close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

AkopovEvseev

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. С. Акопов, Е. В. Евсеев, А. А. Мартынов
ЭЛЕКТРОПРИВОД
С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМИ СИСТЕМАМИ
УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК 621.3
ББК 32.973
А40
Рецензенты:
кандидат технических наук Р. Ш. Еникеев;
кандидат технических наук, доцент М. А. Волохов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Акопов, В. С.
А40Электропривод с микропроцессорными системами управления: учеб. пособие / В. С. Акопов, Е. В. Евсеев, А. А. Мартынов; под ред. проф. В. Ф. Шишлакова. – СПб.: ГУАП,
2016. – 123 с.
ISBN 978-5-8088-1112-6
Изложены основные положения теории электропривода с разными полупроводниковыми преобразователями (управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, автономный инвертор). Представлена методика построения математической модели
электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения.
Рассмотрены вопросы динамики электропривода с учетом индуктивности цепи якоря. Дано техническое описание учебного стенда.
Приведены методические указания к выполнению комплекса лабораторных работ по курсу «Системы управления электроприводом» с использованием лабораторного стенда «Электропривод с МПСУ (М1)».
Издание предназначено для студентов, изучающих дисциплины
«Системы управления электроприводами», «Автоматизированный
электропривод», «Основы автоматизированного электропривода»,
«Электропривод», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии» и некоторые другие по направлению подготовки
«Автоматизация и управление».
УДК 621.3
ББК 32.973
ISBN 978-5-8088-1112-6
©
©
Акопов В. С., Евсеев Е. В.,
Мартынов А. А., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электрический привод служит для преобразования электрической энергии в механическую. Можно утверждать, что данный
привод является основой современного производства.
Сферой промышленного применения такого привода являются
машиностроение, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, газо- и нефтедобыча, нефтехимия, строительство.
Системы электропривода широко применяются на транспорте,
в атомной энергетике и теплоэнергетике.
Непрерывно происходит расширение областей применения указанного привода благодаря их использованию в локальных системах автоматического регулирования в самых разных областях,
в том числе в бытовой технике.
Электрическими двигателями в настоящее время потребляется
уже более 60 % всей вырабатываемой в мире электрической энергии. Поэтому большое значение приобретает задача разработки высокопроизводительных, компактных и экономичных систем электропривода.
Электропривод представляет собой триаду из электромеханического преобразователя энергии (электрического двигателя), силового преобразователя и устройства управления.
Раздел 1 учебного пособия содержит анализ динамики электродвигателя. Для этого построена его математическая модель,
приведены выражения для вычисления переходных процессов по
скорости вращения электродвигателя и току в цепи его якоря.
Разделы 2 – 4 включают в себя материалы, касающиеся теории силовых полупроводниковых преобразователей и схем их
построения.
В разделе 5 приводится подробное описание учебного лабораторного стенда «Электропривод с микропроцессорными системами
управления (МПСУ)», предназначенного для изучения свойств и
построения систем электроприводов.
Раздел 6 содержит подробные методические указания по выполнению комплекса из 22 лабораторных работ, направленных на получение и изучение статических характеристик электроприводов,
содержащих электродвигатели постоянного и переменного тока,
управляемые силовыми преобразователями разных типов.
Разделы 1–3 и 6 подготовлены В. С. Акоповым, раздел 4 –
А. А. Мартыновым, раздел 5 – Е. В. Евсеевым.
3
Дисциплины, связанные с изучением электропривода и систем
управления им, ориентированы на студентов, обучающихся по
специальностям «Электромеханика», «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических процессов»,
«Управление в технических системах» и многим другим родственным напрвлениям.
4
1. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
1.1. Динамические режимы в электроприводах
Под динамическим режимом электропривода (ЭП) понимают
переход его из одного установившегося состояния в другое, сопровождающийся изменением во времени фазовых координат: токов,
электродвижущих сил, скоростей, моментов, углов поворота, перемещений.
Все процессы в ЭП протекают при тесном взаимодействии его
фазовых координат. Однако в большинстве практически важных
случаев наблюдается существенное различие в продолжительности
этих процессов по некоторым координатам. Например, тепловое состояние электродвигателя не успевает претерпевать сколько-нибудь
заметного изменения за время, в которое протекают механические
процессы. Вместе с тем механические процессы развиваются существенно медленнее процессов электромагнитных.
Отмеченное обстоятельство позволяет использовать для исследования ЭП метод разделения движений, подразумевающий разделение тепловых, механических и электромеханических процессов.
Известно, что продолжительность протекания тепловых процессов
составляет десятки минут, механических – единицы секунд, электромагнитных – доли секунд.
Остановимся подробнее на последних двух процессах.
1.2. Механические процессы
Исследование процессов изменения координат электропривода
во времени (т. е. исследование его динамики) естественно выполнять по результатам решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в приводе, и последующего анализа
этих решений.
Учитывая принципиальную общность характера изменения механических процессов в электроприводах с разными двигателями,
динамику этих процессов рассмотрим на примере конкретной математической модели двигателя постоянного тока с независимым
возбуждением. Для этого проанализируем приведенную на рис. 1.1
упрощенную эквивалентную схему привода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ).
Известно [1], что основными контурами, влияющими на качество управления таким приводом, являются контуры цепи якоря,
5
+
Rд
е
Rя
Rя
Lя
U
Jя
M1
Мя
Мн
Lя
UR
Н
–
Jн
Рис. 1.1. Упрощенная эквивалентная схема привода
с двигателем постоянного тока независимого возбуждения
обмотки возбуждения и контур силовой цепи, связывающий исполнительный двигатель и объект регулирования, являющийся
нагрузкой.
На рис. 1.1 U, Uв – напряжения цепи якоря и цепи обмотки возбуждения электродвигателя; Jя, Jн – моменты инерции якоря и нагрузки; Rд, Rя, Rв – сопротивления добавочное, цепи якоря и обмотки возбуждения; Lя, Lв – индуктивности обмоток якоря и возбуждения; Мд, Мн – моменты двигателя и нагрузки; e – противоЭДС
обмотки якоря; Н – нагрузка.
Для того чтобы получить математическую модель динамики
рассматриваемого электропривода, воспользуемся уравнением
Лагранжа–Максвелла, называемым также уравнением Лагранжа
второго рода [1–3]. Это уравнение имеет вид
d  ∂W ∂W 
Qk .
−
=
dt  ∂qk ∂qk 
(1.1)
Здесь qk и qk – обобщенная координата и производная от нее
для контура с номером k соответственно; Qk – сумма внешних
воздействий, действующих в контуре с номером k; W – функция
Лагранжа, равная разности кинетической T и потенциальной П
энергии, т. е.
W= T − Ï.
6
(1.2)
Эта функция должна быть рассмотрена для каждого из трех контуров: цепи обмотки якоря, цепи обмотки возбуждения и силовой
цепи двигатель–нагрузка.
Запишем уравнение Лагранжа второго рода для контура цепи
якоря электродвигателя. Обобщенной координатой, определяющей процессы в этом контуре, является число зарядов qя, переносимых в этом контуре со скоростью, равной току якоря iя.
Кинетическую энергию в контуре Tя определяют из выражения
Tÿ = 0,5Lÿ iÿ2 . (1.3)
Так как в цепи якоря отсутствуют элементы, в которых может
содержаться предварительно накопленная энергия (например,
конденсатор), потенциальная энергия в этом контуре равна нулю.
Соответственно функция Лагранжа для такого контура
2
W=
ÿ T=
ÿ 0,5Lÿ iÿ .
Суммарными воздействиями на контур цепи якоря являются
напряжение питания этого контура U, противоЭДС e цепи якоря,
суммарное падение напряжения на добавочном сопротивлении
Rд и сопротивлении якорной обмотки Rя. Таким образом, суммарное внешнее воздействие на цепь якоря вычисляем по выражению
Qÿ = U − e − iÿ (Rä + Rÿ ).
(1.4)
Осталось выполнить дифференцирование в соответствии с дифференцированием левой части уравнения Лагранжа (1.1):
∂Wÿ
= Lÿ iÿ , ∂qÿ
(1.5)
diÿ
d  dW 
,

 = Lÿ
dt  dqÿ 
dt
(1.6)
∂Wÿ
= 0. ∂qÿ
(1.7)
В результате для контура цепи якоря с учетом выражений
(1.4)–(1.7) получим следующее дифференциальное уравнение
7
описывающее динамику процессов в цепи обмотки якоря двигателя:
di
Lÿ ÿ = U − e − (Rä + Rÿ )iÿ .
dt
Перейдем к рассмотрению контура обмотки возбуждения.
Запишем уравнение Лагранжа–Максвелла для контура цепи обмотки возбуждения. Обобщенной координатой, определяющей
процессы в этом контуре, является число зарядов qв, переносимых
в этом контуре со скоростью, равной току iв.
Кинетическую энергию в этом контуре определяем из выражения
Tâ = 0,5Lâ iâ2 .
В цепи обмотки возбуждения также отсутствуют элементы,
в которых может содержаться накопленная энергия, поэтому потенциальная энергия в этом контуре равна нулю. Соответственно
функция Лагранжа для этого контура
2
W=
â T=
â 0,5Lâ iâ .
Суммарными воздействиями на контур цепи обмотки возбуждения электродвигателя являются напряжение питания этого контура Uв и суммарное падение напряжения на сопротивлении обмотки
возбуждения Rв. Таким образом, суммарное внешнее воздействие
для цепи обмотки возбуждения вычисляем по выражению
Q=
â Uâ − iâ Râ .
(1.8)
Теперь осталось выполнить дифференцирование в соответствии
с дифференцированием в левой части уравнения Лагранжа (1.1).
Легко видеть, что
∂Wâ
= Lâ iâ , ∂qâ
(1.9)
diâ
d  dWâ 
,

 = Lâ

dt  dqâ 
dt
(1.10)
∂Wâ
= 0. ∂qâ
(1.11)
8
В результате для контура цепи обмотки возбуждения двигателя
с учетом выражений (1.8)–(1.11) получаем следующее дифференциальное уравнение, описывающее динамику процессов в цепи обмотки якоря двигателя:
diâ
Lâ =
Uâ − Râ iâ .
dt
Как отмечалось ранее, в электроприводе имеется, кроме того, третий контур управления, в котором протекают электромеханические
процессы, – это контур силовой цепи, связывающий механически исполнительный двигатель и объект регулирования, являющийся нагрузкой.
Перейдем к третьему контуру и получим уравнение, описывающее
его динамику. Запишем уравнение Лагранжа–Максвелла (1.1) для
контура цепи управления механическими процессами. Обобщенной
координатой, определяющей процессы в данном контуре, является
угол поворота вала электропривода φ.
Кинетическую энергию в этом механическом контуре находим
по выражению
=
Tì 0,5Jïð ϕ2 ,
где Jпр – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции всех вращающихся частей электропривода. Поэтому
Jïð = Jä + Jð + Jí .
Последнее выражение записано без учета передаточного отношения редуктора в электроприводе с моментом инерции Jр. При
наличии редуктора момент инерции нагрузки следует разделить на
квадрат его передаточного отношения.
В цепи управления механическими процессами отсутствуют элементы, в которых может иметься накопленная энергия (например, пружина), поэтому потенциальная энергия и в этом контуре равна нулю.
Соответственно функция Лагранжа для этого механического контура
2
W=
ì T=
ì 0,5Jïð ϕ .
Суммарными воздействиями на контур цепи управления механическими процессами являются момент электродвигателя Mд и
9
момент сопротивления нагрузки Mн. Таким образом, суммарное
внешнее воздействие для цепи механических процессов вычисляем
по выражению
Q
=
(1.12)
ì Ìä − Ìí . Последнее выражение записано также без учета редуктора
в электроприводе. Если редуктор имеется, то момент нагрузки следует разделить на его передаточное отношение.
Теперь осталось выполнить дифференцирование в соответствии
с дифференцированием в левой части уравнения Лагранжа (1.1) для
цепи управления механическими процессами. Легко видеть, что
∂Wì
= Jïð ϕ , ∂ϕ ì
(1.13)
d  dWì 
dϕ
dω
Jïð
,
=
 J=
ïð

dt  dϕì 
dt
dt
(1.14)
∂Wì
= 0. ∂ϕì
(1.15)
В результате для контура цепи управления механическими процессами с учетом выражений (1.12)–(1.15) получим следующее
дифференциальное уравнение, описывающее динамику в цепи
управления механическими процессами:
dωä
Jïð = Mä − Ìí ,
dt
где ωд – угловая скорость вращения двигателя.
Отметим, что в предыдущих выражениях фигурировали момент
двигателя и противоЭДС, поэтому запишем выражения, по которым их принято вычислять [1]:
Ìä = ÑÔiÿ ,
=
å ÑÔωä .
В обоих последних выражениях произведение СФ – это конструктивная постоянная двигателя, и для двигателя постоянного
тока с независимым возбуждением (при упрощенном рассмотре10
нии) она может быть определена как результат деления номинального момента двигателя на его номинальный ток якоря.
Итоговая математическая модель, состоящая из пяти уравнений (трех дифференциальных и двух алгебраических), имеет следующий вид:
Lÿ
diÿ
= U − e − (Rä + Rÿ )iÿ , dt
(1.16)
diâ
Lâ =
Uâ − Râ iâ , dt
(1.17)
dωä
Jïð = Mä − Ìí , dt
(1.18)
Ìä = ÑÔiÿ , (1.19)
=
å ÑÔωä . (1.20)
Как отмечалось ранее, нас интересует динамика процессов
в электроприводе, поэтому его фазовые координаты, такие, как
угловая скорость вращения двигателя и ток в цепи его якоря, далее
будем рассматривать как функции времени: ω(t), i(t).
Введем некоторые допущения, упрощающие дальнейшие математические выкладки. Так как электромагнитные процессы обычно протекают на порядок быстрее, чем механические, сначала будем считать, что
индуктивность цепи якоря двигателя равна нулю (Lя = 0). Суммарное сопротивление цепи якоря двигателя, состоящее из добавочного сопротивления и сопротивления цепи якоря, далее будем обозначать R. Кроме
того, пусть обмотка возбуждения заранее подключена к сети, и поэтому
diâ
= 0.
dt
Тогда система с учетом алгебраических уравнений (1.19) и (1.20)
преобразуется в следующую систему уравнений:
=
0 Uâ − Râ iâ , (1.21)
iÿ (t)R + CÔωä (t) =
U, (1.22)
dωä
Jïð = ÑÔiÿ − Ìí . dt
(1.23)
11
Из уравнения (1.21) следует, что в контуре обмотки возбуждения какая-либо динамика отсутствует, наступил режим статики.
Из выражения (1.22) следует, что
iÿ (t) =
U − ÑÔωä (t)
R
.
Подставив это значение iя (t) в выражение (1.23), найдем
Jïð
dωä (t) ÑÔ
=
(U − ÑÔωä (t)) − Ìí .
dt
R
Разделив обе части последнего выражения на Jпр, получим следующее дифференциальное уравнение динамики привода (первого
порядка с постоянными коэффициентами и правой частью):
dωä (t)
ÑÔ
=
(U − ÑÔωä (t)) − Ìí .
dt
Jïð R
Для того чтобы решить последнее дифференциальное уравнение, достаточно воспользоваться любым известным в высшей математике методом, например, введя характеристическое уравнение
или вспомогательную переменную [4 – 6].
Применив любой из перечисленных методов, получим решение
в виде
ωä (t) = Ωñ + (ω0 − Ωñ )exp(− t Tì ), (1.24)
где механическую постоянную времени электропривода Тм вычислим по выражению
Tì =
Jïð R
(CÔ)2
,
(1.25)
а конечное (установившееся) значение скорости вращения якоря
двигателя легко определить по выражению
12
Ω=
ñ
U
R
−
Mí . CÔ (CÔ)2
(1.26)
Из решения (1.24) следует, что поведение угловой скорости
электродвигателя в переходном процессе зависит от механической
постоянной времени привода Tм, начального значения ω0 скорости
вращения якоря двигателя и ее конечного значения Ωc.
Выражение, отражающее поведение другой координаты электропривода (тока якоря iя), можно получить, если в выражении (1.22)
заменить ωд(t) на ее значение, соответствующее выражению (1.24).
Тогда
(1.27)
iÿ (t) = Iñ + (i0 − Iñ )exp(− t Tì ), где начальное значение i0 тока якоря можно вычислить с помощью
формулы
i0 =
U − CÔω0
,
R
(1.28)
а установившееся значение тока якоря Iñ – по выражению
Iñ =
U − CÔΩñ
.
R
(1.29)
Для лучшего восприятия материала, изложенного в разд. 1.2,
рассмотрим пример.
Определим динамику пуска электропривода при следующих
исходных данных: напряжение питания цепи якоря U = 30 В, номинальный момент нагрузки Мн = 0,1 Н∙м, приведенный момент
инерции нагрузки Jпр = 0,001 кг∙м2, конструктивная постоянная
электродвигателя СФ = 0,1, сопротивление и индуктивность якорной цепи соответственно R = 10 Ом, L = 0,1 Гн (реальное значение
индуктивности обмотки якоря, как правило, значительно меньше).
Для построения переходных процессов, описываемых выражениями (1.24) и (1.27), необходимо предварительно вычислить некоторые параметры этих уравнений. В частности, поскольку в примере речь идет о пуске привода, начальное значение скорости вращения ротора электродвигателя ω0 очевидно равно нулю. Другие
значения параметров из выражений (1.25)–(1.29) вычисляем следующим образом:
Ωñ=
30
10
U
R
−
Mñ=
−
= 200 ñ2 ,
CÔ (CÔ)2
0,1 (0,1)2
13
=
Iñ
=
i0
U − CÔΩñ 30 − 0,1 ⋅ 200
=
= 1 À,
R
10
U − CÔω0 30 − 0,1 ⋅ 0
= = 3 À,
R
10
=
Tì
Jïð R 0,001 ⋅ 10
=
= 1 ñ.
(CÔ)2
(0,1)2
Динамика интересующих нас переходных процессов по скорости и току с учетом исходных данных, которые приведены выше,
описывается выражениями
ωä (t)= 200(1 − exp(−t Tì )),
iÿ (t) =
1 + 2 exp(−t Tì ).
Графики переходных процессов приведены на рис. 1.2 и 1.3.
В данном разделе основное внимание было уделено анализу механических процессов в системе, приведенной на рис. 1.1.
Упрощенный анализ выполнялся при допущении, что индуктивность цепи якоря равна нулю (Lя = 0). Далее рассмотрим электромеханические процессы в электроприводе, учитывающие наличие
ω, рад / c
200
160
120
80
40
0
1
2
3
4
5
6
t, c
Рис. 1.2. Переходные процессы по скорости вращения двигателя
электропривода: Lя = 0 (сплошная линия); Lя > 0 (пунктирная линия).
14
iя, А
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0
1
2
3
4
5
6
t, с
Рис. 1.3. Переходные процессы по току в цепи якоря двигателя
электропривода: Lя = 0 (сплошная линия); Lя > 0 (пунктирная линия).
электромагнитных процессов в цепях и контурах системы, поэтому
индуктивностью обмотки якоря двигателя пренебрегать не будем.
1.3. Электромеханические процессы в электроприводе
Пользуясь методикой анализа, которой мы придерживались
в разд. 1.2, выполним анализ и решение системы дифференциальных уравнений (1.16)–(1.20), описывающих процессы в приводе,
но теперь с учетом индуктивности в цепи якоря.
Исходные предпосылки: индуктивность обмотки управления
отлична от нуля, питание якорной цепи, как и ранее, неизменно,
т. е. U = const, питание обмотки возбуждения также неизменно,
т. е. Uв = const, нагрузка установившаяся: Mс = const.
Рассмотрим полученные ранее дифференциальные уравнения
системы (1.16)–(1.29). Очевидно, что если выражения (1.19) и
(1.20) подставить в (1.16) и (1.18), получим
Lÿ
diÿ (t)
=U − iÿ (t)R − ÑÔω(t),
dt
(1.30)
dωä (t)
Jïð = ÑÔi(t) − Mí . dt
(1.31)
15
Имеем систему двух дифференциальных уравнений первого порядка. Преобразуем их в одно, но второго порядка. Из уравнения
(1.31) следует
dωä (t)

