Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

двигатель разгоняется при включенном контакторе КМ1 и от-

ченном КМ2 по схеме реостатного пуска. По достижении оп-

сленной скорости выше, чем

o>d( 1-5<ь,л*с)>

включается контак-

р КМ2 и затем отключается KM I, и двигатель переходит на ра-

в схеме вентильного каскада.

11.2. Двигатели двойного питания

В отличие от схем вентиль-

го каскада, где поток энергии

льжения направлен только в

ту сторону - от ротора двига-

я к инвертору и далее в

юшую сеть, в схемах дви-

ля двойного питания в цепь

-эра включается преобразо-

тель (рис. 11.6). обеспечиваю-

и двухсторонний обмен

ргией, как от ротора леи-

ля к питающую сеть, так и

сети в обмотки ротора асин-

•нного двигателя. Таким ripe-

разователем является преоб-

ователь частоты с непос-

ственной связью, рассмот-

Hbrfi в §10.3. При этом доба-

чиая э.д.с., вводимая в цепь

гора. мОже! быть направлена

к против э.д.с. ротора, соглас-

но с ней или под некоторым

лом (/r-J). В общем случае

Ток ротора будет о преде-

ься из уравнения равновесия

ряжений в контуре рото-

Рие.11.6. Пряхциллшиим схсмз дапгатси

двойного ттння

pu/

= 'Ъ (П.JO)

ктивная и реактивная составляющие тока ротора будут равны;

• COS (p

cos(d> + <p>)

,9'cos^, - —— +

Щ»

(HID

R ЭТИХ формулах: lE?, текущая и номинальная (при ^=1)

э.д.с. роюра;

-з = д/^ + \<Pi - arccos—

Активная составляющая тока ротора определяет момент дви-

гателя Л/ и механическую мощность двигателя

(п ш)

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактив-

ную мощность, циркулирующую в статорнон и роторной цепях

двигателя

= ^(cos£-sin ). (11.13)

Равенства (11.11) и (11.13) показывают, что регулируя вели-

чину и фазу добавочного напряжения U

дсй

. вводимого в цепь

ротора, можно управлять активной и реактивной мощностями

двигателя. Из этого положения также следует, «гго при соответст-

вующих значениях U

и 6 активная составляющая тока ротора

может быть отрицательна при положительных скольжениях s>0 и.

положительна при отрицательных скольжениях ?<0. Эго означа-

ет. что в системе двойного питания асинхронный двигатель мо-

жет работать в несвойственных ему в обычных схемах включения

режимах: генераторном при скорости ниже синхронной и двига-

тельном прн скорости выше синхронной. Энергетические диа-

граммы для указанных режимов приведены на рнс.11.7.

Направление потока энергии в режиме генераторного тор-

можения при скорости ниже синхронной противоположно тому,

какое было в двигательном режиме (см.рис.11.2). Мощность тор-

можения P

MtI

(см.! 1.12) в рассматриваемом случае недостаточна

для создания электромагнитной мощности Р

ум

, поэтому из сети

через трансформатор и роторный преобразователь забираем и

направляется в ротор двигателя недостающая мощность, пропор-

циональная скольжению Р

= Мщх Сумма механической мощ-

ности. поступающей с вала, и .мощность скольжения

плгр.гр

>азуст электромагнитную мощность, которая рекуперируется и

гаюшую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности ре-

1Срируемой мощности, отдаваемой но кепи статора, и мощно-

ги, забираемой со стороны трансформатора Р

iiin

, = Р - Р

т)%

В двигательном режиме при скорости выше синхронной

же. 11.76) в роторную цепь двигателя добавляется мощность

кольжения, забираемая из сети со стороны трансформатора. Она

!адывается с электромагнитной мощностью, поступающей в

н атель со стороны статора Сумма этих мощностей преобразу-

гся в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая

оту двигателя с момент

ом

при

скорости выше синхронной

*тят+*ттт.-Ц 4 *)

р .,.

Заметим, что, несмотря на

то. что скольжение в этом случае

отрицательно, двигатель разви-

вает двигательный момент,

В обоих рассматриваемых

режимах преобразователь час-

тоты работает таким образом,

что энергия от трансформатора

поступает в ротор двигателя, т.е.

