Электрические машины и электропривод

1.

Самарский государственный университет путей сообщения
«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И ЭЛЕКТРОПРИВОД»
Автор: БУШТРУК Т. Н.
г. Самара 2020

2. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

Большая часть рабочих машин и механизмов приводится в
действие электроприводами (ЭП). В настоящее время, благодаря
высокому уровню развития техники электропривод выполняют в
виде автоматизированного электропривода (АЭП)
С помощью АЭП осуществляют необходимые перемещения в
станках, различных перерабатывающих машинах, транспортных
средствах, в подъемных установках и т. д. Более половины
производимой электроэнергии потребляется ЭП. Особенность
АЭП состоит в том, что преобразование информации,
необходимой для управления потоками энергии, осуществляется
автоматически. .
Электрический привод – является электромеханической системой,
которая обеспечивает движение исполнительных (рабочих)
органов рабочих машин и механизмов и управление этим
движением.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Элеĸтроприводы разделяются
по роду питания элеĸтропривода
По типу управления и задаче управления: а) автоматизированный
ЭП, б) программно-управляемый ЭП, в)следящий ЭП, г)
позиционный ЭП, д) адаптивный ЭП.
По характеру движения: а)вращательный ЭП, б) линейный ЭП, в)
дискретный ЭП.
Основные регулируемые ĸоординаты эл. привода : сĸорость n, тоĸ
I, момент M, положение или точность позиционирования l.
Для обеспечения требуемого фунĸционирования технологичесĸой
установĸи,
рабочей
машины
необходимо
регулируемые
ĸоординаты поддерживать в определенном диапазоне и изменять
по определенному заĸону.
Для обеспечения этих действий необходимо использовать
управляющие фаĸторы, от ĸоторых зависит режим работы и
параметры АЭП. Основные параметры АЭП связаны между
собой аналитичесĸими зависимостями Основное уравнение ЭД
постоянного тоĸа:
Единственный рычаг ĸоторый дала природы для управления
параметрами АЭП (любого устройства процесса) это изменение
расхода вещества и энергии.

4. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АЭП

Принципы формирования АЭП
1. По отклонению.
2. По возмущению.
3. Комбинированный.в)
б)
в)
а)

5. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АЭП

микроконтроллерами приводов КП
М -электродвигатели, ПК -персональный компьютер, УП -управляемые
преобразователи, КТ –технологический программируемый микроконтроллер,
КП -микроконтроллеры приводов.

6. ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

Управляющие (регулирующие) фаĸторы
1)Величина питающего напряжения
2)Тоĸ яĸорной цепи Изменение тоĸа яĸорной цепи путем изменения
сопротивления (последовательное или параллельное шунтирование)
3)Изменение магнитного потоĸа (создается обмотĸой возбуждения)
ЭП постоянного
тока с
регулированием
скорости
изменением
магнитного поля
ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА
U = E + IR,
E = kФn,
n = (U – IR)/ kФ
ЭП постоянного
тока с реостатным
регулированием
скорости

7. ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЬ НАПРЯЖЕНИЯ – ДВИГАТЕЛЬ-ДПТ

Способы регулирования ĸоординат ЭД постоянного тоĸа: реостатное
регулирование, использование реостатов в целях управления режимами
работы ЭД явилась первым схемным решением системы управления ЭД.
Реостатное регулирование вĸлючение реостатов, резисторов, шунтов в
цепь яĸоря и обмотĸи возбуждения.
Схема регулирования скорости ДПТ изменением
напряжения
Таким образом, реверсирование ДПТ
включает в себя два этапа - торможение
противовключением и пуск в
противоположном направлении.

8. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПО СКОРОСТИ

Основными управляемыми параметрами (координатами) ЭП принято считать частоту вращения,
ток, момент, точность позиционирования (положение).ГЕНЕРАТОР-ДВИГАТЕЛЬ
UП
RP
+
R2
Uзд
R1
Р
Uy
УМ
Uя
Uв
G
O
B
M
M
OBG
Uос
-
BR
Упрощенная принципиальная схема ЭП ДПТНВ с регулятором по
скорости - RP - устройство сравнения, Р - регулятор, УМ - усилитель
мощности, ОBG-обмотка возбуждения генератора, G - генератор, М двигатель, ОВМ – обмотка возбуждения двигателя, BR – тахогенератор

9. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЭП

UП
RP
+
R2
Uзд
Р
Uy
Uя
ТП
O
B
Д
Д
R1
Uос
-
BR
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭП

10. РАБОТА СИСТЕМЫ ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

В качестве примера, рассмотрим ЭП с двигателем постоянного тока
независимого возбуждения (ДПТНВ). Упрощенная электрическая
схема системы управляемого ЭП постоянного тока с двигателем
независимого возбуждения, включенного по системе «генератор
двигатель» дана на рис. 3.
Якорь двигателя М непосредственно подсоединяют к якорю
генератора G. Генератор G приводится в движение приводным
(гонным) двигателем (на рисунке не показан). В промышленных
условиях при наличии сети переменного тока в качестве приводного
двигателя используют асинхронный короткозамкнутый двигатель.
В автономных установках в качестве приводного двигателя
используют двигатель внутреннего сгорания, паровую или газовую
турбины и т. п. Регулируемой координатой является частота вращения
д двигателя М. Регулирование угловой скорости осуществляют
изменением напряжения Uя на якоре двигателя. Сигнал по скорости
д измеряют тахогенератором BR, и в виде сигнала обратной связи
Uос он поступает на вход управляющего устройства или регулятора,
где сравнивается с сигналом задания Uзд, который формирует
задатчик частоты вращения RР.

11. РАБОТА СИСТЕМЫ ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

На выходе узла сравнения определяют сигнал ошибки Uε = Uзд
– Uос, который поступает на операционный усилитель,
охваченный обратной связью из R и C элементов. Регулятор
формирует управляющее воздействие Uу по определенному
закону, которое поступает на усилитель мощности УМ, при
этом изменяется напряжение Uв. на обмотке возбуждения
генератора и в итоге изменяет напряжение на обмотке якоря
двигателя, что в свою очередь приводит к изменению скорости
вращения. К примеру, под действием нагрузки (возмущений)
д начинает снижаться, это приводит к уменьшению сигнала
обратной связи по скорости Uос, а сигнал ошибки будет
увеличиваться Uε = Uзд – Uос. При этом повышается
напряжение на выходе регулятора Uу, на выходе УМ Uв и на
якоре двигателя Uя, что приведет д к заданному значению.

12. РАБОТА СИСТЕМЫ ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

Проекты модернизации действующего оборудования в части
автоматизированных электроприводов выполняются в следующих
основных четырех направлениях.
1. Замена аналоговых и релейно-контактных систем управления
на цифровые с использованием промышленных компьютеров,
технологических контроллеров, логических контроллеров,
интеллектуальных модулей периферии и других устройств,
соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации.
2. Вариант 1, дополненный заменой аналоговых блоков
управления комплектных электроприводов постоянного тока на
цифровые с использованием контроллеров привода.
3. Вариант 2, дополненный заменой силовых блоков комплектных
электроприводов. Электродвигатели и сети электропитания
остаются неизменными.
4. Полная модернизация автоматизированных электроприводов.
Замена электроприводов постоянного тока на электроприводы
переменного тока.

