Федеральное агентство  по образованию ГОУ ВПО

«Уфимский государственный  авиационный технический университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методические указания по выполнению

лабораторной работы

 

 

 

 

«ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫМ

АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ»

 

 

 

 

 

 

 

Приложение к стенду ИЧП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа 2005


 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1.   Цель работы

 

3

2.   Приборы и оборудование

 

4

3.   Основные технические данные

 

5

4. Теоретическая часть

 

6

5. Описание лабораторного

стенда

 

 

20

6. Указания по выполнению

работы

 

 

28

7. Указания по оформлению

отчета

 

 

40

8. Контрольные вопросы

 

42

9. Список литературы

43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью данной работы является изучение методов и законов частотного регулирования в асинхронном электроприводе, а также исследование характеристик трехфазного асинхронного двигателя при широтно-импульсном законе управления.


 

2. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

    

Лабораторный стенд ИЧП в составе электромеханического агрегата, состоящего из асинхронного двигателя (АД) АИР-56А и двигателя  постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения МБП-3Ш-Н, валы которых жестко соединены и приборного блока. Для  выполнения работы стенд должен быть укомплектован осциллографом (желательно двухлучевым) близким по параметрам осциллографу  С1-83.

 


 

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

 
Двигатель АИР-56А2У3
Номинальная мощность

0,18 кВт

Напряжения питания   */Δ

380/220 В

Номинальный ток   */Δ

0,52/0,89 А

Номинальная угловая скорость,          об/мин/рад/с

2730/286

Cos φ

0,78

к.п.д.

    68%                          

Масса, кг

3,8

Режим работы

S1 (длительный)

 

Двигатель МБП-3Ш-Н

Номинальная мощность

180 Вт

Напряжение питания

24 В

Номинальный момент на валу

0,3 Н.м

Номинальный ток якоря

15 А

Номинальная угловая скорость

 вращения, об/мин/ рад/c

 

6300 / 660


 

4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Постоянно расширяющееся применение регулируемых электроприводов в промышленном оборудовании, транспорте, авиакосмической технике, медицине, бытовой технике с целью достижения новых качественных результатов в технологии требует разработки новых, а также замены нерегулируемых электроприводов регулируемыми особенно в энергоёмком оборудовании, таком как насосы, компрессоры, вентиляторы и др. с целью энергосбережения;

Решение этой весьма непростой технической проблемы может осуществляться различными способами, среди которых наиболее известны и распространены следующие:

-  механический вариатор;

-  гидравлическая муфта;

-  электромеханический преобразователь частоты (системы генератор-двигатель);

-  дополнительно вводимые в статор или фазный ротор сопротивления и др.;

-  статический преобразователь частоты;

-  асинхронно-вентильный каскад.

В первых четырех способах отмечаются комбинации следующих недостатков:

·        сложности в применении, обслуживании, эксплуатации;

·        низкое качество и диапазон регулирования;

·        неэкономичность.

Все указанные недостатки отсутствуют при использовании частотного управления с помощью преобразователей частоты. Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя в этом случае производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98 %, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций. В связи с этим актуальным является исследование методов управления и регулирования асинхронного двигателя при частотном управлении.

 

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Существует два принципиально возможных метода регулирования частоты вращения асинхронных двигателей: изменение частоты вращения магнитного поля  n1 или  величины  скольжения s [1,2].

Изменение частоты вращения магнитного поля n1, согласно выражению                 n1=60f1/pn,

где f1- частота питающей сети,

               pn  - число пар полюсов,

осуществляют двумя способами:

·      изменением частоты f1 тока, подаваемого на обмотку статора, или изменением числа полюсов машины 2рn.

Изменение скольжения s при заданном нагрузочном моменте М=Мн, согласно формуле

                             (1)

где w1- угловая скорость магнитного поля;

                  U1 - напряжение, приложенное к фазной обмотке статора;

                m1 - число фаз первичной обмотки;

               C1 - коэффициент, представляющий собой отношение U1 к ЭДС E1, индуцируемой в обмотке статора при идеальном холостом ходе, С1» 1;

              R1 - активное сопротивление статора;

             X1 - индуктивное сопротивление статора;

             X2’ - индуктивное приведенное сопротивление ротора;

             R2’ -  активное приведенное сопротивление ротора,

можно осуществлять путем изменения питающего напряжения U1, введением в цепь ротора добавочного активного сопротивления (в двигателях с фазным ротором) или подключения обмотки ротора к добавочному источнику электрической энергии с изменяющейся частотой f2 (в двигателях двойного питания и асинхронных каскадах).

Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить направление вращения магнитного поля. В трехфазных машинах это осуществляется изменением чередования фаз, для чего переключают два провода, подводящие ток из сети к двум любым фазам обмотки статора.

 

Частотное регулирование

Этот способ регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором сочетает вышеописанные методы и является более экономичным по сравнению с ними. Для изменения частоты питающего напряжения чаще всего применяют статические преобразователи частоты на автономных инверторах напряжения.

Законы регулирования

 Зависимость максимального момента от напряжения и частоты выражается, согласно формуле (1), может быть получена при допущении R1» 0 и X1= 2p f1 L1; X2’=2p f1 L2  следующего вида

Mmах = ceU1/f1,                                                        (2)

где    с - постоянная;

         L1 и L2’ - индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора.

Из (2) следует, что при изменении частоты f1 одновременно с частотой вращения изменяется и максимальный момент, т.е. перегрузочная способность двигателя (Ммах/Мном). Для устойчивости работы двигателя необходимо обеспечить достаточную перегрузочную способность Ммах/Мном=l. Следовательно при частотном регулировании должнобыть обеспечено условие

Ммах1/Мн1= Ммах2/Мн2=const,                           (3)

где      «1» и «2» - индексы, относящиеся к различным частотам вращения;

          Мн1,Мн2 - нагрузочные моменты при этих частотах.

          Поскольку       Ммах1/Ммах2= (U11/U12)2(f12/f11)2,           (4)

то получаем основной закон частотного регулирования (акад. Костенко М.П.) /1/                             (5)

Если требуется регулировать частоту вращения при постоянном нагрузочном моменте (Мн = const), то уравнение (1.5) примет вид

U11/f11 =U12/f12 =const,                                                       (6)

т.е. питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения. Если требуется поддерживать режим постоянной мощности электродвигателя P2=Mн w2 =const, то, так как частота вращения w2 приблизительно пропорциональна частоте f1, то получим условие

    или                      (7)

Часто регулирование двигателя осуществляется по закону постоянства магнитного потока. Поскольку электромагнитный момент асинхронного двигателя при заданной частоте тока в роторе пропорционален квадрату магнитного потока:

                          (8)

Поэтому для поддержания максимального момента неизменным требуется иметь постоянный магнитный поток, т.е. при регулировании частоты должно соблюдаться условие Е1 / f1=сonst. В этом случае значение момента определяется только частотой ротора f2 и оно одинаково в двигательном и тормозном режимах (рисунок 1,а). Для обеспечения неизменного магнитного потока питающее напряжение U1 должно изменяться так, чтобы выполнялось условие

,                                  (9)

но, так как ЭДС Е1 и реактивное сопротивление Х1 пропорционально частоте f1, а сопротивление R1 от частоты не зависит, то напряжение U1 должно изменяться по закону      U1» a + b f1, где а и b -постоянные (рисунок 1,б) /4/.

