения является предсказуемое время и плавность останова, высокий тормозной момент. Недостаток же заключается в том, что энергия выделяется в преобразователе, и в случае быстрого останова или большого момента инерции нагрузки для избежания перегрева встроенного резистора контура постоянного тока преобразователя необходимо использование внешнего сопротивления.

Для того чтобы осуществить торможение постоянным током, или, иными словами, динамическое торможение, с обмотки статора двигателя снимают переменное напряжение и на одну или две фазы подают постоянное напряжение. При этом магнитное поле будет вызывать в начале замедление, а затем и удержание ротора в неподвижном состоянии.

Преимуществом динамического торможения является выделение электрической энергии в роторе двигателя, что делает ненужным использование тормозного сопротивления, и плавным останов. Но поскольку выходная частота преобразователем не контролируется, то время торможения становится величиной неопределённой. Эффективность торможения в этом случае по сравнению с генераторным методом составляет 30-40%.

При комбинированном способе торможения используется комбинация двух описанных способов, то есть на переменную составляющую выходного напряжения преобразователя накладывается постоянная составляющая. Этот способ торможения сочетает в себе преимущества обоих электрических способов торможения и позволяет эффективно тормозить электродвигатель за короткое время выделения тепла в преобразователе.

Структура частотного преобразователя Большинство  современных  преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования.  Они  состоят из следующих основных частей:  звена  постоянного  тока  (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления. Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя. В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

Принцип работы преобразователя частоты   Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя (В), автономного инвертора, системы  управления широтно-импульсной модуляции (ШИМ), системы автоматического регулирования, дросселя (Lв) и конденсатора фильтра (Cв) (рис.1).  Регулирование выходной частоты (fвых.) и напряжения  (Uвых.) осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2-15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Рисунок 1 Структурная схема преобразователя частоты

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 2). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна. Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным  (АР) за счет изменения входного напряжения (Uв)  и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисто-ры). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Рисунок 2 Формы кривой выходного тока и напряжения

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 3 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах. Она состоит из входного емкостного фильтра (Cф) и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.       За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение (Uв) преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.

И – трехфазный мостовой инвертор;

В – трехфазный мостовой выпрямитель;

Сф – конденсатор фильтра;

Рисунок 3 Трёхфазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах

1.2 Технический паспорт стенда

1.2.1 Описание работы асинхронного привода с инвертором 6se7031

Инвертор является устройством силовой электроники для питания трёхфазных электроприводов в диапазоне выходной мощности от 30 кВт до 2200 кВт.

Инвертор может эксплуатироваться от сети постоянного тока с напряжением в диапазоне параметров от 510 до 650 В.

При помощи инвертора из постоянного напряжения промежуточного звена методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) производится система трехфазного тока с переменной выходной частотой от 0 Гц и максимально до 600 Гц.

Питание внутренним напряжением 24 В DC обеспечивается встроенным блоком питания.

Устройство управляется внутренней электронной схемой регулирования, функции обеспечиваются программным обеспечением устройства.

Управление может осуществляться через панель управления оператора (PMU), удобную для пользователя панель управления оператора OP1S, клеммную колодку или через последовательный интерфейс системы ошиновки. Для этой цели устройство оснащено рядом интерфейсов и шестью гнездами для использования дополнительных (по желанию заказчика) блоков.

В качестве датчика электродвигателя могут использоваться импульсные датчики и аналоговые тахометры.

Рисунок 4 Структурная схема инвертора

1.2.2 Электрическая схема и

описание работы стенда

Лабораторный стенд предназначен для лабораторных работ по изучению частотного регулирования напряжения, а также регулирования частоты вращения вала двигателя переменного тока. Данная схема изображена на 1-м листе графической части.

Лабораторный стенд состоит из:

1. Маховичной установки, состоящей из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, тормозного генератора, редуктора и махового колеса;

2. Автономного инвертора напряжения фирмы «Siemens»;

3. Коммутационного шкафа, в котором осуществляются все переключения двигателей и преобразователей;

4. Генератора постоянного тока с приводным асинхронным двигателем и устройством плавного пуска;

5. Трехфазного трансформатора, подключенного к трехфазной электрической сети частотой 50 Гц напряжением 380 В через магнитные пускатели;

6. Реостат;

7. Пульта управления, на котором имеются контрольные точки для осциллографа, измерительные приборы, световая сигнализация, тумблеры подачи питания системе управления преобразователями, а так же кнопки «Пуск» и «Стоп» - для подачи питания и разрыва цепи управления;

8. Двух автотрансформаторов, с помощью которых регулируется выходное напряжение на генераторах.

1.2.3 Монтажная схема

Монтажную схему цепей управления лабораторного стенда мы можем увидеть на 2-м листе графической части. В этой схеме используется множество коммутационных приборов, подробности которых мы опишем:

1. Автоматические выключатели QF1 - QF2 – предназначены для подачи питания на пульт управления;

2. Выключатель SA – предназначен для подачи питания светодиода HL13;

3. Магнитный пускатель КМ1 – предназначен для подачи питания на лабораторные автотрансформаторы;

4. Магнитный пускатель КМ2 – предназначен для подачи питания на трехфазный трансформатор;

5. Лабораторные автотрансформаторы TV1-TV2 – предназначены для регулирования возбуждения на генераторах постоянного тока;

6. Трехфазный трансформатор TV3 – необходим для понижения напряжения до 90 В;

7. Резисторы R1-R13 – служат для создания сопротивления в цепи светодиодов;

8. Светодиоды HL1-HL13 – служат в качестве световой сигнализации пульта управления;

9. Тумблера S1-S10;

10. Питающий генератор постоянного тока G1;

11. Тормозной генератор G2;

12. Катушки магнитных пускателей LKM1-LKM3.