12515

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ Методические указания к учебноисследовательской лабораторной работе по курсу Автоматизированный электропривод для студентов горнонефтяного факультета специальности 180400 ЭАПУ Лаборат

Русский

2013-04-30

3.21 MB

25 чел.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе  по курсу Автоматизированный электропривод для студентов горно-нефтяного факультета специальности 180400 - ЭАПУ


Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ

Цели работы:

1. Экспериментальное  снятие  механических характеристик при изменении частоты и напряжения статора одновременно.

  1.   Определение момента инерции привода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором методом свободного выбега (самоторможения).

Основные теоретические положения

Скорость вращения асинхронного двигателя (АД) может регулироваться изменением частоты питающего напряжения, что вытекает из формулы:

, (1)

где  ω0 - синхронная скорость двигателя;

f1 - частота напряжения статора;

р - число пар полюсов двигателя;

s - скольжение двигателя.

Для получения регулируемой частоты в электроприводах применяются статические преобразователи частоты. Критическое скольжение АД обратно пропорционально частоте:

(2)

Lк - индуктивность короткого замыкания.

Если при номинальной частоте f1 критическое скольжение равно SКР, то при частоте f1 /, отличной от номинальной:

. (3) 

Так как ω0 и хкр пропорциональны частоте, то критический момент АД обратно пропорционален квадрату частоты:

. (4)

При постоянном значении U1 формулу (4) можно записать в виде:

, (5)

где -  постоянная величина.

Если при номинальной частоте f1  критический момент равен Мкр, то при частоте f1 /:

. (6)

Поэтому при неизменном напряжении с увеличением частоты критический момент резко падает (рис. 1,а). Если учесть сопротивление обмотки статора, то критический момент будет изменяться не обратно пропорционально квадрату частоты, а в несколько меньшей степени.

Из рис. 1, а   видно, что при регулировании частоты тока статора АД и неизменной величине подводимого напряжения механические характеристики имеют неплохой вид, так как они отличаются высокой жесткостью. Однако при низких частотах, когда индуктивное сопротивление обмоток статора мало, происходит существенное возрастание тока и недопустимый перегрев двигателя. В связи с этим регулирование в широком диапазоне скорости АД изменением только частоты тока статора на практике не применяется.

Скорость вращения асинхронного двигателя в ограниченном диапазоне может регулироваться и изменением подводимого к нему напряжения при постоянной частоте тока статора. При этом момент, развиваемый двигателем, пропорционален квадрату приложенного напряжения:

, (7)

а ток двигателя – напряжению:

, (8)

где    .

Рис.1. Механические характеристики асинхронного двигателя, при регулировании скорости вращения: а – частотой (f1 > f2 >f3, U1=const);

б – напряжением (U1 > U2 > U3, f1=const); в – частотой и напряжением при U1/f1=const.

Эти выражения дают возможность построить характеристики двигателя при напряжении статора, отличном от номинального (pис.1,б). Из семейства характеристик видно, что критическое скольжение для всех характеристик остается неизменным. Оно не зависит от приложенного напряжения. Крутизна характеристик возрастает при пониженном напряжении. Устойчивая работа АД при постоянном статическом моменте возможна только в интервале от синхронной скорости до Sк.

Критический момент АД при снижении напряжения статора U1 уменьшается в соответствии с выражением (4).

Из рис.1,б видно, что при уменьшении напряжения на АД необходимо одновременно снизить величину нагрузки на валу двигателя. В противном случае при неизменной нагрузке ток в обмотке ротора возрастает, что приводит к перегреву этой обмотки, сопровождающемуся повышенным износом ее изоляции. При частых перегрузках возможен перегрев стержней обмотки ротора и даже их выплавление.

Таким образом, оба вышеуказанных варианта регулирования скорости АД имеют существенные недостатки, от которых избавиться можно только в случае поддержания критического момента двигателя постоянным. Для этого необходимо в соответствии с выражением (4) одновременно изменять напряжение и частоту тока статора.