                                             а                                                         б

Рис. 1. Механическая и регулировочная характеристики инвертора при ЧР:

             а -М=f(f2); ,б - U1=f(f1) при регулировании по условию Фm=const

 

 

 

Рис. 2. Структурная схема типового ЧР электропривода:

                           1 – выпрямитель, 2– входной фильтр, 3 – автономный инвертор напряжения;

                                                 4 –АД двигатель; 5 - система управления

 

Такую зависимость возможно получить только при питании электродвигателя от автономного инвертора напряжения, когда U1 и f1 могут изменяться по любому требуемому закону.

 

Реализация законов управления

Схемы подключения асинхронного двигателя и автономного инвертора. Функциональная схема преобразователя частоты, питающего асинхронный двигатель в разомкнутой системе регулирования (САР), представлена на рис. 2 и содержит выпрямитель1, входной фильтр 2, служащий для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, автономный инвертор напряжения 3, поочередно подключающий фазы обмотки статора двигателя 4 к шинам разной полярности. Закон подключения определяется системой управления 5. Система управления может быть выполнена как на дискретных элементах, так и на различных микроконтроллерах или ПЭВМ.

Функциональная схема замкнутой САР содержит блок датчиков 6 (рис.3), включающий в себя датчик частоты вращения ротора, датчик тока статора, датчики напряжения на входе и выходе инвертора и др.

 

Рис. 3

Замкнутые САР позволяют более точно реализовать любой закон регулирования и увеличить его диапазон. Принципиальная схема питания обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя от автономного инвертора напряжения показана на рис. 4.

Достоинством трехфазной мостовой схемы преобразователя является то, что в кривых фазных токов и напряжений отсутствуют третьи гармонические.

Рис. 4

 

В зависимости от закона управления и угла открывания ключевых элементов форма выходного напряжения может быть прямоугольной или ступенчатой, иметь или не иметь паузу, соответственно меняется и ток в фазах двигателя.

 Методы управления автономными инверторами. В современных замкнутых электроприводах для регулирования первой гармоники выходного напряжения инвертора и его частоты, в основном, используются методы импульсного регулирования. Содержание высших гармоник при снижении напряжения в этом случае обычно увеличивается /2/, однако достоинством указанного способа является высокое быстродействие преобразователя.

Чтобы уменьшить содержание высших гармонических составляющих в кривых выходного напряжения, увеличивают частоту модуляции и применяют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) по синусоидальному закону [ 3].

           Широтное регулирование напряжения. Этот способ ранее использовался для регулирования напряжения управляемого выпрямителя на входе инвертора [1]. В настоящее время при использовании в качестве ключевых элементов инвертора полностью управляемых транзисторов и тиристоров, возможно применение данного метода в устройствах, где не предъявляются жесткие требования к гармоническому составу кривой напряжения инвертора. Суть метода сводится к открыванию ключей мостового инвертора в соответствии с алгоритмом получения 3х-фазной последовательности и регулировании времени отрытого состояния ключей D. При этом в зависимости от величины D будет меняться форма суммарных кривых фазного напряжения инвертора, величина его среднего за период значения, частота и гармонический состав (рис. 5).

Рис. 5

 

Если угол отпирания ключа равен 1800  в кривых тока и напряжения исчезает пауза, что может привести к появлению сквозных токов. В то же время при малых углах отпирания резко ухудшается гармонический состав выходного напряжения, соответственно тепловой режим двигателя и ограничение диапазона регулирования его частоты вращения.

Широтно-импульсная модуляция. Способ, применяемый для импульсного регулирования напряжения постоянного тока, может быть использован и для регулирования переменного напряжения инвертора.

При этом выходное напряжение инвертора модулируется высокочастотными сигналами (рис.6,а) при которых кратковременные импульсы длительностью t1 соответствующие напряжению на входе инвертора Ud, напряжения сменяются паузами t2

Среднее напряжение за период 

             Uср= Ud(St) / (0.5T) = g Ud,                                 (10)

где   St умма проводящих отрезков времени за полупериод Т/2;

           g = (St) / (0.5T) - коэффициент заполнения.

Путем изменения соотношения между проводящими и непроводящими отрезками времени, т.е. изменяя коэффициент заполнения, можно регулировать среднее значение выходного напряжения при неизменном значении Ud, изменяя число импульсов в полупериоде можно регулировать частоту выходного напряжения инвертора.

Широтно-импульсная модуляция по синусоидальному закону. Если при постоянной несущей частоте изменить соотношение t1и t2 по синусоидальному закону          

(t1 +  t2)t =m sinW t,

где     m - коэффициент глубины модуляции;

           W - частота модуляции,

то среднее значение напряжения на нагрузке за период несущей частоты также будет меняться по синусоидальному закону с частотой модуляции

Uн.ср.= m Ud sinW t.                                                                                                     (11)

                               а                                                                                                   б

Рис. 6: а) многократная ШИМ при t1=t2; б) многократная ШИМ по синусоидальному закону

 

Рис. 7

Коэффициент глубины модуляции показывает в каких пределах изменяется длительность интервалов t1 и  t2 в течение периода частоты модуляции. При m=1 длительности t1 и  t2 изменяются от 0 до t, а амплитуда среднего значения напряжения равна Ud. 

Таким образом, изменяя m  и W t, можно осуществить независимое регулирование амплитуды и частоты напряжения на нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном выпрямленном входном напряжении. На рисунке 6,б показан один из способов формирования напряжения инвертора с однополярной ШИМ по синусоидальному закону а на рис.7 показаны кривые напряжений управления (а), линейного выходного напряжения (б) и фазного тока (в) при ШИМ, полученные при имитационном моделировании.

 

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Разомкнутые системы регулирования скорости вращения на­шли применение лишь в относительно дешевых электропри­водах, не требующих высокой точности регулирования. Учитывая высокую стоимость комплектных тиристорных элек­троприводов с высокомоментными двигателями в них целесо­образно производить регулирование скорости исключительно в замкнутых системах автоматического регулирования для со­здания высокоточных электроприводов. Наибольшее приме­нение в комплектных электроприводах нашел принцип подчиненного управления. Тиристорные электроприводы с си­стемой управления, построенной по подчиненному принципу, имеют, как правило, два контура регулирования: контур тока и контур скорости.

Структурная схема [2] такого электропривода представлена на рис. 8. Подчиненное регулирование основано на том, что внешний контур вырабатывает сигнал задания для внутреннего контура. Внутренний контур является звеном внешнего конту­ра и его параметры учитываются при оптимизации последнего.

 

 

Рис.  8.  Структурная  схема  тиристорного электропривода   с   двухконтурным   подчиненным регулированием  скорости.

PC    регулятор  скорости;  РТ    регулятор  тока; ТП      тиристорный   преобразователь;  М      ДПТ; Кi    коэффициент передачи датчика тока; Кω  -   коэффициент  передачи ТГ.

 

Оба контура регулирования постоянного тока находятся во взаимодействии и переключения отсутствуют. Применение простых регуляторов возможно только в случае, если регули­руемый объект может быть разделен на отдельные блоки и каждый контур может содержать лишь одну постоянную вре­мени, которая должна быть скомпенсирована при коррекции контуров. На рис. 9 приведена электрическая схема пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, который используется в исследуе­мом электроприводе в качестве регулятора тока РТ и регуля­тора скорости PC.

 

Рис.   9.   Схема   ПИ—регулятора и его переходная характеристика.

