Тема: «Автоматизированный электрический привод»
№ зачетки: 124484
Выполнил: студент
5 курс группа б1-ЭЛЭТз51
Столяров Александр Геннадьевич
Проверила:
Дунаева Т.Ю.
Саратов 2017
Вопрос 2-9
Перечислите и охарактеризуйте виды электрического торможения двигателей постоянного тока смешанного возбуждения. Начертите схемы включения и механические характеристики для каждого тормозного режима.
В двигателях постоянного тока смешанного возбуждения существуют три вида электрического торможения: рекуперативное, динамическое (реостатное) и противовключением.
Рекуперативное торможение. Оно является наиболее экономичным, так как основано на переводе двигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Двигатели смешанного возбуждения могут автоматически переходить в режим рекуперативного торможения при частоте вращения больше п0 = U\(сеФ); характеристики продолжатся левее оси ординат, где вращающий момент является отрицательным. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток, согласно, меняет свое направление.
При рекуперативном торможении, ток якоря изменяет свое направление, что приводит к размагничиванию двигателя. Обычно, для осуществления рекуперативного торможения, последовательную обмотку возбуждения исключают из цепи якоря: ее либо закорачивают (рис.а), либо выключают вовсе (рис.б) При этом осуществляется режим рекуперативного торможения с независимым возбуждением при неполном потоке возбуждения двигателя.
Рисунок 1 – Схема рекуперативного торможения ДПТ СВ
Автоматический переход двигателя смешанного возбуждения в рекуперативный режим и его сравнительно «мягкие» механические характеристики обусловили его применение для целей электрической тяги на троллейбусах и трамваях. Можно перевести машину в рекуперативный режим и принудительно, уменьшив частоту вращения па путем увеличения тока возбуждения (значит, Ф) или снижения подводимого напряжения U.
Рисунок 2 – Механическая характеристика ДПТ СВ при рекуперативном и динамическом торможении
Динамическое торможение
Осуществляется путем отключения якорной обмотки от сети и замыканием ее на тормозной резистор (реостат). При этом механическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую, которая расходуется на нагрев тормозного резистора и других элементов цепи якоря. Для поддержания тормозного момента относительно постоянным тормозной резистор выполняют секционированным. По мере уменьшения частоты вращения якоря выводят секции тормозного резистора, уменьшая его сопротивление, и тем самым поддерживают ток и тормозной момент постоянными.
Рисунок 3- Схема динамического торможения ДПТ СВ
Торможение противовключением
Производится переключением выводов якорной обмотки либо обмотки возбуждения, вследствие чего изменяются направление тока в якоре либо магнитного потока и знак момента, который из вращающего превращается тормозной. Торможение противовключением обеспечивает быстрый останов двигателя. Однако при торможении этим способом двигатель должен быть своевременно отключен от сети во избежание вращения якоря в противоположном направлении (реверса). Данный способ торможения применяется в подъемно-транспортных механизмах при спуске груза и в других случаях, например для предотвращения аварийных ситуаций, опасных для жизни людей.
Рисунок 4 - Схема торможения противовключением ДПТ СВ
Рисунок 4 – Механическая характеристика ДПТ СВ при торможении противовключением
Вопрос 3-6
Поясните, чем обусловлены границы регулирования вверх и вниз от основной скорости при частотном регулировании асинхронного двигателя
Регулирование двухзонное - вниз (
) и вверх (U1=U1н, f1>f1н) от основной скорости. Объясняется это тем, что при неизменной амплитуде напряжения и регулировании частоты изменяется магнитный поток машины
Фm=U1 /(4,44f1w1эф). (1)
Уменьшение f1 вызовет увеличение Фm, что может привести к насыщению магнитопровода, резкому возрастанию намагничивающего тока и перегреву как стали, так и обмоток статора. Увеличение f1 приводит к уменьшению Фm, что при Мст=const в соответствии вызовет рост тока в роторе и, соответственно, перегрев ротора при недоиспользовании стали.
Закон изменения напряжения зависит от изменения частоты питания и характера нагрузки. Если статический момент нагрузки Мст не зависит от скорости, то необходимо при регулировании частоты f1 так изменять напряжение U1, чтобы
U1 /f1= const (2)
Если же статический момент нагрузки обратно пропорционален скорости и мощность нагрузки Мстω2 = const, то соотношение U1 и f1 должно иметь следующий вид: U1 /(f1)1/2=const.
На рис.5 приведено семейство механических характеристик при изменении частоты и амплитуды напряжения в соответствии с выражением (2).
