Разработка универсального лабораторного стенда синхронного частотнорегулируемого электропривода

метки: Электропривод, Универсальный, Исследование, Рисунок, Напряжение, Преобразователь, Характеристика, Сопротивление

Целью дипломного проекта является разработка универсального лабораторного стенда по изучению статических, динамических и энергетических характеристик синхронного частотнорегулируемого электропривода.

В проекте представлены технические требования к электроприводу лабораторного стенда, проведена проверка силового оборудования, рассмотрены варианты построения системы управления, рассчитаны параметры регуляторов, обеспечивающих устойчивый режим работы.

В ходе выполнения дипломного проекта особое внимание было уделено разработке узла “модулятор-демодулятор” и обеспечению его устойчивого функционирования совместно с преобразователем Control Technic Maxi Maestro. В проекте представлены экспериментальные данные в виде статических и логарифмических амплитудно-частотных характеристик этого блока.

В экономическом разделе была определена себестоимость разработки и изготовления лабораторного стенда.

В разделе “Безопасность жизнедеятельности” проведен анализ опасных и вредных факторов, сопровождающих работу объекта управления и рассмотрены специальные меры безопасности для защиты от опасных и вредных факторов.

1. Технические и технологические требования к электроприводу лабораторного стенда

1.1 Назначение лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для выполнения студентами дневного и заочного отделений специальности “Электропривод и автоматизация промышленных установок” лабораторных работ по курсам:

• элементы систем автоматизации;
• теория электропривода;
• системы управления электроприводами.

В соответствии с требованиями указанных курсов на лабораторном стенде должны выполняться исследования статических, динамических и энергетических характеристик как разомкнутой, так и замкнутой систем электропривода.

1.2 Технические требования к лабораторному стенду

Лабораторный стенд должен обеспечивать выполнение следующих требований:

1) мощность силовой части электрооборудования стенда должна находиться в пределах 6 кВт, что определяется предельной мощностью питающей сети;

2) элементная база системы электропривода лабораторного стенда должна быть по возможности унифицирована с другими стендами;

3) безопасность при обслуживании и эксплуатации лабораторного стенда;

4) защиты системы электропривода при возникновении аварийных режимов работы.

1.3 Технологические требования к лабораторному стенду

При проектировании на систему электропривода накладывается ряд технологических требований, при которых должна обеспечиваться работа в нормальном режиме. Эти требования приведены в таблице 1.1

Автоматизированный тяговый электропривод трехосного городского ...

... действие непосредственно водителем. 2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 2.1 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу Электродвигатели системы управления и источники питания составляют тяговое электрооборудование. Требования к нему определяются условиями работы троллейбуса, для которых характерны частые ...

Таблица 1.1 — Технологические требования к системе электропривода

Наименование параметра	Обозначение	Численное значение
1	2	3
1 Колебание напряжения сети		0,1
2 Изменение статической нагрузки		2
3 Диапазон регулирования скорости вниз от номинальной		10
4 Допустимая статическая погрешность поддержания скорости		0,1
5 Ускорение электропривода при пуске		2

1.4 Исследование статических характеристик синхронного двигателя

1.4.1 Определение регулировочных характеристик

1) , при , где — скорость вращения вала синхронного двигателя;

• момент статических сил сопротивления;
• частота питания синхронного двигателя;
• напряжение питания синхронного двигателя;
• ток возбуждения синхронного двигателя.

2) , при и при питании двигателя от источника напряжения; (1.1)

3) , при и при питании двигателя от источника тока; (1.2)

4) , при . (1.3)

1.4.2 Определение механической и электромеханической характеристик электропривода при питании от источника напряжения

1) , при ; (1.4)

2) , при .; (1.5)

1.4.3 Определение механической характеристики электропривода при питании от источника тока:

, при . (1.6)

1.4.4 Определение основных статических параметров синхронного двигателя

1) — активное сопротивление фазы статора;

2) — активное сопротивление обмотки возбуждения синхронного двигателя;

3) , (1.7)

где — коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении ;

• отклонение скорости двигателя;
• отклонение частоты сети.

4) , (1.8)

где — коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении напряжения ;

• отклонение напряжения .

5) , (1.9)

где — коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении тока ;

• изменение тока статора.

6) , (1.10)

где — коэффициент усиления синхронного двигателя по отношению к скорости при изменении момента ;

• отклонение момента .

1.4.5 Определение энергетических характеристик электропривода в функции и :

1) — коэффициента полезного действия синхронного двигателя;

2) — коэффициента мощности синхронного двигателя;

3) — отклонения активной мощности;

4) — отклонения реактивной мощности;

5) — полной мощности синхронного двигателя.

1.5 Исследование динамических характеристик синхронного двигателя

1.5.1 Определение логарифмических характеристик синхронного двигателя, АЧХ основных звеньев и динамических параметров электродвигателя.

По управляющему воздействию со стороны преобразователя частоты:

1) , при , (1.11)

где — передаточная функция преобразователя частоты по отношению к скорости синхронного двигателя;

2) , при ; (1.12)

3) , при , (1.13)

где — передаточная функция преобразователя частоты по отношению к току статора синхронного двигателя.

По возмущающему воздействию со стороны нагрузки:

1) , при ; (1.14)

2) , при ; (1.15)

3) , при ; (1.16)

4) , при . (1.17)

1.5.2 Определение по экспериментальным данным следующих параметров синхронного двигателя

1) — механической постоянной времени;

2) — электромагнитной постоянной времени цепи фазы статора;

3) — электромагнитной постоянной времени цепи обмотки возбуждения синхронного двигателя.