Для асинхронного двигателя можно приближенно принять, что

U1=f1ф. Поэтому для сохранения постоянства магнитного потока необходимо производить регулирование с неизменным соотношением:

Механические характеристики АД при таком способе регулирования скорости имеют вид, показанный на рис.1, в. Жесткость характеристик в рабочей зоне сохраняется достаточно высокой. Величина критического момента в зоне больших частот сравнительно мало изменяется. Лишь при низких частотах, вследствие относительного увеличения падения напряжения в статоре происходит заметное уменьшение магнитного потока, следовательно, и уменьшение критического момента. Это подтверждается анализом формулы:

. (9)

Для больших частот величина R1 значительно меньше хк, и поэтому ею можно пренебречь, а формула (9) примет вид (4).

Так как    хкf1 и ω0f1, то:

. (10)

При значительном снижении частоты эти соотношения нарушаются, так как реактивное сопротивление рассеяния хк = х1+ х2/ становится сравнимым по величине с сопротивлением статора R1,  или даже меньше его. Влияние падения напряжения в статоре сказывается сильнее, и это приводит к уменьшению критического момента.

Для поддержания достаточной перегрузочной способности двигателя желательно, чтобы при малых частотах напряжение уменьшалось в меньшей степени, чем частота.

Учитывая вышеизложенное, следует отметить, что в электроприводе переменного тока перспективным способом управления в широких пределах, при частых пусках и торможениях, является одновременное регулирование напряжения и частоты тока статора. Данный способ позволяет получить от простого и надежного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором все необходимые для технологии производства механические характеристики. В том числе высокие частоты вращения при небольших потерях электроэнергии на преобразователе частоты с автономным инвертором.

Расчет механических характеристик АД при изменении параметров питающей сети, т.е. напряжения и частоты, может быть выполнен по выражению:

, (11)

где  ω0 = 2πf1 - синхронная скорость;

  - скольжение.

Момент инерции привода, его маховый момент и электромеханическая  постоянная времени могут быть определены по результатам проведения опыта свободного выбега привода.

Сущность свободного выбега или самоторможения заключается  в следующем. Если отключить от сети асинхронный двигатель, работающий вхолостую, то ротор двигателя и  соединенная с ним рабочая машина, будут продолжать вращаться за счет запаса кинетической энергии, постепенно замедляясь из-за действия тормозящих сил, обусловленных потерями вращения (рис.2).

Определение момента инерции асинхронного двигателя, соединенного с рабочей машиной (или без нее), производится при помощи касательной, проводимой в начальной точке А (см. рис.2) к кривой n=f(t). Этот метод является приближенным.

Основное уравнение движения электропривода имеет следующий вид:

,   (12)

Рис. 2. Зависимость n=f(t), снимаемая в результате опыта свободного выбега.

где

МД

-

момент двигателя, Н.м;

МС

-

момент сопротивления, Н.м;

n

-

скорость, об/мин;

t

-

время, с;

J

-

момент инерции, кг.м2.

 

В случае самоторможения МД = 0, а МС является общим моментом сопротивления механизма и моментом потерь вращения привода, поэтому выражение (12) для J примет вид:

(13)

Если снята кривая выбега (см. рис.2), то проводя касательную к этой кривой в начальной точке выбега А до пересечения с осью абсцисс, получают величину подкасательной tподк. Из полученного треугольника ОАВ видно, что:

, (14)

тогда:

(15)

Величина момента сопротивления определяется по формуле:

, (16)

где ΔРмех - механические потери вращения привода, соответствующие  скорости n, Вт.

Механические потери вращения находятся из потерь холостого хода Р0, которые в свою очередь состоят из потерь в стали статора, механических потерь вращения и потерь в меди статора.

