курсач ЭП

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Н. И. ПРИСМОТРОВ

С. И. ОХАПКИН

Д. В. ИШУТИНОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД.

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Учебное пособие

Киров

2013

1

УДК 62-83(07) П771

Рекомендовано к изданию методическим советом факультета автоматики и вычислительной техники ФГБОУ ВПО «ВятГУ»

Допущено редакционно-издательской комиссией методического совета ФГБОУ ВПО «ВятГУ» в качестве учебного пособия для студентов cпециальности 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», направления 221000.62 «Мехатроника и робототехника», 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», профиля подготовки «Электропривод и автоматика»

Подготовлено на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Рецензенты:

руководитель тематического направления ОАО «Электропривод», кандидат технических наук,

заслуженный конструктор Российской Федерации В. Ф. Шалагинов;

доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ФГБОУ ВПО «ВятГУ», кандидат технических наук В. И. Семеновых

В учебном пособии рассматриваются теоретические основы современного частотного электропривода. Приведена классификация и основы расчета типовых механизмов. Достаточно подробно рассмотрены системы асинхронного электропривода со скалярным, полярным и векторным управлением, а также системы с прямым управлением моментом (DTC). Методическая база пособия позволяет решать проектные задачи, связанные с созданием современного электропривода. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», изучающих дисциплины: «Теория электропривода», «Электрический привод», «Системы управления электроприводами (СУЭП)», «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов (АЭПТПМ и ТК)», «Электропривод типовых механизмов (ЭПТМ)», «Приводы и элементы систем управления роботами и манипуляторами», «Специальные приводы». А также для студентов направления 221000.62 «Мехатроника и робототехника», изучающих дисциплины: «Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических систем», «Системы управления приводами», «Проектирование электротехнических устройств», «Приводы в современных технологиях», «Моделирование мехатронных систем», «Основы мехатроники и робототехники», «Цифровой и частотный привод», «Общепромышленные приводы» и направления 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», профиля подготовки «Электропривод и автоматика», изучающих дисциплины: «Электропривод», «Цифровое и частотное управление», «Моделирование в технике», «Спецприводы», «Системы управления электроприводами», «Проектирование электротехнических устройств», «Электроприводы в современных технологиях», «Общепромышленный электропривод».

Тех. редактор А. В. Куликова

© ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2013

2

Содержание

Введение………………………………………………………………………. 5

1.Задание на курсовое проектирование……………………………......... 6

2.Составление расчетных схем механической части электропривода и их упрощение……………………………………………….………… 8

2.1. Передаточные механизмы……………………………………….. 9

3.Расчет нагрузочной диаграммы электропривода, требуемого мо-

4.1.Показатели качества регулирование координат

электропривода……………………………………………………………. 25

4.1.1.Точность и диапазон регулирования скорости……………...... 25

4.1.2.Динамические показатели качества регулирования…………. 28

4.2.Системы скалярного управления…………………………………… 29

4.2.1.Разомкнутые системы скалярного управления в частотно-

4.2.3.Структурные схемы систем ПЧ-АД при скалярном управлении………………………………………………... 41

4.2.4.Выбор вида и расчет параметров регуляторов. Последовательная коррекция контуров

регулирования……………………………………………………. 42

4.2.5.Выбор вида и расчет параметров регулятора

скорости…...……………………………………………………….. 47

4.3.Системы асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением………………………………………………………. 50

4.3.1.Обобщенная электрическая машина.………..………….. 50

4.3.2.Координатные преобразования уравнений обобщенной электрической машины…………………………………... 53

3

4.3.3.Варианты выбора скорости вращения координатных

осей U,V……………………………………………………………. 57

4.3.4.Фазные преобразования переменных…………………… 58

4.3.5.Разомкнутые системы скалярного частотно-токового управления………………………………………………... 59

4.3.6.Замкнутые системы ЧТУ при скалярном

управлении……………………………………………………….. 62

5.Системы полярного и векторного управления асинхронными двигателями……………………………………………………………... 70

5.1.Система полярного частотно-токового управления при поддержании потокосцепления ротора…………………………. 76

5.2.Регулирование момента в системах частотного и частотнотокового управления асинхронного электропривода………….. 82

5.3.Тормозные режимы частотно-управляемых электроприводов.. 86

5.4.Оптимизация контуров регулирования системы полярного частотно-токового управления……………………….…....……. 91

5.5.Системы векторного управления в частотно-регулируемом электроприводе при поддержании постоянства потокосцепления ротора……………………………………………………….………. 98

5.5.1.Преобразование переменных величин из одной системы координат в другую в системах векторного

управления……………………………………………………… 100

5.5.2.Система регулирования скорости и момента электропривода с векторным управлением

асинхронного двигателя при определении потокосцепления ротора по модели потока…………….. 103

6. Прямое управление моментом асинхронного двигателя….….……… 119

Приложения……………………………………………………………..…. 133

Библиографический список………………………………………………….. 169

4

Введение

Курс электрического привода включает в себя комплекс общих вопро-

сов, относящихся к силовой части электропривода и систем управления,

обеспечивающих электромеханическое преобразование энергии. Правильный выбор системы электропривода с соответствующей силовой частью и систе-

мой управления позволяет получить необходимые эксплуатационные харак-

теристики, отвечающие требованиям технологической установки приводи-

мой в движение.

Задания на курсовое проектирование посвящены вопросам составления расчетных схем электропривода и их упрощения, расчета мощностей при-

водных двигателей на основании данных о технических параметрах, требуе-

мых значений моментов, скоростей и ускорений технологической установки и выбора комплектного электропривода с учетом требуемого диапазона и точности регулирования координат, расчета регулировочных характеристик в установившихся и переходных режимах, проверки выбранного двигателя по теплу, перегрузочной способности и условиям пуска, определение расхода электроэнергии за цикл работы, среднециклового КПД и коэффициента мощности.