Рисунок 5 - Механические характеристики при изменении частоты и амплитуды напряжения.
Как видно, с изменением частоты напряжения питания (f1a>f1b>f1c) при неизменном моменте Мном угловая скорость ротора (ω2a > ω2b > ω2c) изменяется в широком диапазоне практически пропорционально частоте.
С уменьшением частоты критическая угловая скорость уменьшается, максимальный момент в области высоких и средних частот остается неизменным, а в области малых частот несколько уменьшается. При этом в широком диапазоне сохраняется перегрузочная способность двигателя Мmax /Мном.
Частотный способ позволяет устанавливать угловую скорость выше и ниже номинальной. Увеличение угловой скорости допускается (в основном из условий механической прочности) в I,5-2 раза больше номинальной. Нижний предел скорости ограничен тем, что технически сложно получить источники питания с низкой частотой, а также добиться достаточно равномерного вращения ротора двигателя. В разомкнутом приводе частотный способ управления позволяет изменять угловую скорость в диапазоне D = (20 - 30):1; в замкнутом приводе диапазон может быть существенно расширен с помощью обратных связей по скорости, току и напряжению.
Вопрос 4-5
Напишите и проанализируйте основное уравнение движения электропривода
Рассмотрим самую простейшую механическую систему, состоящую из ротора двигателя и непосредственно связанной с ним нагрузки - рабочего органа машины (рис. 6).
Рис. 6. Модель механической части
Будем считать, что к системе на рис. 6 приложены два момента - электромагнитный момент М, развиваемый двигателем, и момент Мс, создаваемый нагрузкой, а также потерями механической части (трение); каждый момент имеет свою величину и направление. Движение системы определяется вторым законом Ньютона:
, (3)
где 
- угловая скорость,
J - суммарный момент инерции.
Правая часть уравнения (2.1) - динамический момент 
. Он возникает, если алгебраическая сумма моментов М и Мс отлична от нуля; величина и знак динамического момента определяют ускорение.
Режимы, при которых 
, т.е. моменты М и Мс равны по величине и противоположно направлены, называют установившимися или статическими, им соответствует 
, в том числе 
.
Режимы, когда 
, называют переходными или динамическими (ускорение, замедление).
В уравнении (3) момент Мс практически полностью определяется свойствами нагрузки, а момент М, который можно принять за независимую переменную, формируется двигателем. Скорость - зависимая переменная; 
определяется в динамических режимах решением (2.1) для любых конкретных условий, а в статических режимах находится из условия
.
В 5-4. По каким критериям производится выбор мощности электродвигателя
Для обоснованного решения вопроса выбора электродвигателя по мощности необходимо знать характер изменения нагрузки двигателя во времени, т. е. зависимость от времени мощности, электромагнитного момента и потерь двигателя. С этой целью для машин, работающих в циклическом режиме, обычно строится нагрузочная диаграмма, представляющая собой зависимость нагрузки электропривода от времени в течение рабочего цикла.
Зависимость изменения нагрузки от времени позволяет судить об изменениях потерь в электродвигателе, что в свою очередь дает возможность оценить температуру его отдельных частей при известном характере процесса их нагрева.
Этот подход позволяет выбрать двигатель таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток не превышала допустимого значения. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электродвигателя в течение всего срока его эксплуатации.
Второе условие выбора двигателя заключается в том, что его перегрузочная способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки или аварийного снижения напряжения.
Таким образом, для правильного выбора двигателя необходимо знать точную зависимость нагрузки от времени, на базе которой можно рассчитать потери в его отдельных частях. Затем необходимо провести подробный тепловой расчет с учетом в большинстве случаев переходных процессов (пуска, реверса, торможения, перехода от одной нагрузки к другой), на основании которого можно сделать вывод о том, правильно ли выбран двигатель. Если максимальная температура (превышение температуры) обмоток окажется меньше допустимого, то следует проанализировать возможность применения двигателя меньшей мощности, и наоборот. После теплового расчета двигатель проверяется по условию Мн max < Mmax, где Мн max – максимальный момент нагрузки, М max – максимальный электромагнитный момент двигателя.
Вопрос 6-1. Каковы преимущества автоматического управления электроприводами перед ручным управлением?
К достоинствам автоматического управления по сравнению с ручным относятся: высокая производительность, быстродействие, точность, сокращение численности рабочего персонала. Недостатки автоматического управления: высокая стоимость системы управления, невозможность работы в наладочном режиме, не рационально использовать при штучном выпуске простого изделия. Используется при сложных системах, при частом выполнении каких-либо операций, в опасных для человека средах, и с целью повышения производительности. При ручном управлении меньше стоимость системы управления, существует возможность изменять последовательность выполнения операций, но низкая производительность и затруднительное управление сложными системами
В 7-1. Классификация САУ
САУ подразделяются на:
разомкнутые;
замкнутые;
комбинированные.