1.6 Исследование переходных процессов в синхронном двигателе

1.6.1 При питании от источника напряжения:

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/universalnyiy-stend-issledovaniya-elektroprivoda/

1) по управляющему воздействию;

2) по возмущающему воздействию:

и при , , (1.18)

где — напряжение на выходе преобразователя частоты.

1.6.2 При питании от источника тока

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/universalnyiy-stend-issledovaniya-elektroprivoda/

1) по управляющему воздействию при; (1.19)

2) по возмущающему воздействию при . (1.20)

1.6.3 При линейном изменении входного сигнала управления:

1) при питании от источника напряжения

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/universalnyiy-stend-issledovaniya-elektroprivoda/

, при и , (1.21)

где — коэффициент изменения выходной координаты преобразователя во времени;

• время;
• , при и . (1.22)

2) при питании от источника тока

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/universalnyiy-stend-issledovaniya-elektroprivoda/

, при и ; (1.23)

, при и . (1.24)

1.7 Исследование регулировочных, механических и электромеханических характеристик электропривода

1) при , (1.25)

где — напряжение управления преобразователя частоты;

2) при ; (1.26)

3) при ; (1.27)

4) при ; (1.28)

5) при ; (1.29)

6) при ; (1.30)

7) при ; (1.31)

8) при . (1.32)

2. Выбор силовой части электропривода

2.1 Проверка синхронного двигателя по нагреву

В качестве синхронного двигателя используется синхронный трехфазный генератор переменного тока БМЗ-4,5/4-М1. Электрическая машина представляет собой агрегат, состоящий из двух машин: генератора переменного тока и возбудителя постоянного тока, смонтированных на одном валу. Технические данные синхронной машины представлены в таблице 2.1 Обмоточные данные двигателя БМЗ-4,5/4-М1 приведены в таблице 2.2

Таблица 2.1 — Технические данные синхронного двигателя

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Исследуемая машина 1 Мощность номинальная при cos ц=0,8 при cos ц=1	Р1 Р1*	кВт кВт	3,6 4,5
2 Частота вращения при номинальной нагрузке	n1	об/мин	1500
3 Напряжение номинальное	UСН	В	220
4 Ток статора номинальный	IСН	А	11,3
5 КПД при cos ц=1 при cos ц=0,8	з з	% %	80,6 74,2
6 Ток возбуждения холостого хода	IВХХ	А	5
7 Ток возбуждения при UСН, IСН	IВН	А	11
8 Момент маховой	JСД	кг·м2	0,225
Возбудитель 9 Потребляемая мощность при cos ц=1 при cos ц=0,8	Р1 Р2	кВт кВт	5,2 4,8
10 Напряжение	UВН	В	22
11 Ток	IВН	А	11,4
12 Сопротивление при t=20°C	RВ	Ом	0,16

Таблица 2.2 — Обмоточные данные двигателя БМЗ-4,5/4-М1

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Статор 1 Число полюсов	2р		4
2 Число пазов			36
3 Число витков в катушке	W		13
4 Число параллельных ветвей	а		1
5 Средняя длина витка	l		512
6 Активное сопротивление фазы при t=20°C	RC	Ом	0,725
Ротор 7 Число витков в катушке	WР		190
8 Средняя длина витка	l		280
9 Активное сопротивление при при t=20°C	RР	Ом	1,5
10 Синхронное продольное индуктивное сопротивление	Х*d		1
11 Синхронное поперечное индуктивное сопротивление	Х*q		0,64
12 Реактивное сопротивление рассеивания полюсов			0,152

Для соответствия синхронного двигателя по условиям нагрева должно выполняться следующее условие:

где — ток статора среднеквадратичный.

С помощью программы ZINA-98 были построены кривые переходных процессов щОН, щ, I=f(t), представленные на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 — Переходные процессы щОН, щ, M, I=f(t)

В результате построения переходных процессов был определен параметр А·А·с — показатель нагрева двигателя (квадрат тока якоря на время).

• (2.1)

А.

9,8А < 11,3А, следовательно синхронный двигатель проходит по условиям нагрева.

2.2 Проверка электродвигателя нагрузочного устройства

К электродвигателю нагрузочного устройства предъявляется ряд требований. Двигатель должен обеспечивать:

• двукратную нагрузку исследуемого синхронного двигателя по моменту;
• превышение скорости вращения исследуемого двигателя для создания генераторного режима работы синхронного двигателя;
• соответствие конструктивных размеров электродвигателя нагрузочного устройства и исследуемого двигателя по высоте оси.

В качестве электродвигателя нагрузочного устройства используется двигатель постоянного тока типа 2ПБ160МГУ4, который в наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям.

Технические данные двигателя приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3 — Технические данные электродвигателя нагрузочного устройства

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
1 Мощность номинальная	Р2	кВт	6
2 Напряжение номинальное	U2	В	220
3 Частота вращения при номинальной нагрузке	n2	об/мин	2200
4 Частота вращения максимальная	nmax	об/мин	4000
5 Ток якоря при номинальной нагрузке	IЯН	А	30,7
6 Момент инерции якоря	JНМ	кг·м2	0,083
7 Коэффициент поленого действия	з	%	86,5

Выбранный двигатель имеет встроенный тахогенератор, технические данные которого приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4 — Технические данные встроенного тахогенератора

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Мощность номинальная	РН	кВт	0,005
2 Напряжение на якоре номинальное	UЯН	В	100
3 Сопротивление нагрузки	RН	кОм	2
4 Частота вращения номинальная	nН	об/мин	3000

Двигатель нагрузочного устройства должен обеспечивать выполнение следующего условия:

• где — момент номинальный электродвигателя нагрузочного устройства;
• момент эквивалентный.

Момент эквивалентный определяется номинальным моментом синхронного двигателя:

• (2.2)

Н·м.

