Гаврилов П.Д.,Неверов А.А. Изучение свойств электропривода по системе ПЧ - АД, реализующего различные законы частотного управления

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет»

Кафедра электропривода и автоматизации

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПО СИСТЕМЕ

«ПЧ – АД», РЕАЛИЗУЮЩЕГО РАЗЛИЧНЫЕ ЗАКОНЫ

ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе по курсам

«Теория электропривода» и «Автоматизированный электропривод

промышленных установок и технологических комплексов»

для

студентов специальности 180400 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов»

Составители П. Д. Гаврилов

А. А. Неверов

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 3 от 2.02.2006

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

по специальности 180400

Протокол № 5 от 2.02.2006

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

Кемерово 2006

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изучить принцип работы ПЧ с АИН

2. Изучить электромеханические свойства ЭП «ПЧ–

АД» с законами U/f = const; поддержание абсо-

лютного скольжения и COS(ϕ).

3. Изучение возможностей микропроцессорного

управления ЭП.

1. Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа проводится на основе электропривода пе-

ременного тока по системе ПЧ–АД. Он предназначен для реверсив-

ных

электроприводов с регулированием выходной частоты от 0 до

60 Гц при следующих условиях:

1) диапазон рабочих температур от +1°С до +40 °С;

2) окружающая среда непожароопасная, невзрывоопасная, со-

держание нетокопроводящей пыли не более 0,5 мг/м

, атмосфера

промышленных предприятий;

3) оболочка шкафов электроприводов обеспечивает степень за-

щиты IP21;

4) показатели качества электроэнергии для питания электропри-

водов следующие:

- отклонения напряжения сети переменного тока от номиналь-

ного значения +10 %, –15 %;

- отклонения частоты сети переменного тока от номинальной в

пределах ± 2%;

5) верхнее значение относительной влажности окружающей

среды 80 % при температуре 25

°С, высота над уровнем моря до

1000 м. Данный электропривод обеспечивает:

− регулирование выходного напряжения до номинального зна-

чения, но не выше напряжения питающей сети в функции частоты по

закону:

7,64,0const ÷==

при f

ном

= 50 Гц, где U – действующее

значение выходного напряжения; f – выходная частота;

− работу с током 1,5 I

в течение 120–180 с;

− пуск, торможение, реверс электродвигателя;

− работу с номинальным током на нагрузку, имеющую коэффи-

циент сдвига 0,15÷0,9 при f

ном

= 50 Гц.

Электропривод состоит из преобразователя частоты, электро-

двигателя переменного тока и аппаратуры защиты от аварийных ре-

жимов. Преобразователь частоты питается трехфазным напряжением

переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В, которое по-

дается на преобразователь с помощью автоматического выключателя

QF. Управление частотой вращения двигателя и его реверс произво-

дится с помощью регулировок, выведенных

на лицевую панель пре-

образователя частоты.

1.1. Устройство и принцип работы электропривода

и его составных частей

В качестве сетевого преобразователя взят преобразователь час-

тоты из промышленного электропривода серии ЭКТ-2. На данном

преобразователе реализован закон частотного управления:

const=

где U – выходное напряжение, f – выходная частота.

Для электропривода выполнена система САР по принципу под-

чиненного регулирования, внутренний контур – это контур регулиро-

вания входного тока преобразователя, внешний контур – контур ре-

гулирования ЭДС двигателя. Структурная схема преобразователя

приведена на рис. 1.1.

Силовая схема электропривода предназначена для преобразова-

ния переменного напряжения питающей сети

в переменное напряже-

ние регулируемой частоты и амплитуды. Все команды на включение

и отключение выключателя (QF) формируются с помощью системы

защиты и сигнализации. Силовой управляемый выпрямитель (УВ) с

системой фазоимпульсного управления (СУВ) осуществляет ампли-

тудное регулирование величины выходного напряжения. Выпрями-

тель выполнен по трехфазной мостовой схеме. Система управления

инвертором (СУИ) осуществляет управление

частотой выходного на-

пряжения электропривода. Система авторегулирования (САР) обес-

печивает плавное регулирование скорости асинхронным двигателем,

а также разгон, торможение и реверс асинхронного двигателя.

Для согласования входа инвертора с выходом выпрямителя ме-

жду ними включен LC-фильтр Ф с узлом силового токоограничения и

разрядным устройством. Фильтр сглаживает пульсации выпрямлен-

ного тока и напряжения, а также потребляет реактивную составляю-

щую мощности нагрузки.

Рис. 1.1. Структурная схема преобразователя частоты

Условное обозначение узлов структурной схемы

QF – силовой выключатель авто-

матический (пускатель);

АИН – автономный инвертор на-

пряжения;

ДТ – датчик входного тока;

ДН – датчик напряжения;

ДЭ – датчик ЭДС;

ДСИ – датчик срыва инвертора;

ЗИ – задатчик интенсивности;

ЗГ – задающий генератор;

КР – кольцевой распределитель;

М – нагрузка;

РТ1, РТ2 – регуляторы тока;

РЭ – регулятор ЭДС;

СТ – узел силового токоограни-

чения;

СУВ – система управления вы-

СУИ – система управления ин-

вертором;

СЗС – система защиты и сигнали-

зации;

УТУ – узел динамического тор-

можения;

УВ – управляемый выпрямитель;

УР – устройство реверса;

УО – усилитель-ограничитель;

УТ –

устройство управления тор-

можением;

УДР – устройство двухзонного

регулирования;

Ф – силовой LC-фильтр;

ФИ – формирователь импульсов;

Ш – шунт.

QF1

УВ

УТУ

АИН

ДТ

СУВ

РТ1

РТ2

РЭ

УО

ЗИ

УР

СЗС

УТ

СТ ФИ

КР

ЗГ

ДН

ДЭ

УДР

Uзад

Iогр

ДСИ

прямителем;

Регулирующая часть обеспечивает:

- формирование входного сигнала задания управления;

- регулирование темпа изменения задания частоты, 0,5–60 с;

- изменение выходного напряжения электропривода до номи-

нального значения в функции частоты;

- поддержание выходного напряжения постоянным по величине

на частотах выше номинальной.

1.2. Силовая часть преобразователя частоты

В электроприводе использован автономный инвертор напряже-

ния (АИН

) с пофазной коммутацией. Упрощенная схема АИН пред-

ставлена на рис. 1.2. Элементы схемы необходимо рассматривать как

следующие функциональные группы:

1) мост основных тиристоров (VS3, VS4, VS7, VS8, VS11,

VS12);

2) мост коммутирующих тиристоров (VS13–VS18);

3) мост обратных диодов (VD1, VD2, VD5, VD6, VD9, VD10);

4) коммутирующие конденсаторы (С3, С4, С5);

5) коммутирующие дроссели (L1, L2);

6) разделительные диоды (VD25, VD26);

7) мост сброса энергии (VD19–VD24);

8) вспомогательные источники подзаряда U

п1

, U

п2

Вспомогательные источники подзаряда U

п1

и U

п2

обеспечивают

автоматический непрерывный дозаряд коммутирующего конденсато-

ра в течение процесса коммутации, что обусловливает постоянство

коммутационной способности АИН во всех режимах его работы.

Разделительные диоды VD25, VD26 служат для развязки основ-

ного источника питания (УВ) от вспомогательных источников подза-

ряда.

Цепь сброса энергии (VD19–VD24) служит для обеспечения

стабилизации напряжения на коммутирующих конденсаторах, под-

держивая

его на уровне, не превышающем величины напряжения на

источниках подзаряда.

Рис. 1.2. Силовая схема электропривода

Работа одной фазы АИН происходит в следующей последова-

тельности.

Предположим, что работают основные тиристоры VS3, VS7,

VS12.

Коммутирующий конденсатор С3 заряжен полярностью, ука-

занной на рис. 2.1. Ток нагрузки протекает по цепи: VS3 – VS7 – фа-

зы двигателя нагрузки – VS12. Затем отпирается коммутирующий

тиристор VS13 для коммутации тока в VS3. Амплитуда импульса

разрядного тока (тока коммутации) через С3, VS3 (VD1), VD25, L1,

VS13 превосходит ток

нагрузки I

, вследствие чего ток через VS3

спадет до нуля.

После этого избыток тока коммутации I

, на который он превы-

шает ток нагрузки I

, направляется в обратный диод VD1. Достигнув

максимального значения, I

начинает уменьшаться, создавая заряд

обратной полярности на конденсаторе С3. В течение времени, когда

VD1 проводит ток, прямое падение напряжения в цепи VD1, являясь

обратным для тиристора VS3, запирает его.

Время приложения обратного напряжения к запираемому тири-

стору определяется величиной емкости конденсатора С3, индуктив-

ностью L1 и током нагрузки. На холостом ходе АИН время приложе

ния обратного напряжения (t) определяется выражением

LCt π= ,

где L – индуктивность коммутирующего дросселя L1; С – емкость

коммутирующего конденсатора С3.