В разомкнутых САУ управляющее воздействие задаётся на основании цели управления, характеристик объекта и известных внешних воздействий, но без учёта истинного значения управляемой переменной. Если в системе разорвать ОС то получится разомкнутая САУ, как при наличии, так и при отсутствии пунктирной цепи, поскольку в этих САУ осуществляется компенсация известных внешних объектов, то этот принцип управления называется управлением по возмущению.
В замкнутых САУ управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой переменной. Этот принцип управления называется управлением по отклонению (х). Если в системе разорвать пунктирную связь, то получится система с управлением по отклонению. Если одновременно используются оба принципа управления (по возмущению и отклонению), то такая система называется системой комбинированного принципа действия (комбинированной системой).
По характеру изменения выходной переменной:
системы стабилизации;
системы программного регулирования;
следящие системы.
Системой стабилизации называют такую САУ, которая поддерживает постоянные значения управляемой переменной (uн=const).
Системой программного регулирования называется такая САУ, которая изменяет входную переменную по заранее заданному закону.
Следящими называются такие САУ, которые воспроизводят изменение управляемой переменной в соответствии с изменением задающего воздействия с неизвестным законом изменения.
По математическому описанию САУ состоит из ряда звеньев, у каждого звена может быть одно или несколько входных воздействий (входные переменные) и одно или несколько выходных переменных. Каждое звено описывается алгебраическими и (или) дифференциальными и (или) разностными уравнениями. Если подать на звено входной сигнал, то в выходном сигнале возникает переходный процесс. Если звено устойчивое, то при постоянном входном сигнале через некоторое время устанавливается постоянный выходной сигнал. Зависимость выходного сигнала от входного в установившемся режиме называется статической характеристикой данного звена.
Основными признаками классификации являются непрерывность или дискретность динамических процессов во времени; линейность или нелинейность уравнений описывающих динамику процессов в звене. Системой непрерывного действия называется такая САУ в каждом звене которой при непрерывном входном воздействии, выходная переменная также является непрерывной. Примеры статических характеристик непрерывных звеньев:
Дискретной называется такая САУ, в которой имеется хотя бы одно звено, у которого при непрерывном входном сигнале, выходной сигнал имеет вид последовательности импульсов.
Такое звено называется импульсным.
Линейной называется САУ, в которой в каждом звене имеется линейная зависимость между входным и выходным сигналом.
Нелинейной называется САУ, в которой имеется хотя бы одно звено с нелинейной зависимостью между входным и выходным сигналом.
Особым классом нелинейных систем называются релейные системы.
Релейной называется такая САУ, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной переменной, выходная переменная в некоторых точках процесса зависящих от значения входной переменной изменяется скачком.
Вопрос 8-9
Как осуществляется ограничение пусковых токов синхронного двигателя?
Проблема исключения ударных пусковых нагрузок, и, следовательно, повышения надежности работы и снятия ограничения на число пусков и остановов агрегатов с высоковольтными электродвигателями, а так же снижения провалов напряжения может быть решена посредством применения устройств УБПВД для безударного пуска высоковольтных электродвигателей.
Рисунок 7 – Схема безударного пуска СД
Устройство УБПВД-ВЦ предназначено для безударного плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей механизмов с «вентиляторной» (квадратично зависимой от скорости) характеристикой нагрузочного момента (центробежные компрессоры, насосы, вентиляторы, дымососы, эксгаустеры и другие аналогичные механизмы). Устройство, выполненное по принципу тиристорного регулятора напряжения (рис. 7), обеспечивает ограничение скорости нарастания и значения пускового тока электродвигателя изменением углов отпирания тиристоров через систему импульсно-фазового управления (СИФУ). В течение заданного времени пуска электродвигателя происходит плавное нарастание напряжения на обмотках статора от нуля до номинального значения. Пусковой ток увеличивается плавно с заданным токоограничением, не создавая ударных электромагнитных моментов, отрицательно сказывающихся на электродвигателе и механизме.
Задача 4
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа ПБСТ-33 пускается с помощью пускового реостата. Разгон двигателя до естественной характеристики производится при постоянном магнитном потоке. Момент сопротивления электропривода Мс = 0,5М.