 1
=
iÿ (t)  Jïð
+ Mí 
.
dt

 CÔ
(1.32)
Продифференцируем последнее выражение, подставив его в (1.30):
d2 ωä (t) 1
diÿ (t)
.
= Jïð
dt
dt2 CÔ
(1.33)
Подставив выражения (1.32) и (1.33) в (1.30), найдем
Lÿ
Jïð d2ωä (t) 
dωä (t)
 R
+  Jïð
+ Mí 
=U − CÔωä (t).
2
dt
CÔ dt

 CÔ
Выполнив алгебраические преобразования этого выражения и
введя некоторые обозначения, нетрудно получить следующее дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами:
 ä (t) +
ω
1
1
 ä (t) +
ω
ωä (t) =
Â. Òÿ
ÒÿÒì
(1.34)
В этом выражении
Òÿ =
Òì =
=
Â
Lÿ
,
Rÿ
Jïð R
(CÔ)2
(1.35)
,
1
(CÔU − RMí ). Jïð Lÿ
(1.36)
(1.37)
Как известно, чтобы получить решение неоднородного уравнения (1.34), необходимо найти общее решение однородного дифференциального уравнения, а затем сложить его с частным решением
неоднородного [4–6].
16
В этом случае общее решение неоднородного дифференциального уравнения (1.34) имеет вид
ωä (t) = ω1 (t) + ω2 (t), (1.38)
где ω1(t) – общее решение однородного уравнения; ω2(t) – частное
решение неоднородного уравнения (1.34).
В зависимости от корней характеристического уравнения полученное решение однородного уравнения может иметь апериодический (если корни вещественные) или колебательный (если корни
комплексные) характер.
Вид переходного процесса по сравнение с решением, полученным без учета электромагнитных процессов (выражения (1.24) и
(1.27)), изменится значительно только в том случае, если корни
характеристического уравнения будут иметь мнимую часть. В этом
случае решение дифференциального уравнения с конкретными коэффициентами будет содержать тригонометрические функции и
иметь колебательный характер.
В абсолютном большинстве случаев параметры электродвигателя обеспечивают такими, чтобы механические переходные
процессы были близки к апериодическим. Для этого корни K1 и
K2 характеристического уравнения [7], соответствующего дифференциальному уравнению (1.34), должны быть вещественными и
разными.
В этом случае в соответствии с правилами теории дифференциальных уравнений [4, 6] общее решение однородного дифференциального уравнения, содержащее произвольные постоянные C1 и C2,
отыскиваем в виде
=
ω1 (t) Ñ1åõð(K1t) + C2 exp(K2t). (1.39)
Частное решение неоднородного дифференциального уравнения
определяется видом правой части, и в анализируемом случае (для
выражения (1.34)) его следует искать в виде
ω2 (t) =
A.
Для того чтобы найти коэффициент А, необходимо подставить
решение (1.39) в выражение (1.33). Тогда получим
À = ÂÒìÒÿ . (1.40)
17
Таким образом, общим решением неоднородного уравнения
(1.34) относительно угловой скорости якоря электродвигателя, как
показывают выражения (1.38), (1.39) и (1.40), является выражение
=
ωä (t) Ñ1åõð(K1t) + C2 exp(K2t) + ÂÒìÒÿ . (1.41)
Перейдем к получению выражения, описывающего поведение
фазовой координаты – тока якоря с учетом присутствия индуктивности в цепи якоря. Для этого продифференцируем выражение (1.38):
 1 (t) Ñ1 K1åõð(K1t) + C2 K2 exp(K2t). =
ω
(1.42)
Подставив (1.42) в (1.32), получим
Jïð
1
iÿ (t) =
Ìí +
(Ñ1 Ê1 exp(K1t) + C2 K2 exp(K2t)). ÑÔ
CÔ
(1.43)
В последних двух уравнениях С1, С2 – произвольные постоянные,
при нулевых начальных условиях по скорости и ускорению они могут быть вычислены по выражениям
Ñ1 = −
ÒìÒÿ ÂÊ2
,
Ê2 − Ê1
(1.44)
Ñ2 = −
ÒìÒÿ ÂÊ1
.
Ê1 − Ê2
(1.45)
Корни характеристического уравнения выражения (1.43) равны
Òÿ
1 
Ê1 =
−
1 + 1 − 4
2Òÿ 
Òì

,

Òÿ
1 
Ê2 =
−
 1 − 1 − 4
2Òÿ 
Òì

.