Потери в меди статора (Вт) определяются по формуле:

,  (17)

где

I1

-

линейный ток статора, А;

Rст

-

сопротивление фазы статора, Ом.

Суммарные потери в стали статора и механические потери вращения находят следующим образом:

.  (18)

Для того, чтобы найти , необходимо отделить от Рст.мех потери в стали статора. Это достигается построением зависимости

Рст.мех=f() (рис.3) по нескольким точкам. Экстраполируя кривую до оси ординат, получают значение , так как при Uл=0 потери в стали статора равны нулю, и, следовательно, остаются одни  механические потери вращения.

Рис.3. Зависимость Рст.мех = f (U2л)

В теории электропривода часто оперируют не моментами инерции J, а маховыми моментами, обозначаемыми (Нм2):

(19)

где

m

-

масса вращающихся частей, кг;

ρ

-

радиус инерции, м;

ξ

-

вес вращающихся частей, Н;

g

-

ускорение свободного падения, 9,81 м/с2

D

-

диаметр инерции, м.

Отсюда находим:

(20)

Зная момент инерции, можно также определить электромеханическую постоянную времени привода, под которой понимается время, в течение которого привод, обладающий моментом инерции J , разгоняется без нагрузки из неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода ω0 при неизменном  моменте,  равном  моменту  короткого  замыкания МК:

, (21)

где  Sн - номинальное скольжение, ;

      МН - номинальный момент двигателя, .

Величина электромеханической постоянной времени зависит от сопротивления цепи статора и не зависит от нагрузки привода.


Краткое описание лабораторного стенда

СОСТАВ СТЕНДА

  •    Пульт управления;
    •    Электромашинный агрегат;
      •    Тиристорный преобразователь (ТЕР4-63/460Н-2-2УХЛ4);
      •    Преобразователь частоты SB-17 С55У. 

Пульт управления

Пульт управления предназначен для регулирования, контроля и отображения параметров привода. Общий вид ПУ  приведен на рис.4.

На лицевой панели расположены:

  •  пульт управления преобразователем частоты (рис.4.поз.1). Служит для настройки, управления и индикации параметров преобразователя.

 Рис.4. Внешний вид пульта управления

  •  цифровые  измерительные  приборы:    вольтметры  (рис.4.поз.2,6), амперметры (рис.4.поз.3,4), тахометр (рис.4.поз.5). Для измерений используются цифровые одноканальные приборы «Термодат – 10М2».  
  •  переключатель  режимов  управления  ТЕР  (нагрузка)  «ручной – автоматический». При ручном режиме управления нагрузкой, задание на ТЕРе регулируется потенциометром. В автоматическом режиме напряжение задания подается с компьютера;
  •  кнопки «Стоп» (рис.4.поз.8) и «Пуск» (рис.4.поз.9). Осуществляют коммутацию силовой цепи преобразователя частоты;
  •  лампы сигнализации: «Готовность ТЕР» (рис.4.поз.10), сигнализирует что ТЕР включен и готов к работе; «Авария» (рис.4.поз.11), сигнализирует о срабатывании защиты;
  •  потенциометр задания нагрузки (при ручном управлении) (рис.4.поз.12). Используется для регулировки напряжения задания ТЕР;
  •  дисплей компьютера (рис.4.поз.13). Отображает динамические характеристики привода.

Электромашинный агрегат

Электромашинный агрегат (ЭМА) представляет собой две жестко соединенные валами электрические машины. Одна из них является исследуемой – асинхронный двигатель, другая нагрузочной –  двигатель постоянного тока. На валу АД закреплен тахогенератор, см. рис.5.  

Рис.5.Электромашинный агрегат

Технические характеристики электрических машин:

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (исследуемый)

Тип………………………………………………....................  4АХБ2П100L4ПБУХЛ4

Номинальная мощность, кВт ……………………………………………..

4

Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….

1420

Пусковой / Номинальный ток, А………………………………………….

15/8,7

Номинальное напряжение, В…………………………………..………….