двигатель питается как со

стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота/з э.д.с. и

тока ротора определяется сколь-

жением двигателя /, = f]s, то и

частота добавочной э.д.с. и,ы,

вводимой в цепь ротора, должна

совпадать с частотой э.д.с. рото-

ра и изменяться при изменении

скольжения двигателя

М а кс и мал ь i со возм ожн ы й

диапазон регулирования скоро-

сти вниз и вверх от синхронной

определяется двумя параметрами

- возможными максимальными значениями частоты]\ и напряже-

ния Uiuaxc на выходе преобразователя частоты, служащего для

Рис. 11.7. Энергетические дишромкы

г двигвгел! двойного пктшшя! а)-в режиме

генераторного торможения при скорости

ниже стпгхро.чной; 6}

•

» дипгатсльвом

режиме при скорости вшзе синхронной

штапня цепи ротора,

скорости будет равен

Максимальный диапазон регулирования

со......

Абсолютное значение максимального скольжении равно

I о wxr I

Так как преобразователь частоты с непосредственной свя-

зью, как правило, обеспечивает регулирование частоты в преде-

лах 20Гц (при частоте питания 50 Гц), чему соответствует макси-

мальное скольжение = 0,4, то максимальный диапазон

регулирований скорости двигателя двойного питания будет равен

= 2

,3:1.

0,6<и

Регулирование скороеги в

схеме двигателя двойного

питания производится из-

менением величины и зна-

ка относительного значе-

ния добавочной э.д.с.

Ч±

тога на выходе преоб-

разователя автоматически

поддерживается равной

частоте тока ротора Ме-

ханические характерис-

тики двигателя двойного

€

- _22fL

при этом час-

(1>

6=-0,2

0>о~ ——

^0,1

-м

•

Рис. П.8. Механические характеристики

двигателей двойного питания

питания при е=0.2 приведены на рис.11.8. Пуск двиг ателя до зна-

чения минимальной рабочей скорости производится так же, как и

в схемах вентильного каскада (см.рис.11.5).

Основным достоинством схем вентильного каскада и двига-

телей двойного питания является высокий кпд. сохраняющийся

при регулировании скорости в заданном диапазоне. Поскольку

эти системы регулируемого асинхронного привода имеют огра-

ниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2;.^. то

эти системы применяются, главным образом, для привода мощ-

ных (выше 500кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробеж-

ных насосов и других машин.

Глава 12. Специальные схемы электропривода

12.1. Вент'ильно-индукторный электропривод

Одной из перспективных систем регулируемого электропри-

а являются вентильно-индукторные электроприводы, исполь-

>шис индукторную электрическую машину с пассивным рото-

м. На статоре такой машины располагаются электромагниты -

лсгоры (см.рис.

12.1.),

по обмоткам которых поочередно про-

тскается постоянный ток. Ротор двигателя не имеет обмоток

"ссивный) и Содержит ряд зубцов, число которых не совпадает

слом зубцов магнитопровода ста тора

На

рис. 12.1

показана машина,

еюшая 6 зубцов магнитопровода на

'["*

торе и 4 - на роторе. Машина LTO

авляегся вентильным (транзис- i

рным) коммутатором, осуществля-

ШИМ переключение обмоток индук-

;ров. Основная особенность вентиль-

индукторных приводов заключает-

и в том. что переключение обмоток

ргадукторов производится в соот-

хтвии с положением ротора, для

то в схеме применяется датчик

сложения L)R.

Принцип работы вентильно-ин-

мсгорного привода состоит в посме-

нном последовательном включении

•укто-ров (а~а, в-в, с-с), поток

орых замыкается через зубцы ро-

ра Возбуждение индуктора вызы-

вает возникновение электромагнитных

сил притяжения между зубцами нн-

тстора и ближайшими к ним зубцами

ра.

Под действием этих сил (момента)

ротор поворачивается и занимает согласованное положение, ко-

гда зубцы ротора устанавливаются напротив зубцов возбужден-

ной фазы. Так как число зубцов статора и ротора различно, то в

Согласованном положении для одного индуктора для следующего

индуктора зубцы ротора окажутся в несогласованном положении.

Рис. 12.1. Функциональная

схема всшиньно-яндуктор-

ногп прннодз

Поэтому при отключении первого индуктора и включении после-

дующего ротор снова повернется на одно полюсное деление. По-

следовательная коммутация индукторов с помощью датчика по-

ложения через систему управления CS обеспечивает непрерывное

создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное

вращение ротора двигателя.