Графики переходных процессов по току в цепи якоря и скорости
вращения электропривода, у которого индуктивность якоря отлична от нуля, могут быть построены по выражениям (1.41) и (1.43)
с учетом соотношений (1.35)–(1.37), (1.44), (1.45) при тех же исходных данных, которые приведены в примере.
18
В этом случае, если Lя > 0, графики переходных процессов, приведенные на рис. 1.2 и 1.3 (пунктирные линии), похожи на те, которые получены для случая, когда Lя = 0 (сплошные линии), однако
имеются принципиальные различия.
Итак, можно сделать следующие выводы:
1) графики переходных процессов по току в цепи якоря и скорости вращения электропривода, не учитывающие индуктивность
в цепи якоря электродвигателя, описываются аналитическими выражениями (1.24) и (1.27);
2) графики переходных процессов по току в цепи якоря и скорости вращения электропривода, у которого индуктивность якоря
отлична от нуля, могут быть построены по выражениям (1.41) и
(1.43) с учетом соотношений (1.35)–(1.37), (1.44), (1.45);
3) как видно из рис. 1.2 и 1.3, неучет электромагнитных процессов приводит к появлению экстремума у кривой переходного
процесса по току iя(t) в цепи якоря (рис. 1.3, пунктирная линия),
амплитуда и ордината которого зависят от индуктивности обмотки якоря, а у кривой переходного процесса по скорости вращения
электропривода ωд(t) (рис. 1.2, пунктирная линия) кроме механической постоянной времени Tм, определяющей продолжительность всего переходного процесса (выражение (1.35)), появляется
искривление (вогнутость) на начальном участке кривой ωд(t). Это
результат одновременного протекания в электроприводе электромагнитных процессов с постоянной времени Tя и механических
процессов с постоянной времени Tм.
19
2. КЛАССИФИКАЦИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.
УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Силовые полупроводниковые преобразователи в системах электропривода выполняют функцию регуляторов скорости и момента. Они
расположены между двигателем и основным источником питания.
По принципу действия силовые преобразователи подразделяются на следующие базовые типы:
1) управляемые выпрямители (УВ), связывающие источник переменного тока с двигателем постоянного тока;
2) широтно-импульсные преобразователи (ШИП), связывающие
источник постоянного тока с двигателем постоянного тока;
3) автономные инверторы (АИ), связывающие источник постоянного тока с двигателем переменного тока;
4) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), связывающие источник переменного тока с двигателем переменного тока.
Функциональные схемы основных (базовых) преобразователей
приведены на рис. 2.1 [7].
Возможные варианты построения базовых силовых преобразователей в электроприводах постоянного и переменного тока представлены на рис. 2.2.
Управляемые выпрямители чаще всего используют для управления двигателем постоянного тока по цепи якоря. Источником
энергии для такого выпрямителя является сеть переменного тока.
Принцип управления состоит в том, что в течение положительного
U1cp = const
f1 = 0
U1 = var
f1 = const
ШИП
УВ
U2cp = var
U1cp = const
f2 = 0
f1 = 0
U2cp = const
f2 = 0
U1 = соnst
f1 = const
АИ
НПЧ
U2 = var
f2 = var
U2 = var
f2 = var
Рис. 2.1. Схемы базовых полупроводниковых преобразователей
20
Источник
переменного тока
Источник постоянного тока
ШИП
УВ
В ШИП
Двигатель постоянного тока
АИ
УВ АИ
В АИ
НПЧ
Двигатель переменного тока
Рис. 2.2. Варианты построения электроприводов
постоянного и переменного тока
полупериода питающего напряжения тиристор подобно ключу открывается специальным импульсом и подает напряжение к двигателю, но в течение лишь части полупериода питающего напряжения.
Для анализа работы двигателя постоянного тока необходимо найти
составляющие напряжения и тока, определяемые как средние значения
этих величин за период изменения напряжения сети. Изменяя момент
(фазовый угол) открытия тиристора, изменяют и среднее значение напряжения на якоре электродвигателя и таким образом управляют им.
Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть
разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым
проводом) и двухполупериодные (мостовые схемы), в которых используются обе полуволны переменного напряжения сети.
Работу простейшей однофазной двухполупериодной схемы
управления выпрямителем иллюстрирует рис. 2.3.
Структурная схема управления тиристорами с помощью системы импульсно-фазового управления, называемой СИФУ [8, 9],
приведена на рис. 2.4.
Характер процессов, формируемых на выходах блоков, входящих в состав СИФУ (см. рис. 2.4), показан в виде эпюр на рис. 2.5.
Переменное напряжение сети Uc поступает на синхронизирующее
устройство СУ и формирует импульсы на его выходе. Эти импульсы
запускают генератор пилообразного напряжения, формируя опорный
линейно падающий сигнал, имеющий частоту напряжения сети.
21
Алгоритм управления основан на сравнении опорного напряжения пилообразной формы и задаваемого (как правило, медленноменяющегося) значения сигнала управления Uвх. Равенство мгновенных значений этих напряжений формирует фазирующий импульс,
который через распределитель импульсов и усилитель мощности
подается на управляющий электрод тиристора, тем самым опредеT1
T3
Uн
Uc
Rн
T2
T4
Рис. 2.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель
(мостовая схема).
Uс – переменное напряжение, поступающее из сети; Т1 – Т4 –
тиристоры; Rн – нагрузка, на которую работает выпрямитель; Uн –
выпрямленное напряжение в нагрузке
Uс
ГПН
СУ
ФИ
РИ
Uвх
СС
У
α
Uн
Рис. 2.4. Система импульсно-фазового управления
тиристорами выпрямителя.
ГПН – генератор пилообразного напряжения; СУ – синхронизирующее
устройство; СС – схема сравнения; ФИ – формирователь импульсов;
РИ – распределитель импульсов; У – усилитель мощности; α – угол
отпирания тиристора; Uc – напряжение сети переменного тока
22
Uс
CУ
Uвх
ГПН
ФИ
РИвых1
РИвых2
Uн
α
Рис. 2.5. Графики напряжений на отдельных элементах СИФУ
ляя угловую фазу α открывания тиристора. При этом распределитель импульсов распределяет фазирующие импульсы по управляющим электродам тиристоров Т1 – Т4.
Изменение фазы α управляющего импульса достигается изменением уровня напряжения управления Uвх.
На рис. 2.5 кривая напряжения на нагрузке, соответствующая
интервалам времени, когда оно отлично от нуля (когда тиристор открыт), закрашена черным.
=
Uí Umax sin ωt на интервале от α до π,
Интегрируя напряжение
определяем среднее за период значение напряжения на нагрузке:
π
Uñð
=
Umax
Umax
1
Umax sin(ωt)d(ωt=
)
(−cîs(ωt) + cos α=
)
(1 + cos α).
π∫
π
π
α
23
Таким образом, изменяя величину α, можно изменять Uср, а следовательно, и скорость электродвигателя постоянного тока.
Ток в цепи нагрузки может быть представлен в виде двух составляющих: постоянной и переменной. Переменная составляющая вызывает нагревание и потери в нагрузке. Поэтому при управлении двигателем стремятся не допускать возникновения режима прерывистых токов (кратковременно равных нулю), для чего
последовательно с якорем включают дополнительный дроссель
(реактор). Однако необходимо иметь в виду, что индуктивность
дополнительного дросселя увеличивает электромагнитную постоянную времени электродвигателя, а активное его сопротивление –
механическую постоянную времени электродвигателя.
Для равномерной нагрузки фаз и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют трехфазные управляемые
выпрямители (рис. 2.6), которые подключают к сети, как правило,
через трансформатор. Частота коммутации 150–300 Гц. Однако таA
ia
а
B
C
ib
ic
b
c
T1
T2
T3
T4
T6
T5
Rн
Lн
Iн
Рис. 2.6. Трехфазный нереверсивный УВ
24
кие УВ нереверсивны, так как обеспечивают вращение электродвигателя только в одном направлении.
В электроприводе постоянного тока обычно применяют реверсивные управляемые выпрямители, состоящие из двух УВ нереверсивных, соединенных встречно-параллельно нагрузке. Схема
такого УВ приведена в виде трехфазного мостового выпрямителя
(рис. 2.7), у которого последовательно соединены два трехфазных
однополупериодных выпрямителя.
При активно-индуктивной нагрузке ток в цепи нагрузки получается идеально сглаженным и непрерывным практически во всем
диапазоне регулирования.
Регулировочные и механические характеристики системы
управляемый реверсивный вентильный преобразователь–двигатель (УВП-Д), приведенной на рис. 2.7, представлены на рис. 2.8.
Существуют два способа управления вентильными группами В1
(угол управления α1) и В2 (угол управления α2) такой системы: совместное и раздельное. При совместном управлении целесообразно
линейное согласование углов управления:
A
B
Uс
C
L
B2
B1
L1
Uв
L2
Рис. 2.7. Трехфазный реверсивный УВ
25
б)
а)
в)
Uср
ω
α2max ω
α1max
π
α1
α2 = π/2
π/2
0
π α2
0
М
М
α1 = π/2
0
α2min
α1max
Рис. 2.8. Регулировочные и механические характеристики
реверсивного УВ
α1 + α2 = π.
Регулировочная и механическая характеристики для случая совместного управления показаны на рис. 2.8 а, б.
Недостатком совместного управления является протекание
уравнительных токов между вентильными группами В1 и В2. Для
уменьшения этих токов в схему включаются дополнительные индуктивности L1 и L2 (см. рис. 2.7).
При раздельном управлении импульсы подаются только на одну
вентильную группу в зависимости от полярности входного сигнала. Раздельное управление исключает протекание уравнительных
токов. Механические характеристики для этого случая приведены
на рис. 2.8, в. Отмеченные пунктирными кружками разрывы (первого рода) механических характеристик обусловлены появлением режима прерывистых токов при малых моментах нагрузки (рис. 2.8, в).
26
3. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. Транзисторные преобразователи
Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного и переменного тока характеризуются следующими основными свойствами:
– двусторонней проводимостью энергии между источником питания и исполнительным двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, для обеспечения его работы во всех четырех квадрантах механической характеристики;
– малым и не зависящим от тока выходным сопротивлением
для получения механических характеристик, близких к естественным, и в конечном счете хороших статических и динамических характеристик электропривода в целом;
– жесткой внешней характеристикой и малой инерционностью,
высоким КПД, достаточной перегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок при переходных режимах работы привода;
– высокой помехозащищенностью и надежностью, малыми массой и габаритными размерами, отсутствием влияния на сеть.
Основным назначением полупроводникового преобразователя является регулирование скорости исполнительного двигателя
электропривода. В электроприводах постоянного тока это достигается регулированием напряжения на выходе преобразователя.
В приводах переменного тока можно регулировать напряжение и
частоту на выходе преобразователя по определенному закону.
Перечисленным основным требованиям в наибольшей степени
удовлетворяют транзисторные преобразователи, работающие в режиме переключения и питающиеся от источника постоянного напряжения. Эти преобразователи в электроприводах постоянного
тока получили название широтно-импульсных преобразователей.
В электроприводах переменного тока такие преобразователи называются автономными инверторами напряжения (АИН).
3.2. Широтно-импульсные преобразователи.
Принципы построения и управления
Как уже отмечалось, для управления двигателями постоянного тока используется широтно-импульсный преобразователь. Упрощенная принципиальная схема ШИП представлена
27
VD1
ТК1
VD3
ТК3
U3
U1
Uп
С
М
ТК2
U2
VD2
VD4
ТК4
U4
Рис. 3.1. Транзисторный ШИП
на рис. 3.1. Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1–ТК4.
В диагональ моста, образованного транзисторными ключами,
включена нагрузка в виде двигателя М. Нагрузкой в приводах постоянного тока являются двигатели постоянного тока. В электроприводах двигатель постоянного тока управляется, как правило,
по цепи якоря, поскольку только при таком управлении могут быть
получены требуемые качественные показатели привода. Питание
ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором С [7, 8].
Обобщенная функциональная схема управления транзисторным
ШИП (рис. 3.2) во многом аналогична схеме управления управляемыми выпрямителями (см. рис. 2.2). Она содержит генератор (Г),
генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения
(СС), фазирующий импульс (ФИ), распределитель импульсов (РИ),
усилитель (У) и двигатель постоянного тока (ДПТ).
ГПН
Г
ФИ
РИ
Uп
Uвх
СС
У
ШИП
Uн
ДПТ
Рис. 3.2. Функциональная схема системы управления ШИП
28
U
U
Uвх
ГПН
U
U
t
Г
ФИ
t
t
РИ1
t
U
РИ2
t
Uн
Uп
t
γT
Т
Рис. 3.3. Эпюры управления ШИП
Диаграммы на рис. 3.3 поясняют алгоритм управления напряжением на выходе ШИП.
Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря – симметричный.
Среднее напряжение на якоре двигателя при симметричном способе управления со скважностью γ равно
Uñð
= U (2γ − 1).
Симметричный способ управления позволяет получить режим
реверса двигателя в процессе управления электроприводом. Это
является важным положительным и отличительным свойством
симметричного способа. Кроме того, его преимуществом является
простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике.
29
Недостатком ШИП с симметричным управлением является
двухполярное напряжение на нагрузке и вследствие этого повышенные пульсации тока в якоре исполнительного двигателя.
Поэтому обычно он используется в маломощных приводах постоянного тока.
Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет классический вид [8]:
ωñð=
Uñð
ÑÔ
−
Rÿ
(ÑÔ)2
Ìí ,
где ωср – средняя скорость вращения ротора двигателя; Uср – среднее напряжение на якоре двигателя; СФ – конструктивная постоянная конкретного электродвигателя; Rя – сопротивление цепи
якоря электродвигателя; М – момент нагрузки двигателя.
Механические и регулировочные характеристики, соответствующие симметричному способу коммутации, приведены на рис. 3.4.
Стремление исключить повышенные пульсации тока в якоре исполнительного двигателя привело к разработке способов, обеспечивающих
однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшими из них являются несимметричная и диагональная коммутация.
При несимметричном управлении переключаются транзисторные ключи ТК3 и ТК4 одной вертикали (см. рис. 3.1), а ключи
а)
б)
ωср
γ=1
ωср
Uср
СФ
М=0
М>0
Зона
прерывистых
токов
0
М
γ = 0,5
γ
0,5
0
1
γ=0
Рис. 3.4. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики,
соответствующие симметричному способу коммутации в ШИМ
30
ωср
γ=1
Зона
прерывистых
токов
М
0
γ=0
Рис. 3.5. Механические характеристики,
соответствующие диагональному способу коммутации в ШИМ
ТК1 и ТК2 другой вертикали переключаются при противоположной полярности входного сигнала. При этом транзисторный ключ
ТК1 постоянно открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт.
Транзисторные ключи ТК3 и ТК4 переключаются в противофазе,
обеспечивая протекание тока якоря двигателя. На выходе ШИП
формируются однополярные импульсы.
Недостатком рассмотренного способа управления является то,
что верхние на схеме (см. рис. 3.1) транзисторные ключи (ТК1,
ТК3) по току загружены больше, чем нижние.
Среднее напряжение на якоре двигателя при несимметричном
способе управления равно
Uñð= U γ.
При диагональной коммутации коммутируются либо ТК1, ТК4,
либо ТК2, ТК3 (только одна диагональ, а другая все время находится в разомкнутом состоянии).
Среднее напряжение на якоре при этом способе управления также равно Uñð= U γ.
Механические характеристики, соответствующие ШИМ, использующим несимметричные способы коммутации, приведен на
рис. 3.5.
31
4. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ
В СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
4.1. Принципы построения и управления
В современных системах электропривода переменного тока
практически повсеместно в качестве силовых регуляторов используются транзисторные автономные инверторы. Обобщенная схема
силовой части автономной системы электропитания на базе АИН
приведена на рис. 4.1.
4.2. Трехфазные инверторы напряжения
Трехфазные инверторы напряжения находят широкое применение в электроприводах переменного тока, источниках бесперебойного питания и т. д. Шкала мощностей трехфазных инверторов находится в пределах от десятков ватт до мегаватт.
4.2.1. Силовая схема трехфазного инвертора напряжения
Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее простой схемы
трехфазного транзисторного инвертора напряжения, схема которого
приведена на рис. 4.2. Трехфазный инвертор напряжения можно представить состоящим из трех однофазных одноплечевых инверторов,
присоединенных параллельно к одному источнику питания [7−10].
Полностью управляемые вентили (VT1−VT6) (см. рис. 4.2) называются группой вентилей прямого тока, а неуправляемые вентили (VD1−
VD6) – группой вентилей обратного тока. Нагрузка такого инвертора
включается либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник».
АИН
Uп
Блок
коммутации
полярности
Блок
формирования
уровней
Нагрузка
Рис. 4.1. Обобщенная схема силовой части автономной системы
электропитания на базе АИН
32
+
Uвх
VT3
VT1
VD1
Uу1
Uy3
A
VT4
VD5
Uy5
B
VD6
Uy4
VT5
VD3
C
VD6
Uy6
VT6
VD2
Uy2
VT2
–
Нагрузка
Рис. 4.2. Транзисторный трехфазный инвертор напряжения
Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает изменение напряжения
на всех фазах. Это обстоятельство сильно усложняет анализ электромагнитных процессов. В настоящее время известно большое число
разных способов управления силовыми транзисторами инвертора.
Напомним, что транзисторы являются полностью управляемыми полупроводниковыми элементами. Открываются транзисторы
при подаче на них импульса управления, закрываются при снятии
с них данного импульса. С учетом этого при наличии временных
диаграмм импульсов управления не составляет особого труда проследить цепи, по которым протекает ток от положительного полюса источника питания к отрицательному его полюсу.
Трехфазные инверторы напряжения могут работать как с неизменной длительностью сигналов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы, так и с переменной (регулируемой). В этом случае
так же, как и в случае однофазных инверторов, возможно применение
широтных и широтно-импульсных способов управления.
В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразделяются на два класса: с постоянной и переменной структурой
силовой цепи [11, 12].
В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда
на три силовых транзистора, что обусловливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах второго класса число транзисторов, на
33
uy1
ωt
uy2
π
0
2π
ωt
uy3
ωt
uy4
ωt
uy5
ωt
uy6
uф
ωt
0
2U
3 п
1U π
3 п
π
2π
ωt
2π
Рис. 4.3. Временные диаграммы, поясняющие управление
трехфазным инвертором напряжения с постоянной
и равной 180° длительностью импульсов управления
которые подаются управляющие сигналы, может быть меньше трех.
Простейшим способом управления транзисторными ключами VТ1−
VТ6 инвертора (рис. 4.2), обеспечивающим неизменность структуры
силовой цепи, является способ с длительностью импульса управления
λи.у = 180°, представленный на рис. 4.3. Здесь в течение 1 / 6 периода выходного напряжения (в течение периода повторяемости ТПВТ) включены три транзистора в последовательности 123, 234, 345, 456, 561, 612.
Определим действующее значение выходного напряжения фазы
инвертора напряжения при λи.у = 180°. Как видно из рис. 4.3, фазное
напряжение uф в этом случае имеет двухступенчатую форму кривой. Амплитуда ступеней равна (1 / 3)Uп и (2 / 3)Uп. Длительность
каждой ступени равна 2π / 3:
=
Uô
2π 3
π 3