220/380

cosφ, ….………..………………………………………………..………….

0,84

Sном, %….……………………………………………………………………

0,02

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (нагрузочный)

Тип ...…………………………………………………………….………….

П-51

Номинальная мощность, кВт ………………………………….………….

5

Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….

1450

Номинальный ток, А……………………………………………………….

21,7

Номинальное напряжение, В…………………………………..………….

230

Тахогенератор

Тип ……………………………………………………………....………….

ЭТ-7

Номинальная мощность, кВт ………………………………….………….

0,11

Номинальная частота вращения, об/мин……………………...………….

1900

Номинальный ток, А……………………………………………………….

0,21

Номинальное напряжение, В…………………………………..………….

110

Тиристорный преобразователь

Тиристорный преобразователь (ТЕР) предназначен для:

  •  подачи регулируемого напряжения в якорную цепь нагрузочного двигателя и подержания уровня тока, который определяет момент на валу НД;
  •   питания обмотки возбуждения (ОВ).

ТП представляет собой агрегат типа ТЕР4-63/460Н-2-2УХЛ4 модифицированный для работы в составе стенда. Уровень тока, а соответственно и момент на валу НД задается резистором на ПУ.


Преобразователь частоты

Преобразователь частоты предназначен для регулирования скорости вращения ротора асинхронного двигателя путем изменения частоты и уровня питающего напряжения. Преобразователь запрограммирован на закон управления U/f.

Технические характеристики:

Тип ……………………………………………………………………...

SB-17 C55У

Степень защиты………………………………………………………..

IP20

Входное напряжение………………………………………………......

380 – 480 В

Входная частота……………………………………………………......

; 50-60 Гц

Выходное напряжение…………………………………….…………..

380 – 480 В

Выходная частота………………………………………………….......

0,1 – 440 Гц

Температура среды………………………………………...………......

от-10 до50°С

Номинальная мощность, кВА ………………………………………...

9,0

Выходной ток, А…………………………………………...………......

11,5

Мощность двигателя, кВт…………………………………………......

5,5

Несущая частота, кГц……………………………………...………......

4; 3 - 12

На рис.6. изображена панель управления преобразователем

Рис.6. Панель управления преобразователем частоты


Рис.7. Силовая схема стенда

Силовая схема

Схема лабораторного стенда приведена на Рис.7., из которой видно, что асинхронный двигатель АД запитан от сети через преобразователь частоты, позволяющий плавно регулировать выходные параметры – напряжение и частоту. Нагрузочный агрегат включает в себя машину НД и тиристорный преобразователь (ТЕР). Регулируя выходное напряжение ТЕР, с помощью потенциометра, можно получить заданный момент на валу АД.  


Порядок выполнения работы

К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и ознакомившиеся с методическим пособием по проведению работ на стенде «Частотно управляемый привод с автономным инвертором».

Работа выполняется в присутствии преподавателя (лаборанта).

Опыт 1

Для снятия семейства механических характеристик АД нужно проделать следующее:

Перед работой убедитесь в том, что измерительные приборы включены и горит индикатор «Работа ТЕР» на лицевой панели стенда; «Сеть основная» на лицевой панели агрегата ТЕР 4.

1. Нажать кнопку «Пуск». На светодиодном индикаторе панели управления преобразователем отобразится сообщение «OFF». Преобразователь готов к работе.

2. Нажатием кнопки , на панели управления преобразователем, выбрать режим А00-0 (режим задания частоты). На светодиодной панели преобразователя будет попеременно отображаться наименование параметра и его значение.

3. Нажать кнопку . На светодиодной панели загорится установленное ранее значение частоты. Последний (младший) разряд будет мигать. Вращением колеса управления можно изменить значение частоты. Для более быстрого изменения значения необходимо перейти на более старший разряд нажатием кнопки .

4. Переходим к снятию первой механической характеристики:

- Значение параметра А00-0 устанавливается 50.00Hz.