Момент номинальный электродвигателя нагрузочного устройства:

• (2.3)

Н·м.

26 Н·м > 22,9 Н·м, следовательно двигатель удовлетворяет поставленным требованиям.

В качестве системы управления нагрузочной машины выбран преобразователь постоянного тока MENTOR 2 М25RTB14.

Электопривод Mentor 2 является представителем современных промышленных приводов постоянного тока с изменяемой скоростью и микропроцессорным управлением.

Таблица 2.3 -Технические данные тиристорного преобразователя MENTOR

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение параметра
1	2	3	4
Тип	—	—	Mentor 2
Модель	—	—	M45RGB14
Номинальная мощность	Рн	кВт	15
Напряжение переменного тока на входе привода	U	В	220± 10%
Частота питающей сети	Fсети	Гц	45. ..62
Рассеиваемая мощность потерь	Рп	Вт	75
Максимальный постоянный ток на выходе	Imax	А	45
Максимальный переменный ток на входе	Imax	А	38

2.3 Выбор источника питания синхронного двигателя

В настоящее время известно большое количество силовых схем преобразователей с частотным управлением, отличающихся между собой числом фаз на входе и выходе, типами вентильных групп, способами управления и способами потенциального разделения фаз нагрузки.

В электроприводах применяют реверсивные преобразователи постоянного напряжения (ППН), позволяющие менять не только величину, но и знак напряжения на нагрузке. На рисунке 2.2 приведена схема реверсивного ППН, получившая наибольшее распространение. Пары транзисторов V1, V2 и V3, V4 образуют диагонали моста, а пары транзисторов V1, V4 и V2, V3 образуют стойки моста. При попарном включении транзисторов V1, V2 или V3, V4 знаки напряжения на нагрузке противоположны.

Существуют симметричный и несимметричный способы управления ключами.

Если транзисторы диагонали моста включаются и выключаются одновременно, то такой способ управления называется симметричным. При этом напряжение на нагрузке всегда двуполярное, а проводят либо два транзистора, либо два диода. Таким образом, при симметричном управлении происходит двуполярная модуляция.

Если выключение транзисторов происходит не одновременно, то такое управление называется несимметричным. При этом напряжение на нагрузке всегда однополярное. Таким образом, при несимметричном управлении происходит однополярная модуляция.

Рисунок 2.2 — Реверсивный ППН

Рисунок 2.3 — Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу реверсивного ППН с активно-индуктивной нагрузкой при симметричном управлении

Рассмотрим работу реверсивного ППН на активно-индуктивную нагрузку при симметричном управлении.

Анализ проведем при следующих допущениях: все вентили и источник питания идеальны, индуктивность в цепи нагрузки очень велика и, поэтому, ток в нагрузке непрерывен.

При включении транзисторов V1, V2 (рисунок 2.2) ток проходит по цепи + источника питания, V1, LН, V2, — источника питания. После выключения транзисторов ток проходит по цепи LН, VD3, источник питания, VD4. Энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. Затем снова включаются транзисторы V1, V2.

Для реверса после спада тока нагрузки до нуля включают транзисторы V3, V4.

Временные диаграммы тока нагрузки и напряжения на нагрузке приведены на рисунке 2.2. Видно, что в напряжении на нагрузке имеются отрицательные участки.

, , при 1>г>0,5, (2.4)

где — относительное время включения транзисторов, а индексы указывают номера включенных транзисторов.

При <0,5 непрерывный режим при активно-индуктивной нагрузке невозможен. Регулировочные характеристики преобразователя, построенные по уравнениям (2.4), приведены на рис. 2.4, а.

а — реверсивный преобразователь

б — система управления

в — преобразователь с системой управления

Уравнения регулировочных характеристик системы управления при пилообразном опорном напряжении имеют следующий вид:

• если UУПР > 0 ,

если Uупр<0 . (2.5)

Регулировочные характеристики системы управления преобразователя, построенные по уравнениям (2.5), приведены на рис. 2.4, б.

Уравнение регулировочной характеристики преобразователя вместе с системой управления имеет следующий вид:

(2.6)

Регулировочная характеристика преобразователя вместе с системой управления, построенная по уравнению (2.6), приведена на рис. 2.4, в. Участок характеристики, соответствующий направлению вперед «В», находится в первом квадранте, а соответствующий направлению назад «Н» — в третьем.

Выбираем преобразователь Control Technic Maxi Maestro, основные технические характеристики которого приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5 — Технические характеристики преобразователя Control Technic Maxi Maestro

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Ток номинальный	IН	А	25
2 Напряжение номинальное	UН	В	230

Преобразователь был выбран на основании следующих требований:

• UНП >
• UНДВ 230 В >
• 220 В;

• IНП >
• IНДВ 25 А >
• 11,3 А,

где UНП, IНП — номинальные выходные напряжение и ток преобразователя;

• UНДВ, IНДВ — номинальные напряжение и ток на якоре двигателя.

На рисунке 2.5 изображена схема преобразователя. Также там приведена схема питания преобразователей и показано подключение обмоток статора синхронной машины.

Рисунок 2.5 — Преобразователь Control Technic Maxi Maestro

2.4 Выбор источника питания обмотки возбуждения синхронного двигателя

В качестве источника питания обмотки возбуждения синхронного двигателя используется преобразователь ТПЕ, технические характеристики которого приведены в таблице 2.6

Таблица 2.6 — Технические характеристики преобразователя питания обмотки возбуждения

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Ток номинальный	IН	А	25
2 Напряжение номинальное	UН	В	380

Преобразователь должен удовлетворять следующим требованиям:

• UНП > UВН

IНП > IВН

2.5 Выбор силового трансформатора

На рисунке 2.6 изображена схема замещения питания одной фазы синхронного двигателя.