π
2
2
2
1 1

2

1

,
U
d
ω
t
+
U
d
ω
t
+
U
d
ω
t
ï

∫  3 ï 
∫  3 ï 

π ∫  3

π3
2π 3
 0

где Uп – напряжение питания.
34
Проинтегрировав полученное выражение, окончательно получим
2
=
Uô =
Uï 0,471.
3
Форма кривой линейного напряжения Uл представляет собой
прямоугольный импульс длительностью, равной (2 / 3)π, на интервале каждого полупериода. Амплитуда этих импульсов равна напряжению источника питания. Действующее значение этого напряжения
1
π
=
Uë
5π 6
∫
π6
Uï2=
dωt
2
=
Uï 0,816Uï .
3
Форма напряжения нагрузки при таком алгоритме управления
постоянна и не зависит от коэффициента мощности нагрузки.
Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются
способы с λи.у, равными 120 и 150°. Последовательность управления транзисторами при длительности импульсов управления
λи.у = 120° следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При λи.у = 150° транзисторы переключаются в последовательности 12, 123, 23, 234, 34,
345,45,456, 56, 561, 61, 612.
На рис. 4.4 приведены следующие временные диаграммы инвертора напряжения при длительности импульсов управления
λи.у=120°: а – е – импульсы управления транзисторами VT1–VT6
соответственно; ж – кривая напряжения фазы а (uа) и кривая тока
фазы а (ia) инвертора соответственно; з – кривая напряжения фазы
в инвертора; и – кривая линейного напряжения uав.
При λи.у = 120° и активном характере нагрузки форма кривой
фазного напряжения имеет одноступенчатый импульс на интервале каждого полупериода, амплитуда которого равна (1 / 2)Uп.
Действующее значение фазного напряжения в этом случае составляет
=
Uô
1
π
5π 6
2
 Uï 
dωt
∫  2  =
π6
1
=
Uï 0,408Uï .
6
35
а)
uу1
б)
uу2
в)
uу3
г)
uу4
д)
uу5
е)
uу6
ж)
uа
Ud
2
0
з)
2π
π
2π
π
2π
π
2π
π
2π
π
iа
Ua
π
2π
3
Ub
0
и)
π
2π
3
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
2π
2π
Ud
2
π
2π
π
2π
ωt
ωt
Uab
Ud
0
Ud
2
Рис. 4.4. Временные диаграммы, поясняющие управление
трехфазным инвертором напряжения с постоянной
и равной 120° длительностью импульсов управления
36
ωt
ωt
Действующее значение напряжения в этом случае равно
=
Uë
3
=
Uï
6
1
=
Uï 0,707Uï .
2
Сравнивая значения фазных напряжений при длительности импульса λи.у = 180° и λи.у = 120°, можно видеть, что фазное напряжение при λи.у = 180° больше в 1,15 раза.
При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста,
обладающие односторонней проводимостью. Структура выходной
цепи такого инвертора зависит от направления тока в этих ветвях.
В свою очередь момент изменения тока в той или иной ветви схемы зависит от характера нагрузки. Поэтому форма выходного напряжения при λи.у = 120° и λи.у = 150° также зависит от характера
нагрузки. При λи.у = 120° структура силовой цепи остается неизменной, если cosφнг ≤ 0,72. Форма напряжения на нагрузке в этом
случае аналогична той же форме с λи.у = 180° (см. рис. 4.3).
Общим недостатком указанных способов является необходимость применения для регулирования напряжения на выходе инвертора управляемого выпрямителя (или широтно-импульсного
преобразователя постоянного напряжения) во входной цепи инвертора.
Рассмотрим подробнее особенности работы инвертора напряжения с λи.у = 120° (см. рис. 4.4) [8, 12]. Анализ взаимного расположения первых гармоник напряжения и тока в фазе нагрузки uА1, iA1
(рис. 4.5) показывает, что на протяжении интервалов π – φ, когда
uA1 и iA1 имеют согласное направление, протекание тока iA1 осуществляется через группу управляемых вентилей прямого тока.
u, i
uA1
PA1
iA1
ωt
π–ϕ
ϕ
Рис. 4.5. Временные диаграммы основных гармоник фазных тока,
напряжения и мощности инвертора напряжения
37
На протяжении интервалов φ, когда uA1 и iA1 направлены встречно, фазный ток iA1 замыкается посредством группы диодов обратного тока на источник питания Ud2. Аналогично на основании кривой
колебания мгновенной мощности фазы А
PA1 = uA1iA1
можно установить, что положительным значениям PA1 соответствуют потребление энергии от источника через вентили прямого
тока и накопление ее в электромагнитном поле индуктивности нагрузки. Отрицательным значениям соответствует возврат накопленной энергии через группу вентилей обратного тока в источник.
Такой непрерывно повторяющийся процесс в целом определяет
сущность обмена реактивной энергией между нагрузкой и питающими источниками постоянного тока и особенность данного процесса
передачи реактивной энергии от традиционного разложения кажущейся мощности на активную и реактивную по геометрическим составляющим активного и реактивного тока. При активной нагрузке
инвертора форма кривой выходного напряжения становится прямоугольной, а ток через вентили группы обратного тока не протекает, что
связано с отсутствием запаса реактивной энергии в фазах нагрузки.
Изменение формы фазного напряжения при переходе от индуктивной к активной нагрузке в таком инверторе напряжения сопровождается уменьшением действующего значения фазного напряжения на 13,5 %, однако гармонический состав фазного напряжения остается неизменным. Подобный режим характеризуется
постоянством мгновенной мощности, передаваемой в нагрузку, и
уравновешенностью основного питающего источника по мощности
(Pd1 = const) и току (id1 = const).
При работе инвертора в режиме 0,720 ≤ cosφнг ≤ 0,892 возникают промежуточные формы токов и напряжений в ветвях схемы.
Так, в частности, ток, протекающий через диоды обратного тока,
становится прерывистым, спадающим до нуля в течение каждого
такта между коммутациями управляемых вентилей (транзисторов). На рис. 4.6 показана зависимость относительной продолжительности интервала работы диодов обратного тока на каждом
такте Ψ′ = Ψ / θ от коэффициента мощности нагрузки, наглядно
поясняющая указанный диапазон переходных форм кривой выходного напряжения при параллельном соединении элементов
активно-индуктивной нагрузки в конкретной схеме трехфазного
мостового инвертора.
38
Ψ′
cosϕ = 0,720
cosϕ = 0,892
Ψ′
1,0
0,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 cosϕнг
Рис. 4.6. Зависимость длительности работы вентилей обратного тока
от коэффициента мощности нагрузки
При cosφнг ≥ 0,892 диодная группа обратного тока в работе не
участвует, так как вследствие несинусоидальности выходного напряжения и тока энергия, запасаемая в индуктивных сопротивлениях нагрузки, рассеивается в параллельных активных сопротивлениях. Форма кривой выходного напряжения в этом режиме
такая же, как при активной нагрузке.
При cosφнг = 0 входной ток id равен разности токов вентильных
групп прямого и обратного тока:
id = id1 – id2.
При таком режиме работы инвертора входной ток id является
двухполярным пульсирующим током с нулевой постоянной составляющей [6].
Следовательно, при пренебрежении потерями мощности в инверторе средняя мощность, потребляемая от источника, равна средней мощности нагрузки и нулю:
P=
= 0.
d Ud I=
d 3UI cos ϕíã
Характерным свойством инвертора напряжения является его работоспособность при нагрузке активно-емкостного характера и отрицательных значениях активного сопротивления в фазах нагрузки
rA = rB = rC < 0,
т. е. в генераторном режиме нагрузки. При емкостном характере
нагрузки изменяется очередность работы диодов обратного тока по
39
отношению к управляемым вентилям. При генераторной нагрузке,
например, при рекуперативном торможении асинхронного двигателя, группа управляемых вентилей проводит фазный ток в течение относительно коротких интервалов времени π – φнг, так как
φнг > π / 2. Эти вентили совместно с диодами обратного тока обеспечивают протекание через статорную обмотку машины реактивного
намагничивающего тока. Рекуперируемая с вала машины активная мощность передается в цепь питающих источников через диоды обратного тока [12].
Используя временные диаграммы, приведенные на рис. 4.5,
можно вывести выражения для определения средних значений токов, потребляемых группой вентилей прямого тока и возвращаемых группой вентилей обратного тока в источник:
=
Id1
3 2
Ië1 (1 + cos ϕíã ), 2π
(4.1)
=
Id2
3 2
Ië1 (1 − cos ϕíã ), 2π
(4.2)
где Iл1 – действующее значение первой гармоники линейного тока
нагрузки.
Результирующий ток, потребляемый инвертором от источника
питания,
Id = Id1 − Id2 =
3 2
Ië1 cos ϕíã . 2π
(4.3)
4.2.2. Сравнительная оценка загрузки элементов
трехфазного инвертора напряжения при λи.у = 180° и λи.у = 120°
При проектировании инверторов необходимо знать соотношения между действующими значениями первых гармоник напряжения и тока нагрузки, а также тока и напряжения источника
питания и связь их с максимальными значениями напряжения и
тока транзисторов, поскольку транзисторы выбираются по максимально допустимым значениям тока и напряжения на коллекторе.
Такие соотношения для трехфазного мостового инвертора напряжения при двух способах управления (λи.у = 180° и λи.у = 120°) и
двух схемах соединения нагрузки («треугольником» (Δ) или «звездой» (Υ)) приведены в таблице.
40
41
1
2/3
1
0,5
Δ
Υ
Δ
Υ
180°
120°
2/3
1
0,68
0,39
0,78
0,45
Uï
Iê max
0,5
1
U1ô
Im
0,45
0,78
0,39
0,68
Iê max
I1ô
1,48
2,56
1,28
2,23
Uï
U1ô
2,23
1,28
2,56
1,48
Iê max
I1ô
1,48
2,56
1,28
2,23
Uê max
U1ô
0,915
0,915
Pê
P1
0,152
0,152
kp
П риме ча ние . Um – амплитуда прямоугольно-ступенчатого фазного напряжения на нагрузку; Im – амплитуда прямоугольно-ступенчатого фазного тока активной нагрузки; Uп – напряжение источника питания инвертора;
U1ф, I1ф – действующие значения первых гармоник фазных напряжения и тока нагрузки соответственно; Р1 – действующее значение мощности (по первой гармонике) на выходе инвертора при чисто активной нагрузке и полном
использовании транзисторов; Pк = Uк max Iк max ‒ предельная мощность переключения транзистора; kp = Р1/(nPк) ‒
коэффициент использования инвертора по первой гармонике; n ‒ число установленных транзисторов.
Um
Uï
Схема
соединения
нагрузки
λи.у
Соотношения расчетных параметров инвертора напряжения
Отметим, что соотношения для токов, приведенные в таблице,
справедливы лишь при чисто активной нагрузке (cosφнг = 1). Форма
тока нагрузки при cosφнг = 1 совпадает с ее формой напряжения.
Разложение тока в ряд Фурье в этом случае представляется теми же
формулами, что и разложение напряжения.
Поскольку действующие значения фазных напряжений и токов
для разных схем инверторов и способов управления ими отличаются друг от друга, то важно оценить, различаются ли при этом выходные мощности инверторов (по первой гармонике).
Такую оценку проще провести для случая чисто активной нагрузки. Оказывается, что действующее значение выходной мощности трехфазного инвертора (по первой гармонике) при чисто
активной нагрузке не зависит от способа управления (Р1 / Рп =
0,915).
При активно-индуктивном характере нагрузки выходная мощность и коэффициент использования инвертора по первой гармонике оказываются меньше, так как форма тока не прямоугольноступенчатая, а ближе к треугольной и максимальное значение тока
через транзистор больше при одинаковой величине первой гармоники тока нагрузки [13, 14].
Приведем соотношения, по которым можно рассчитать максимальное значение коллекторного тока транзистора при λи.у = 180° и
двух способах соединения нагрузки [14].
Если нагрузка соединена «треугольником», при 0,53 ≤ cosθнг ≤ 1
Um (1 − à2 )(2 − à)
,
⋅
Ríã
1 + à3
Iê m=
ax
при 0,53 ≥ cosθнг ≥ 0
Iê max
=
Um
1 − à2
.
⋅
Ríã 1 − à + à2
При cosθнг = 0,53 формулы дают одинаковый результат.
При соединении нагрузки «звездой» максимальные значения
коллекторного тока транзисторов для инвертора напряжения
с λи.у = 180° при 0,53 ≤ cosθнг ≤ 1
Iê max
=
42
Um (1 − à2 )(1 − 2à)
,
⋅
Ríã
1 + à3
при 0,53 ≥ cosθнг ≥ 0
Iê=
max
Um (1 − à2 )(2 − à)
,
⋅
2Ríã
1 + à3
где а = е–1 / (6fT); f – частота выходного напряжения инвертора;
Т = Lнг / Rнг – постоянная времени нагрузки;
cos θíã
2
Ðíã IôΔ Ríã
=
=
=
Síã UôΔ IôΔ
1 − 3fTíã
1 − à2
1 − à + à2
,
где θнг представляет собой некоторый фиктивный угол.
При fTнг < 0,05
соsθнг = соsφнг.
4.3. Широтно-импульсное регулирование напряжения
трехфазного инвертора
Для обеспечения регулирования выходного напряжения самим
инвертором используются ШИР и ШИМ – модуляции на основной
и несущей частоте [10]. Рассмотрим наиболее простой способ управления транзисторами при реализации ШИР на основной частоте.
Временные диаграммы напряжений управления транзисторами
VT1‒VТ6 и напряжение на выходе автономного инвертора представлены на рис. 4.7. Из временных диаграмм видно, что регулирование выходного напряжения инвертора осуществляется путем
введения регулируемой по времени паузы.
В течение каждого периода повторяемости ТПВТ для подключения
нагрузки к источнику питания отпираются три транзистора (например,
VТ1–VТ3). Для отключения нагрузки от источника один из них запирается, причем запирается тот транзистор, который позволяет отключить
всю группу анодных или катодных силовых ключей. Так, для отключения нагрузки при открытых ключах VТ1−VТ3 запирается ключ VТ2, а
при отпертых ключах VТ2‒VТ4 ‒ ключ VТ3, и т. д. Такой способ управления называется алгоритмом одиночного переключения (АОП).
Таким образом, широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе инвертора на основной частоте и АОП осуществляются изменением относительной продолжительности включения
нагрузки в цепь источника питания.
43
T ПВТ
1
u
y1
u
y2
u
y3
u
y4
u
y5
u
y6
2
3
4
5
6
T
t
t
t
t
t
t
u
a
γTПВТ
t
Рис. 4.7. Управление инвертором напряжения
при ШИР на основной частоте
Имеется и другая возможность ШИР на основной частоте, когда
в паузе между импульсами запираются два силовых транзистора
одной группы (алгоритм группового переключения – АГП). В этом
случае при открытых вентилях VТ1–VТ3 для создания паузы в напряжении на нагрузке эти вентили запираются.
