Автоматизированный электропривод тепловых сетей. Практикум
.pdfСЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
И.И. Алиев
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
Практикум
Москва Ай Пи Ар Медиа
2026
УДК 681.521.6
ББК 31.291 А50
Рецензент:
Шелест В.А. — канд. техн. наук, доц., зав. кафедры ЭиИТ
Алиев, Исмаил Ибрагимович.
А50 Автоматизированный электропривод тепловых сетей : практикум / И.И. Алиев ; Северо-Кавказская государственная академия. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2026. — 28 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-5169-0
Практикум содержит описание лабораторных работ по исследованию асинхронных электроприводов с частотным регулированием. Цель работ — изучение методов управления асинхронными электродвигателями и их характеристик при различных режимах работы. Практическая часть включает задания, направленные на исследование характеристик двигателя при линейном и квадратичном управлении, построение графиков зависимостей и анализ полученных результатов.
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по укрупненной группе направлений подготовки высшего образования «Электро- и теплоэнергетика», изучающих дисциплины «Автоматизированный электропривод», «Автоматизация тепловых процессов».
Учебное электронное издание
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
ISBN 978-5-4497-5169-0 |
© Алиев И.И., 2013 |
|
© ФГБОУ ВО «Северо-Кавказская |
|
государственная академия», 2013 |
|
© Оформление. |
|
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2026 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Способы управления |
|
асинхронным электродвигателем .................................................................. |
4 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. Регулирование скорости |
|
трехфазного асинхронного двигателя при постоянных |
|
параметрах источника питания.................................................................... |
18 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. Исследование асинхронного |
|
электропривода с регулируемой частотой вращения ................................ |
24 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ...................................................................... |
28 |
3
Лабораторная работа № 1
СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
I. Цель работы
1.Ознакомиться с современными методами регулирования частоты
васинхронном электроприводе.
2.Приобрести практические навыки по программированию преобразователей частоты.
3.Изучить методики определения постоянных потерь в асинхронном электродвигателе при частотном управлении.
4.Экспериментально подтвердить теоретические знания, полученные на лекциях и практических занятиях.
II. Программа работы
1.Ознакомиться с основными элементами универсального стенда и их назначением.
2.Изучить основные команды и алгоритмы настройки преобразователя частоты.
3.Произвести программирование выводимых на дисплей параметров работы двигателя, режимов работы и режимов управления преобразователем частоты.
4.Произвести испытания двигателя на холостом ходу при различных частотах питающего напряжения для линейного и квадратичного способов регулирования частоты.
5.Произвести расчет постоянных потерь в двигателе для различных способов регулирования.
III. Краткие теоретические сведения
Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора двигателя, переключение числа пар полюсов, а также изменение частоты питающего напряжения.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора возможно только для двигателя с фазным ротором. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению.
Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью от-
4
носительно простых технических средств и схем управления. Но такой способ регулирования сопряжен с существенным снижением пускового и критического момента
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключением числа пар полюсов можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
При реализации этого способа управления используется зависимость синхронной скорости n1 (скорости вращения магнитного поля статора) от частоты источника питания fп :
n1 = 60 fп / р,
где р - число пар фиктивных полюсов.
Частота вращения ротора двигателя не совпадает с частотой вращения магнитного поля. Она всегда несколько меньше и определяется выражением
n2 = n1 (1 – s),
где s - скольжение.
Скольжение зависит от нагрузки на двигатель. При увеличении нагрузки скольжение также увеличивается, однако величина его в диапазоне рабочих нагрузок остается малой. При номинальном моменте скольжение составляет s = 0,03- 0,12.
Чтобы изменить частоту вращения асинхронного двигателя, изменяют частоту напряжения, питающего его статорные обмотки.
Для регулирования частоты в современном электроприводе широко применяют преобразователи частоты (ПЧ), которые преобразуют переменный ток с постоянными значениями Uc, fc в переменный ток с регулируемыми значениями Uп, fп.
Преобразователи частоты позволяют решать широкий спектр практических задач: осуществление плавного пуска и электрическое торможение двигателя, регулирование частоты вращения, реверсирования, обеспечивают существенную экономию электроэнергии.
5
На рисунке 1.1 представлена структурная схема электропривода с преобразователем частоты. Питание на ПЧ подается от трехфазной или однофазной сети промышленной частоты (1).
Неуправляемый диодный выпрямитель (блок 2) обеспечивает питание инвертора (блок 4) и цепей управления. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром (звеном постоянного тока) в блоке 3.
Инверторный блок (блок 4), выполненный на IGBT-модуле, формирует из постоянного напряжения блока 2 трехфазное выходное напряжение посредством широтно-импульсного модулирования (ШИМ). В обмотках двигателя (блок 5) формируется синусоидальный ток соответствующей частоты и напряжения. Контроллер 6, представленный в виде пульта управления БОП (базовая операционная панель), позволяет программировать все режимы работы ПЧ с выводом соответствующей информации на жидкокристаллический дисплей.