- Повернуть ручку потенциометра нагрузки в крайнее левое положение.

- Нажатием кнопки запустить двигатель и дождаться

установившегося режима.

-Показания приборов занести в табл.1.

5. Плавно повернуть ручку потенциометра нагрузки вправо, тем самым увеличить нагрузку. Показания приборов занести в табл.1.

Таким образом, на одной характеристике необходимо снять 4-5 точек.

6. Построить зависимость n = f( Мнагр).

Устанавливая другие значения частоты, аналогичным образом снимаются 4 механических характеристики. После измерений, электрома-шинный агрегат останавливается кнопкой на пульте управления преобразователем.

Нагружая двигатель, нужно следить за током статора. Он не должен превышать своего номинального значения, т.е. должен быть не более 8,7 А.

Табл.1

п/п

f1,

Гц

Результаты опыта

Расчет

Uст.,

В

n об/мин

Iя,

А

Uякоря,

В

Iякоря,

А

Мнагр=kМ∙Iя,

А

Примечание: для нагрузочного двигателя kМ = 1,5

Опыт 2

Для определения момента инерции привода, состоящего из двигателя АД, машины НД и тахогенератора ТГ методом свободного выбега нужно проделать следующее:

  1.  Включить компьютер, нажав копку «Power» на системном блоке.
  2.  С рабочего стола запустить программу «Power Grаph».
  3.  После загрузки программы в правом нижнем углу диалогового окна нажать кнопку «Start». Программа «Power Grаph» начнет построение кривой n = f(t).
  4.  Установить выходную частоту преобразователя 50 Гц, как описано выше.
  5.  Запустить двигатель, нажав кнопку на панели преобразователя. Дождаться установившегося режима.
  6.  На панели преобразователя нажать кнопку . Двигатель остановится за счет сил трения. Чтобы программа «Power Grаph» закончила построение кривой n = f(t), в правом нижнем углу  диалогового окна нажать кнопку «Stop». 
  7.  Получившуюся кривую свободного выбега п = f(t) вывести на печать, выбрав в главном меню «Файл» и далее «печать».
  8.  По результатам опыта согласно методике, изложенной в теории вычислить J , и Тм, при условии, что = 716 Вт. Все результаты занести в табл.2.

Табл.2

п/п

Данные опыта

Данные расчета

tподк.,

с

n,

Об/мин

J,

кг м2

,

Н м2

Тм,

с


Опыт 3

Для снятия переходных процессов привода нужно проделать следующее:

    1. Убедиться, что ручка потенциометра нагрузки находится в крайне левом положении.

  1.  Установить выходную частоту преобразователя 20 Гц, как описано выше.
  2.  С рабочего стола запустить программу «Power Grаph».
  3.  После загрузки программы в правом нижнем углу диалогового окна нажать кнопку «Start». Программа «Power Grаph» начнет построение кривой n = f(t) и Iст = f(t).
  4.  Запустить двигатель, нажав кнопку на панели преобразователя.
  5.  Через 3 - 4 секунды на панели преобразователя нажать кнопку . Двигатель остановится. Чтобы программа «Power Grаph» закончила построение кривой n = f(t) и Iст = f(t), в правом нижнем углу  диалогового окна нажать кнопку «Stop». 
  6.  Получившиеся графики переходного процесса отправить на печать.
  7.  Исходя из графика скорости, оценить характер переходного процесса привода.

Содержание отчета:

  1.  Название лабораторной работы;
  2.  Цель работы;
  3.  Упрощенная схема электропривода для снятия механических

характеристик асинхронного двигателя;

  1.  Техническая характеристика исследуемого двигателя;
  2.  Механические характеристики асинхронного двигателя, снятые экспериментальным путем;
  3.  Результаты экспериментального определения момента инерции, махового момента и электромеханической постоянной привода;
  4.  Выводы.