Рисунок 2.6 — Схема замещения питания одной фазы синхронного двигателя

На схеме обозначено:

• ЕФ — фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора питания преобразователя;
• RТР, LТР — активное и индуктивное сопротивления двух последовательно включенных вторичных обмоток трансформатора питания преобразователя;
• RСТ, LСТ — активное и индуктивное сопротивления фазы статора синхронного двигателя;
• ЕСД — ЭДС синхронного двигателя.

ЭДС синхронного двигателя можно определить из соотношения для активной мощности явнополюсной синхронной машины:

• (2.7)

где m=3 — число фаз питания синхронной машины;

• Е0 — ЭДС обмотки статора;
• UC — фазное напряжение питания обмотки статора;
• И — угол сдвига между ЭДС обмотки статора и фазным напряжением UC, определяемый угловым положением ротора относительно результирующего вращающегося магнитного потока статора;
• Хd — продольное индуктивное сопротивление синхронной машины;
• Хq — поперечное индуктивное сопротивление синхронной машины;
• Р — активная мощность синхронной машины.

Значение угла И определяется из соотношения:

, где — коэффициент перегрузочной способности синхронной машины.

Тогда .

Значения Хq и Хd определяются из соотношений:

, (2.8)

• (2.9)

где ZН — полное номинальное сопротивление синхронной машины. Оно вычисляется по формуле:

• (2.10)

Ом.

Тогда по формулам 2.8 и 2.9:

Ом;

Ом.

Тогда ЭДС обмотки статора:

(2.11)

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора определяется по соотношению:

; (2.12)

В,

где гmax=0,9-0,95 — коэффициент использования элементов силовой схемы.

Ток вторичной обмотки силового трансформатора:

; (2.13)

А.

Полная мощность нагрузки трансформатора определяется следующим образом:

; (2.14)

В·А.

Типовая мощность трансформатора:

; (2.15)

Вт.

В соответствии с приведенными расчетами выбирается трансформатор типа ТСП 10/0,7-744,4. Технические характеристики трансформатора представлены в таблице 2.7

Таблица 2.7- Технические характеристики трансформатора ТСП 10/0,7-744,4

Наименование параметра	Обозначение	Единица измерения	Значение
1 Число фаз	—	—	3
2 Частота сети	fC	Гц	50
3 Напряжение сети	UC	В	380
4 Ток первичной обмотки	I1	А	11,1
5 Номинальная мощность трансформатора	SТР	кВА	7,3
6 Потери холостого хода	ДРХХ	Вт	77
7 Потери короткого замыкания	ДРКЗ	Вт	266
8 Напряжение короткого замыкания	ДUK	%	4,9
9 Напряжение фазное вторичной обмотки	U2	В	118
10 Ток вторичной обмотки	I2	А	35,5

Расчет параметров силового трансформатора.

Активное сопротивление трансформатора определяется по формуле:

; (2.16)

Ом.

Полное сопротивление трансформатора:

; (2.17)

Ом.

Индуктивное сопротивление трансформатора:

; (2.18)

Ом.

Индуктивность обмоток трансформатора:

; (2.19)

Гн.

2.6 Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя

Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя строится исходя из ограничений, накладываемых на систему электропривода. Эти ограничения формулируются следующим образом:

1) ограничение по величине тока, длительно протекающего через преобразователь и синхронный двигатель;

2) ограничение по мощности двигателей и преобразователей;

3) ограничение по скорости вращения синхронного двигателя;

4) ограничение по перегрузке преобразователя

Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя представлена на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 — Диаграмма рабочих режимов исследуемого двигателя

3. Синтез системы управления электроприводом

3.1 Системы с векторным управлением электроприводом

Электромагнитный момент, развиваемый машиной переменного тока, можно представить как результат взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами, протекающими по обмоткам статора и ротора.

В большинстве современных высококачественных регулируемых электроприводов переменного тока реализован принцип “векторного регулирования“ электромагнитного момента. В основу этого принципа положено известное из теории электрических машин выражение для электромагнитного момента:

• (3.1)

где — коэффициент пропорциональности;

• число фаз двигателя;
• индуктивность току намагничивания;
• вектор результирующего потокосцепления двигателя (потокосцепления в воздушном зазоре);
• составляющая потокосцепления ротора;
• составляющая потокосцепления статора.

На рисунке 3.1 изображен один из возможных вариантов векторной диаграммы потокосцеплений в синхронном электродвигателе.

Если сопоставить выражение для электромагнитного момента с векторной диаграммой потокосцеплений в электрической машине, то площадь SД, ограниченная векторами-слагаемыми и и вектором-суммой (площадь моментного треугольника в электрической машине), пропорциональна величине электромагнитного момента.

Рисунок 3.1 — Векторная диаграмма потокосцеплений в синхронном электродвигателе

Чтобы косвенным способом регулировать величину электромагнитного момента в электрической машине, достаточно каким-либо способом изменить площадь моментного треугольника, т.е. векторного треугольника, соответствующего выражению:

• (3.2)

Для достижения оптимальных режимов работы электропривода при регулировании момента электродвигателя, необходимо в соответствии с выбранными критериями оптимизации соблюдать (с помощью системы регулирования) определенную форму моментного треугольника этого электродвигателя.

Существуют различные пути реализации системы регулирования электромагнитного момента, которые удобнее классифицировать по способам возможного построения моментного треугольника в электрической машине.

Во-первых, треугольник можно построить по трём сторонам. Технически это означает реализацию внутренней подсистемы косвенного регулирования электромагнитного момента как совокупности трёх параллельно работающих систем регулирования величин потокосцеплений , и .