Рассчитать количество ступеней пускового реостата при I1 = 2,2Iн, а I2 = 1,2Iн.
Рассчитать и построить кривые ω = f(t) и i = φ(t).
Дано:
Номинальное напряжение Uн = 220В
номинальная мощность Рн = 2,1 кВт
номинальный ток Iн = 11 А
номинальная скорость вращения nн = 2200 об/мин
момент инерции J = 0,033 кг/м2
Сопротивление rя = 0,264; rов = 750 Ом
Решение:
1. Номинальная угловая скорость: 
2. Номинальный момент: 
3. Момент сопротивления двигателя: 
Мс = 0,5·Мном = 0,5·9,12 = 4,56 Н·м
4. Номинальное сопротивление двигателя: 
5. Коэффициент двигателя: 
6. Скорость идеального х.х. двигателя: 
7. Перепад скорости при нагрузке: 
8. Ток нагрузки: 
9. Максимально допустимый ток при пуске: I1 = 2,2·Iном = 2,2·11 = 24,2 А
10. Ток переключения: I2 = 1,2·Iном = 1,2·11 = 13,2 А
11. Строим естественную характеристику двигателя (рис.1)
Координаты первой точки: (0; ω0) = (0; 234,04)
Координаты второй точки: (Iс; ωс) = (4,85; 232,68)
где Установившаяся скорость вращения двигателя
ωс = ω0 – Δωс = 234,04 – 1,36 = 232,68 рад/с
12. Строим первую пусковую характеристику (рисунок 8):
координаты первой точки: (0; I1) = (0; 24,2)
координаты второй точки: (0; ω0) = (0; 234,04)
13. Определяем количество пусковых ступеней (рис.8): 5 ступеней
Рисунок 8 – Определение ступеней пускового реостата ДПТ
14. Находим сопротивления ступеней:
Rр = r1 + r2 + r3 + r4 + r5 = 10,69 Ом
Полное сопротивление цепи якоря:
Rя = Rр + rя = 10,69 + 0,264 = 10,954 Ом
15. Находим сопротивление и электромеханическую постоянную времени для каждой ступени:
R1 = Rя - r1 = 10,954 – 5 = 5,954 Ом
R2 = R1 - r2 = 5,954 – 2,76 = 3,194 Ом
R3 = R2 - r3 = 3,194 – 1,47 = 1,724 Ом
R4 = R3 - r4 = 1,724 – 1,03 = 0,694 Ом
R5 = R4 - r5 = 0,694 – 0,43 = 0,264 Ом
16. Время пуска каждой ступени:
17. Расчет кривых переходного процесса производим по уравнениям:
; 
Первая ступень:
Задаемся значениями t от t = 0 до t = 0,187с
Результаты расчетов сводим в таблицу:
| T, сек | 0,187 | 0,1 | 0,05 | |
| ω, рад/с | 132,5 | 84,4 | 46,9 | |
| i, А | 13,2 | 17,2 | 20,3 | 24,2 |
Для остальных ступеней расчет проводится аналогично:
Вторая ступень:
| T, сек | 0,1 | 0,08 | 0,04 | |
| ω, рад/с | 189,4 | 181,5 | 161,1 | 189,4 |
| i, А | 13,2 | 14,7 | 18,7 | 24,2 |
Третья ступень:
| T, сек | 0,054 | 0,02 | |
| ω, рад/с | 214,1 | 189,4 | |
| i, А | 13,2 | 24,2 |
Четвертая ступень:
| T, сек | 0,022 | 0,01 | |
| ω, рад/с | 224,7 | 214,1 | |
| i, А | 13,2 | 18,02 | 24,2 |
Пятая ступень:
| T, сек | 0,01 | 0,005 | |
| ω, рад/с | 229,7 | 227,8 | 224,7 |
| i, А | 11,97 | 16,6 | 24,2 |
Рисунок 9 – Характеристики пуска ДПТ
Задание 2.4
Для асинхронного двигателя с контактными кольцами мощностью 30 кВт, 380 В необходимо разработать схему управления, составить спецификацию и дать краткое описание схемы.
Схема должна удовлетворять следующим условиям:
1. Двигатель реверсируется
2. Скорость двигателя регулируется (использовать пусковые сопротивления)
3. Пуск в 3-й ступени, управление кнопочное
4. Пуск в функции тока
5. Торможение противовключением в функции времени.
6. Питание цепей управления – постоянный ток 220 В.
Схема управления двигателем представлена на рис.10.
Спецификация оборудования приведена в таблице:
| Обозн. | Наименование оборудования | Кол. |
| В | Автоматический выключатель 380 В | |
| ВА | Автоматический выключатель 220В | |
| РМ 1,2,3 | Реле максимального тока РТ-40/200 | |
| РУ 1,2 | Реле ускорения РЭВ-811 | |
| КнВ,КнН,КнС | Кнопка управления КЕ-011У3 | |
| РМ1,2,3 | Максимальные реле | |
| КВ, КН | Контактор направления МК6-30ТУ3 | |
| КУ 1,2,3 | Контактор ускорения МК6-30ТУ3 | |
| КП | Контактор противовключения | |
| РБ | Реле блокировки РЭВ-821 | |
| РВ | Реле времени | |
| М | АД с контактными кольцами | |
| R1, R2, R3 | Резистор БФКУ-2 |
В цепь ротора двигателя введены пусковые резисторы, шунтируемые при пуске соответствующими контакторами ускорения. Кроме того, в цепь ротора включены катушки токовых реле ускорения.
Настройка реле ускорения РУ1, РУ2 и РУ3 должна быть произведена таким образом, чтобы токи, при которых соответствующие реле отключаются, удовлетворяли следующему требованию:
Для пуска двигателя нажатием кнопки КнВ включается контактор КВ, который блокирует пусковую кнопку и подает питание на статор двигателя.
Через блокировочный контакт КВ получает питание реле РБ, контакт которого замыкается и присоединяет цепь катушек контакторов ускорения. Однако контакторы ускорения не включаются, так как размыкающий контакт РУ1 будет открыт до тех пор, пока пусковой ток в цепи ротора не спадет до значения, соответствующего уставке отпускания реле РУ1. После того, как контакт РУ1 закроется, сработает контактор ускорения КУ1 и зашунтирует своими силовыми контактами первую ступень резисторов в цепи ротора. Аналогично будут работать реле ускорения РУ2 и РУ3 при меньших уставках тока, и соответственно будут включаться контакторы ускорения КУ2 и КУ3, которые шунтируют вторую и третью ступени резисторов в цепи ротора, после чего двигатель будет работать на естественной характеристике.
Пуск двигателя из неподвижного состояния ротора происходит, при шунтированной ступени противовключения, когда к обмотке ротора подключены пусковые (три) ступени резистора. Однако контакторы ускорения не включаются, так как размыкающий контакт РУ1 будет открыт до тех пор, пока пусковой ток в цепи ротора не спадет до значения, соответствующего уставке отпускания реле РУ1. После того, как контакт РУ1 закроется, сработает контактор ускорения КУ1 и зашунтирует своими силовыми контактами первую ступень резисторов в цепи ротора. Аналогично будет работать реле ускорения РУ2 при меньших уставках тока, и соответственно будет включаться контактор ускорения КУ2, который шунтирует вторую ступень резисторов в цепи ротора, после чего аналогичным образом срабатывают РУ3 и КУ3, затем двигатель будет работать на естественной характеристике.
Переход на положение Назад сопровождается включением контактора КН, который изменяет чередование фаз на статоре двигателя. При этом возникает режим противовключения, так как ротор двигателя продолжает еще вращаться в прежнем направлении. Разгон двигателя в обратном направлении происходит аналогичным образом.
Остановка двигателя осуществляется с помощью кнопки КнС. При нажатии КнС автоматически блокируются кнопки КнВ и КнН, а также размыкаются контакты КВ и КН.
После включения контактора КН и реле РВ контактор КП не включается, так как реле времени РВ срабатывает с некоторой выдержкой времени и его контакт размыкается. Поэтому при торможении в цепи ротора будут включены и пусковой резистор, и ступень противовключения.
Торможение двигателя будет происходить до полной остановки. По окончании торможения отпадает якорь реле времени РВ и отключается ступень переключения КП. Разгон двигателя в обратном направлении происходит аналогичным образом.
В данной схеме предусмотрена защита двигателя максимальными реле РМ1, РМ2, РМ3, а также защита от чрезмерного снижения напряжения, осуществляемая реле РН. Цепи управления защищены автоматом с максимальной защитой.
Рисунок 10 – Схема управления АД
Список использованных источников
1. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода / М.Г.Чиликин, А.С. Сандлер. – М.: Энергоиздат, 1981.-576с.
2. Москаленко, В.В. Автоматизированный электропривод / В.В. Москаленко.- М.: Энергоатомиздат, 2007.-415с.
3. Информационно-образовательная среда СГТУ. Электронный ресурс. Точка доступа https://www.sstu.ru/obrazovanie/ios/