            

Отпечатано ООО «ПРОМПРИВОД», г. Пермь, тел. 271-43-61


EMBED Visio.Drawing.11  

EMBED Equation.3  

EMBED Visio.Drawing.11  

EMBED Visio.Drawing.11  

EMBED Visio.Drawing.11  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69153. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗРУШАЮЩЕЙ НАГРУЗКИ ПОДКРЕПЛЁННОЙ ПАНЕЛИ 473.5 KB
  Панель элемент авиационной конструкции состоящий из пластинки обшивки и стержней стрингеров подкрепляющих её. В зависимости от характера соединения обшивки со стрингерами различают панели: клёпаной конструкции; сварной клеесварной и клеевой конструкции; монолитные...
69154. СИЛОВЫЕ СХЕМЫ, КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА КРЫЛЬЕВ 2.83 MB
  В обычной конструкции крыла силовыми элементами являются рис.1: обшивка; лонжероны и стрингеры продольный набор крыла; нервюры поперечный набор крыла; соединения заклепочные болтовые сварные или клеевые. Конструкция крыла 1 обшивка; 2 лонжерон; 3 стрингер; 4 нервюра; 5 соединения...
69155. СТРЕЛОВИДНЫЕ КРЫЛЬЯ 740.5 KB
  Нормальные нервюры могут устанавливаться перпендикулярно к оси крыла рис. вдоль хорд фактического обтекания крыла потоком рис. Если они поставлены по потоку то форма профиля в плоскости фактического обтекания крыла выдерживается лучше.
69156. Устройства, улучшающие взлетно-посадочные характеристики самолета 354 KB
  Устройства улучшающие взлетно посадочные характеристики самолета повысить несущие свойства крыла cyS можно обычными средствами механизации или энергетическими которые обеспечивают увеличение подъемной силы за счет силовой установки. Средства механизации повышают несущие свойства крыла.
69157. ИСТОРИЯ РАЗИТИЯ САМОЛЕТОВ. ЭТАПЫ ИХ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 385.5 KB
  Полет на аппаратах легче воздуха называется воздухоплаванием а на аппаратах тяжелее воздуха авиацией от латинского vis птица. Процесс развития самолетов обусловлен взаимным влиянием и взаимодействием между наукой производством и эксплуатацией самолетов.
69158. КОНСТРУКЦИЯ САМОЛЕТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 1.55 MB
  Основные агрегаты самолета Самолеты относятся к летательным аппаратам тяжелее воздуха им характерен аэродинамический принцип полета. У самолетов подъемная сила Y создается за счет энергии воздушного потока омывающего несущею поверхность которая неподвижно закреплена относительно...
69159. НАГРУЗКИ САМОЛЕТА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МАНЕВРОВ 884 KB
  В полете на самолет действуют: рис.1: тяга двигателя Р; аэродинамические силы подъемная сила Y и лобовое сопротивление Q; сила тяжести G. Эти силы показаны для самолета рассматриваемого в виде материальной точки. В общем случае силы действующие на самолет не находятся в равновесии.
69160. НАГРУЗКИ САМОЛЕТА ПРИ ПОЛЕТЕ В НЕСПОКОЙНОМ ВОЗДУХЕ 2.03 MB
  Турбулентность атмосферы Перегрузки от действия неспокойного воздуха возникают при движении воздуха направление которого не совпадает с направлением полета самолета или при турбулентных пульсациях воздуха. На высотах которые больше 1000 м эти потоки затухают и полет...
69161. НОРМЫ ПРОЧНОСТИ САМОЛЕТОВ. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СЛУЧАИ НАГРУЖЕНИЯ САМОЛЕТА 729 KB
  В странах СНГ в настоящее время эксплуатируется большое количество самолетов, которые проектировались и изготавливались в соответствии с Едиными Нормами летной годности гражданских самолетов (ЕНЛГС). Они действовали до распада СССР.