В электрической машине существует только результирующий поток , а составляющие потокосцеплений и вводятся искусственно для понимания механизма образования и регулирования магнитного потока в электрической машине. По этой причине первый контур регулирования нельзя выполнить как контур прямого регулирования величины , так как эта величина физически не существует. Но вместо составляющей потокосцепления можно регулировать величину соответствующей ей силы тока в обмотке ротора. Аналогично можно поступить и с составляющей потокосцепления . Третья составляющая — потокосцепление в зазоре электрической машины — поддается прямому измерению.

Во-вторых, моментный треугольник можно построить по двум сторонам и углу между ними (т.е. по величинам и и углу между этими векторами).

С целью упрощения системы электропривода подсистему регулирования угла между векторами и можно выполнять как разомкнутую. Тогда заданный угол между этими векторами устанавливается при наладке электропривода и затем при работе не изменяется и не регулируется.

В-третьих, моментный треугольник можно построить по величине тока ротора и проекциям вектора тока статора на продольную и поперечную оси электрической машины.

3.2 Частотнорегулируемый синхронный электропривод

3.2.1 Частотнорегулируемый синхронный электропривод с регулированием продольной и поперечной составляющих тока статора

В системе электропривода с регулированием продольной и поперечной составляющих тока статора вектор ориентируют относительно опорного вектора проекциями его на две ортогональные оси d и q машины. Здесь возможны разные формы записи выражения для электромагнитного момента синхронного двигателя. Чаще пользуются следующим соотношением:

• (3.3)

Здесь и — составляющие вектора полного потокосцепления (в зазоре) по осям d и q; и — составляющие по осям d и q вектора потокосцепления ; и — составляющие тока статора по осям d и q. Знак минус перед вторым слагаемым в квадратных скобках получается потому, что составляющие и встречны вектору .

На рисунке 3.2 изображена функциональная схема синхронного частотнорегулируемого электропривода с выделением продольной и поперечной составляющих тока статора.

Рассмотрим упрощенный вариант функциональной схемы. Примем постоянной величину тока ротора и считаем, что величина задания продольной составляющей тока статора =0. В этом случае .

Статор синхронного двигателя MS подключен на выход преобразователя частоты с непосредственной связью НПЧ, собранного на трех источниках тока UZA, UZB и UZC. Управление источниками тока происходит от специального вычислительного блока, именуемого преобразователем координат ПК1 UV1. На вход этого блока подаются напряжения Ud и Uq, которые в функции угла поворота ротора двигателя, измеряемого датчиком положения ротора ДПР BQ, преобразуются в три сигнала задания фазных токов статора IAЗ, IBЗ, ICЗ. Другой вычислительный блок — преобразователь координат ПК2 UV2 — в функции положения ротора двигателя преобразует измеряемые датчиками тока фазные токи статора двигателя IA, IB, IC в фиктивные величины Id и Iq, которые затем обрабатываются регуляторами РТd и РТq продольной и поперечной составляющих тока статора.

Сигналом задания для контура регулирования поперечной составляющей тока статора Iq является напряжение на выходе регулятора скорости РС AR. В упрощенной схеме продольная составляющая тока статора Id поддерживается равной нулю.

Рисунок 3.2 — Функциональная схема синхронного электропривода с выделением продольной и поперечной составляющих тока статора

В общем случае ток возбуждения двигателя регулируется и появляется

возможность реализовать все потенциальные возможности векторного способа формирования момента в синхронном электроприводе: неограниченность электромагнитного момента, совпадение по времени первых гармоник тока и напряжения, возможность ограничения магнитного потока машины номинальным значением.

3.2.2 Синхронный частотно-регулируемый электропривод по схеме вентильного двигателя

Синхронный двигатель MS подключен на выход двухзвенного преобразователя частоты, содержащего инвертор UZ1, питающийся от сети переменного тока промышленной частоты через управляемый выпрямитель UZ2 (рисунок 3.3).

Выпрямитель UZ2 работает в режиме регулируемого источника тока, для чего он охвачен отрицательной обратной связью по току. Контур регулирования тока выпрямителя настраивается с помощью регулятора тока РТ АА, на входе которого сравниваются напряжения с выхода функционального преобразователя ФП и датчика тока ДТ UA.

Автономный инвертор UZ1 работает в режиме коммутатора. Коммутатор (переключатель) — это автономный инвертор, который может регулировать частоту выходного переменного напряжения, но не регулирует его амплитуду. В режим коммутатора преобразователь UZ1 переводят

умышленно, чтобы иметь максимально возможный коэффициент мощности в статорной цепи MS. С этой целью в режиме инвертора управляющее напряжение UУАИ фиксируют на постоянном уровне, соответствующем работе инвертора с минимально допустимым углом инвертирования, а в режиме выпрямителя — на другом уровне, соответствующем нулевому углу выпрямления.

Датчик положения ротора двигателя ДПР BQ формирует шесть (по числу тиристоров в UZ1) пилообразных напряжений, которые сравниваются

с управляющим напряжением UУАИ.

Электропривод выполнен по подчиненному принципу, внешним

контуром регулирования является контур регулирования скорости. Настройка этого контура осуществляется регулятором скорости РС AR, на входе которого сравниваются встречно включенные выходные напряжения задатчика интенсивности ЗИ AJ и датчика скорости ДС UV. Канал отрицательной обратной связи по скорости образован последовательно

Рисунок 3.3 — Схема функциональная синхронного електропривода по схеме вентильного двигателя включенными тахогенератором ТГ BR, потенциометром RP и датчиком скорости ДС

Схема управления построена с учетом того, что в двухзвенном преобразователе при смене знака момента, развиваемого двигателем, ток в силовой цепи преобразователей UZ не может изменить своего направления из-за односторонней проводимости тиристоров. Поэтому выбор знака момента производят, воздействуя на величину и знак напряжения преобразователей UZ. При этом величину момента (но не знак) задают пропорциональной абсолютному значению напряжения на выходе регулятора РС. С этой целью между выходом РС и входом регулятора тока РТ включают функциональный преобразователь (блок выделения модуля сигнала), который выполнен на пропорциональном регуляторе ФП А1, имеющем единичный коэффициент усиления, и диодах VD1 и VD2. Вид статической характеристики этого блока изображен на рисунке 3.3 под регулятором ФП. Отрицательное напряжение с выхода РС поступает на вход РТ через регулятор ФП, инвертируется в нем и далее следует через открытый диод VD1, диод VD2 при этом закрыт. Так формируется левая ветвь статической характеристики звена ФП. Правая ветвь характеристики при положительных напряжениях на выходе РС формируется непосредственно диодом VD2 при закрытом VD1.

Знак момента, развиваемого двигателем, задают в соответствии со знаком напряжения на выходе РС, воздействуя на управляющий вход преобразователя UZ1. Для этого между выходными зажимами регулятора РС и управляющим входом преобразователя UZ1 включают релейный элемент РЭ А2. Максимальное положительное напряжение на выходе РЭ соответствует работе преобразователя UZ1 в инверторном режиме с минимальным допустимым углом инвертирования тиристоров. Отрицательный же сигнал на выходе РЭ переводит UZ1 в выпрямительный режим с углом управления тиристоров =0°.

Работа схемы происходит следующим образом. При разгоне электропривода на вход задатчика интенсивности ЗИ подается напряжение UВХ и происходит плавное нарастание напряжения на выходе ЗИ. Напряжение на выходе РС увеличивается в положительном направлении. Это положительное напряжение поступает на вход двух каналов. По первому входу (через функциональный преобразователь ФП и регулятор тока РТ) происходит задание требуемой положительной величины тока в силовой цепи преобразователя частоты. По второму входу (через релейный элемент РЭ) преобразователь UZ1 переводится в инверторный режим. Двигатель MS, работая в двигательном режиме, разгоняется.

При торможении электропривода, когда при снижении напряжения на выходе ЗИ изменяется знак напряжения на выходе РС, знак задания на ток преобразователя UZ2 и направление тока в силовой цепи преобразователей UZ не изменяется из-за наличия функционального преобразователя ФП. Но знак напряжения UУАИ на входе преобразователя UZ1 изменяется на противоположный, из-за чего UZ1 переходит в выпрямительный режим, а двигатель MS — в тормозной. Преобразователи UZ1 и UZ2, работая оба в выпрямительном режиме, могли бы создать в их силовой цепи недопустимо большой ток. Но этого не происходит, так как контур регулирования тока преобразователя UZ2, поддерживая заданную регулятором РС величину тока, переводит этот преобразователь в инверторный режим. В результате механическая энергия, запасенная во вращающемся электроприводе, отдается в сеть.

3.3 Частотно-токовый способ управления

К частотно-токовому способу управления относится способ, при котором в обмотке электрической машины задаются токи, мгновенные значения которых определяются входным сигналом и угловым положением ротора машины. Иными словами, при частотно-токовом способе управлением момента машины задается ток, величина которого строго соответствует входному сигналу, а частота и фаза тока определяются соответственно частотой вращения и угловым положением ротора машины.

Так как при разработке лабораторного стенда был реализован именно частотно-токовый способ управления, то более подробно он будет рассмотрен ниже, при описании структурной и функциональной схем.

3.4 Синтез структурной схемы электропривода

На рисунке 3.4 изображена структурная схема контура регулирования тока фазы А статора синхронного двигателя.

Рисунок 3.4 — Структурная схема контура регулирования тока фазы А статора

На схеме обозначено:

• Т1 и Т2 — постоянные времени регулятора скорости РС;
• Т3 и Т4 — постоянные времени регулятора тока фазы А РТА;
• БО — блок ограничения;
• ТС — постоянная времени цепи обмотки фазы А статора синхронного двигателя;
• КТП — коэффициент передачи преобразователя тока фазы А ПА;
• ТТП — постоянная времени преобразователя тока фазы А ПА;
• UЗ, UРС, UРТ, UДТ, UДС — напряжения задания, регулятора скорости, регулятора тока, датчика тока и датчика скорости соответственно;

• ЕА — ЭДС преобразователя ПА;
• ЕСА, ЕВА — ЭДС, обусловленные наличием взаимоиндуктивности между обмоткой фазы А статора и обмотками В и С статора;
• ЕРА — ЭДС, обусловленная наличием взаимоиндуктивности между обмоткой фазы А статора и обмоткой ротора;
• IА — ток якоря;
• n — скорость вращения вала синхронного двигателя;
• М — момент статический на валу двигателя;

КС — коэффициент передачи цепи обмотки фазы А статора синхронного двигателя:

; (3.4)

• коэффициент передачи, характеризующий электромеханические свойства синхронного двигателя:
• (3.5)

где — приращение момента синхронного двигателя;

• приращение тока статора в одной из фаз;

ТД — электромеханическая постоянная времени синхронного двигателя:

• (3.6)

где — суммарный момент инерции системы, определяется из паспортных данных синхронного двигателя и нагрузочной машины:

; (3.7)

Тогда по формуле (3.6): с ДТА и ДС — датчик тока фазы А статора и датчик скорости соответственно;

• КДТ, КДС — коэффициенты передачи датчика тока и датчика скорости соответственно.

Величина коэффициентов усиления датчиков обратных связей подбирается так, чтобы во всем диапазоне изменения измеряемой координаты входное напряжение датчика соответствовало бы его работе на линейном участке статической характеристики. Сопротивления входных резисторов регулятора скорости и регулятора тока принимаются попарно равными, что приводит к равенству базовых значений напряжений, сравниваемых на входе каждого регулятора.

Выбор базовых значений напряжений регуляторов и переменных для системы электропривода представлен в таблице 3.1

Таблица 3.1 — Базовые значения напряжений регуляторов и переменных

Наименование переменной	Обозначение	Расчетная формула	Численное значение	Размерность
1	2	3	4	5
1. Напряжение статора	U	UCH	230	В
2. Ток статора	I	ICH	11,3	A
3. Момент двигателя	М	МН	22,9	Н·м
4. Частота вращения двигателя	щХХ		157
5. Напряжение на выходе регулятора тока	UРТ	f(EП)	10	В
6. Напряжение на выходе датчика тока и регулятора скорости	UДТ, UРС	КДТ·IH	5	В
7. Напряжение на входе регулятора скорости и выходе датчика скорости	UЗ, UДС	КДC·n	10	В

Для выполнения расчетов с целью выбора типов и параметров регуляторов, оценки статических и динамических показателей системы составляется упрощенная (линеаризованная) структурная схема электропривода (рисунок 3.5).

Структурная схема составлена на основе уравнений звеньев, описанных в относительных единицах, что позволяет значительно упростить последующие расчеты.

Рисунок 3.5 — Упрощенная структурная схема

3.4.1 Синтез контура регулирования момента

Исходя из условий высокой точности поддержания заданного значения и обеспечения высокой устойчивости контура регулирования тока выбирается регулятор тока пропорционально-интегрального типа.

Расчет параметров регулятора тока проводится графически с помощью частотных характеристик звеньев, входящих в контур регулирования тока (рисунок 3.5).

Сначала строятся логарифмические амплитудно-частотные характеристики неизменяемой части контура, затем выбирается та частотная характеристика регулятора тока, при которой контур был бы устойчивым.

На рисунке 3.6 показаны структурная схема и логарифмическая амплитудно-частотная характеристика контура регулирования момента.

Условие устойчивости выполняется при Т3=0,01 с, Т4=79·10-3 с

Расчет элементов регулятора тока производится по схеме, указанной на рисунке 3.7

Рисунок 3.6 — Структурная схема и логарифмическая амплитудно-частотная характеристика контура регулирования момента

Рисунок 3.7 — Регулятор тока

Передаточная функция регулятора тока:

• (3.8)

Входное сопротивление задается, R1=20 кОм.

Емкость С1 определяется по формуле:

; (3.9)

Ф.

Принимаем С1=2 мкФ.

• (3.10)

Отсюда кОм.

3.4.2 Синтез контура регулирования скорости

Регулятор скорости выбирается пропорционально-интегрального типа. По параметрам структурной схемы контура регулирования скорости строится логарифмическая амплитудно-частотная характеристика регулятора скорости таким образом, чтобы контур регулирования скорости был устойчив.

На рисунке 3.8 показаны структурная схема и логарифмическая амплитудно-частотная характеристика контура регулирования скорости.

Условие устойчивости выполняется при Т1=0,316 с, Т2=0,006 с.

Расчет элементов регулятора скорости производится по схеме, изображенной на рисунке 3.9

Рисунок 3.8 — Структурная схема и логарифмическая амплитудно-частотная характеристика контура регулирования скорости

Рисунок 3.9 — Регулятор скорости

Передаточная функция регулятора скорости:

• (3.11)

Примем R3=20 кОм.

Емкость определим по формуле:

; (3.12)

мкФ.

• (3.13)

Отсюда кОм.

4. Функциональная схема системы управления синхроным электроприводом

4.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема системы частотно-токового управления синхронным электроприводом приведена на рисунке 4.1. Статорные обмотки трёхфазного синхронного двигателя MS подключены к выходным зажимам преобразователя частоты с непосредственной связью. Этот преобразователь выполнен на трёх реверсивных управляемых выпрямителях UZA, UZB и UZC, работающих в режиме управляемых источников тока. Контуры регулирования токов фаз статора настраиваются идентично друг другу. Цепь ротора MS подключена к источнику постоянного нерегулируемого напряжения. Каждый выпрямитель представляет собой замкнутый контур регулирования тока фазы синхронного двигателя.

Последовательно включенные модулятор МД U, сельсины 1С и 2С и демодуляторы ДМА, ДМВ и ДМС (UA, UB и UC) образуют узел задания фазных токов статора двигателя MS. Частота коммутирующего (опорного) напряжения, на котором работают модулятор, сельсины и демодуляторы, выбирается значительно выше частоты напряжения на статоре MS. Напряжения на выходах демодуляторов ДМА, ДМВ и ДМС образуют симметричную трёхфазную систему, так как магнитные оси обмоток статора сельсина 2С расположены под углом 120 градусов. Амплитуда этих напряжений пропорциональна величине напряжения на входе модулятора, а частота — разнице угловых скоростей вращения роторов сельсинов 1С и 2С. В процессе работы схемы ротор 1С заторможен, а ротор 2С механически связан с валом синхронного двигателя так, чтобы электрические скорости вращения роторов 2С и синхронного двигателя были одинаковы. В этом случае частота напряжения на выходе каждого из демодуляторов (а, следовательно, и частота напряжения на статоре синхронного двигателя) всегда соответствует скорости вращения сельсина 2С. Сельсин 1С облегчает настройку схемы управления, позволяя устанавливать заранее требуемое значение угла между векторами намагничивающих сил ротора и статора. Таким образом, с помощью сельсина 1С производят начальную пространственную ориентацию вектора магнитодвижущей силы (а, следовательно, и потокосцепления) статора относительно ротора.

Все описанные выше элементы схемы образуют внутренний контур косвенного регулирования электромагнитного момента MS. Внешним здесь является контур регулирования скорости вращения вала двигателя, который, кроме контура регулирования момента MS содержит также регулятор скорости РС, датчик скорости ДС с тахогенератором ТГ.

Задатчик интенсивности ЗИ позволяет сформировать процессы разгона и торможения электропривода с заданным темпом.

4.2 Работа электропривода в установившихся режимах

Рассмотрим работу внутреннего контура регулирования электромагнитного момента двигателя при неизменной величине сигнала UРС, поданного на вход модулятора МД. Предположим, что вал двигателя преднамеренно заторможен. Тогда ротор сельсина 2С неподвижен. Если теперь на вход модулятора МД подать постоянное напряжение (например с выхода регулятора РС), то на выходах демодуляторов установятся постоянные напряжения, а по обмоткам фаз статора двигателя будут протекать токи, создающие МДС статора машины. Амплитуду этой МДС можно менять, если изменять величину напряжения на входе МД. Направление этой магнитодвижущей силы (точнее — пространственное положение максимума, например положительной полуволны МДС статора вдоль окружности воздушного зазора машины) можно задавать, поворачивая ротор сельсина 1С или 2С. Можно, например, сельсином 1С выбрать такое начальное пространственное положение МДС якоря относительно оси катушки ротора двигателя MS, чтобы электромагнитный момент М, развиваемый MS при заданных значениях МДС обмоток ротора и статора, был наибольшим. В этом случае пространственные оси катушки ротора и МДС якоря образуют угол 90 градусов. Если установить начальный пространственный угол между осями рассматриваемых МДС равный нулю, то электромагнитный момент синхронного двигателя тоже будет равен нулю, хотя по обмоткам статора и будут протекать токи.

Если теперь статический момент МС на валу двигателя уменьшить так, что МС<М, то ротор MS придет в движение. При этом он будет одновременно и на одинаковый угол поворачивать в зазоре машины и вектор МДС катушки ротора (так как она установлена на роторе) и вектор, создаваемой токами в обмотках статора (так как ротор сельсина 2С механически жестко связан с валом MS).

В итоге величина угла взаимной ориентации векторов МДС обмоток ротора и статора двигателя при движении машины остается такой же, как ее установили при покое. В результате электромагнитный момент, развиваемый двигателем, остается неизменным от скорости вращения двигателя (конечно, при неизменной величине напряжения на входе модулятора МД).

Механическая характеристика электропривода в этом режиме получается абсолютно мягкой. Частота напряжения на статоре двигателя автоматически устанавливается равной его скорости вращения. При n=const токи фаз статора — синусоидальные кривые со сдвигом фаз на 120 градусов. В работающей системе электропривода изменение величины электромагнитного момента двигателя производится изменением величины напряжения на входе модулятора МД с помощью регулятора скорости РС.

Функционально рассматриваемая система электропривода выполнена как двухконтурная схема подчиненного регулирования, в которой внутренним контуром является контур косвенного регулирования электромагнитного момента двигателя (он содержит три параллельных канала регулирования фазных токов статора), а внешним контуром — контур регулирования скорости вращения электропривода с обратной связью по скорости. Регулирование величины электромагнитного момента синхронного двигателя достигается в рассматриваемой схеме за счет изменения амплитуды токов фаз статора пропорционально напряжению на выходе регулятора скорости при фиксированной величине угла ориентации вектора магнитодвижущей силы статора относительно магнитной оси обмотки ротора.

4.3 Синтез узла “Модулятор — демодулятор”

Модулятор МД предназначен для развертывания напряжения регулятора скорости UРС с целью его дальнейшего преобразования сельсинами 1С и 2С. Частота сигнала на выходе модулятора определяется частотой коммутирующего (опорного) напряжения генератора несущей частоты ГНЧ. Частота опорного напряжения выбирается значительно выше частоты напряжения на статоре синхронного двигателя MS.

Работа схемы происходит следующим образом. Сигнал с регулятора скорости через резисторы R1, R2 подается на инвертирующий и прямой входы операционного усилителя А2 соответственно. Оба канала операционного усилителя через ключи VT1 и VT2 поочередно с частотой опорного напряжения замыкаются на общую точку. Это осуществляется посредством встречного включения вторичных обмоток трансформатора TV1 в цепи управления транзисторов.

В результате на выходе модулятора образуются прямоугольные импульсы, амплитуда которых определяется величиной напряжения регулятора скорости UРС, а частота — частотой ГНЧ.

Конструктивно демодуляторы ДМА, ДМВ, ДМС и модулятор ДМ идентичны друг другу. Поэтому демодуляторы ДМВ и ДМС на рисунке 4.2 изображены схематично.

На рисунке 4.2 и 4.3 изображены функциональная схема и статическая характеристика канала “Модулятор-демодулятор” при подключении к сельсинам 1С и 2С. Экспериментальные данные представлены в таблице 4.1

На рисунке 4.4 и 4.5 представлены функциональная схема и экспериментальная статическая характеристика канала “Модулятор-демодулятор” при подаче на вход переменного напряжения частотой 50 Гц. Она является линейной во всем диапазоне изменения амплитуды входного сигнала. Экспериментальные данные представлены в таблице 4.2

Рисунок 4.2 — Функциональная схема канала “Модулятор-демодулятор” при подключении к сельсинам 1С и 2С

Рисунок 4.2 — Статическая характеристика канала “Модулятор-демодулятор” при подключении к сельсинам 1С и 2С

Таблица 4.1 — Экспериментальные данные для построе…