Величина электромагнитного момента определяется средней

величиной тока, подаваемого в обмотки индукторов Поэтому

регулирование момента двигателя производится изменением на-

пряжения, подводимого к обмоткам индуктора. В схеме рис. 12.1

изменение напряжения производится методом шкротно-

имнульсного регулирования (см.§6.3). Дтя точного регулирова-

ния скорости в рассматриваемых приводах вводится внешний

контур регулирования.

Вентильно-индукторные электроприводы отличаются конст-

руктивной простотой и экономичностью. Они находят примене-

ние для общепромышленных механизмов мощностью примерно

до 50кВт, не предъявляющих высоких требований к качеству ре-

гулирования. Особенно эффективно использование вентильно-

индукторных приводов для высокоскоростных механизмов с но-

минальной скоростью бОООоб/мин и выше.

12.2. Электропривод с шаговым двигателем

Исполнительные органы некоторых рабочих машин и Меха-

низмов должны совершать строго дозированные перемещения с

фиксацией своего положения в конце движения. Типичными

примерами таких механизмов являются электроприводы подачи

некоторых металлорежущих станков, сборочных агрегатов, ма-

нипуляторов и других машин. Для привода подобных машин ис-

пользуются шаговые электродвигатели. Особенностью таких

двигателей является то, что их движение (угол поворота для дви-

гателей вращательного движения или перемещение для двигате-

лей поступательного движения) носит не непрерывный, а дис-

кретный характер - шагами. Электропривод с такими двигателя-

ми часто называют дискретным электроприводом [1-15].

Широкое применение дискретного электропривода опреде-

ляется тем, что по принципу своей работы он естественным обра-

зом сочетается с цифровыми системами управления: микропро-

цессорами И устройствами числового программного управления.,

которые все шире применяются во всех областях техники. Шаго-

вые двигатели выпускаются промышленностью мощностью от

Скольких ватт до нескольких киловатт. Двигатели характсрн-

>тся развиваемым им моментом (усилием) и величиной шага

юкрегы) Чем меньше величина шага, тем с большей точно-

го осуществляется перемещение рабочего органа машины.

Принцип действия шагового двигателя рассмотрим на при-

:ре простейшей схемы двухфазного двигателя с активным рото-

>м (рис. 12.2). Такой шаговый двигатель имеет на статоре две

»ры явно выраженных полюсов, на которых находятся обмотки

Зуждения, образующие две фазы двигателя. На роторе распо-

1гастся постоянный магнит (активный ротор). Питание об м ого к

ществляется импульсами напряжения, поступающими с уст-

>йства управления, которое преобразует последовательность

1ВЛЯЮЩИХ импульсов - число шагов.

в многоканальную по-

ювательность импульсов, где число каналов равно числу фаз

Пгателя.

Рис. 12.2

Упрошснннн CNCV.J шагового двигателя

актмпным ротором

Пусть напряжение определенной полярности подано на пер-

обмотку (1Н-1К). Тогда ротор двигагеля займет положение,

сказанное на рис. 12.2а Это положение будет устойчивым, по-

1ьку прн отклонении от него на ротор будет действовать мо-

г, стремящийся вернуть ротор в прежнее положение.

Для выполнения шага движения напряжение снимается с

5рвой обмотки и подается на вторую (2Н-2К). При этом ротор

гатсля сделает шаг. т.е. повернется на угол % (см.рис. 12.26).

[Л* выполнения второго шага нужно снять напряжение с обмот-

и подать импульс напряжения обратной полярности на об-

гку I. и т.д.

Угловое перемещение шагового двигателя за один tuai бу-

а «= —»

рп

гдер - число пар полюсов ротора (в схеме на рис

12.2

/>=1):

- число фаз статорных обмоток.

Кроме рассмотренного алгоритма коммутации может быть

применен более сложный алгоритм, позволяющий вдвое умень-

шить величину шага. Пусть исходное положение соответствует

условию включения обмотки 1, показанному па рис. 12.2. Далее,

не снимая напряжение с обмотки 1. подключим обмотку 2 с по-

лярностью, соответствующей рис 12.2в. При этом пространст-

венный вектор результирующей м.д.с. будет располагаться между

полюсами статора, т.е. ось магни тного потока повернется на угол

•7/ . Соответственно ротор повернется на половину полюсного

деления, т.е. на %

Для реверса шагового двигателя следует изменить поляр-

ность импульсов напряжения Каждому импульсу управления

соответствует один шаг поворота ротора. Суммарный угол пово-

рота ротора соответствует числу поступающих импульсов управ-

ления N

а средняя скорость поворота - частоте коммутаций/^:

СО =

а/

Частота коммутаций является важны,м параметром шагового

электропривода, т.к. она определяет время отработки управляю-

щего воздействия. Допустимая частота коммутаций (ее называют

частотой приемке гости) ограничивается электромагнитной инер-

ционностью обмоток и механической инерцией ротора и приво-

димого механизма. Чем выше инерционность двигателя и больше

статический момент на валу двигателя, тем меньше частота

приемистости.