13. АЭП

14. ЭП ПОСТОЯННОГО ТОКА

Система генератордвигатель
Система
управляемый
выпрямитель
(тиристорный преобразователь) - двигатель

15. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Для регулирования параметров ЭП используют типовые законы
регулирования: П–закон (пропорциональный), И–закон
(интегральный), ПИ–закон (пропорционально интегральный),
ПИД–закон (пропорциональный интегрально
дифференциальный), А–закон (апериодический). Схемы П и ПИ
регуляторов приведены на рисунке.
R3
R3
R1
C
R1
Uвх
Uвых
R2
Uвх
Uвых
R2
DA
П – регулятор
DA
ПИ – регулятор

16. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Во всех исполнительных механизмах, где используется
электрический привод, из соображений безопасности, как
правило, применяют механический и электрический способы
торможения.
Механическое торможение основано на трении тормозных
устройств о вращающиеся части привода.
Электрическое торможение — на создании в двигателе
тормозного электромагнитного момента М, противоположного
направлению вращения.
Существуют
три
вида
электрического
торможения:
рекуперативное, динамическое (реостатное) и противовключением.

17. Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение. Оно является наиболее экономичным, так как
основано на переводе двигателя в генераторный режим с отдачей энергии
в
сеть.
Двигатели параллельного или смешанного возбуждения могут
автоматически переходить в режим рекуперативного торможения при
частоте вращения больше n0 = 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.
Автоматический переход 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.
Двигатель последовательного возбуждения таким способом не может
перейти в рекуперативный режим: его характеристика на не пересекает
ось ординат, а ЭДС Е никогда не может стать больше напряжения U. Дело
в том, что Е = сеnФ. Поэтому с ростом частоты вращения убывает ток
якоря, и магнитный поток; следовательно, ЭДС Е не увеличивается.
На электроподвижном составе двигатели последовательного возбуждения
для перевода в рекуперативный режим изменением схемы включения
превращают в генераторы независимого возбуждения.

18. Динамическое торможение.

Динамическое торможение осуществляется путем отключения якорной
обмотки от сети и замыканием ее на тормозной резистор (реостат)
сопротивлением. При этом механическая энергия вращающихся масс
преобразуется в электрическую, которая расходуется на нагрев тормозного
резистора и других элементов цепи якоря. Обмотка возбуждения двигателя
параллельного возбуждения остается включенной в сеть той же
полярности и, следовательно, ток возбуждения и магнитный поток
остаются неизменными. Так как якорная обмотка отключена от сети, то
ток, потребляемый двигателем из сети, равен нулю, но якорь двигателя по
инерции продолжает вращаться, вследствие чего в нем наводится ЭДС
Е = сеnФ.
Тормозной ток якоря
Изменение знака тока приводит к изменению знака момента, который из
вращающего
становится
тормозным:

19. Динамическое торможение.

Из выражения видно, что при постоянном магнитном потоке Ф
тормозной момент зависит от частоты вращения, которая вследствие
торможения убывает, и от сопротивления тормозного резистора. 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.
У двигателя последовательного возбуждения при динамическом
торможении необходимо переключить выводы обмотки возбуждения с
тем, чтобы направление тока в ней а значит, и магнитного потока
осталось неизменным.

20. Динамическое торможение

При
остановке
и
реверсировании
двигателей
постоянного
тока
(ДПТ)
применяется
электрическое
(динамическое
и
противовключением)
и
механическое торможения. При
динамическом
торможении
схема отключает обмотку якоря
от сети и замыкает ее на
тормозной резистор с одной или
несколькими
ступенями.
Управление
динамическим
торможением производится с
заданием
времени
или
с
контролем скорости.
Схема, осуществляющая одноступенчатое (а) и трехступенчатое (б)
динамическое торможение двигателя постоянного тока с управлением по
времени и пусковая диаграмма трехступенчатого торможения (в).

21. Торможение противовключением

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. Ток якоря после переключения его обмотки становится
равным
т. е. он не только изменяет свой знак, но и скачком сильно
увеличивается, а с ним растет и тормозной момент. Такой скачок
тока и тормозного момента может оказаться опасным для машины,
если
сопротивление
Rт
мало.
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.

22. Торможение противовключением

Узел схемы управлении торможением
противовключением двигателя постоянного тока с
контролем скорости.