Алгоритм одиночного переключения способен формировать паузу в выходном напряжении инвертора при любых значениях постоянных времени нагрузки:
τнг = ωLнг / Rнг.
При алгоритме группового переключения создается пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторов группы знак тока изменится. Это наблюдается при малых постоянных времени нагрузки τнг. Если значение τнг велико и к рассматриваемому моменту знак тока не изменится, то паузу в выходном напряжении сформировать не удается.
44
Рассмотренные способы управления инвертором не позволяют
реализовать постоянную структуру его силовой цепи. Для создания
неизменной структуры необходимы дополнительные переключения транзисторов в каждой фазной группе. Пример такого управления АОП представлен на рис. 4.8 штриховыми линиями. В этом
случае при запирании ключа VТ2 отпирается ключ VТ5, при запирании ключа VТ3 отпирается ключ VТ6, и т. д.
При ШИР на основной частоте гармонический состав выходного
напряжения и тока резко ухудшается в области малых напряжений и частот.
Для исключения этого нежелательного явления используется
широтно-импульсное регулирование на несущей частоте. В этом
случае на протяжении периода частоты повторяемости несколько
раз с периодом ТПВТ = 1 / fнес происходят включение и отключение
одного из силовых ключей (рис. 4.8). При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания на интервале (1 – γ)T0, а на
интервале γТ фазы нагрузки закорочены. На рис. 4.8 представлен
случай, когда ТПВТ = 2Т0.
ТПВТ
u y1
2
1
3
4
5
6
t
u y2
t
u y3
t
u y4
t
u y5
t
u y6
1(2)3
2(3)4
3(4)5
4(5)6
5(6)1
6(1)2
t
γТ0
uА
Т0
1
U
2 п
2
U
3 п
t
Рис. 4.8. Управление инвертором при ШИР на несущей частоте
45
Гармонический состав выходного напряжения при ШИР на несущей
частоте улучшается при малых значениях γ с увеличением кратности k:
=
k
T ÏÂÒ fíåñ 6fíåñ
= =
.
T0
fÏÂÒ fìîä
Улучшение гармонического состава выходного напряжения
трехфазного инвертора при любых k осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции. Схема управления в этом
случае строится аналогично схеме управления однофазным инвертором с той лишь разницей, что модулирующие напряжения на
каждое плечо являются симметричными (имеют одну амплитуду,
частоту и сдвинуты относительно друг друга на 120°).
4.4. Гармонический состав выходного напряжения
трехфазного инвертора напряжения
при широтно-импульсном его регулировании
Регулировочная характеристика и спектральный состав выходного
напряжения трехфазного инвертора так же, как и однофазного, зависят
от коэффициента модуляции и формы модулирующего напряжения [10].
В спектре выходного напряжения трехфазного инвертора отсутствуют все четные гармоники, а также гармоники, кратные трем.
Сам спектр определяется алгоритмом управления.
Напомним, что при управлении автономным инвертором в случае λи.у = 180° амплитуды гармонических составляющих в фазном
напряжении определяем из выражения
Umν =
2Uï
,
νπ
(4.4)
где Umν ‒ амплитуда ν-й гармоники; ν ‒ номер гармоники; ν = 6n + 1,
n = 0, 1, 2, 3,...; Uп ‒ напряжение питания.
Отношение амплитуд гармонических составляющих фазного
напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид
Umν 1
= .
Um1 ν
Из уравнения (4.4) следует, что при простейшем алгоритме
управления гармонический состав выходного напряжения инвер46
тора постоянен. В выходном напряжении наиболее сильно выражены пятая и седьмая гармоники.
Рассмотрим гармонический состав выходного напряжения инвертора при широтно-импульсном способе его регулирования.
При ШИР на основной частоте повторения (см. рис. 4.7) отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения
к амплитуде первой гармоники имеет вид
Umν 1 sin(νπγ / 6)
=
.
Um1 ν sin(πγ / 6)
На рис. 4.9, а показаны зависимости относительных амплитуд
гармоник от относительной длительности управления γ. Из графиков видно, что в процессе регулирования при уменьшении выходного напряжения пятая, седьмая, одиннадцатая и тринадцатая
гармоники приближаются к основной, что искажает форму напряжения и тока и приводит к увеличению потерь от высших гармоник [10].
Некоторое улучшение гармонического состава достигается благодаря использованию ШИР на несущей частоте (см. рис. 4.7).
В этом случае отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид
Umν 1 sin(νπγ / (6k))
=
,
Um1 ν sin(πγ / (6k))
б)
а)
Um(ν)
Um(1)
k=1 ν=1
0,8
k=2
0,8
0,6
ν=1
0,6
11
0,4
7
0,2
0,2
0,4
0,6
13
0,2
11
0
0,4
5
5
7
7
0,8
γ
0
0,2
0,4
0,6
0,8
γ
Рис. 4.9. Гармонический состав выходного напряжения АИН с ШИР
47
где k определяется выражением
=
k
TÏÂÒ fíåñ 6fíåñ
= =
,
Tíåñ fÏÂÒ fìîä
где ТПВТ – период повторяемости, равный 1 / 6 длительности периода выходного напряжения.
Из последнего выражения следует, что для монотонного уменьшения ν-й гармоники при уменьшении γ необходимо соблюдение
условия (ν / k) < 3.
При k = 1 ни для одной из высших гармоник это условие не выполняется. При k = 2 оно выполняется только для пятой гармоники, при k = 3 – для пятой и седьмой гармоник, и т. д.
На рис. 4.9, б приведены зависимости относительных амплитуд
гармоник от относительной длительности управления для k = 2.
4.5. Широтно-импульсная модуляция
при синусоидальной форме модулирующего напряжения
Рассмотрим работу инвертора напряжения при реализации
широтно-импульсной модуляции в случае синусоидальной формы модулирующих напряжений каждой фазы [10]. При анализе данной схемы предполагается, что вентили (транзисторы и
диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии
они замыкают накоротко участки электрических цепей, в закрытом – разрывают их. Принято также, что источник постоянного тока (на входе инвертора) обладает двухсторонней проводимостью (или на его входе установлен конденсатор с достаточно
большой емкостью).
Каждые два транзистора, подключенные к одному плечу инвертора, работают в противофазе, если один транзистор открыт, другой (в том же плече) – закрыт, и наоборот. Отсутствуют ситуации,
в которых оба транзистора в одной фазе закрыты или открыты одновременно.
В схеме, приведенной на рис. 4.2, с помощью транзисторов и
обратных диодов фазы нагрузки подключаются либо к положительному, либо к отрицательному полюсу источника питания или
замыкаются накоротко. Вследствие изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции.
48
VT1
1
2
i1
i1
VT1 = 0
i2
i2
i3
Uк
ic VT2
iк
ki2 = 1
ic
VT3
i1
i3
Uк
VT2 = VT3 = 0
iк
3
4
i1
i2
i2
i3
Uк
ic
iк
ki1 = 0
Uк ki1 = ki2 = 1
i3
ic k = 0
i3
ki3 = 0
iк
5
ic
iк
i1
i2
i2
i3
Uк
6
i1
i3
Uк
ic
ki1 = ki2 = ki3 = 1
iк
Рис. 4.10. Состояния схемы трехфазного инвертора напряжения
при переключении его транзисторов на протяжении одного периода
При переключении транзисторов изменяются структура схемы
и электрические контуры, в которых протекают токи. Характерные
состояния схемы изображены на рис. 4.10.
Как показано на рис. 4.10, в состоянии 1 схемы в 1-й фазе инвертора открыт верхний транзистор, во 2-й и 3-й фазах открыты
нижние транзисторы. Токи в инверторе протекают через открытые
транзисторы в соответствии с направлениями их в фазах. Закрытые
транзисторы и диоды не отражены на рисунках, поскольку токи
в них отсутствуют.
49
Если верхний транзистор в 1-й фазе закрывается, а нижний
транзистор в этой фазе открывается, то в соответствии со знаками
токов нагрузки открывается обратный диод нижнего транзистора
1-й фазы. При этом схема переходит в состояние 2.
Ветви схемы, в которых токи отсутствуют, на рисунке не отражены. В состоянии схемы 2 цепь источника питания и сглаживающего
дросселя замкнута на конденсатор, установленный на входе инвертора. Фазы нагрузки замкнуты накоротко через вентили инвертора.
Электрическая связь источника питания и нагрузки отсутствует.
Если в состоянии схемы 2 во 2-й фазе закрывается нижний транзистор и соответственно открывается верхний, то схема переходит
в состояние 3, в котором связь источника питания и нагрузки восстанавливается.
Схема переходит в состояние 4, когда в 1-й фазе закрывается нижний транзистор, а верхний открывается. Из состояния 4 схема может
перейти в состояние 5, если откроется верхний транзистор в 3-й фазе.
Из состояния 5 схема может перейти в состояние 6, если в 1-й
фазе закроется верхний транзистор, а нижний откроется.
Указанные переходы схемы из одного состояния в другое определяются системой управления и знаками токов в индуктивностях
цепей инвертора.
Как видно из рис. 4.10, при принятых допущениях ток фазы нагрузки протекает всегда через то плечо моста, в котором находится
открытый транзистор (при идеальных ключевых элементах).
При расчете токов и напряжений силовой схемы следует учитывать особенности работы системы управления инвертором. Эти
особенности можно пояснить с помощью рис. 4.11, на котором изоuоп = 1
uоп = –1
uоп = 1 – ∆uоп
uоп = –1 + ∆uоп
uy1
uоп
Tоп
ki1
1 – ki1
Рис. 4.11. Опорное напряжение, напряжение управления
и сигналы управления, подаваемые на транзисторы одного плеча
в режиме синусоидальной ШИМ
50
бражены пилообразное (опорное) напряжение uоп, напряжение
управления (модулирующее напряжение) транзисторами одной из
трех фаз моста uy1, а также функции состояния двух транзисторов
1-й фазы ki1 и 1‒ki1.
Напряжения управления транзисторами двух других фаз uy2 и
uy3 на рис. 4.11 не показаны. Однако можно отметить, что в симметричном режиме работы они имеют ту же амплитуду и сдвинуты
относительно друг друга по фазе на 120 эл. град.
Если напряжения управления синусоидальны и их амплитуда
не превышает амплитуды опорного напряжения, то считается, что
преобразователь работает в режиме синусоидальной ШИМ без перемодуляции.
В реальных установках вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления напряжения управления имеют
ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по
форме к синусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных систем управления Δty во многих случаях принимается равной
периоду Tоп пилообразного напряжения. В пределах этого периода
напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы, приведенные на рис. 4.11, построены с учетом этой особенности системы управления.
В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов.
Существует минимально допустимое время их переключения,
которое несколько сужает активную зону опорного напряжения
(участвующую в формировании импульсов управления) на величину Duоп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения
принять равной единице, то в соответствии с рис. 4.9 активная
зона напряжений управления находится в пределах от (–1 + Δuоп)
до (1 – Δuоп).
Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода Tоп
в данной фазе происходят одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение
и одно выключение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны пилообразного напряжения, то в данной фазе в данном периоде вентили не переключаются,
если знак тока фазы нагрузки не изменяется.
При работе в режиме ШИМ «гладкие» составляющие выходных
напряжений инвертора в первом приближении подобны напряже51
u
uоп = 1 – ∆uоп
uy1
uоп
Uоп = –1 + ∆Uоп
u
uоп = 1 – ∆uоп
uoy1
uоп
uоп = –1 + ∆uоп
Рис. 4.12. Опорное напряжение и напряжения управления
транзисторами инвертора в режиме перемодуляции
ниям управления фаз (при условии постоянства напряжения в цепи постоянного тока инвертора).
На рис. 4.12 изображены опорное напряжение uоп и напряжение
управления uy1 для одной фазы при выходе последнего на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны первого (ограничено пунктирными линиями). В рассматриваемом случае АИН работает в режиме перемодуляции.
На тех отрезках времени (см. рис. 4.12), на которых напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не
производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими
по границам рабочей зоны на уровне (–1 + Δuоп) или (1 – Δuоп). При
этом, как показано на рис. 4.12, фактическое напряжение управления uоy1 приближается по форме к трапеции.
При работе в режиме перемодуляции «гладкие» составляющие
выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны
указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз.
При последующем увеличении амплитуды напряжения управления uy1 трапецеидальное напряжение uоy1 приближается к прямоугольному. Инвертор переходит в режим работы при фазной
коммутации, при которой длительность открытого состояния транзисторов не регулируется.
В режимах перемодуляции и фазной коммутации амплитуда
основных гармонических составляющих напряжений управления
52
может быть больше единицы. Соответственно в выходных напряжениях инвертора амплитуда основных составляющих превышает
амплитуду «гладких» составляющих.
4.6. Основные расчетные соотношения
трехфазного инвертора напряжения при синусоидальной ШИМ
Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ
Uíã.ë
=
3
2 2
μUï , (4.5)
где Uп – среднее значение напряжения на входе инвертора; μ – коэффициент модуляции.
Пользуясь формулой (4.5), можно определить требуемое значение напряжения постоянного тока на входе инвертора, если задано
значение линейного напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя):
Uï =
2 2 Uíã.ëN
,
3 μmax
где Uнг.лN – номинальное значение линейного напряжения нагрузки; μmax – максимальное значение коэффициента скважности.
При практических расчетах можно принять μmax = 0,9.
Обратим внимание на то, что при синусоидальной широтно-импульсной модуляции действующее значение выходного напряжения инвертора Uнг.л даже при коэффициенте модуляции, равном
единице, меньше того значения выходного напряжения инвертора,
которое возникает при управлении им с постоянной длительностью
сигнала управления транзистором (λи.у = 180°). Действительно,
3
2 2
Uï <
2
3
Uï .
Среднее значение тока транзистора Iνт ср
Iνò ñð =
Iôm 
πμ