 

 Сигнал на выходе ПИ-регулятора UВЫХ пропорционален входному сигналу UBx и интегралу от входного сигнала по времени. Передаточная функция ПИ-регулятора имеет следу­ющий вид:

Необходимо отметить, что выходное напряжение ПИ-регуля­тора перестанет изменяться и будет сохранять постоянное значение лишь в случае, когда входной сигнал регулятора становится рав­ным нулю, т.е. при помощи ПИ-регулятора достигается прин­цип астатизма, при котором сигнал управления изменяется до тех пор, пока в системе имеется рассогласование. Устойчивой работы привода можно достичь и при пропорциональном регуляторе скорости. Однако при этом в контуре появляется статическая ошибка, то есть в установившемся состоянии скорость двигателя будет отличаться от заданного значения. Особенно это отличие будет проявляться при нагруженном двигателе.

В системе подчиненного регулирования появляется возможность раз­дельного регулирования переменных - тока и скорости - и их последовательной настройки, начиная с первого внутреннего контура.

Это в значительной степени упрощает расчет таких систем и техническую настройку электроприводов после установки их на рабочих механизмах.

Задающим сигналом для второго внешнего контура является сигнал задания угловой скорости UЗС, а для первого - сигнал с выхода регулятора скорости PC - UЗТ.

Настройку каждого контура производят так, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс.

На рис.10 приведен пример технически оптимального переходного про­цесса. Настройка на технический оптимум осуществляется так, чтобы время выхода на установившийся режим t1 было мини­мальным при условии, что перерегулирование не будет превы­шать 4...10%.

 

Рис.   10.   Технически   оптимальный   переходной процесс   при  DХВЫХ <   4…10%, где ХВЫХ -  выходной сигнал контура управления.

 

В результате [5] реализации системы подчиненного регулирования ДПТ утрачивает свои естествен­ные свойства. Процесс пуска протекает в системе следующим образом. Контур регулирования тока первоначально вынужда­ет ток ДПТ следовать задающему сигналу, угловая скорость же вращения ДПТ w устанавливается в соответствии с нагрузкой. Внешний контур осуществляет регулирование w  согласно за­данному значению и, исходя из ошибки регулирования Δw,  выра­батывает сигнал задания тока UЗТ, в соответствии с которым устанавливается ток ДПТ.

Ограничение заданного тока приводит к ограничению тока двигателя. Если заданная w  изменяется скачком на значи­тельную величину, то возникает такая ошибка регулирования, что вступает в действие ограничение задания тока. ДПТ разго­няется при одновременном ограничении тока, пока ошибка регулирования w  не уменьшится настолько, что значение тока станет меньше предельно допустимого значения. В связи с этим становится возможным прямой пуск ДПТ без проявлений не­допустимых перегрузок привода. Однако при работе токоограничения фактически размыкает­ся контур регулирования скорости и разгон (торможение) идет с постоянным ускорением, что затягивает переходные процессы.

 

 

Импульсное регулирование угловой скорости

вращения

Угловая скорость вращения двигателя постоянного тока может эффективно регулироваться изменением напряжения питания. Один из методов изменения напряжения питания заключается в импульсном управлении силовым полупроводниковым ключом, периодически подключающим двигатель к источнику постоянного тока.

Упрощенная схема системы ИРН-ДПТ представлена на рис. 11, где ИВК - идеальный вентильный ключ, VD0 демпфирующий диод, La - добавочная индуктивность.

 

Рис. 11 - Упрощенная схема системы ИРН-ДПТ

 

При периодическом включении ИВК якорь двигателя циклически подключается к сети с напряжением U. Для некоторого квазиустановившегося режима может быть справедлива диаграмма напряжений и токов, представленная на рис. 12.

Рис. 12 - Диаграмма напряжений и токов в упрощенной схеме системы ИРН-ДПТ

 

Нa интервале замкнутого состояния ИВК tB к якорю двигателя прикладывается напряжение U. Ток якоря  IB при этом экспоненциально возрастает. На интервале to ИВК отключается и ток якоря io спадает через цепь демпфирующего диода VD0. Затем процесс повторяется через каждый период цикла Т.

В результате на якоре двигателя создается импульсное напряжение, среднее значение которого 11я может быть определено по формуле

 

Способы регулирования скважности

Нетрудно видеть, что напряжение на якоре двигателя, а, следовательно, и его угловая скорость вращения может регулироваться изменением скважности импульсов g. Это изменение g может быть получено одним из трех способов:

   В широтно-импульсном преобразователе (ШИП) с постоянной частотой импульсов f=l/T соответствующим регулированием tВ - продолжительности включенного состояния ИВК, т.е. при T=const, a tВ=var. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

   В частотно-импульсных преобразователях (ЧИП) с постоянным временем включения ИВК  tВ при регулировании частоты импульсов f=l/T, т.е. при tВ =const и T=var;

    В широтно-частотных импульсных преобразователях (ШЧИП) при изменении как частоты импульсов, так и продолжительности замкнутого состояния ИВК, т.е. при T=var и tВ =var.

Наибольшее распространение в технике электропривода получило широтно-импульсное регулирование скорости вращения.

 

Анализ процессов при импульсном регулировании

Как видно из рис. 12, одновременно с напряжением и ток якоря двигателя характеризуется колебаниями вокруг какого-то среднего значения Iср. Соответственно вращающий момент и угловая скорость вращения ротора также будут иметь пульсации.

Для непрерывного во времени тока можно записать следующие уравнения,          характеризующие электромагнитные процессы в двигателе при импульсном регулировании:

при 0 < t < tВ

где R - сопротивление якорной цепи, Ом; L - индуктивность якорной цепи, Гн;

с = кФн - коэффициент пропорциональности, Bс; i - ток якорной цепи, А.

В квазиустановившемся режиме ток минимален в момент, когда    ИВК включается, и максимален, когда ИВК отключается. Решением   уравнений являются следующие выражения:

при 0 < t < tB

где t'=t-tB, Тэ =L/R - электромагнитная постоянная обмотки якоря. Из двух уравнений приведенных выше можно определить максимальное значение тока в конце первого интервала:

        ( 12 )

В установившемся режиме i(0) = i(T) = i(to=T-tB). Откуда следует, что

             ( 13 )

Совместное решение (12) и (13) позволяет получить

                                              ( 14 )

Выражения (14) дают представление о пульсациях тока в якоре двигателя вокруг среднего значения Icp.

 

Уравнение электромеханической характеристики

Для электромеханической характеристики при импульсном регулировании справедливо уравнение

( 15 )

где Icp - среднее значение тока якоря, А; wср - среднее значение угловой скорости вращения, рад/с.

Как видно это обычное уравнение электромеханической характеристики классического двигателя постоянного тока, в котором постоянные ток, напряжение и угловая скорость заменены средними значениями.

 

Уравнение механической характеристики

С учетом того,  что в двигателе постоянного  тока электромагнитный момент связан с током якоря выражением

то для среднего значения момента можно записать следующее выражение:

    ( 16 )

С учетом  (16)  уравнение для электромеханической характеристики можно преобразовать в зависимость

( 17 )

где w0 - угловая скорость идеального холостого хода при скважности g = l, рад/с.

 

Графическое изображение электромеханической и механической

характеристик в режиме непрерывных токов

Уравнения (15) и (17) справедливы в предположении, что ток якоря i не имеет нулевых интервалов, т.е. непрерывен. В этом случае электромеханические (механические) характеристики для различных значений скважности g изображаются прямыми линиями рис. 16 параллельными друг другу.

 

Рис. 13 - Электромеханические (механические) характеристики ДПТ с ШИМ для различных значений скважности g

 

Режим прерывистых токов в системе ИРН-ДПТ

При уменьшении момента сопротивления на валу двигателя и малых значениях индуктивности якорной цепи мгновенные значения тока якоря i могут достигать нулевого значения. Форма тока может иметь вид представленный на рис. 13.

 

Рис. 14 – Графики тока якоря в системе ИРН-ДПТ

 

В этом случае уравнения характеристик  (15)  и (16) справедливы только в той части характеристик, в которой токи имеют непрерывный характер.

В случае прерывистых токов наблюдаются нелинейности электромеханических и механических характеристик, которые особенно проявляются при малых нагрузках и скважностях.

Скорость холостого хода в этом случае для всех значений скважности будет одинаковой и определяется как

                    ( 18 )

Это явление можно пояснить следующим примером: пусть момент сопротивления Мс на валу двигателя равен нулю. При периодическом подключении двигателя к сети его ротор будет разгоняться с появлением каждого импульса напряжения. Так как Мс = 0, то разгон будет производиться до значения w0, определяемого из (18) вне зависимости от скважности g. Диаграмма напряжения и скорости для этого случая представлена на рис. 15.

Рис. 15 - Диаграмма напряжения на якоре и скорости двигателя при Мс = 0

 

Графическое изображение характеристик в зоне прерывистых токов

Электромеханические и механические характеристики двигателя постоянного тока, работающего в системе ИРН-ДПТ представлены на рис. 16. Здесь пунктирная линия соответствует режиму гранично-непрерывных токов, область слева от нее - режиму прерывистых токов, а область справа от нее режиму непрерывных токов.

Как   видно   из  рис. 16 в режиме непрерывных токов механические характеристики ничем не отличаются от характеристик двигателя постоянного тока при регулировании его угловой скорости вращения изменением питающего напряжения, а в режиме прерывистых токов жесткость характеристик резко падает.

Для сужения области прерывистых токов можно увеличивать частоту коммутации (в современных электроприводах частота коммутации может достигать 18 кГц), или вводить добавочную индуктивность в якорную цепь (для увеличения запаса электромагнитной энергии в якоре двигателя).

 

5. Описание лабораторного стенда

 

Лабораторный стенд состоит из приборного блока,  электромеханического агрегата, соединенных кабелями с приборным блоком и располагаемых на столе рядом с приборным блоком. (Стол в комплект поставки не входит).  Предусмотрен вариант поставки лабораторного стенда в  компьютерном варианте для работы совместно с ПЭВМ. Настоящая редакция методических указаний ориентирована на базовый вариант лабораторного стенда (без работы с ПЭВМ).

 

5.1. Приборный блок  и электромеханический агрегат

Внешний вид приборного блока 1 и электромеханического агрегата 2 представлен на рис. 5.1.

Выноска 3 (с границей): 3Выноска 3 (с границей): 1Выноска 3 (с границей): 4Выноска 3 (с границей): 2

 

Рис. 5.1. Внешний вид приборного блока

 

Электромеханический агрегат 2 состоит из объединенных в одном конструктиве  ДПТ и асинхронного двигателя, валы которых жестко соединены.

На левой боковой стенке приборного блока расположены сетевой разъем 4 и  автомат защиты 3. К сетевому разъему 1 подключатся кабель, подводящий к стенду сетевое напряжение 380 В.  Автомат защиты 2  служит для подключения стенда к источнику сетевого питания и автоматического выключения при превышении потребляемым из сети током допустимого значения из-за коротких замыканий и других причин.

Функционально лицевая панель состоит из двух основных частей: левая часть – привод переменного тока с АД (рис. 5.2.) и правая часть – привод постоянного тока (рис. 5.3).

 

 

Выноска 3 (с границей): 44Выноска 3 (с границей): 19Выноска 3 (с границей): 17Выноска 3 (с границей): 14Выноска 3 (с границей): 20Выноска 3 (с границей): 16Выноска 3 (с границей): 18Выноска 3 (с границей): 13Выноска 3 (с границей): 12Выноска 3 (с границей): 15Выноска 3 (с границей): 11Выноска 3 (с границей): 10Выноска 3 (с границей): 9Выноска 3 (с границей): 5Выноска 3 (с границей): 6Выноска 3 (с границей): 8Выноска 3 (с границей): 7

 

Рис. 5.2. Левая часть лицевой панели приборного блока

 

На  лицевой панели расположены органы управления стендом, индикаторы, измерительные приборы для контроля основных параметров, разъемы для подключения к приборному блоку внешних устройств и изображение электрической схемы установки. Перевод основных надписей на передней панели приведен в табл. 5.1:

Таблица5.1

Надпись

Русский перевод

AC MOTOR

асинхронный двигатель

ARMATURE CURRENT

ТОК ЯКОРЯ

ARMATURE VOLTAGE

НАПРЯЖЕНИЕ ЯКОРЯ

BRAKING

Торможение

CMPT

Компьютер(сокр.)

COMPUTER

Компьютер

CONTROL VOLTAGE

управляющее напряжение

CONTROL UNIT

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

CURRENT SOURCE

ИСТОЧНИК ТОКА

 

 

 

Выноска 3 (с границей): 42Выноска 3 (с границей): 32Выноска 3 (с границей): 29Выноска 3 (с границей): 35Выноска 3 (с границей): 36Выноска 3 (с границей): 28Выноска 3 (с границей): 27Выноска 3 (с границей): 26Выноска 3 (с границей): 33Выноска 3 (с границей): 34Выноска 3 (с границей): 41Выноска 3 (с границей): 40Выноска 3 (с границей): 39Выноска 3 (с границей): 38Выноска 3 (с границей): 37Выноска 3 (с границей): 43Выноска 3 (с границей): 31Выноска 3 (с границей): 30Выноска 3 (с границей): 25Выноска 3 (с границей): 24Выноска 3 (с границей): 23Выноска 3 (с границей): 22Выноска 3 (с границей): 21

 

Рис. 5.3. Правая часть лицевой панели приборного блока

 

 

CURRENT PHASE

Ток фазы

CURRENT OVERLOAD

ПЕРЕГРУЗКА ПО ТОКУ

DC MOTOR

Двигатель постоянного тока

Direction

НАПРАВЛЕНИЕ

Drivers

ЗДЕСЬ-УСИЛИТЕЛИ

Enable

РАЗРЕШЕНИЕ(ЗДЕСЬ –Р.РАБОТЫ ПРИВОДА)

Error

ОШИБКА

EXciTING CURRENT

ТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

frequency indicator

Индикатор Частоты

Generator PWM

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

HAND

РУЧНОЕ (УПРАВЛЕНИЕ)

Logic Unit

ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ON

ВКЛЮЧЕНО

OFF

ВЫКЛЮЧЕНО

POWER

СЕТЬ

PHOTOELECTRIC  TRANSDUSER

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

PWM controller

СИСТЕМА ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ

reference Voltage

ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Reset

СБРОС

SensIng

ОПРЕДЕЛЕНИЕ (ЗДЕСЬ-ОАПРАВЛЕНИЕ)

Sensor Voltage

ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ

SPEED rad/s

СКОРОСТЬ рад/с

STOP

СТОП

Tachometr

Измеритель частоты вращения

Line Voltage

Линейное напряжение АД

 

 

Назначение элементов, расположенных  на передней панели приборного  блока, а также исходное (перед включением стенда) положение органов управления приведено в табл. 5.2

Таблица 5.2

Наименование

элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 5.1…5.3)

Исходное положение

Назначение

1

2

3

4

Разъемы

Разъем сетевой

- (4)

Присоединен

Подключение приборного блока к сети 380 В

Разъем М1

- (42)

Присоединен

Подключение двигателя М1 к приборному блоку

Разъем М2

- (43)

Присоединен

Подключение двигателя М2 к приборному блоку

Разъем «CMPT»

- (20)

Присоединен (в варианте поставки с компьютером)

Подключение к последовательному каналу связи с ПЭВМ

Разъем «PHOTOELECTRIC  TRANSDUSER»

- (41)

Присоединен

Подключение фотоэлектрического преобразователя скорости вращения валов двигателей, установленного на двигательном агрегате, к приборному  блоку

Элементы защиты

Предохранители плавкие 1 А

 

 

 

- (9)

 

 

 

 

Вставлен

 

 

 

 

Защита цепей схемы управления стендом от превышения потребляемым  током допустимого значения

Предохранитель плавкие  4 А

- (9)

Вставлен

Защита цепи обмотки возбуждения ДПТ от превышения током допустимого значения

Автомат защиты QF1

- (3)

Нижнее

Защита стенда от превышения потребляемым  от сети током допустимого значения

Автомат защиты QF2

QF2 (6)

Нижнее

Защита цепи якоря ДПТ от превышения допустимого значения

Индикаторы

Лампа индикаторная «POWER»

- (5)

-

Индикация наличия на стенде сетевого напряжения

Светодиод «ERROR»

- (39)

-

Индикация блокировки работы широтно-импульсного привода

Светодиод «CURRENT BRAKING Overload»

- (40)

-

Индикация перегрузки цепи якоря ДПТ М2 по току торможения

Светодиод «SensIng»

- (27)

-

Индикация направления вращения двигателей

Светодиод

«TRIP»

- (17)

-

Индикация ошибки в работе частотного привода

Сегментный индикатор ЧП

- (44)

-

Индикация состояния

частотного привода

Светодиод «FUNC»

- (18)

-

Индикация достижения номинальной скорости вращения асинхронного двигателя

 

 

Стрелочные измерительные приборы

Амперметр «CURRENT PHASE »

PA1 (21)

-

Измерение тока в обмотках статора АД

Амперметр

«ARMATURE CURRENT»

PA3 (23)

-

Измерение тока в цепи якоря ДПТ

Амперметр «EXATING CURRENT»

PA2 (24)

-

Измерение тока в обмотке возбуждения ДПТ

Вольтметр

«Line Voltage»

РV1 (22)

-

Измерение линейного напряжения

статора АД

Вольтметр «ARMATURE VOLTAGE»

PV2 (12)

-

Измерение напряжения в цепи якоря ДПТ

 

Вольтметр

« frequency indicator »

PF (7)

-

Измерение заданного значения частоты  вращения валов двигателей. Для получения значения частоты в герцах, необходимо умножить показания вольтметра на 10

 

Переключатели и кнопки

Кнопка S1 - FOR

S1 (10)

-

Вращение вперед

 

Кнопка S2 - Rev

S2(11)

-

Вращение обратно

Кнопка S3 - STOP

S3(14)

-

Останов двигателя

Кнопка S4 – Reset

S4(15)

-

Сброс ошибки

Переключатель  S5 - CMPT
HAND CONTROL

S5(19)

Положение «HAND CONTROL» при работе стенда в режиме ручного управления.

Положение «CMPT» при работе стенда в режиме управления от компьютера.

Переключение режимов работы АД: управление от компьютера – ручное управление

Переключатель S6

 

S6 (38)

Нижнее

Разрешение работы ШИП привода

Переключатель S7

S7 (37)

 

Вправо

Включение динамического торможения (вправо – включено)

Переключатель S8

 

S8 (26)

 

Верхнее

Изменение частоты модуляции в широтно-импульсном приводе

Переключатель S9

S9 (31)

Верхнее

Изменение направления вращения ДПТ путем изменения направления тока в цепи обмотки возбуждения: верхнее положение – вращение по часовой стрелке – согласно с АД; нижнее положение – вращение против часовой стрелки (также см. S11)

Переключатель  S10 - CMPT
HAND CONTROL

S10 (33)

Положение «HAND CONTROL» при работе стенда в режиме ручного управления.

Положение «CMPT» при работе стенда в режиме управления от компьютера.

Переключение режимов работы ДПТ: управление от компьютера – ручное управление

Переключатель  S11

 

S11 (32)

Среднее

Переключение полярности управляющего напряжения ДПТ. Изменение направления вращения ДПТ путем изменения полярности напряжения на якоре ДПТ

Потенциометры

Потенциометр RР1

RР1 (16)

До упора против часовой стрелки

Регулирование частоты вращения АД

Потенциометр RР2

RР2 (30)

До упора против часовой стрелки

Регулирование тока в цепи обмотки возбуждения ДПТ

Магазин сопротивлений RР3

RР3 (25)

Положение «10»

Регулирование сопротивления в цепи обмотки якоря ДПТ

Потенциометр RР3

     RР3 (34)

До упора против часовой стрелки

Задатчик сигнала управления ДПТ

Перемычки

Перемычка XT1

XT1 (28)

Установлена

Изменение типа регулятора тока в широтно-импульсном приводе

Перемычка XT2

XT2 (36)

Установлена

Замыкание/ размыкание контура тока в широтно-импульсном приводе

Перемычка XT3

XT3 (29)

Установлена

Изменение типа регулятора скорости в широтно-импульсном приводе

Перемычка XT4

XT4 (35)

Установлена

Замыкание/ размыкание контура скорости в широтно-импульсном приводе

Гнезда

Гнезда X1…X19

X1…X19

-

Контрольные точки электрической схемы

 

Сквозь закрытое прозрачным щитком окно 12 в  левой части лицевой панели видна плата частотного привода. На сегментном индикаторе отображается состояние привода. Перечень состояний приведен в  табл. 5.3.

 Таблица 5.3.

Показания

индикатора

Состояние привода

1

Останов

2

Разгон

3

Достижение опорной частоты

4

Торможение

 

5

Ток двигателя превышает значение, установленное потенциометром THRY в течение 60    с.

 

6

Превышение максимально допустимого тока.

7

Повышенное напряжение на звене постоянного тока (³ 410 В).

8

Пониженное напряжение на звене постоянного тока (£ 180 В).

 

9

Повышенная или пониженная температура (£ -5°С или  ³ 80°С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2  Электромеханический агрегат

Внешний вид электромеханического агрегата приведен на рис. 2.4. Электромеханический агрегат состоит из объединенных в одном конструктиве АД и ДПТ, валы которых жестко соединены. На валах двигателей, кроме того, установлен оптический растровый диск, являющийся первичным преобразователем фотоэлектрического тахометра. АД, ДПТ и оптический растровый диск подключаются кабелями (каждый своим) к  соответствующим разъемам приборного блока.

Рис. 5.4.  Электромеханический агрегат

 

          6. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

           РАБОТЫ

 

            6.1. Указания мер безопасности

 

!Корпус приборного блока стенда должен быть заземлен.

Не допускается работа обучающихся со стендом при открытом состоянии панелей приборного блока.

 

 

6.2. Проверка работоспособности стенда

 

 

6.2.1. Проверка наличия напряжений питания на стенде:

·   установить органы управления, расположенные на                  лицевой панели приборного блока в соответствии с указаниями, приведенными в табл. 5.2;

·   включить автомат QF1 на левой боковине приборного блока, при этом должен загореться индикатор «POWER», на левой части лицевой панели, светодиоды «CURRENT BRAKING Overload» на правой части лицевой панели, а также на сегментный индикатор должен показывать «1».

·       При включении может  гореть светодиод  «SensInG».

·       При первом включении автомата QF1 он может сразу же отключиться из-за превышения пусковым зарядным током ЧП допустимого значения. В этом случае необходимо повторить попытку включения.

 

6.2.2. Проверка системы управления АД М1

·       проверить, что переключатель S5 находится в положении «HAND CONTROL;

·       автомат QF2 находится в выключенном положении«OFF» (вниз);

·       запустить АД нажатием кнопки «FOR» S1. контролируя частоту питания АД по вольтметру PF резистором RP1 установить её равной 5В, что соответствует 50Гц. При этом сегментный индикатор должен показывать значение «3», светодиод «FUNC» загореться, а показания дисплея тахометра должны соответствовать 290…313 рад/с;

·       осуществить реверс АД нажатием кнопки S2 “REV”; сравнить показания вольтметра PF и дисплея тахометра с предыдущими;

·       выключить АД нажатием кнопки “STOP” S3;

 

 

         6.2.3. Проверка системы управления ДПТ М2

·        проверить, что переключатель S10 находится в положении «HAND CONTROL»;

·       установить переключатель S9 в нижнее положение (вращение  ДПТ против часовой стрелки);

·       вращением потенциометра RР2 проверить возможность регулирования тока возбуждения ДПТ, который измеряется амперметром РА2 «EXCITING CURRENT», в пределах 0,4…1.8-2,2 А, направление тока на амперметре «EXCITING CURRENT» должно быть отрицательным (стрелка амперметра отклоняется влево);

·       установить переключатель S9 в верхнее положение (вращение  ДПТ по часовой стрелке), направление тока на амперметре РА2 «EXCITING CURRENT» должно измениться на положительное (стрелка амперметра отклоняется вправо);

·  установить   ток  возбуждения  ДПТ вращением потенциометра RР2– 1,8 А;

·  Все перемычки XT1..XT4 должны быть замкнуты;

·  Переключатели должны находиться в состояниях:  S6(разрешение) - вверх, S7(торможение) – влево, S8(частота ШИМ) – вверх;

·  установить потенциометр РR3 в положение «10» для осуществления реостатного пуска;

·   включить автомат QF2, переведя его в положение «ON»(вверх). Установить переключатель S11 в левое положение и потенциометром RP4 установить ток якоря ДПТ ~3..5А, при этом установившаяся угловая скорость должна находиться в диапазоне ~300…410 рад/с ;

·  вывести РR3 в положение «6», при этом  установившаяся угловая  скорость и ток якоря ДПТ должны находиться в диапазонах соответственно ~350…450 рад/с и ~3…5 А;

·   вывести РR3 в положение «0», при этом скорость ДПТ должна увеличиться до скорости ~500…650 рад/с, а ток якоря составить ~4…6 А;

·  установить потенциометры: RP3 в положение «10», RP2 перевести крайнее правое положение, RP4 в крайнее левое, а переключатель S6 – вниз и S11 в среднее положение;

·  отключить двигатель, переведя автомат QF2 в положение «OFF»(вниз).

 

Во избежание поломки лабораторной установки, соблюдайте порядок выключения установки

             6.3. Исследование АД, управляемого частотным преобразователем

 

6.3.1 Экспериментальное определение зависимости коэффициента сE= kФ от тока возбуждения Iв.

В данном стенде в качестве регулирования нагрузочного момента на валу исследуемого АД используется ДПТ с независимым возбуждением.

Крутящий момент на валу АД (М1), определяется из выражения:

М1 = Мдпт – М0,

М1 = Мдпт + М0,                                                                            (6.1)

где:  – момент, развиваемый ДПТ;  – момент холостого хода электромеханического агрегата АД – ДПТ; знак «+» соответствует двигательному режиму работы АД, знак «−» - в  тормозных режимах.

 может быть определен по измеренным значениям тока в обмотке якоря ДПТ по формуле:

,                                                               (6.2)

где ,  - ток в обмотке якоря ДПТ,

*          - поток возбуждения ДПТ,

 - ток в обмотке возбуждения ДПТ,

 - конструктивный коэффициент ДПТ.

Регулирование нагрузочного момента возможно как путем изменения сопротивления в обмотке якоря ДПТ, так и регулированием тока возбуждения . При изменении тока возбуждения  изменяется поток возбуждения Ф, а следовательно, и коэффициент пропорциональности . Поэтому для определения момента, развиваемого ДПТ, по формуле (6.2) необходимо снять нелинейную зависимость .

            Для этого необходимо:

·       при выключенном автомате QF2, выведенном в положение «0» потенциометре РR3 и переключателе S6 установленным в нижнее положение, произвести пуск АД по п. 6.2.2 и установить скорость 320..325 рад/с.

·       установить переключатель S9 в нижнее положение (вращение  ДПТ встречно с АД), а переключатель S6 в нижнее положение;

·       состояние перемычек: ХТ1, ХТ3, ХТ2, ХТ4 – замкнуты;

·       для нескольких значений тока возбуждения , представленных в табл. 3.1, определить ЭДС обмотки якоря ДПТ и угловую скорость, сняв показания вольтметра «ARMATURE VOLTAGE» и тахометра;

·       величину   регулировать потенциометром RР2;

·       отключить АД.

 

Таблица 6.1

Задаем

Iв

А

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,5

Измер.

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

Измер.

Е

B

 

 

 

 

 

 

 

 

Рачетн.

B c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заполнить табл. 6.1, рассчитав коэффициент  пропорциональности  из выражения для углового скорости идеального холостого хода:

,                                                     (6.3)

где Е – ЭДС  ДПТ,

                  - скорость идеального холостого хода ДПТ.

Построить график зависимости .

 

            6.3.2. Экспериментальное определение момента

   холостого хода в электромеханическом агрегате «АД-ДПТ»

Момент холостого хода обусловлен механическими потерями (на трение в щетках, подшипниках и на вентиляцию), магнитными потерями (на гистерезис и вихревые токи) и добавочными потерями. Потери на вентиляцию и магнитные потери зависят от скорости вращения и магнитного потока, а потери на трение можно считать постоянными. Поэтому  определяется на холостом ходу ДПТ (АД отключен) при различных скоростях вращения и токах возбуждения.

Для снятия характеристик   необходимо:

·       состояние перемычек: ХТ1, ХТ3- замкнуты, ХТ2, ХТ4 – разомкнуты;

·       при включенном автомате QF2, установить переключатель S9 в положение вверх;

·       положение переключателя S11 – влево (+12в);

·       установить ток возбуждения  ДПТ =1,8 А;

·       вывести потенциометр R3 в положение «5»

·       установить переключатель S6 в положение вверх;

 

·       ступенчато изменяя сигнал управления потенциометром RP4 от крайне левого положения до крайне правого фиксировать значения тока якоря ДПТ (на приборе РА3) и соответствующие значения угловой скорости вращения . После достижения RP4 крайне правого положения перевести его в крайне левое, после чего перевести переключатель S11 в положение «-12в» и повторить измерения значений  и , изменяя положение потенциометра RР4.  Количество точек измерения ограничить значениями угловой скорости вращения: при =1,8 А <500 рад/с., при прочих значениях  <570 рад/с. Показания приборов занести в таблицы, подобные табл. 6.2 (число столбцов в таблице должно соответствовать количеству точек измерений).

Примечания:

1.         Поскольку валы АД и ДПТ в электромеханическом агрегате жестко соединены между собой, то угловые скорости вращения валов АД  и ДПТ  всегда  равны  и   для   краткости здесь и далее  могут быть обозначены .

2.         Показания приборов снимать при установившемся значении показания тахометра;

·            значение коэффициента пропорциональности  определить из графика зависимости , построенного в результате выполнения п. 3.3;

·            момент холостого хода определить по формуле ;

·            повторить измерения при =1.6 А, 1.2 А, 0.8 А, 0.5 А;

·            построить графики зависимостей  при различных значениях тока возбуждения.

Таблица 3.2

=____ А;  =_______   В с

 

Положение S11

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Отключить QF1 и перевести в первоначальное положение все тумблеры.

 

 

                 6.3.3. Экспериментальное исследование закона управления 

                           асинхронным двигателем.

           В данном частотном приводе при частотах выше номинальной (50 Гц),  линейное напряжение АД  поддерживается постоянным.

                 Опыт проводится на холостом ходу АД при выключенном ДПТ (автомат QF2 в положение «OFF», S6- вниз). Заданная частота вращения в герцах получается умножением на 10 показаний вольтметра PF.

·       включить АД нажатием кнопки «FOR» S1. Резистором RP1 установить заданную частоту вращения АД равной 25 Гц. Записать показания вольтметра PF в герцах , дисплея тахометра и вольтметра линейного напряжения  PV1 в табл. 6.3;

·       Резистором RP1 изменяем частоту питания АД;

·       Записать показания вольтметра PF, дисплея тахометра и вольтметра линейного напряжения  PV1 в табл. 6.3;

·       осуществить реверс АД нажатием кнопки S2 “REV” и повторить опыт; сравнить показания вольтметра PF и дисплея тахометра с предыдущими;

·       выключить АД нажатием кнопки “STOP” S3;

·       Рассчитать коэффициенты пропорциональности k, подтверждающие закон управления электропривода.

·       Построить график  зависимости U(f)

Таблица 6.3

рад/с

 

 

 

 

 

 

f

Гц

25

30

40

50

75

100

U

В

 

 

 

 

 

 

K=U/f

 

 

 

 

 

 

 

 

          6.3.4 Экспериментальное получение механических характеристик АД

В лабораторной работе источник питания асинхронного двигателя, выполненный на преобразователе частоты малой мощности EIMINI.

Механические характеристики АД (за исключением механических характеристик в режиме динамического торможения) исследуются в трех режимах: частота питания 50Гц, 100Гц,  минимальная частота вращения.

На стенде СЧП возможно получение механических характеристик лишь на некоторой части механической характеристики, соответствующей двигательному режиму и режиму генераторного торможения. Кроме того, получение механических характеристик АД на других участках (в том числе в режиме тормозного спуска) требует создания значительных моментов ДПТ, что сопровождается формированием больших значений токов якоря ДПТ  и токов АД,  и может вывести ДПТ и АД из строя, поэтому эти режимы исключаются защитами по току ДПТ иАД. Преобразователь частоты стенда может реализовать режим торможения АД инжекцией постоянного тока ,что соответствует режиму динамического торможения, но лишь кратковременно.

 

6.3.4.1. Экспериментальное получение механических характеристик             АД в двигательном режиме и генераторном режимах

Механическая характеристика АД снимается для трех значений частоты питания двигателя: повышенной 100 Гц; номинальной 50Гц; пониженной, соответствующей минимальной частоте вращения двигателя. На стенде ИЧП возможно получение механических характеристик в генераторном режиме при ограниченном времени включения  до срабатывания защиты по напряжению преобразователя частоты.

Для получения на участках механической характеристики АД, необходимо выполнить следующее:

·       запустить АД нажатием кнопки «For» S1;

·       установить частоту питания АД резистором RP1~100 Гц;

·       зафиксировать значение угловой скорости холостого хода о и значение линейного напряжения питания АД; 

·       установить переключатель S9 в верхнее положение и установить ток возбуждения ДПТ потенциометром RP2 =1,6 А;

·       установить RP3 в положение «3» - в случае больших бросков тока ДПТ для ограничения можно увеличивать значение RP3;

·       перемычки ХТ2, ХТ4 – разомкнуть;

·       включать ДПТ согласно и встречно с АД, для этого

установить переключатели: S7(торможение) – влево; S6 -       вверх; S8 – вверх; S10 – вверх; S11 – влево;

потенциометр RP4 – в крайнее левое положение; включить автомат QF2,   переведя его в положение «ON»(вверх);

·       зафиксировать значение угловой скорости вращения  и соответствующие ей значения токов якоря ДПТ , а также фазного тока обмотки статора АД ;

·       изменяя состояние переключателя S11(левое и правое положение), потенциометром RP4 добиваемся вращения ДПТ согласно (RP4 - «+12V») и встречно (RP4 - «-12V») с АД, фиксируем соответствующие значения токов , и скорости вращения. Повышение значения сигнала управления ДПТ RP4 прекратить при достижении током якоря  значения (>10 А), при котором  может сработать защита от превышения током якоря допустимого значения). Показания приборов занести в  табл. 6.4 (число столбцов в таблице должно соответствовать количеству точек измерений);

·       отключить ДПТ, переведя S6 в нижнее положение, автомат QF2, перевести в положение «OFF»;

·       выключить АД нажатием кнопки “STOP”;

·       заполнить табл. 6.4, рассчитав момент на валу АД для двигательного режима по формуле,   определить по экспериментальным данным, полученным в результате выполнения п. 6.3.1 для соответствующих значений тока возбуждения ДПТ , а  определить по экспериментальным данным, полученным в результате выполнения п. 6.3.2. для соответствующих значений  и .

                                                                                 

 Таблица 6.4

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Построить графики зависимостей    .

Повторить опыт 6.3.4.1 для номинальной частоты питающего напряжения  50Гц и пониженной, соответствующей минимальной частоте вращения двигателя.

 

 

             6.4. Исследование ДПТ с широтно-импульсным управлением

 

6.4.1.Исследование динамических свойств системы управления ДПТ с широтно-импульсным управлением

6.4.1.1. Анализ переходных процессов по току якоря в системе управления ДПТ с разомкнутыми контурами управления по скорости двигателя и току якоря при ступенчатом изменении задающего воздействия

·       установить перемычки в соответствии с табл. 6.4.1;

Табл. 6.4.1.

Обозначение перемычки

Положение перемычки

XT1

Замкнута

XT2

Разомкнута

XT3

Замкнута

XT4

Разомкнута

·       подключить сигнальные входы осциллографа к гнездам X16 и X18 для наблюдения выходных сигналов датчика тока и тахогенератора;

Внимание. Общую точку осциллографа при этом рекомендуется подключить к гнезду X14.

·       установить скорость развертки осциллографа в положение 1 дел/с;

·       включить автоматы защиты QF2;

·       установить переключатель S6 в верхнее положение, а S7 -влево;

·       установить потенциометр  RP3 в положение «5»;

·       установить потенциометр  RP2 в крайнее правое положение;

 

·       подготовить к запуску двигатель М2 (ДПТ), повернув рукоятку потенциометра  RP4 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       зарисовать осциллограмму  тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение;

·       зарисовать осциллограмму тока якоря.

6.4.1.2. Анализ переходных процессов по току якоря в системе управления ДПТ с разомкнутыми контурами управления по скорости двигателя и току якоря при ступенчатом изменении возмущающего воздействия

·       установить потенциометр  RP2 в крайнее правое положение;

·       подготовить к запуску асинхронный двигатель М1,  повернув рукоятку потенциометра RP1 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       после завершения переходного процесса в контуре тока двигателя произвести ступенчатый запуск двигателя М1, нажав кнопку  S1 «FOR»;

·       зарисовать осциллограмму тока якоря;

·       произвести останов двигателя М1, нажав кнопку S3 «STOP»;

·       зарисовать осциллограмму тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение.

 

6.4.1.3. Анализ переходных процессов по скорости двигателя и току якоря в системе управления ДПТ с замкнутыми контурами управления по скорости двигателя и току якоря при ступенчатом изменении задающего воздействия

·       установить перемычки в соответствии с табл. 6.4.2;

Табл. 6.4.2.

Обозначение перемычки

Положение перемычки

XT1

Разомкнута

XT2

Замкнута

XT3

Разомкнута

XT4

Замкнута

при данном положении перемычек XT1 и XT3 регуляторы скорости и тока являются пропорционально-интегральными

·       подключить сигнальные входы осциллографа к гнездам X16 и X18 для наблюдения выходных сигналов датчика тока и тахогенератора;

Внимание. Общую точку осциллографа при этом рекомендуется подключить к гнезду X14.

·       установить скорость развертки осциллографа в положение 1 дел/с;

·       включить автоматы защиты QF2;

·       установить потенциометр  RP2 в крайнее правое положение;

·       установить переключатель S6 в верхнее положение, а S7 -влево;

·       установить потенциометр  RP3 в положение «5»;

·       подготовить к запуску двигатель М2, повернув рукоятку потенциометра  RP4 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       замкнуть перемычку XT3, при этом положении перемычки регулятор скорости  является пропорциональным;

·       повторить действия данного пункта при пропорциональном регуляторе скорости.

6.4.1.4. Анализ переходных процессов по скорости двигателя и току якоря в системе управления ДПТ с замкнутыми контурами управления по скорости двигателя и току якоря при ступенчатом изменении возмущающего воздействия

·       установить перемычки в соответствии с табл. 6.4.2;

·       подготовить к запуску двигатель М1, повернув рукоятку потенциометра  RP1 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       после завершения переходного процесса в контуре скорости двигателя произвести ступенчатый запуск двигателя М1, нажав кнопку  S1 «FOR»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М1, нажав кнопку S3 «STOP»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение;

·       замкнуть перемычку XT7, при этом положении перемычек регулятор скорости  является пропорциональным;

·       повторить действия данного пункта при пропорциональном регуляторе скорости.

 6.4.1.5. Анализ переходных процессов по скорости двигателя и току якоря в системе управления ДПТ с замкнутым контуром управления по скорости двигателя и разомкнутым контуром управления по току якоря при ступенчатом изменении задающего воздействия

·       установить перемычки в соответствии с табл. 6.4.3;

Табл. 6.4.3.

Обозначение перемычки

Положение перемычки

XT1

Замкнута

XT2

Разомкнута

XT3

Разомкнута

XT4

Замкнута

при данном положении перемычек XT1 и XT3 регулятор скорости является пропорционально-интегральным, а регулятор  тока – пропорциональным, контур скорости замкнут, а контур тока разомкнут;

·       включить автоматы защиты QF2;

·       установить переключатель S6 в верхнее положение;

·       установить потенциометр  RP3 в положение «5»;

·       подготовить к запуску двигатель М2, повернув рукоятку потенциометра RP4 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       замкнуть перемычку XT3, при этом положении перемычки регулятор скорости является пропорциональным;

·       повторить действия данного пункта при пропорциональных регуляторах скорости и тока.

6.4.1.6. Анализ переходных процессов по скорости двигателя и току якоря в системе управления ДПТ с замкнутым контуром управления по скорости двигателя и разомкнутым контуром управления по току якоря при ступенчатом изменении возмущающего воздействия

·       установить перемычки в соответствии с табл. 6.4.3;

·       подготовить к запуску двигатель М1, повернув рукоятку потенциометра  RP1 по часовой стрелке в среднее положение;

·       произвести ступенчатый запуск двигателя М2, установив переключатель S11 в левое положение «+12V»;

·       после завершения переходного процесса в контуре скорости двигателя произвести ступенчатый запуск двигателя М1, нажав кнопку  S1 «FOR»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М1, нажав кнопку S3 «STOP»;

·       зарисовать осциллограммы скорости двигателя и тока якоря;

·       произвести останов двигателя М2, установив переключатель S11 в нейтральное положение;

·       замкнуть перемычку XT3, при этом положении перемычек регулятор скорости  является пропорциональным;

·       повторить действия данного пункта при пропорциональном регуляторе скорости.

 


 

7. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

1.      Наименование работы.

2.      Цель работы.

3.      Таблицы с результатами измерений.

4.      Графики зависимостей:

·        ;

·         при различных значениях ;

·        график  зависимости U(f)

·        построенные на одном графике механические характеристики АД   в генераторном и двигательном режимах

5.      Пояснения различий построенных графиков для различных условий эксперимента.

6.      Осциллограммы скорости двигателей и тока якоря в цепи ДПТ с широтно-импульсным управлением.

7.      Пояснения различий полученных осциллограмм для различных условий эксперимента.

8.      Ответы на контрольные вопросы.


8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1.    Почему с увеличением   механической нагрузки на вал АД возрастает потребляемая из сети двигателем мощность?

2.    Какие виды потерь имеют место в АД?

3.    Почему при нагрузках двигателя меньше номинальной его   имеет низкие значения?

4.    Указать статически неустойчивые участки механических характеристик АД.

5.    Объяснить поведение  АД на статически неустойчивых участках механических характеристик.

6.    Как влияет величина тока в обмотках статора при динамическом торможении с независимым возбуждением на эффективность торможения?

7.    Что такое перегрузочная способность АД и какова ее зависимость от напряжения на обмотке статора?

8.    Различаются ли по значению максимальные (критические) моменты АД в двигательном и в генераторном режимах?

9.    Может ли критическое скольжение АД иметь значение, превышающее единицу?

10.           Как влияет напряжение, подводимое к АД, на форму  его механической характеристики?

11.           На что расходуется энергия, вырабатываемая в электродвигателе, при его работе в режимах торможения?

12.           В чем суть и смысл подчиненного регулирования в замкнутых электроприводах?

13.           Почему в электроприводах с пропорциональным регулятором скорости статическая ошибка регулирования больше, чем в электроприводах с пропорционально-интегральным регулятором скорости?

14.           Почему в электроприводах с пропорциональным регулятором скорости статическая ошибка регулирования возрастает при увеличении нагрузки?

15.           Каковы характеристики переходного процесса в регулируемых замкнутых линейных электропроводах при настройке на технический оптимум?

16.           Как работа токоограничения сказывается на характере переходных процессов в замкнутых электроприводах?

17.           Что такое «скважность» управляющих импульсов в системе ИРН – ДПТ?

18.           Объясните характер электромеханических характеристик в системе тиристорный преобразователь  - ДПТ в зоне прерывистых токов.

 

 

 

 

9. СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.    Кацман М. М. Электрические машины: Учеб. для студентов сред. проф. учебных заведений. - 3-е изд., испр. – М.: Высш. шк.; Издательский центр «Академия»; 2001. – 463 с.: ил.

2.    М.Г. Чиликин и др.. Основы автоматизированного электропривода. Учеб. пособие для вузов. М.: «Энергия», 1974. -  567 с.: ил.

3.    Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 448 с.

4.    Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров. .: Энергия, 1986. - 184с.

5.    Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов - М.: Энергоиздат, 1985. - 560с.