После окончания перезаряда конденсатора С3 включается тири-

стор VS4, и конденсатор С3 дозаряжается до первоначального на-

пряжения, но с обратной полярностью, от источника подзаряда по

цепи U

п1

– VS13 – C3 – VS4 – U

п1

. К тиристору VS3 вновь приложе-

но прямое напряжение.

К коммутирующему тиристору VS13 прикладывается обратное

напряжение реактора L1 при коммутации в другой фазе, и он запира-

ется. Конденсатор С3 подготовлен для запирания тиристора VS4,

осуществляемого в конце его проводящего полупериода отпиранием

VS14.

Защита тиристоров силовой схемы от перенапряжений осущест-

вляется RCD-цепями.

Для обеспечения режима торможения используется

тормозное

устройство (ТУ), состоящее из двух цепей (последовательно вклю-

ченный тиристор и резистор), средней точкой подключенных к об-

щей точке тиристоров фазы В АИН.

Включение тормозного устройства задается сигналом регулято-

ра ЭДС (РЭ). Отрицательный сигнал регулятора является сигналом

на торможение привода.

2. Реализация законов частотного управления

в электроприводе по системе ПЧ – АД

Общие принципы реализации законов частотного управления

основывается на нескольких базовых концепциях:

1) дискретная обработка сигнала – для быстродействия схемы;

2) использование в качестве измерительного параметра абсо-

лютного скольжения для быстроты реагирования схемы на резкое

изменение скорости вследствие резкого приложения нагрузки;

3) возможность работы

схемы в широком диапазоне частот вра-

щения.

Структурная схема стенда представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема стенда:

ПЧ – преобразователь частоты; АД – асинхронный двигатель;

ИВС – инвертор, ведомый сетью; ДПТ – двигатель постоянного тока

2.1. Закон поддержания абсолютного скольжения

Алгоритм поддержания абсолютного скольжения постоянным

представлен на рис. 2.2.

Начало

Конец

Запоминание текущих

значений S и Wр

Считывание датчика

скорости вращения

Остановка

программы

Да

Фактическое

значение

S>Sзад

Нет

Фактическое

значение

S<Sзад

Увеличиваем ω

Снижаем ω

ωω Δω

р.. р.факт. доп.

зад

- >

ωωΔω

р.факт. р.зад. доп.

- >

Да

Увеличиваем Sзад.

Уменьшаем Sзад.

Нет

Да

Рис. 2.2. Алгоритм поддержания абсолютного

скольжения постоянным

Реализация закона поддержания постоянства абсолютного

скольжения сводится к измерению скорости вращения двигателя и

расчета рабочего скольжения и сравнения его с заданным значением.

При превышении фактического значения от заданного происходит

уменьшении

ω , при уменьшении фактического значения скольже-

ния от заданного происходит увеличение

. При превышении

отклонения скорости вращения предельного значения от заданной

скорости происходит переход на другое скольжение двигателя, то

есть на другой участок рабочей характеристики. Таким образом, в

заданном диапазоне изменения скорости получаем абсолютно

мягкую механическую характеристику.

2.1.1. Принципиальная электрическая схема

генератора синусоидальных колебаний

Инвертор, ведомый сетью, создает резкопеременную нагрузку

на валу

асинхронного двигателя. Это достигается за счет введения в

систему управления инвертором генератора синусоидальных колеба-

ний с частотой колебания 1 Гц, соответственно нагрузка на валу

асинхронного электродвигателя будет изменяться от минимального

своего значения до максимального с частотой 1 Гц. Принципиальная

электрическая схема генератора синусоидальных колебаний приве-

дена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Принципиальная электрическая схема

генератора синусоидальных колебаний

Выход генератора подключается к блоку задания вместо задаю-

щего резистора RP13 через переключающий контакт SA2, располо-

женный на лицевой панели инверторного устройства. Также при этом

необходимо подать напряжение питания на генератор с помощью

выключателя SA3. Генератор выполнен на операционном усилителе.

Цепь отрицательной обратной связи образована резисторами R15,

R13, R16, а положительная – мостом Вина (резисторы R23, R19, R20

и конденсаторы С9, С6). Резистор R14 совместно с конденсаторами

С3–С5 корректирует частотную характеристику операционного уси-

лителя и устраняет самовозбуждение на высоких частотах. Резистор

R15 предназначен для выравнивания амплитуды синусоидального