cos ϕíã .
1 +
2π 
4

53
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора
имеет максимальное значение:
Iνт ср max= Iфm(1 + μ) / 2.
Максимальное значение тока коллектора Iкmax, по которому его
следует выбирать,
Iêmax
= I=
2Iô ,
ôm
где Iф – действующее значение тока фазы инвертора.
Диоды обратного тока следует выбирать по среднему значению тока
Iνä ñð =
Iôm 
πμ

cos ϕíã .
1 −
2π 
4

При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет
максимальное значение:
Iνд ср max = Iфm(1 – μ) / 2.
Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного
тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т. е.
U=
=
ê.ý U
νä Ud max ,
где Ud max – максимальное напряжение цепи постоянного тока
инвертора; Uνд – максимальное напряжение цепи на диоде; Uê.ý –
максимальное напряжение цепи на транзисторе.
При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя)
возникает необходимость в установке на его входе компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты
времени, в которые ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена
по следующей формуле [13]:
t +Δt
∫
54
C0 =
t
id dt
ΔUñ
,
(4.6)
где Δt – интервал времени, в течение которого ток направлен от инвертора к источнику; ΔUc – допустимое перенапряжение на конденсаторе; id – ток на входе инвертора.
Решая уравнение (4.6), получаем формулу для расчета емкости
компенсирующего конденсатора:
C0 =
ϕíã(1) − π / 6
3 μIíã m
sin
,
2 fíåñ ΔUc
2
(4.7)
где μ – коэффициент модуляции (0 < μ < 1); Iнг m – амплитудное значение тока нагрузки; fнес – несущая частота ШИМ; φнг(1) – фазовый
угол между первыми гармониками напряжения и тока.
Расчетное соотношение (4.7) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы
на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте.
Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость
компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ
всегда меньше, чем у инверторов без ШИМ.
Напомним, что назначение емкости С0 – обеспечение свободного
обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя между выпрямителем и инвертором необходимо установить
(L – C)-сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего фильтра величина этой емкости должна быть выбрана не
менее того значения, которое определяется формулой (4.7).
4.7. Основные характеристики инверторов напряжения
с широтно-импульсным способом регулирования напряжения
К основным характеристикам инвертора напряжения относятся [10]:
– регулировочная характеристика, представляющая собой
зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения
управления (коэффициента модуляции);
– внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора, представляющая собой зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки;
– спектральные характеристики напряжения и тока в цепи
переменного тока;
55
– энергетические характеристики, к которым относятся зависимости:
– тока в источнике питания и полупроводниковых элементах
инвертора от тока в нагрузке;
– мощности, потребляемой от источника, и мощности потерь
в полупроводниковых элементах инвертора от мощности в нагрузке.
Для инвертора напряжения, выполненного по трехфазной мостовой схеме, значения токов и мощностей можно определить, воспользовавшись ранее выведенными соотношениями.
Среднее значение тока, потребляемого группой вентилей прямого тока (транзисторной схемой), определяем по формуле (4.1).
Среднее значение тока, возвращаемого группой вентилей обратного тока в компенсирующий конденсатор, находим по формуле (4.2).
Среднее значение тока, потребляемого инвертором от источника
питания получаем по формуле (4.3).
Значение мощностей определяем путем умножения соответствующего тока на среднее значение напряжения на входе инвертора Ud.
Мощность, потребляемая группой вентилей прямого тока,
Pd1 = UdId1.
Мощность, возвращаемая группой вентилей обратного тока
в компенсирующий конденсатор,
Pd2 = UdId2.
Мощность, потребляемая инвертором от источника постоянного
тока,
Pd = UdId.
Напомним, что приведенные формулы выведены для первых
гармоник выходного тока и напряжения инвертора.
56
5. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕНДЕ
Стенд НТЦ-07.24.1 «Электропривод с МПСУ М1» (рис. 5.1) имеет следующие характеристики.
Код стенда: НТЦ-07.24.1.
Число выполняемых работ: 22.
Сеть: 3~50 Гц, 220 В (трехфазная четырехпроводная с рабочим
нулевым проводником с линейным напряжением 220 В и частотой
50 Гц).
Потребляемая мощность: 1,5 кВт.
Дополнительное оборудование: ПК / трехфазный трансформатор.
Программное обеспечение.
Стенд предназначен для проведения лабораторных занятий по
курсу «Электропривод».
Стенд содержит интеллектуальную систему защиты основных
электронных блоков.
Конструктивно оборудование состоит из двух частей: базисстенда (рис. 5.2) и двух электромашинных агрегатов (рис. 5.3, 5.4).
Рис. 5.1. Общий вид стенда НТЦ-07.24.1
с электромашинными агрегатами
57
Рис. 5.2. Базис-стенд (лицевая панель с органами управления,
коммутационными разъемами и измерительными индикаторами)
Рис. 5.3. Двухдвигательный электромашинный агрегат № 1
Рис. 5.4. Двухдвигательный электромашинный агрегат № 2
58
Основные блоки электромашинного агрегата № 1 (слева направо):
1) электромагнитная муфта YB1 типа P-6H K14 (находится внутри кожуха с вентиляторами);
2) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором M2 типа DMA71G2;
3) импульсный датчик частоты вращения (закрыт кожухом безопасности);
4) электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения M1 типа 2ПБ90М.
Основные блоки электромашинного агрегата № 2 (слева направо):
1) электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения M3 типа ПЛ-062;
2) импульсный датчик частоты вращения (закрыт прозрачным
кожухом безопасности);
3) синхронный электродвигатель с постоянными магнитами M4
типа MUS05G42CMOM.
В корпусе стенда размещен промышленный частотный преобразователь Lenze SMV, предназначенный для формирования трехфазной сети переменного тока регулируемой частоты и напряжения питания асинхронного электродвигателя (рис. 5.5, 5.6).
Рис. 5.5. Общий вид основного блока
частотного преобразователя Lenze SMV
59
Рис. 5.6. Модуль управления блоком
частотного преобразователя Lenze SMV
Элементы модуля выполняют следующие функции:
1) кнопки SB21 («вверх»), и SB22 («вниз») – используются для программирования, а также для установки скорости, уставок PID-регулятора
и уставки крутящего момента. Когда стрелки «вверх» и «вниз» активны,
средний светодиод в левой части дисплея горит постоянно;
2) кнопка SB23 («Режим») – используется для входа / выхода из
меню параметров при программировании привода и ввода измененного значения параметра;
3) кнопка SB24 («Вращение») – с помощью данной кнопки выбирается направление вращения привода в автономном режиме.
Загорается светодиод индикации текущего направления вращения
(вперед или назад). При нажатии кнопки «R / F» начинает мигать
светодиод индикации вращения в противоположном направлении.
Нажать кнопку «М» и удерживать ее нажатой в течение 4 с для подтверждения изменения. Мигающий светодиод индикации направления загорится постоянным светом, второй светодиод погаснет.
При изменении направления вращения во время работы привода
светодиод индикации заданного направления будет мигать до тех
пор, пока привод будет управлять двигателем в выбранном направлении;
4) кнопка SB25 («Пуск») – запускает привод в автономном режиме;
5) кнопка SB26 («Стоп») – останавливает привод независимо от
режима, в котором он находится;
6) светодиоды FWD / REV – указывают текущее направление
вращения;
7) светодиод AUTO – указывает на то, что привод переведен в автоматический режим с одного из входов ТВ13, а также что активен
PID-режим (если включен);
60
8) светодиод RUN – указывает на вращение привода;
9) четырехразрядный цифровой индикатор – показывает частоту вращения магнитного поля в обмотке асинхронной машины.
Четыре широтно-импульсных преобразователя предназначены
для питания цепи якоря и цепи обмотки возбуждения электродвигателя постоянного тока, нагрузочного устройства (электромагнитной муфты YB1), а также цепи якоря вспомогательной (нагрузочной) машины постоянного тока (рис. 5.7 – 5.10).
Рис. 5.7. Модуль управления ШИП
питания обмотки
якоря машины М1
Рис. 5.8. Модуль управления ШИП
питания обмотки
возбуждения машины М1
Рис. 5.9. Модуль управления ШИП
питания электромагнитной
муфты YB1
Рис. 5.10. Модуль управления ШИП
питания цепи якоря
электродвигателя
постоянного тока M3
61
Элементы модуля, представленного на рис. 5.7, выполняют следующие функции:
1) тумблер SA11 («Вкл.») – включает / выключает подачу тока
в обмотку якоря машины М1 двухдвигательного электромашинного агрегата № 1;
2) тумблер SA12 («Сим. / Несим.») – переключает режим работы
блока ШИП питания обмотки якоря машины М1 соответственно
в режим, использующий симметричное и несимметричное управление силовыми ключами моста;
3) четырехразрядный цифровой индикатор – показывает скважность (в процентах) относительной продолжительности включения
диагоналей моста.
Элементы модуля, приведенного на рис. 5.8, выполняют следующие функции:
1) тумблер SA13 («Вкл.») – включает / выключает подачу тока
в обмотку возбуждения машины М1 двухдвигательного электромашинного агрегата № 1;
2) регулятор R13 («Напряжение») – изменяет напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения машины М1 двухдвигательного
электромашинного агрегата № 1, регулируя тем самым ток в обмотке. Величину тока (в амперах) показывает четырехразрядный цифровой индикатор PA5 (см. далее).
Элементы модуля на рис. 5.9 выполняют следующие функции:
1) тумблер SA17 («Вкл.») – включает / выключает подачу тока
на электромагнитную муфту YB1 двухдвигательного электромашинного агрегата № 1;
2) регулятор R17 – изменяет силу тока, подаваемого на электромагнитную муфту YB1, регулируя тем самым величину момента, создаваемого муфтой. Величину момента (в ньютонах на
метр) показывает отдельный четырехразрядный цифровой индикатор.
Элементы модуля, представленного на рис. 5.10, выполняют
следующие функции:
1) тумблер SA41 («Вкл.») – включает / выключает подачу тока
в цепь якоря электродвигателя постоянного тока M3;
2) тумблер SA42 («Мст / Мвр») – переключает характеристику
момента, создаваемого машиной постоянного тока М3 двухдвигательного электромашинного агрегата № 2 («момент статический»
и «момент вращательный» соответственно);
3) тумблер SA43 («Вращение влево / Вращение вправо») – переключает направление вращения машины постоянного тока М3
62
двухдвигательного электромашинного агрегата № 2 (только для
режима «Момент вращательный»);
4) регулятор R41 – изменяет силу тока, подаваемого на машину
постоянного тока М3 двухдвигательного электромашинного агрегата № 2, регулируя величину момента, создаваемого машиной.
Величину момента (в ньютонах на метр) показывает отдельный четырехразрядный цифровой индикатор.
Широтно-импульсные преобразователи реализованы на базе силовых IGBT-модулей PS11035. Управление силовым модулем, задание режимов работы, обсчет входных (задание напряжения) и выходных (ток,
напряжение) параметров преобразователя, вывод измеряемых значений на индикацию стенда реализует микропроцессорная схема управления на базе микроконтроллера Fujitsu MB90560. Микропроцессорное
управление широтно-импульсным преобразователем осуществляет также защиту преобразователя от токов короткого замыкания, недостаточного напряжения питания драйверов силового модуля, перенапряжения цепи постоянного тока, некорректных сигналов задания и др.
Два плеча силового модуля используются для получения реверсивного ШИП, а оставшееся плечо – в качестве нереверсивного
ШИП для питания обмотки возбуждения ДПТ.
Элементы блока управления сервоприводом на базе ДПТ (рис. 5.11)
выполняют следующие функции:
1) тумблер SA14 («Вкл.») – включает / выключает управление
блоком ШИП ОЯ от модуля сервопривода;
2) регулятор ЕР14 – задает требуемое положение якоря двигателя;
3) четырехразрядный цифровой индикатор – показывает задание требуемого положения якоря ДПТ.
Рис. 5.11. Модуль управления
сервоприводом на базе ДПТ
63
Элементы управляемого выпрямителя (рис. 5.12) выполняют
следующие функции:
1) тумблер SA15 («Вкл.») – включает / выключает работу блока
УВ (управляемого выпрямителя);
2) тумблер SA15 («1ф / 3ф») – выбирает режим работы УВ (соответственно от однофазного или трехфазного источника переменного напряжения);
3) четырехразрядный цифровой индикатор показывает угол открытия УВ (в градусах).
Сервопривод Lenze PositionServo, а также модуль управления
сервоприводом Lenze PositionServo 940 представлены на рис. 5.13
и 5.14 соответственно.
Рис. 5.12. Модуль управления УВ
Рис. 5.13. Внешний вид
основного блока сервопривода
Lenze PositionServo 940
Рис. 5.14. Модуль управления сервоприводом Lenze PositionServo 940
64
Элементы этого модуля выполняют следующие функции:
1) тумблер SA31 («Вкл.») – включает / выключает работу блока
Lenze PositionServo 940;
2) тумблер SA32 («Вращение влево / Вращение вправо») – переключает направление вращения машины постоянного тока М4
двухдвигательного электромашинного агрегата № 2;
3) тумблер SA33 («Шаг / Вращение») – выбирает режим работы
управляемого двигателя М4 (соответственно поворот на заданный
угол по задающему регулятору либо вращение по величине задатчика скорости);
4) тумблер SA34 («Рег. ток удержания / Авт. ток удержания») –
переключает блок в режим ручного либо автоматического задания
величины тока, подаваемого на управляемый двигатель М4;
5) четырехразрядный цифровой индикатор – показывает задание требуемого положения якоря;
6) гнездо RJ45 Ethernet – служит для подключения локальной
сети при программировании блока Lenze PositionServo 940;
7) регулятор R31 («Скорость») – задает величину скорости вращения двигателя М4 (только для режима «Вращение»);
8) регулятор R32 («Ток удержания») – задает величину тока, подаваемого на управляемый двигатель М4 (только для режима «Рег.
ток удержания»);
9) регулятор ЕР31 («Задание положения») – задает требуемое
положение якоря двигателя М4 (только для режима «Шаг»).
Модуль управления / коммутации блока создания настраиваемых замкнутых систем управления представлен на рис. 5.15.
Элементы модуля выполняют следующие функции:
1) регулятор R11 – формирует величину задающего сигнала для
блоков ШИП ОЯ, УВ, Lenze SMV либо для блока замкнутых систем
управления;
2) регулятор R104 – задает величину обратной связи для дифференциального усилителя А1;
3) регулятор R105 – регулирует величину выходного сигнала
дифференциального усилителя А1;
4) регулятор R106 – регулирует уровень сигнала с энкодера (датчика угла поворота) двухдвигательного электромашинного агрегата № 1;
5) регулятор R204 – задает величину обратной связи для дифференциального усилителя А2;
6) регулятор R205 – регулирует величину выходного сигнала
дифференциального усилителя А2;
65
Рис. 5.15. Модуль управления/коммутации
блоком замкнутых систем управления
7) регулятор R206 – регулирует уровень сигнала с шунта Rш цепи измерения тока в якоре машины М1 двухдвигательного электромашинного агрегата № 1;
8) гнезда коммутации – предназначены для соединения узлов
блока замкнутых систем управления с помощью съемных перемычек в требуемую схему измерения / обработки сигнала / управления.
Цифровой измерительный комплекс, встроенный в стенд и подключаемый к персональному компьютеру через шину USB, представлен на рис. 5.16, 5.17. На панели стенда установлено пять индикаторов цифровых измерительных приборов с классом точности
не хуже единицы. В их числе два вольтметра, два амперметра, ваттметр и четыре дополнительных индикатора.
66
Рис. 5.16. Модуль измерения напряжения/тока
в двухдвигательном электромашинном агрегате № 1 (РА1, PV1).
Индикатор тока в ОВ двигателя М1 (PA5)
Рис. 5.17. Модуль измерения напряжения/тока/мощности
в электромашинных агрегатах № 1, 2 (РА2/PA3, PV2/PV3, PW2/PW3).
Индикаторы скорости вращения/положения.
Индикатор величины момента
67
С помощью тумблера SA3 выбираем электромашинный агрегат
(М1–М2 или М3–М4), с которого производится измерение величины момента, задаваемого соответствующим устройством.
Три модуля мнемосхем блоков / машинных агрегатов стенда с органами управления / индикации представлены на рис. 5.18–5.20.
Элементы модуля выполняют следующие функции:
1) переключатель SA1 – позволяет выбирать блок управления
двигателем М1 (ШИП ОЯ либо УВ);
2) светодиодные индикаторы – отображают работу / бездействие
блоков модуля.
Элементы модуля выполняют следующие функции:
1) переключатель SA2 – позволяет выбирать режим работы
асинхронного двигателя (с помощью частотного преобразователя
Lenze SMV либо от трехфазной сети переменного тока 220 / 127 В);
2) светодиодные индикаторы – отображают работу / бездействие
блоков модуля;
3) кнопки SB1, SB2 – обеспечивают пуск / останов двигателя М2
путем включения контактора КМ1.
Элементы модуля выполняют следующие функции:
1) светодиодные индикаторы – отображают работу / бездействие
блоков модуля;
Рис. 5.18. Модуль
мнемосхемы двигателя М1
68
Рис. 5.19. Модуль
мнемосхемы двигателя М2
Рис. 5.20. Модуль мнемосхемы
двигателей М3, М4
Рис. 5.21. Автомат подачи
питания на стенд
2) гнездо USB – предназначено для подключения персонального
компьютера при проведении лабораторных работ с использованием
программного обеспечения «ОсциллоГРАФ», прилагаемого в комплекте к стенду.
Автомат подачи питания предназначен для включения / выключения стенда в работу, а также автоматической защиты по току (рис. 5.21).
Параметры используемых электрических аппаратов в стенде
НТЦ-07.24.1 «Электропривод с МПСУ М1»:
1) электродвигатель М1 (2ПБ90М) – 0,55 кВт;
2) электродвигатель М2 (DMA71G2) – 0,55 кВт;
3) устройство УВ1 (Р.64К14) – 0,6 кВт;
4) электродвигатель М3 (ПЛ-062) – 0,12 кВт;
5) электродвигатель М4 (MUS05G42CMOM) – 0,61 кВт.
69
6. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО СТЕНДА
«ЭЛЕКТРОПРИВОД С МПСУ М1»
6.1. Исследование механических характеристик ДПТ–НВ
Цель работы: экспериментальное определение механических
характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Механическая (электромеханическая) характеристика двигателя представляет собой зависимость скорости вращения двигателя
ω от момента на валу M (тока якоря Iя) при неизменных значениях
напряжения U = const и тока возбуждения Iв = const.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя
(3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.1.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ (см. разд. 3).
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
6. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
7. Регулятор R11 установить в положение, при котором скважность ШИП ОЯ составит 50 %.
8. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
70
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.1. Схема для исследования
механических характеристик ДПТ–НВ
9. Плавно увеличивая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, установить требуемое значение напряжения якоря исследуемого двигателя (контролировать по вольтметру PV1) (например, 220 В).
10. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
11. Тумблером SA17 включить ШИП1.
12. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
13. Изменяя регулятором R11 задание ШИП ОЯ, скорректировать напряжение на якоре двигателя (контролировать по вольтметру PV1) значения, установленного в п. 9.
14. Данные тока якоря (контролировать по амперметру PA1),
нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1) и скорости
вращения двигателя (контролировать по датчику скорости EP1)
внести в табл. 6.1.
15. Повторить п. 12–14, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
71
Таблица 6.1
Механическая характеристика ДПТ–НВ
№
п/п
U, В (PV1)
Iя, А (PA1)
M, Н⋅м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
1
2
.
.
.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, уменьшить напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по вольтметру PV1) до 0 В;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование механической характеристики двигателя при разных значениях тока возбуждения и напряжения якоря.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.2. Исследование разомкнутой системы УВ–ДПТ
Цель работы: экспериментальное получение механических характеристик разомкнутой системы УВ–ДПТ, определение влияния
преобразователя на механическую характеристику двигателя.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
72
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.2. Схема для исследования разомкнутой системы УВ–ДПТ
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, чтобы избежать перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.2.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
73
6. Тумблер SA1 перевести в положение «УВ».
7. Тумблером SA16 выбрать требуемый режим работы УВ (однофазный либо трехфазный) (см. разд. 2).
8. Регулятор R11 установить в положение, при котором угол открытия тиристоров будет максимальным (120° для трехфазного режима либо 180° для однофазного).
9. Тумблером SA15 включить УВ.
10. Плавно увеличивая регулятором R11 задание УВ, установить требуемое значение напряжения якоря исследуемого двигателя (контролировать по вольтметру PV1) (например, 220 В).
11. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
12. Тумблером SA17 включить ШИП1.
13. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
14. Данные тока якоря (контролировать по амперметру PA1), нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1) и скорости вращения двигателя (контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.2.
15. Повторить п. 11–13, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание УВ, уменьшить
напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по
вольтметру PV1) до 0 В;
– тумблером SA15 отключить УВ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Таблица 6.2
Механическая характеристика разомкнутой системы УВ–ДПТ
№
п/п
1
2
.
.
.
74
U, (PV1)
Iя, А (PA1)
M, Н∙м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
Повторить исследование механической характеристики системы УВ–ДПТ при разных значениях угла открытия тиристоров.
Оценить влияние УВ на механическую характеристику двигателя.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.3. Исследование разомкнутой системы ШИП–ДПТ
Цель работы: получение экспериментальных механических характеристик разомкнутой системы ШИП–ДПТ, определение влияния преобразователя на механическую характеристику двигателя.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.3.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей
(R13, R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение,
а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
6. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
7. Регулятор R11 установить в такое положение, при котором
скважность ШИП ОЯ составит 50 % (разд. 3).
75
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.3. Схема для исследования разомкнутой системы ШИП–ДПТ
8. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
9. Плавно увеличивая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, установить требуемое значение напряжения якоря исследуемого двигателя (контролировать по вольтметру PV1) (например, 220 В).
10. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
11. Тумблером SA17 включить ШИП1.
12. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
13. Данные тока якоря (амперметр PA1), нагрузки на валу (прибор МYB1) и скорости вращения двигателя (датчик скорости EP1)
внести в табл. 6.3.
14. Повторить п. 11–13, увеличивая значение нагрузку на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
76
Таблица 6.3
Механическая характеристика разомкнутой системы ШИП–ДПТ
№
п/п
U, В (PV1)
Iя, А (PA1)
M, Н∙м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
1
2
.
.
.
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, уменьшить напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по вольтметру PV1) до 0 В;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование механической характеристики системы ШИП–ДПТ при разной скважности ШИП. Оценить влияние