Современные шаговые двигатели различны по конструктив-

ному исполнению. Двигатели бывают однофазными, ,двухфазны-

ми и мног офазными с активным и пассивным ротором.

Конструкция активного ротора обычно содержит постоянные

магниты и имеет величину шага от до ^. Частота комму-

таций таких двигателей ограничена величиной примерно 500Гц.

Для шаговых двигателей с малой величиной шага использу-

ют пассивный ротор, не содержащий обмоток и магнитов. Статор

реактивного шагового двигателя имеет явно выраженные полю-

сы, на которых нарезаны зубцы (см.рис.12.3). Па роторе равно-

мерно по окружности нарезано четное (но не делящееся из 4)

Число зубцов. Выбором числа зубцов ротора достигается смеще-

ние в любом положении зубцов ротора по отношению к зубцам

смежных полюсных выступов статора на '/«зубцового деления (I-

Работа шаговых двигате-

лей с пассивным реактивным

ротором заключается в том,

го при подаче напряжения на

ло-либо фазу статора ротор

«мится занять такое поло-

шс, чтобы зубцы ротора

ли против зубцов соот-

ветствующего полюса и про-

ницаемость магнитной цепи,

pro которой замыкается поток

{данной фазы, была бы наи-

большей.

Прн подаче тока в сле-

>щую фазу статора ротор

вернется на один шаг, так. чтобы зубцы ротора совпали с зуб-

ш полюса следующей фазы. Величина шага при этом равна

Рис. 12 3. Поперечные» pajpe» чсгыре.чио-

люсного шагового доягптсяя с пассивным

рмором

12.3. Электропривод с линейными двиг ателями

Подавляюще большинство электродвигателей является элек-

тродвигателями вращательного движения. В то же время многие

рабочие органы производственных машин должны по технологии

Ввоей работы осуществлять поступательное (например, конвейе-

ры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение

{(механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие

машины). Преобразование вращательного движения в поступа-

тельное осуществляется посредством специальных кинематиче-

ских звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-

аубчагая рейка, кривошнпно-шатупиая передача и другие.

Естественным для конструкгоров рабочих машин является

селание использовать для привода рабочих органов, совершаю-

щих поступательное и возвратно-поступательное движение, дви-

гслей. ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, ис-

пользующие линейные асинхронные, вентильные и шаговые дви-

гатели, Принципиально линейный двигатель любого типа может

быть образован из двигателя вращательного движения путем ли-

нейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного дви-

гателя можно получить, если развернуть статор асинхронного

двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил

статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора,

т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двига-

телях). а бегущее электромагнитное поле статора. В качестве

вторичного элемента может использоваться ферромагнитная по-

лоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль раз-

вертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого рото-

ра. Вторичный элемент увлекается движущимся нолем статора и

линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движе-

ния поля статора на величину линейного абсолютного скольже-

ния.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет

К ~ Зт /.

•

-Ч

с г

' м - полюсное деление— расстояние между

соседними полюсами линейного асинхронного двигателя

Скорое ib вторичного элемента Г'о(

1-.v,),

где 5

- относи-

тельное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты

получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3м/с),

чзо затрудняет использование этих двигателей для привода про-

мышленных механизмов. Такие двигатели применяются для вы-

сокоскоростных транспортных механизмов Для получения более

низких скоростей движения и регулирования скорости линейного

асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя

частоты.

Применяются несколько

вариантов конструкций ли-

нейного асинхронного дви-

гателя. Одна из них показана

на рис. 12.4. Здесь вторичный

элемент (2) - полоса, соеди-

ненный с рабочим органом,

перемещается по направля-

ющим 1 под действием бе- р„с т 2.4. Конструкция л,«.кПйогоопноко.

гущето электромагнитного оршшлного лиигвтс-и

поля, создаваемого статором