В работе приводятся методические указания по всему комплексу вы-

полняемых в проекте расчетных задач.

5

1. Задание на курсовое проектирование

1.1. Исходные данные для проектирования электроприводов механиз-

мов технологических установок приведены в Приложении 1.

1.2. Содержание работы

1.2.1. Расчетная часть. При курсовом проектировании расчетную часть

рекомендуется выполнять в следующем порядке:

1) Составить исходную расчетную схему механической части, выпол-

нив приведение параметров элементов и моментов нагрузки к валу двигателя.

Провести ее упрощение путем перехода к двухмассовой и одномассовой (же-

сткое приведенное звено) расчетным схемам (раздел 2).

двигатель (Приложение 2) и преобразователь частоты (Приложение 3), раз-

работать принципиальную схему электропривода.

5) Составить структурную схему электропривода (по заданию прапода-

вателя, разделы 4, 5).

6) Построить механические характеристики соответствующие макси-

мальной и минимальной скоростям механизма (по заданию праподавателя,

разделы 4, 5).

7) Рассчитать динамические характеристики привода M f ( t )и

f ( t ) при пуске и торможении:

а) с учетом результирующей податливости и зазора в двухмассовой ме-

ханической системе;

б) без учета зазора;

в) для жесткого приведенного звена (вариант расчета задается препода-

вателем).

6

8) Проверить предварительно выбранный двигатель по нагреву, пере-

грузочной способности и условиям пуска.

9) Определить расход электроэнергии за цикл работы, среднецикловые значения КПД и коэффициента мощности.

1.2.2. Графическая часть должна содержать:

1)Кинематическую схему электропривода.

2)Исходную и упрощенную расчетные схемы механической части.

3)Электрическую принципиальную схему электропривода.

4)Тахограмму и нагрузочные диаграммы механизма и электропривода.

5)Механические характеристики электропривода.

6)Структурную схему электропривода.

7) Графики переходных процессов (M = f(t), = (t)) пуска

и торможения.

7

2. Составление расчетных схем механической части электроприво-

да и их упрощение

Кинематические схемы электропривода (ЭП) представляют собой абст-

рактное изображение механической части ЭП, отражающее передачу элек-

тромагнитной мощности от двигателя к рабочему органу и кинематическую связь в механизме. Здесь пренебрегают упругостью элементов и зазорами в передачах. Данные упрощения при расчетах дают представление лишь о средних значениях скоростей, ускорений, сил и моментов, действующих в движущихся звеньях механизма.

Истинные значения величин скоростей, ускорений, сил и моментов да-

ют динамические расчеты, учитывающие упругость механических связей и зазоров. В связи со сложностью динамических расчетов, обусловленной от-

сутствием точных количественных характеристик, связей и наличием второ-

степенных факторов, мало влияющих на динамику, прибегают к упрощению расчетных схем. Это позволяет составить достаточно простую расчетную схему, удовлетворительно отражающую динамические свойства ЭП.

Упрощение расчетов достигается за счет введения следующих допущений:

1)Представления всех распределенных параметров сосредото-

ченными.

2)Приведения моментов и сил, моментов инерции и движущихся масс, упругих связей и зазоров к одной скорости (чаще всего к скорости вала двигателя).

3)Пренебрежения рядом второстепенных факторов, например,

упругостью отдельных элементов, трением в кинематических цепях и т. д.,

помня при этом, что основные закономерности движения многомассовых систем определяются наибольшими массами (моментами инерции) и наи-

меньшими жесткостями (наибольшими податливостями) упругих механиче-

ских связей. Выделение в расчетных схемах основных масс и упругих связей обычно не вызывает затруднений. Если выделение основных масс и упругих

8

связей затруднено, можно воспользоваться методом обоснованного последо-

вательного упрощения расчетных схем [6].

2.1. Передаточные механизмы

По конструктивному исполнению различают следующие виды переда-

точных механизмов:

Редукторы (рис. 2.1 а) по числу зубчатых пар разделяются на одно-,

двух-, трех-, n-ступенчатые. По виду зубьев: на прямоугольные, косозубые,

червячные. По исполнению: на цилиндрические и конические. По принципу действия: обычные, планетарные, волновые.

Редуктор характеризуется передаточным числом

i 1 z2 ,

2 z1

где 1 , 2 – входная, выходная скорости вращения редуктора; z1 , z2 – количество зубьев шестерен зубчатой пары.

Передаточное число n – ступенчатого редуктора i i1 i2 ... in ,

где i1 ,i2 ,...,in – передаточные числа отдельных ступеней.

Ременные (цепные) передачи (рис. 2.1 б) характеризуются передаточ-

ным числом

где D1 , z1 – диаметр (число зубьев) входного шкива (звездочки);

D2 , z2 – диаметр (число зубьев) выходного шкива (звездочки).

Передачи зубчатое колесо-рейка, барабан – трос (рис. 2.1 в, 2.1 г) пре-

образуют вращательное движение в поступательное и характеризуются ра-

диусом приведения

V D , м / рад .1 2

9

Z 1

Вход

1 1

1

Рис. 2.1. Кинематические звенья: редуктор (а); ременная (цепная передача) (б); передача «зубчатое колесо-рейка» (в); передача «канат (трос) – барабан (шкив)» (г); передача «винт-гайка» (д); «червячно-реечная» передача (ж)

Винтовая и червячно-реечная передачи (рис. 2.1 д, 2.1 ж) преобразуют

вращательное движение винта (червяка) в поступательное перемещение гай-

ки (рейки). Радиус приведения поступательного движения к вращательному:

а) для винтовой передачи:

;

10