ШИП на механическую характеристику двигателя.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.4. Исследование характеристик
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по току
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по току, экспериментальное определение механических характеристик одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по
току.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
77
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.4. Схема для исследования характеристик
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по току
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.4.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры,
управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–SA15, SA17,
SA31, SA41), находятся в положении «Выключено», все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13, R17, R31, R32, R41)
установлены в крайнее левое положение, а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
78
6. Тумблером SA17 включить ШИП1.
7. Плавно увеличивать регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до значения, при котором двигатель при включении гарантированно не начнет вращаться (например, до 5 Н∙м).
8. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
9. Регулятор R11 установить в центральное положение.
10. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ (разд. 3).
11. Плавно увеличивая регулятором R11 задание значения тока якоря для системы регулирования до тех пор, пока оно не достигнет требуемой величины (контролировать по амперметру PA1
в программе) (например, 4 А). Если двигатель при этом начнет вращение (контролировать по датчику скорости EP1), необходимо либо регулятором R11 уменьшить задание для системы регулирования, либо регулятором R17 увеличить задание ШИП1, увеличивая
механическую нагрузку на валу двигателя.
12. Данные тока якоря (амперметр PA1) и скорости вращения
двигателя (датчик скорости EP1) внести в табл. 6.4.
13. Регулятором R11 уменьшить задание ШИП1, уменьшая нагрузку на валу двигателя.
14. Повторить п. 12, 13, уменьшая нагрузку на валу двигателя
до 0,5 Н∙м (контролировать по прибору МYB1).
Завершив эксперимент, необходимо:
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
Таблица 6.4
Характеристика одноконтурной системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по току
№ п/п
Iя, А (PA)
ω, рад/с (EP1)
1
2
.
.
.
79
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.5. Исследование переходных процессов
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по току
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по току, определение параметров качества регулирования по осциллограмме переходных процессов системы.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.5.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль осциллографа.
5. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
6. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
7. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
8. Тумблером SA17 включить ШИП1 (разд. 3).
9. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить
механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролиро80
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.5. Схема для исследования переходных процессов одноконтурной
системы ШИП–ДПТ с обратной связью по току
вать по прибору МYB1) до значения, при котором двигатель при включении гарантированно не начнет вращаться (например, до 4 Н∙м).
10. Регулятор R11 установить в центральное положение.
11. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
12. Плавно увеличивая регулятором R11 задание значения тока
якоря для системы стабилизации до тех пор, пока оно не достигнет
требуемой величины (контролировать по амперметру PA1 в программе «ОсциллоГРАФ») (например, 3 А).
13. Тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ. Положение резистора
R11 не изменять.
14. Запустить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
15. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
16. После достижения током заданного в п.13 значения остановить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
Сохранить полученную осциллограмму.
Завершив эксперимент, необходимо:
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
81
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.6. Схема для исследования переходных процессов
в одноконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью по току
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
По полученной осциллограмме процесса определить постоянную времени, перерегулирование и колебательность контура тока.
Повторить исследование переходных процессов одноконтурной
системы ШИП–ДПТ с обратной связью по току, используя пропорциональный регулятор тока (рис. 6.6).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
82
6.6. Исследование характеристик
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости, экспериментальное определение механических характеристик указанной системы.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.7.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры,
управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–SA15, SA17,
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.7. Схема для исследования переходных процессов в одноконтурной
системе ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
83
SA31, SA41), находятся в положении «Выключено», все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13, R17, R31, R32, R41)
установлены в крайнее левое положение, а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда,– «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например 0,18 А).
6. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
7. Регулятор R11 установить в центральное положение.
8. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ (разд. 3).
9. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения
двигателя для системы регулирования, установить требуемую скорость
(контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
10. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
11. Тумблером SA17 включить ШИП1.
12. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
13. Данные тока якоря (контролировать по амперметру PA1), нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1) и скорости вращения двигателя (контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.5.
14. Повторить п. 12, 13, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
Таблица 6.5
Характеристика одноконтурной системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по скорости
№ п/п
1
2
.
.
.
84
Ωзад, рад/с
Iя, А (PA1)
M, Н∙м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.8. Схема для исследования характеристики
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, уменьшить указанную скорость (контролировать по датчику скорости EP1)
до 0 рад / с;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование характеристики одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости, используя пропорциональный регулятор скорости (рис. 6.8).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
85
6.7. Исследование переходных процессов
одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке одноконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости, определение параметров качества регулирования по
осциллограмме переходных процессов системы.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследований требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.9.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.9. Схема для исследования переходных процессов
в одноконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
86
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль осциллографа.
5. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
6. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18А).
7. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
I. Исследование переходного процесса при пуске двигателя
1. Регулятор R11 установить в центральное положение.
2. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
3. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, установить требуемую скорость (контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
4. Тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ. Положение резистора R11 не изменять.
5. Запустить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
6. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
7. После разгона двигателя до установленной в п. 3 скорости
остановить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
Сохранить полученную осциллограмму.
8. Тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ.
II. Исследование переходного процесса при набросе нагрузки
1. Регулятор R11 установить в центральное положение.
2. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
3. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, установить требуемую скорость (контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
87
4. Тумблером SA17 включить ШИП1.
5. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) до требуемого значения (например,
до 2 Н∙м).
6. Тумблером SA17 отключить ШИП1. Положение резистора
R17 не изменять.
7. Запустить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
8. Тумблером SA17 включить ШИП1.
9. После восстановления скорости двигателя остановить процесс регистрации данных цифрового осциллографа. Сохранить полученную осциллограмму.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.10. Схема для исследования переходных процессов
в одноконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости
88
– плавно уменьшая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, уменьшить указанную
скорость (контролировать по датчику скорости EP1) до 0 рад / с;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
По полученной осциллограмме процесса пуска двигателя определить постоянную времени, перерегулирование и колебательность контура скорости. По полученной осциллограмме процесса
наброса нагрузки определить время отработки возмущающего воздействия, колебательность контура скорости.
Повторить исследование переходных процессов одноконтурной
системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости, используя пропорциональный регулятор скорости (рис. 6.10).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.8. Исследование характеристик
двухконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке двухконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току, экспериментальное определение механических
характеристик этой системы ШИП–ДПТ.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.11.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено», все
89
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
R102
–15 B
R11
min
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.11. Схема для исследования характеристик
в двухконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13, R17,
R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного
опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
6. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
7. Регулятор R11 установить в центральное положение.
8. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ (разд. 3).
9. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, установить требуе90
мую скорость (контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
10. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
11. Тумблером SA17 включить ШИП1.
12. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
13. Данные тока якоря (контролировать по амперметру PA1),
нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1) и скорости
вращения двигателя (контролировать по датчику скорости EP1)
внести в табл. 6.6.
14. Повторить п. 12, 13, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, уменьшить указанную
скорость (контролировать по датчику скорости EP1) до 0 рад / с;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование характеристики двухконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости и току, используя
пропорциональные регуляторы скорости и тока (рис. 6.12).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
Таблица 6.6
Характеристика двухконтурной системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по скорости и току
№ п/п
Ωзад, рад/с
Iя, А (PA1)
M, Н∙м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
1
2
.
.
.
91
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
R102
–15 B
R11
min
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.12. Схема для исследования характеристик
в двухконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.9. Исследование переходных процессов
двухконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке двухконтурной системы ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току, определение параметров качества регулирования по осциллограмме переходных процессов системы.
В данной работе исследуемым двигателем постоянного тока независимого возбуждения является машина М1, в качестве
нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
92
Внимание!
Ток якоря не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.13.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
R102
–15 B
R11
min
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.13. Схема для исследования характеристик
в двухконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
93
4. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль осциллографа.
5. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
6. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
7. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
I. Исследование переходного процесса при пуске двигателя
1. Регулятор R11 установить в центральное положение.
2. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ (разд. 3).
3. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, установить требуемую скорость (контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
4. Тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ. Положение резистора
R11 не изменять.
5. Запустить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
6. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
7. После разгона двигателя до установленной в п. 3 скорости
остановить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
Сохранить полученную осциллограмму.
8. Тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ.
II. Исследование переходного процесса при набросе нагрузки
1. Регулятор R11 установить в центральное положение.
2. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
3. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, установить требуемую скорость (контролировать по датчику скорости EP1) (например, 157 рад / с).
4. Тумблером SA17 включить ШИП1.
5. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить
механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) до требуемого значения (например, до 2 Н∙м).
6. Тумблером SA17 отключить ШИП1. Положение резистора R17 не изменять.
7. Запустить процесс регистрации данных цифрового осциллографа.
94
8. Тумблером SA17 включить ШИП1.
9. После восстановления скорости двигателя остановить процесс регистрации данных цифрового осциллографа. Сохранить полученную осциллограмму.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, уменьшить указанную
скорость (контролировать по датчику скорости EP1) до 0 рад / с;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
По полученной осциллограмме процесса пуска двигателя определить постоянную времени, перерегулирование и колебательность
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
R102
–15 B
R11
min
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.14. Схема для исследования переходных процессов
в двухконтурной системе ШИП–ДПТ с обратной связью
по скорости и току
95
двухконтурной системы регулирования. По полученной осциллограмме процесса наброса нагрузки определить время отработки
возмущающего воздействия, колебательность двухконтурной системы регулирования.
Повторить исследование переходных процессов двухконтурной
системы регулирования, используя пропорциональный регулятор
скорости (рис. 6.14).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.10. Исследование характеристик системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по положению
Цель работы: определение характеристик системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по положению.
Для проведения исследования требуется:
1. Установить, что на панели стенда отсутствуют перемычки.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
5. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить номинальное значение тока возбуждения двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
6. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
7. Тумблером SA14 включить сервопривод.
8. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ (разд. 3).
9. Энкодером EP14 задать требуемое положение якоря двигателя.
Определить точность отработки сервоприводом заданного положения. Оценить влияние механической нагрузки на валу двигателя на точность отработки им заданного положения.
96
Для создания механической нагрузки на валу двигателя необходимо выполнить следующие действия:
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) до требуемого значения.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.11. Исследование механических характеристик АД-КЗ
Цель работы: экспериментальное определение механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
В данной работе исследуемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором является машина М2, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Механическая (электромеханическая) характеристика двигателя представляет собой зависимость скорости вращения двигателя ω
от момента на валу M (тока статора I1) при неизменных значениях
напряжения (U = const) и частоты (f = const) питающей сети.
Внимание!
Ток статора не должен превышать Iн исследуемого двигателя
(3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах статора,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследование требуется:
1. Установить, что на панели стенда отсутствуют перемычки.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Тумблер SA2 перевести в положение «Сеть».
97
Таблица 6.7
Механическая характеристика АД-КЗ
№
п/п
f, Гц / U, В
I, А (PA2)
M, Н⋅м (МYB1)
P, Вт (PW2)
ω, рад/с (w1)
1
2
.
.
.
6. Кнопкой SB1 подключить асинхронный двигатель к сети.
7. Тумблером SA17 включить ШИП1.
8. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
9. Данные тока статора (контролировать по амперметру PA2),
нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1), потребляемой мощности (ваттметр PW2) и скорости вращения двигателя
(контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.7.
10. Повторить п. 8, 9, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– кнопкой SB2 отключить асинхронный двигатель от сети.
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.12. Исследование разомкнутой системы АИ–АД-КЗ
Цель работы: экспериментальное определение механических
характеристик разомкнутой системы АИ–АД-КЗ, установление
98
влияния преобразователя на механическую характеристику двигателя.
В данной работе исследуемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором является машина М2, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток статора не должен превышать Iн исследуемого двигателя
(3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах статора,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.15.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
max
R106
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
min
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.15. Схема для исследования механических характеристик АД-КЗ
99
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Установить скалярный режим работы АИ (см. разд. 4).
6. Кнопкой SB25 включить АИ.
7. Плавно увеличивая регулятором R11 задание АИ, установить
требуемую выходную частоту АИ (например, 50 Гц).
8. Тумблером SA17 включить ШИП1.
9. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
10. Данные тока статора (контролировать по амперметру PA2),
нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1), потребляемой мощности (ваттметр PW2) и скорости вращения двигателя
(контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.8.
11. Повторить п. 9, 10, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание АИ, уменьшить
выходную частоту АИ до 0 Гц.
– кнопкой SB26 отключить АИ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование механической характеристики разомкнутой системы АИ–АД-КЗ при разных значениях частоты, базоТаблица 6.8
Механическая характеристика разомкнутой системы АИ–АД-КЗ
№
п/п
1
2
.
.
.
100
f, Гц / U, В
I, А (PA2)
M, Н⋅м (МYB1)
P, Вт (PW2)
ω, рад/с (w1)
вой частоты и перегрузки двигателя. Оценить влияние преобразователя на механическую характеристику двигателя.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.13. Исследование характеристик системы АИ–АД-КЗ
со скалярным регулированием и замкнутой обратной связью
по скорости
Цель работы: получение практических навыков в построении и
настройке одноконтурной системы АИ–АД-КЗ с обратной связью
по скорости, экспериментальное определение механических характеристик системы АИ–АД-КЗ со скалярным регулированием и
замкнутой обратной связью по скорости.
В данной работе исследуемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором является машина М2, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток статора не должен превышать Iн исследуемого двигателя
(3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах статора,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.16.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Установить скалярный режим работы АИ.
5. Регулятор R11 установить в центральное положение.
6. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
101
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.16. Схема для исследования механических характеристик
одноконтурной системы АИ–АД-КЗ со скалярным регулированием
и замкнутой обратной связью по скорости
7. Кнопкой SB25 включить АИ (см. разд. 4).
8. Плавно увеличивая регулятором R11 задание скорости вращения для системы регулирования, разогнать двигатель до требуемой скорости (например, до 157 рад / с).
9. Тумблером SA17 включить ШИП1.
10. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
11. Данные тока статора (контролировать по амперметру
PA2), нагрузки на валу (прибор МYB1), потребляемой мощности (контролировать по ваттметру PW2) и скорости вращения
двигателя (контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.9.
12. Повторить п. 11 и данный пункт, увеличивая значение нагрузки на валу двигателя до 2 Н∙м.
102
Таблица 6.9
Механическая характеристика системы АИ–АД-КЗ
со скалярным регулированием и замкнутой обратной связью
по скорости
Ωзад, рад/с
№ п/п
Iя, А (PA1)
M, Н∙м (МYB1)
ω, рад/с (EP1)
1
2
.
.
.
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.17. Схема для исследования механических характеристик
одноконтурной системы АИ–АД-КЗ со скалярным регулированием
и замкнутой обратной связью по скорости
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
103
– плавно уменьшая регулятором R11 задание скорости вращения двигателя для системы регулирования, уменьшить указанную
скорость (контролировать по датчику скорости EP1) до 0 рад / с;
– кнопкой SB26 отключить АИ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Повторить исследование характеристики одноконтурной системы АИ–АД-КЗ с обратной связью по скорости, используя пропорциональный регулятор скорости (рис. 6.17).
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.14. Исследование характеристик системы АИ–АД-КЗ
