Билет
Учет насыщения магнитной системы в математическом описании АД (12б).
Структура преобразователя частоты со звеном постоянного тока и управляемым выпрямителем (12б).
В частотных преобразователях со звеном постоянного тока напряжение сети сначала выпрямляется с помощью выпрямителя, а после того инвертируется в переменное напряжение необходимой частоты. Таким образом, происходит преобразование энергии в две ступени. Сначала переменный ток преобразуется в постоянный, а затем постоянный преобразуется в переменный ток. Сам частотный преобразователь представляет собой комбинацию выпрямителя с промежуточным звеном постоянного тока и автономного инвертора.
Основным достоинством преобразователя частоты со звеном постоянного тока, является возможность получения широкого диапазона выходных частот, как выше частоты сети, так и ниже. Частотные преобразователи со звеном постоянного тока могут полностью перекрывать потребности электроприводов любого назначения. По схеме ПЧ со звеном постоянного тока строятся высоко, средне и низкоскоростные привода. Такая схема позволяет конструировать прецизионные электропривода, имеющие широкий и сверхширокий диапазон регулирования скорости.
К недостаткам преобразователей со звеном постоянного тока относится необходимость двойного преобразование электроэнергии, что ухудшает КПД, увеличивает потери энергии, ухудшает массогабаритные показатели преобразователя.
Наибольшее применение в системах автоматизированного управления электроприводами нашли следующие виды частотных преобразователей:
- Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения (АИН);
- преобразователь частоты с автономным инвертором тока (АИТ);
- преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем и автономным инвертором и ШИМ управлением;
- преобразователь частоты с рекуперативным (активным)
- выпрямителем и автономным инвертором с ШИМ управлением.
3) Опишите систеему управления электроприводом, регулирующая координаты электропривода, согласно рисунку (способ управления, достоинства, недостатки) (16б).
Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора
Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 - s).
Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 - 3): 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.
Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения. При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрет (рис. 3), а скольжение от Uрег не зависит.
Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.
Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до nкр. Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.
Билет
1) Структура однофазного инвертора с ШИМ. Принцип широтно-импульсной модуляции. (12б).
Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока
Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока содержит (фиг.1): мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах 1-4, к которым встречно-параллельно включены диоды 5-8, выходной Г-образный LC-фильтр, содержащий дроссель 9 и конденсатор 10, и систему управления 11, содержащую задающий генератор 12, генератор типа кривой 13, измеритель отклонения напряжения 14, сумматор 15, выпрямитель 16, генератор треугольного напряжения 17, формирователь импульсов 18, первый и второй логические элементы И 19 и 20, первый и второй усилители импульсов 21 и 22. На фиг.1 показаны выводы 23 и 24 для подключения входного напряжения постоянного тока и выводы 25 и 26 для подключения нагрузки.
С задающего генератора синусоидальной формы 12 (фиг.1) сигнал uзг поступает на первый вход сумматора 15, на второй вход которого поступает сигнал Δu от измерителя отклонения напряжения 14, работа которого синхронизируется с работой задающего генератора 12. В сумматоре сигналы uзг и Δu складываются, и результирующий сигнал поступает на вход выпрямителя 16, где выпрямляется и поступает на первый вход формирователя импульсов 18 (фиг.2а, сигнал uB). На второй вход формирователя импульсов 18 поступает сигнал uГТН генератора треугольного напряжения 17 (фиг.2а), в случае когда uГТН<uB на выходе формирователя импульсов 18 формируются импульсы управления (фиг.2а, б), которые поступают на первые входы логических элементов И 19 и 20, на вторые входы которых поступает сигнал о полярности напряжения от генератора типа кривой 13 (фиг.1), при положительной полярности напряжения задающего генератора 12 срабатывает логический элемент И 19 и импульсы от формирователя импульсов 18, через усилитель импульсов 21, поступают на управляющие электроды транзисторов 1 и 4 (фиг.1) и на выходе инвертора формируется положительная полуволна выходного напряжения uВЫХ (фиг.2б от 0 до π). При отрицательной полярности напряжения задающего генератора 12 срабатывает логический элемент И 20 и импульсы от формирователя импульсов 18, через усилитель импульсов 22, поступают на управляющие электроды транзисторов 2 и 4 (фиг.1) и на выходе инвертора формируется отрицательная полуволна выходного напряжения uВЫХ (фиг.2б, от π до 2π).
К примеру, если напряжение на выходе инвертора уменьшится, тогда сигнал рассогласования Δu суммируется с сигналом задающего генератора uзг, увеличивается амплитуда сигнала uB на выходе выпрямителя 16. В результате увеличивается длительность импульсов управления на выходе формирователя импульсов 18 и увеличивается напряжение на выходе инвертора uВЫХ
2) Дайте оценку по критерию энергосбережения системам управления «АД с реостатным управлением», «ТПН-АД», «ПЧ-АД». (12б)
3) Сравните показатели качества регулирования координат электропривода по системам «ПЧ-АД» и «ТПН-АД». Определите дмапазон регулирования, согласно риссунку. (16б)
Регулирование координат электропривода в системе "преобразователь частоты – двигатель" (ПЧ-АД)
Данный способ получил широкое распространение как способ регулирования синхронной скорости 
. Способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне как вверх, так и вниз от основной [10]. Так как не происходит увеличение S, потери скольжения невелики – способ экономичен. Однако для лучшего использования АД (высокие КПД, cosip, перегрузочная способность Я) необходимо одновременно с изменением 
изменять и 
. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. Основной критерий – сохранить перегрузочную способность Я при регулировании напряжения и частоты 
= const.
2. Диапазон регулирования - отношение максимальной возможной скорости к минимальной 
при заданных изменениях момента нагрузки - рис. 16. Легко видеть, что одинаковым естественным характеристикам и изменениям момента 
могут соответствовать сильно различающиеся диапазоны регулирования, что связано с жесткостью искусственных характеристик.
С жесткостью характеристик связан также еще один показатель - стабильность скорости на искусственных характеристиках. Она может быть низкая - рис. 8,а и высокая рис. 8,б; иногда требуется абсолютно жесткие характеристики (
), иногда, напротив, нужны очень мягкие характеристики (регулирование момента).
а) б)
Рис. 8. К определению диапазона регулирования скорости
Билет
1) Формирование 3-х фазной системы фазных напряжении на выходе преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией. (12б).
В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.
Выходные импульсы получаются прямоугольными, частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала — на выходе будет отрицательная часть импульса.
Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал — на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное — когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ — микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.
2) Структура преобразования частоты со звеном постоянного тока, управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока. (12б).
Преобразователь частоты с управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока — cтруктурная схема и циклограмма работы частотного преобразователя с управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока, показана на рисунке.
Основное отличие ПЧ с АИТ от ПЧ с АИН заключается в том, что питание инвертора тока осуществляется от источника тока, в то время как питание АИН осуществляется от источника напряжения. В качестве источника тока применяется управляемый выпрямитель (УВ) и система управления выпрямителя (СУВ). Выпрямитель. имеющий свойства источника тока включает в себя контур регулирования выпрямленного тока и регулятора тока РТ. Ток на выходе АИТ образуется путем коммутации ключей инвертора.
Система управления инвертором (СУИ) регулирует частоту выходного тока АИТ задавая величину задания на входе его системы управления Дроссель L служит для сглаживания пульсации выпрямленного тока. На диаграмме показаны формы токов нагрузки каждой фазы. Способ частотного регулирования скорости асинхронного двигателя с питанием его от АИТ часто называют частотно-токовым управление двигателя.
Основными недостатками частотных преобразователей со звеном постоянного тока является:
- несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя на малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости;
- ограничение быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в канале регулирования амплитуды выходного напряжения (тока);
- несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий «сетевой» коэффициент мощности, что обусловлено свойствами управляемого выпрямителя с естественной коммутацией и импульсно-фазовым управлением.
Автономный инвертор построенный на тиристорах, должен содержать устройство принудительной коммутации: коммутирующие конденсаторы и отсекающие диоды. Диоды и конденсаторы уменьшают вероятность возникновения колебаний в цепи инвертор — двигатель.
3) Сравните динамические показатели электроприводов систем «ПЧ-АД» и «ТПН-АД».
Система ПЧ(АИТ)-АД применяется в электроприводах, где повышенные требования к динамическим показателям. В системах с обратной связью по скорости могут обеспечить достаточно хорошие статические показатели. Области применения прокатные станы, насосы. При амплитудном регулировании тока с помощи управляемого выпрямителя диапазон регулирования скорости не превышает 10. Динамические свойства системы ПЧ-АД как объекта управления менее благоприятны, чем динамические свойства регулируемых электроприводов постоянного тока, в связи с отсутствием независимого канала регулирования потока, аналогичного обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением. Так, при питании от источника напряжения потокосцепления Y1, Y2, Ym сложно зависят от напряжения U1 частоты f1 и абсолютного скольжения sa.
Схема силовой структуры системы ТПН—АД
Математические модели систем ТПН—АД достаточно полно отработаны с применением аналоговых устройств [40, 70] и на основе ЦВМ с использованием методов численного решения нелинейных дифференциальных уравнений [50, 79]. Такие модели, в частности с цифровым имитационным моделированием, будут использованы при анализе возможностей направленного формирования пускотормозных режимов для получения желаемых динамических характеристик, при исследовании прямого пуска — при подключении асинхронного двигателя к номинальному напряжению сети, для оценки влияния Мс и / на вид динамических характеристик, для изучения возможностей энергосбережения в пускотормозных режимах при их направленном формировании по сравнению с прямым пуском, в частности при временном законе формирования C/j в переходных процессах.
Билет
1) Показания регулирования координат частотно-регулируемого электропривода
2) Законы частотного управления электроприводом.
3) Опишите замкнутую систему скалярного управления в частотном регулировании асинхронного электропривода
Билет
1) Дайте оценку по критериям энергосбережения системы управления АД и реостатное управление ТПН АД.
2) Разомкнутая система частотного управления. Замкнутая система частотного управления.
3) Приведите механическую характеристику частотного регулирования электропривода при различных..........
Билет
1) Показания регулирования координат частотно-регулируемого электроприводом
2) Законы частотного управления электроприводом.
Билет
Опишите замкнутую систему скалярного управления частотно-регулируемого электропривода.
Билет
2) Приведите механические характеристику частотно-регулируемого электропривода при различных законах управления.
Билет
3) Опишите разомкнутую систему скалярного управления.