Рисунок 1.1– Структурная схема электропривода с преобразователем частоты (а) и диаграммы напряжений на блоках электропривода б)
Изменение частоты питающего напряжения необходимо совмещать с регулированием напряжения. Если напряжение сети U1 постоянно, то при изменении частоты напряжения будет изменяться магнитный поток в соответствии выражением
U1 = E1 = СE f Фm .
6
То есть при уменьшении частоты будет возрастать магнитный поток. При увеличении магнитного потока магнитная система перейдет в режим магнитного насыщения, что приведет к увеличению тока холостого хода и потерь в стали магнитопровода. При уменьшении потока возрастет ток ротора, что приведет к его повышенному нагреву и увеличению потерь мощности.
Существуют различные способы регулирования напряжения и частоты в зависимости от требований, предъявляемых к двигателю.
Если тормозной момент на валу двигателя не изменяется, то частоту и напряжение изменяют так, чтобы магнитный поток в машине оставался неизменным, т.е. подводимое к двигателю напряжение необходимо изменять пропорционально его частоте, чтобы отношение напряжения к частоте оставалось постоянным (U/ f = const).
Такой способ регулирования двигателя, когда напряжение изменяется прямо пропорционально частоте называется линейным управлением. Механические характеристики для этого случая выглядят так, как это показано на рис. 1.2, а. При этом критический (максимальный) момент двигателя Ммах остается неизменным.
Если к асинхронному электроприводу предъявляются требования по энергосбережению, то используется способ регулирования при котором напряжение изменяется в функции U2/ f = const. Это так называемое квадратичное управление. В этом случае критический момент возрастает по мере уменьшения частоты, тогда как мощность остается примерно постоянной во всем диапазоне регулирования. Механические характеристики в этом случае имеют вид, представленный на рис. 1.2, б.
Рисунок 1.2– Механические характеристики асинхронного электродвигателя при различных способах управления: а) линейное управление; б) квадратичное управление
В некоторых случаях управления применяют специальное (многоточечное) программирование, которое здесь не рассматривается.
7
IV. Лабораторная установка
В основу универсального лабораторного стенда положена комплектная установка Сименс 0110. Стенд содержит: панель, на которой смонтированы трехфазный асинхронный электродвигатель, преобразователь частоты, разъем для подключения установки к однофазной сети, переключатели аналого-цифрового управления и разъемы для подключения установки в локальную компьютерную сеть.
Нагрузка на валу исследуемого электродвигателя, имитирующая статический момент сопротивления приводного механизма, создается фрикционным устройством, позволяющим изменять ее в широких пределах.
На рисунке 1.3 показан общий вид универсального стенда, с расположенным на нем оборудованием.
Программирование параметров работы преобразователя и управление асинхронным двигателем осуществляется с помощью пульта управления БОП (базовая операционная панель) (рис. 1.5).
Паспортные данные исследуемого электродвигателя:
Номинальные напряжения при частоте 50 Гц |
220 В(А) /380В(У) |
Номинальная мощность Рн |
120 Вт |
Номинальный ток |
0,75/0,43 А |
Номинальная частота вращения ротора n2н |
1365 об/мин |
Коэффициент полезного действия ηн |
65 % |
Коэффициент мощности |
0,65 |
Поскольку в лаборатории по условиям техники безопасности допустимое на стендах напряжение должно быть не выше 220 В, то обмотки статора электродвигателя должны быть включены по схеме "треугольник".
8
Рисунок 1.3 – Внешний вид стенда для исследования способов регулирования скорости асинхронного двигателя: 1- преобразователь частоты со встроенным пультом управления, 2 – асинхронный двигатель, 3- разъем для подключения компьютера, 4- разъем для подключения к локальной сети, 5- элементы ручного управления двигателем, 6 – нагрузочное устройство
Рисунок 1.4 – Схема проведения исследований
9
Схема содержит два ваттметра РW1 и РW2, позволяющие измерять мощность, потребляемую трехфазным асинхронным двигателем. Токовые обмотки ваттметров включаются на 1 А, обмотки напряжения на 300 В.
Частота вращения электродвигателя измеряется фототахометром ИТ5-Ч.
Рисунок 1.5 – Внешний вид пульта управления (БОП): кнопки пульта управления: I – пуск; 0 - стоп; FN- (длительное нажатие – вызов программируемого параметра); Р – вызов номера программируемого параметра; ▲ - увеличение программируемого параметра; ▼ – уменьшение программируемого параметра; JOG – переход в шаговый режим; ∩ - изменение направления вращения (реверс).
V. Порядок работы на универсальном стенде
1.Подача питания на стенд осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц с помощью шнура, соединяющего соответствующую розетку и стенд.
2.Включение стенда производится выключателем 5 со встроенной индикацией (зеленая лампа), который находится на левой стенке стенда.
3.Дальнейшее управление стендом производится кнопками пульта управления БОП, смонтированного на преобразователе частоты.
4.Для проведения испытаний собирается электрическая схема, показанная на рис. 1.4.
5.После проверки схемы преподавателем можно приступать к испытаниям в соответствии с программой работ.
VI. Последовательность программирования ПЧ
Работа универсального стенда начинается с программирования преобразователя частоты на определенный режим работы.
В преобразователе частоты можно запрограммировать:
10