с векторным управлением
Цель работы: получение практических навыков в настройке
векторного управления системы АИ–АД-КЗ, экспериментальное
определение механических характеристик системы АИ–АД-КЗ
с векторным управлением.
В данной работе исследуемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором является машина М2, в качестве нагрузочного устройства используется электромагнитная муфта YB1.
Внимание!
Ток статора не должен превышать Iн исследуемого двигателя (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах статора,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется собрать схему (рис. 6.18):
1. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
2. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
3. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
104
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.18. Схема для исследования векторного управления АД-КЗ
4. Установить векторный режим работы АИ.
5. Кнопкой SB25 включить АИ (см. разд. 4).
6. Плавно увеличивая регулятором R11 задание АИ, установить
требуемую выходную частоту АИ (например, 25 Гц).
7. Тумблером SA17 включить ШИП1.
8. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя (контролировать по прибору МYB1) (например, на 0,2 Н∙м).
9. Данные тока статора (контролировать по амперметру PA2), нагрузки на валу (контролировать по прибору МYB1), потребляемой мощности (контролировать по ваттметру PW2) и скорости вращения двигателя (контролировать по датчику скорости EP1) внести в табл. 6.10.
10. Повторить п. 8, 9, увеличивая значение нагрузки на валу
двигателя до 2 Н∙м.
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу исследуемого двигателя
(контролировать по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
105
Таблица 6.10
Механическая характеристика системы АИ–АД-КЗ
с векторным управлением
№
п/п
f, Гц
I, A (PA2)
M, Н∙м
(МYB1)
P, В (PW2)
ω, рад/с (w1)
1
2
.
.
.
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание АИ, уменьшить
выходную частоту АИ до 0 Гц.
– кнопкой SB26 отключить АИ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.15. Исследование системы регулирования момента удержания
на валу серводвигателя
Цель работы: изучение системы регулирования момента удержания на валу серводвигателя.
В данной работе исследуемая система построена на базе серводвигателя М3, в качестве нагрузочного устройства используется
двигатель M4.
Для проведения исследования требуется:
1. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
106
2. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
3. Тумблер SA3 перевести в положение «М3–М4».
4. Установить следующий режим работы сервопривода: тумблер
SA33 – «Вращение», тумблер SA34 – «Регулируемый ток удержания».
5. Тумблером SA31 включить сервопривод.
6. Установить следующий режим работы нагрузочного устройства: тумблер SA42 – положение «MВР».
7. Тумблером SA41 включить ШИП2.
8. Увеличивая регулятором R41 момент нагрузки (контролировать по прибору MM4), определить, при какой величине момента
происходит срыв удержания вала сервопривода.
9. Повторить п. 8, увеличив регулятором R32 ток удержания
сервопривода. Определить зависимость момента, при котором
происходит срыв удержания вала сервопривода, от величины тока удержания.
10. Повторить п. 8, изменив тумблером SA43 направление прикладываемого момента. Определить влияние направления прикладываемого момента на величину момента нагрузки, при котором
происходит срыв удержания вала сервопривода, в случае неизменной величины тока удержания.
Завершив эксперимент, необходимо:
– регулятором R41 уменьшить механическую нагрузку на валу
серводвигателя (контролировать по прибору МM4) до 0 Н∙м;
– тумблером SA41 отключить ШИП2;
– тумблером SA31 отключить сервопривод;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.16. Исследование шагового режима работы
системы преобразователь–серводвигатель
Цель работы: изучение шагового режима работы системы преобразователь–серводвигатель.
107
В данной работе исследуемая система построена на базе серводвигателя М3, в качестве нагрузочного устройства используется
двигатель M4.
Для проведения исследования требуется:
1. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
2. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
3. Тумблер SA3 перевести в положение «М3–М4».
4. Установить следующий режим работы сервопривода: тумблер
SA33 – «Шаг».
5. Тумблером SA31 включить сервопривод.
6. Установить следующий режим работы нагрузочного устройства: тумблер SA42 – положение «MСТ».
7. Тумблером SA41 включить ШИП2.
8. Регулятором R41 установить требуемый момент нагрузки
(контролировать по прибору MM4).
9. Медленно и равномерно вращая энкодер EP31, определить величину ошибки позиционирования сервопривода (контролировать
по прибору w2 / Положение).
10. Повторить п. 9, увеличив регулятором R41 момент нагрузки. Определить зависимость величины ошибки позиционирования
от величины момента нагрузки.
11. Повторить п. 9, изменив тумблером SA43 направление прикладываемого момента. Определить влияние направления прикладываемого момента на величину ошибки позиционирования при
неизменной величине прикладываемого момента.
12. Повторить п. 9, изменив тумблером SA42 вид момента нагрузки.
Завершив эксперимент, необходимо:
– регулятором R41 уменьшить механическую нагрузку на валу
серводвигателя (контролировать по прибору МM4) до 0 Н∙м;
– тумблером SA41 отключить ШИП2;
– тумблером SA31 отключить сервопривод;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
108
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.17. Исследование сервопривода на базе серводвигателя
Цель работы: исследование сервопривода на базе серводвигателя.
В данной работе исследуемая система построена на базе серводвигателя М3, в качестве нагрузочного устройства используется
двигатель M4.
Для проведения исследования требуется:
1. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
2. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
3. Тумблер SA3 перевести в положение «М3–М4».
4. Перейти к следующему режиму работы сервопривода: тумблер SA33 – «Шаг».
5. Энкодером EP31 установить задание системы позиционирования.
6. Перейти к следующему режиму работы нагрузочного устройства: тумблер SA42 – положение «MСТ».
7. Тумблером SA41 включить ШИП2.
8. Регулятором R41 установить требуемый момент нагрузки
(контролировать по прибору MM4).
9. Тумблером SA31 включить сервопривод.
10. После завершения перемещения определить величину ошибки позиционирования сервопривода (контролировать по прибору
w2 / Положение).
11. Тумблером SA31 отключить сервопривод.
12. Повторить п. 8–11, увеличив регулятором R41 момент нагрузки. Определить зависимость величины ошибки позиционирования от величины момента нагрузки.
109
13. Повторить п. 8–11, изменив тумблером SA43 направление
прикладываемого момента. Определить влияние направления прикладываемого момента на величину ошибки позиционирования
при неизменной его величине.
Завершив эксперимент, необходимо:
– регулятором R41 уменьшить механическую нагрузку на валу
серводвигателя (контролировать по прибору МM4) до 0 Н∙м;
– тумблером SA41 отключить ШИП2;
– тумблером SA31 отключить сервопривод;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3)материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.18. Исследование однофазного тиристорного
управляемого выпрямителя
Цель работы: исследование принципа формирования и регулирования выходного напряжения однофазного тиристорного управляемого выпрямителя (УВ).
Внимание!
Ток якоря двигателя не должен превышать Iн (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 16.19.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры,
управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–SA15, SA17,
SA31, SA41), находятся в положении «Выключено», все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13, R17, R31, R32, R41)
установлены в крайнее левое положение, а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических
выключателя, расположенных в левой нижней части стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль и запустить работу цифрового осциллографа.
110
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.19. Схема для исследования УВ
6. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
7. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
8. Тумблер SA1 перевести в положение «УВ».
9. Тумблером SA16 выбрать однофазный режим работы УВ (разд. 4).
10. Регулятор R11 установить в положение, при котором угол
открытия тиристоров максимален (180°).
11. Тумблером SA15 включить УВ.
12. Изменяя регулятором R11 задание УВ, по осциллограмме
выходного напряжения изучить принцип работы управляемого выпрямителя в однофазном режиме.
Для увеличения значения тока якоря требуется создать механическую нагрузку на валу двигателя. Для этого необходимо:
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя
(контролировать по прибору МYB1).
111
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание УВ, уменьшить
напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по
прибору PV1) до 0 В;
– тумблером SA15 отключить УВ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.19. Исследование трехфазного тиристорного УВ
Цель работы: исследование принципа формирования и регулирования выходного напряжения трехфазного тиристорного управляемого выпрямителя.
Внимание!
Ток якоря двигателя не должен превышать Iн (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.20.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры,
управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–SA15, SA17,
SA31, SA41), находятся в положении «Выключено», все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13, R17, R31, R32, R41)
установлены в крайнее левое положение, а на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема
USB на панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ».
112
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.20. Схема для исследования УВ
Открыть требуемый профиль и запустить работу цифрового осциллографа.
6. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
7. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
8. Тумблер SA1 перевести в положение «УВ».
9. Тумблером SA16 выбрать трехфазный режим работы УВ
(разд. 4).
10. Регулятор R11 установить в положение, при котором угол
открытия тиристоров максимален (180°).
11. Тумблером SA15 включить УВ.
12. Изменяя регулятором R11 задание УВ, по осциллограмме
выходного напряжения изучить принцип работы управляемого выпрямителя в трехфазном режиме.
Для увеличения значения тока якоря требуется создать механическую нагрузку на валу двигателя. Для этого необходимо:
113
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя
(контролировать по прибору МYB1).
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание УВ, уменьшить
напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по
прибору PV1) до 0 В;
– тумблером SA15 отключить УВ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.20. Исследование ШИП
с несимметричным законом управления
Цель работы: исследование принципа формирования и регулирования выходного напряжения мостового широтно-импульсного
преобразователя с несимметричным законом управления.
Внимание!
Ток якоря двигателя не должен превышать Iн (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования необходимо:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.21.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
114
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.21. Схема для исследования ШИП
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема
USB на панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ».
Открыть требуемый профиль и запустить работу цифрового осциллографа.
6. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
7. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
8. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
9. Тумблером SA12 выбрать несимметричный режим работы
ШИП (разд. 3).
10. Регулятор R11 установить в положение, при котором скважность ШИП ОЯ составляет 50 %.
11. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
115
12. Изменяя регулятором R11 задание ШИП ОЯ, по осциллограмме выходного напряжения изучить принцип работы широтноимпульсного преобразователя в несимметричном режиме.
Для увеличения значения тока якоря требуется создать механическую нагрузку на валу двигателя. Для этого необходимо:
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя
(контролировать по прибору МYB1).
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, уменьшить напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по прибору PV1) до 0 В;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.21. Исследование ШИП с симметричным законом управления
Цель работы: исследование принципа формирования и регулирования выходного напряжения мостового широтно-импульсного
преобразователя с симметричным законом управления.
Внимание!
Ток якоря двигателя не должен превышать Iн (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах якоря,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования необходимо:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.22.
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
116
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.22. Схема для исследования ШИП
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль и запустить работу цифрового осциллографа.
6. Тумблером SA13 включить ШИП ОВ.
7. Плавно увеличивая регулятором R13 задание ШИП ОВ, установить требуемое значение тока возбуждения исследуемого двигателя (контролировать по амперметру PA5) (например, 0,18 А).
8. Тумблер SA1 перевести в положение «ШИП».
9. Тумблером SA12 выбрать симметричный режим работы ШИП
(разд. 3).
117
10. Регулятор R11 установить в положение, при котором скважность ШИП ОЯ составляет 50 %.
11. Тумблером SA11 включить ШИП ОЯ.
12. Изменяя регулятором R11 задание ШИП ОЯ, по осциллограмме выходного напряжения изучить принцип работы широтноимпульсного преобразователя в симметричном режиме.
Для увеличения значения тока якоря требуется создать механическую нагрузку на валу двигателя. Для этого необходимо:
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя
(контролировать по прибору МYB1).
Завершив эксперимент, следует:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание ШИП ОЯ, уменьшить напряжение на якоре исследуемого двигателя (контролировать по прибору PV1) до 0 В;
– тумблером SA11 отключить ШИП ОЯ;
– тумблером SA13 отключить ШИП ОВ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
6.22. Исследование АИ
Цель работы: исследование принципа формирования и регулирования выходной частоты и напряжения автономного инвертора.
Внимание!
Ток статора двигателя не должен превышать Iн (3,3 А).
Следует избегать продолжительной работы при токах статора,
превышающих Iн, для исключения перегрева двигателя.
Для проведения исследования требуется:
1. Собрать схему, представленную на рис. 6.23.
118
R204
R104
min
max min
= 300 B
max
220 В, 50 Гц
iя + ШИП ОЯ
w1
C101
+15 B
R101
–15 B
R11
min
R102
R104
–
A1
+
min
max
SA1
C201
R204
–
A2
+
R201
R105
R103
R105
R202
max
min
R106
min
УВ
PV1
V
220 В, 50 Гц
R205
+ ШИП ОВ
max
R206
max
ШИП
R203
R205
R206
min
+ УВ
A
A
{
Rш
М1
max
Рис. 6.23. Схема для исследования АИ
2. Перед включением стенда необходимо убедиться, что все тумблеры, управляющие включением преобразователей (SA11, SA13–
SA15, SA17, SA31, SA41), находятся в положении «Выключено»,
все регуляторы задания выходных величин преобразователей (R13,
R17, R31, R32, R41) установлены в крайнее левое положение, а на
панели стенда присутствуют только необходимые для проведения
данного опыта перемычки.
3. Подключить стенд к трехфазной сети (включить три автоматических выключателя, расположенных в левой нижней части
стенда, – «Сеть»).
4. Тумблер SA3 перевести в положение «М1–М2».
5. Установить скалярный режим работы АИ (разд. 4).
6. Подключить стенд к компьютеру с помощью разъема USB на
панели стенда. Запустить программу «ОсциллоГРАФ». Открыть
требуемый профиль и запустить работу цифрового осциллографа.
7. Кнопкой SB25 включить АИ.
8. Изменяя регулятором R11 задание АИ, по осциллограмме выходного напряжения изучить принцип работы автономного инвертора.
119
Для увеличения значения тока статора требуется создать механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя. Для этого необходимо:
1. Тумблером SA17 включить ШИП1.
2. Плавно увеличивая регулятором R17 задание ШИП1, увеличить механическую нагрузку на валу асинхронного двигателя
(контролировать по прибору МYB1).
Завершив эксперимент, необходимо:
– плавно уменьшая регулятором R17 задание ШИП1, уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя (контролировать
по прибору МYB1) до 0 Н∙м;
– тумблером SA17 отключить ШИП1;
– плавно уменьшая регулятором R11 задание АИ, уменьшить
выходную частоту АИ до 0 Гц.
– кнопкой SB26 отключить АИ;
– выключить автоматический выключатель «Сеть».
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1) цель работы;
2) исходные данные, схемы для исследований;
3) материалы расчетов, графики и таблицы, иллюстрирующие
результаты исследований;
4) выводы по результатам исследований.
120
ЛИТЕРАТУРА
1. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода: учеб. для
вузов. 6-е изд. М.: Энергоиздат, 1981. 571 с.
2. Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики. 6-е изд.
М.: Мир, 1983. Т. 2. 410 с.
3. Мещерский И. В. Сборник задач по теоретической механике. М.: Наука,
1986. 448 с.
4. Демидович Б. П., Кудрявцев В. А. Краткий курс высшей математики:
учеб. пособие для вузов. М.: Астрель, 2001. 656 с.
5. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: ACT: Астрель,
2006. 992 с.
6. Сборник задач по высшей математике. 6-е изд. / К. Н. Лунгу и др.;
под ред. С. Н. Федина. М.: Айрис-пресс, 2007. 592 с.
7. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТLab 6 / 0: учеб. пособие. СПб.: КОРОНА-принт, 2001. 320 с.
8. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: учеб. для вузов.
М.; СПб.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.
9. Терехов В. М., Осипов О. И. Системы управления электроприводов:
учеб. М.: Изд. центр «Академия», 2006. 304 с.
10. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника: лабораторные работы на
ПК. СПб.: Учитель и ученик: КОРОНА-принт, 2002. 304 с.
11. Гречко Э. Н., Тонкаль В. Е. Автономные инверторы модуляционного
типа. Киев: Наукова думка, 1983. 304 с.
12. Шукалов В. Ф. Силовые преобразовательные устройства: лекции.
Л.: ЛИАП, 1982. 58 с.
13. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. М.; Л.: Энергия, 1966. 144 с.
14. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе / А. Я. Бернштейн, Ю. М. Гусяцкий, А. В. Кудрявцев, Р. С. Сарбатов; под ред. Р. С. Сарбатова. М.: Энергия, 1980. 328 с.
121
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................
3
1. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ...................
1.1. Динамические режимы в электроприводах.........................
1.2. Механические процессы...................................................
1.3. Электромеханические процессы в электроприводе ...............
5
5
5
15
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ..........
20
3. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ....................
3.1. Транзисторные преобразователи........................................
3.2. Широтно-импульсные преобразователи. Принципы
построения и управления................................................
4. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ
В СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .........................................
4.1. Принципы построения и управления..................................
4.2. Трехфазные инверторы напряжения..................................
4.3. Широтно-импульсное регулирование напряжения
трехфазного инвертора....................................................
4.4. Гармонический состав выходного напряжения
трехфазного инвертора напряжения
при широтно-импульсном его регулировании ....................
4.5. Широтно-импульсная модуляция при синусоидальной форме
модулирующего напряжения...........................................
4.6. Основные расчетные соотношения трехфазного инвертора
напряжения при синусоидальной ШИМ............................
4.7. Основные характеристики инверторов напряжения
с широтно-импульсным способом регулирования
напряжения..................................................................
5. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕНДЕ...............................................
6. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА БАЗЕ УЧЕБНОГО СТЕНДА
«ЭЛЕКТРОПРИВОД С М1».........................................................
6.1. Исследование механических характеристик ДПТ–НВ..........
6.2. Исследование разомкнутой системы УВ–ДПТ......................
6.3. Исследование разомкнутой системы ШИП–ДПТ..................
6.4. Исследование характеристик одноконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по току...............................
6.5. Исследование переходных процессов одноконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по току...............................
6.6. Исследование характеристик одноконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости.........................
6.7. Исследование переходных процессов одноконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости.........................
122
27
27
27
32
32
32
43
46
48
53
55
57
70
70
72
75
77
80
83
86
6.8. Исследование характеристик двухконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости и току...............
6.9. Исследование переходных процессов двухконтурной системы
ШИП–ДПТ с обратной связью по скорости и току...............
6.10. Исследование характеристик системы ШИП–ДПТ
с обратной связью по положению......................................
6.11. Исследование механических характеристик АД–КЗ...........
6.12. Исследование разомкнутой системы АИ–АД-КЗ................
6.13. Исследование характеристик системы АИ–АД-КЗ
со скалярным регулированием и замкнутой обратной связью
по скорости....................................................................
6.14. Исследование характеристик системы АИ–АД-КЗ
с векторным управлением................................................
6.15. Исследование системы регулирования момента удержания
на валу серводвигателя....................................................
6.16. Исследование шагового режима работы системы
преобразователь–серводвигатель......................................
6.17. Исследование сервопривода на базе серводвигателя............
6.18. Исследование однофазного тиристорного управляемого
выпрямителя.................................................................
6.19. Исследование трехфазного тиристорного УВ......................
6.20. Исследование ШИП с несимметричным законом
управления....................................................................
6.21. Исследование ШИП с симметричным законом
управления....................................................................
6.22. Исследование АИ...........................................................
89
92
96
97
98
101
104
106
107
109
110
112
114
116
118
ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 121
123
Учебное издание
Акопов Владимир Сергеевич,
Евсеев Евгений Владимирович,
Мартынов Александр Александрович
ЭЛЕКТРОПРИВОД
С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМИ СИСТЕМАМИ
УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие
Редактор А. А. Гранаткина
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 05.04.15. Подписано к печати 22.06.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 7,15. Уч.-изд. л. 7,56.
Тираж 50 экз. Заказ № 271.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
11 102 Кб
Теги
akopovevseev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа