67550

Выбор типа и параметров двигателя, передаточного и усилительно-преобразовательного устройств. Выбор типа электродвигателя

Лекция

Физика

В простейших случаях тип двигателя совпадает с видом напряжения сети. При использовании усилительно-преобразовательного устройства в случае сети постоянного тока применяется мостовая схема четыре силовых электронных ключа и широтно-импульсная модуляция для питания двигателя постоянного тока или инвертор...

Русский

2014-09-12

56 KB

1 чел.

ЛЕКЦИЯ 26

Выбор типа и параметров двигателя, передаточного и

усилительно-преобразовательного устройств

Выбор типа электродвигателя

Тип исполнительного двигателя зависит от вида напряжения электрической сети, от основной технической задачи, которую решает электропривод,  от условий эксплуатации и экономических требований.

В простейших случаях тип двигателя совпадает с видом напряжения сети. Если имеется сеть постоянного тока, то применяется двигатель постоянного тока. В случае сети переменного тока используется асинхронный или синхронный двигатель. Управляющее устройство представляет собой секционированный реостат и ключи (контроллер) при ручном управлении или контакторы при дистанционном управлении.

При использовании усилительно-преобразовательного устройства в случае сети постоянного тока применяется мостовая схема (четыре силовых электронных ключа и широтно-импульсная модуляция) для питания двигателя постоянного тока или инвертор напряжения (частоты) при двигателе переменного тока.

Если питание происходит от сети переменного тока, то в случае двигателя постоянного тока применяется управляемый выпрямитель на тиристорах с фазовым управлением, а в случае двигателя переменного тока – неуправляемый выпрямитель, фильтр низкой частоты (звено постоянного тока) и инвертор напряжения (частоты), непрерывный или с широтно-импульсной модуляцтей. В бесконтактных двигателях постоянного тока с синхронным электромеханическим преобразователем и для шаговых двигателей применяются электронные коммутаторы, формирующие импульсы напряжения низкой частоты.

Если электропривод является автоматизированным и выполняет сложную задачу управления объектом либо имеет широкий диапазон регулирования скорости, то необходимо при выборе типа двигателя учитывать его регулировочные характеристики.

Линейность механической характеристики является важным свойством двигателя. Высокой линейностью  обладают  двигатели постоянного тока независимого возбуждения, синхронные двигатели и асинхронные управляемые двигатели с полым ротором. Существенно нелинейные характеристики у двигателя постоянного тока последовательного возбуждения и у трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Следует заметить, что вследствие реакции якоря скоростная и механическая характеристики двигателей независимого возбуждения несколько отличаются от прямолинейных.

Жесткость механической характеристики также является важным показателем двигателя. Синхронные двигатели при питании от независимого источника переменного напряжения имеют абсолютно жесткую характеристику. Высокую жесткость имеют двигатели постоянного тока независимого возбуждения, трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в зоне малого скольжения, синхронные двигатели с питанием от зависимого инвертора частоты и с датчиком положения ротора. Низкая жесткость наблюдается у двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, у асинхронных управляемых двигателей с полым ротором, при реостатном управлении двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями с фазным ротором..

Следует заметить, что вследствие реакции якоря скоростная и механическая характеристики двигателей параллельного возбуждения несколько отличаются от прямолинейных.

Двухфазные асинхронные двигатели с полым ротором имеют хорошую динамику благодаря малому моменту инерции ротора, почти линейную механическую характеристику в двигательном режиме, все ее точки здесь имеют статическую устойчивость. Далее, такие двигатели не имеют самохода, т.е. при снятии напряжения управления двигатель останавливается. К недостаткам таких двигателей относятся повышенные потери энергии в роторе, низкий КПД, Шаговые двигатели позволяют строить разомкнутые системы, так как угол поворота ротора определяется разностью числа импульсов прямого и обратного вращения. Недостатком является низкий КПД, а также дискретность вращения, которая частично компенсируется при электрическом дроблении шага.

Пуск – торможение

Если исполнительный механизм требует частых пусков и остановов, то важным свойством двигателя становятся пусковые характеристики и возможность эффективного торможения, в частности, наиболее экономичного рекуперативного с отдачей энергии в сеть. Наибольший пусковой момент имеет двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, но генераторный режим торможения ему не доступен. У двигателя независимого возбуждения приходится применять пусковой реостат либо пуск при пониженном напряжении для ограничения пускового тока и момента.

Напротив, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет небольшой пусковой момент. Для его увеличения применяют частотно-токовое управление и пуск с пониженной частотой напряжения либо пусковой реостат для асинхронного двигателя с фазным ротором. Асинхронные управляемые двигатели с полым ротором имеют большие угловые ускорения благодаря малому моменту инерции ротора.

Для пуска синхронного двигателя применяют специальные способы: пуск при помощи вспомогательного двигателя, частотный пуск с помощью инвертора частоты или асинхронный пуск при наличии пусковой обмотки на роторе.

Работа шагового двигателя состоит из пусков и остановок, он хорошо приспособлен для такого режима.

Условия эксплуатации предъявляют определенные требования к двигателю. Если электропривод работает в условиях разреженной атмосферы, при наличии агрессивных или взрывоопасных веществ, то применение коллекторных электрических машин или машин с контактными кольцами недопустимо. Здесь применяются бесконтактные двигатели.

Экономические требования делают перспективными трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которые просты в конструкции и надежны. Поэтому комплектные асинхронные приводы с векторным управлением находят широкое применение. Однако их КПД ниже, чем у двигателей постоянного тока, низок также и коэффициент мощности cosφ. Асинхронные управляемые двигатели с полым ротором имеют большие значения активного сопротивления ротора и соответственно низкий КПД. Это же относится к реостатному управлению двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями.

Коллекторные машины сложны в изготовлении, капризны в эксплуатации по сравнению с электрическими машинами переменного тока. Они требуют обслуживания щеточно-коллекторного узла и периодическую замену щеток, что усложняет эксплуатацию, особенно при установке двигателя в труднодоступном месте. Кроме того, для питания двигателей постоянного тока необходим источник постоянного тока.

Применение синхронных и шаговых двигателей в ряде случаев позволяет обойтись разомкнутой системой управления без датчиков угла и скорости вращения, что упрощает и удешевляет электропривод  Однако сравнительно низкая скорость вращения ротора шагового двигателя приводит к низким массо-габаритным показателям.

Синхронные двигатели широко применяются в электроприводах самых разных рабочих машин и механизмов благодаря наличию таких преимуществ, как высокий коэффициент мощности , который может иметь значение 1 для электроприводов малой мощности и опережающий  в установках большой мощности; а также высокий КПД.

Для каждого из приводов постоянного и переменного тока имеются сложившиеся области перспективного использования. Обычно в инженерной практике задача выбора рода тока для привода решается на основании сравнения нескольких альтернативных вариантов, оцениваемых с позиций теоретических знаний и практического опыта проектировщика.

Выбор мощности двигателя

Электродвигатель вместе с редуктором должен обеспечить динамику движения исполнительного механизма и ограничения двигателя по температуре.

Это означает, что если на плоскости ''момент – скорость вращения'' задано некоторое множество возможных сочетаний  Mω (например, в виде эллипса), то механическая характеристика агрегата ''двигатель-редуктор'' должна лежать снаружи от этого множества, т.е. правее и выше него. Здесь может быть применена гипербола, соответствующая множеству сочетаний  Mω  при постоянном значении мощности.

Далее, в зависимости от типа двигателя средняя или среднеквадратическая мощность на валу должна быть меньше номинальной, соответствующей тепловому режиму двигателя.

Следует обратить внимание, что обе указанные проверки должны обеспечивать запас по динамике и нагреву для переходных процессов при малых отклонениях и их отработке по сигналам системы управления.

Выбор типа и передаточного отношения редуктора

Сначала должен быть решен вопрос о необходимости применения редуктора. Редуктор позволяет уменьшить момент, массу, мощность потерь и стоимость электродвигателя. Однако применение редуктора приносит негативные моменты. Редуктор имеет собственную массу, мощность потерь, стоимость, и нужно рассматривать результирующий эффект его применения. Далее, редуктор имеет моменты сухого и вязкого трения, люфты в передаче, упругость элементов, через которые передается механическая мощность. Эти факторы могут ухудшить качество работы электропривода.

Безредукторный привод обладает уникальными свойствами при работе на подвижном основании при необходимости стабилизации пространственного положения объекта управления. При выключенном двигателе и уходе статора вместе с носителем ротор двигателя остается в покое, необходимо только скомпенсировать момент трения в опорах.

Тип редуктора влияет на свойства движения и на КПД передачи. Червячная передача имеет низкий КПД и ресурс в связи с большой скоростью червяка относительно червячного колеса. Червячная передача является самотормозящейся. Планетарный редуктор позволяет получить большое передаточное отношение в одной ступени, однако имеет сложную конструкцию и повышенный люфт. Применение компенсации зазора с помощью упругих элементов увеличивает момент трения. Применение дифференциала для получения большой кратности скоростей усложняет конструкцию редуктора. Применение зубчатых колес с малым модулем повышает плавность хода, но снижает передаваемый момент.

Выбор передаточного отношения связан с механическими характеристиками двигателя и исполнительного механизма. Агрегат двигатель-редуктор должен обеспечить динамику объекта управления и ограничения двигателя по нагреву, т.е. тепловой режим.

Выбор типа усилительно-преобразовательного устройства

Для питания обмотки возбуждения двигателя постоянного тока применяется нереверсивный транзисторный усилитель постоянного тока в линейном режиме при двигателях малой мощности. При больших мощностях применяется нереверсивный усилитель с широтно-импульсной модуляцией на IGBT транзисторе или на полевом транзисторе с изолированным затвором (MOSFET) с обратным диодом или управляемый выпрямитель на одном-двух тиристорах при сети переменного тока. Это же относится к питанию обмотки якоря нереверсивного двигателя с независимым возбуждением, с возбуждением от постоянных магнитов или двигателя последовательного возбуждения.

Для реверсивного питания обмотки якоря двигателя постоянного тока применяется мостовая схема линейного усилителя с комплементарным включением транзисторов для двигателей малой мощности. Для двигателей большой мощности применяется мостовая схема с четырьмя силовыми полупроводниковыми ключами на IGBT (MOSFET) транзисторах с обратными диодами или на четырех тиристорах в случае сети переменного тока..

Для питания трех фаз обмотки статора синхронного двигателя, входящего в состав бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), применяется мостовая схема с тремя парами последовательно включенных полупроводниковых ключей, которые управляются сигналами от дискретного датчика положения ротора. В результате фазы питаются прямоугольными импульсами напряжения вместо синусоидальных напряжений, что вызывает протекание токов высших гармоник и увеличивает потери в обмотке. Далее, электромагнитный момент имеет пульсацию в зависимости от угла поворота ротора.

Для питания обмотки статора трехфазного синхронного двигателя напряжениями, изменяющимися по синусоидальным законам или по эквивалентным им законам, применяется независимый инвертор напряжения или независимый инвертор частоты. Он имеет информационный генератор трехфазной системы напряжений, три схемы широтно-импульсной модуляции, драйвер и мостовую схему с шестью силовыми ключами на IGBT- или MOSFET-транзисторах с обратными диодами. При трехфазной сети применяется неуправляемый выпрямитель, выполненный по шестифазной схеме с шестью полупроводниковыми диодами, и фильтр низкой частоты с реактором (катушкой индуктивности с сердечником) и с батареей конденсаторов.

Если синхронный двигатель входит в состав моментного электропривода, то применяется зависимый инвертор частоты, управляемый от непрерывных датчиков положения ротора (сельсина, синусно-косинусного вращающегося трансформатора). При этом обеспечивается определенный угол между продольной осью ротора-индуктора и осью магнитодвижущей силы обмотки статора. Частота инвертора определяется частотой вращения ротора двигателя. Здесь также применяется глубокая отрицательная обратная связь по току с помощью соответствующих датчиков.

Простейшие системы управления трехфазными асинхронными двигателями имеют три или шесть тиристоров, фазовое управление которыми позволяет регулировать напряжения на обмотке статора. Частота напряжений совпадает с частотой питающей сети, в связи с чем диапазон регулирования скорости и КПД электропривода невысокие.

При частотно-токовом управлении трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором применяются зависимые инверторы частоты. Частота инвертора определяется как сумма частоты вращения ротора и взятой со знаком момента оптимальной частоты скольжения.

При векторном управлении частота инвертора определяется частотой вращения ротора и частотой скольжения, вычисляемой устройством управления. Поперечная составляющая тока статора определяется требуемым электромагнитным моментом, а продольная – требуемой величиной потокосцепления ротора, по которому ориентируется вращающаяся система координат..

При построении усилительно-преобразовательного устройства с широтно-импульсной модуляцией важным вопросом является выбор частоты импульсов. Для УПУ желательно уменьшение частоты импульсов, так как мощность потерь в силовых ключах прямо пропорциональна этой частоте. Для двигателя, напротив, желательно увеличение частоты импульсов, при этом снижается амплитуда пульсации токов и дополнительные потери в обмотке.  

Для питания фаз обмотки шагового двигателя применяется генератор импульсов, распределитель импульсов и силовые полупроводниковые ключи по числу фаз шагового двигателя. В случае шагового двигателя с реактивным ротором используют нереверсивные ключи, каждый из которых имеет один транзистор и обратный диод. Если шаговый двигатель имеет постоянные магниты или обмотку возбуждения, то применяются реверсивные ключи, построенные по мостовой схеме.   

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы следует учитывать при выборе типа электродвигателя?

2. Перечислите достоинства и недостатки двигателей постоянного тока с различным типом возбуждения.

3. Перечислите достоинства и недостатки синхронных двигателей с элект-

ромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

4. Перечислите способы управления синхронными двигателями.

5. Перечислите достоинства и недостатки асинхронных двигателей с коро-

ткозамкнутым и фазным роторами.

6. Перечислите способы управления асинхронными двигателями.

7. Перечислите достоинства и недостатки управляемых двухфазных асинхронных двигателей с полым ротором.

8. Перечислите достоинства и недостатки электропривода с редуктором.

9. Какие условия должны выполняться при выборе передаточного отношения редуктора?

10. Каковы достоинства и недостатки бесконтактного двигателя постоянного тока с дискретным датчиком положения ротора?

11. Какие усилительно-преобразовательные устройства применяются для питания двигателей постоянного тока?

12. Какие усилительно-преобразовательные устройства применяются для питания синхронных двигателей?

13. В каких случаях применяются нереверсивные и реверсивные полупроводниковые  силовые ключи для питания фаз шагового двигателя?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14487. Внешнеполитические интересы США в АТР 28.8 KB
  Внешнеполитические интересы США в АТР Современная внешняя политика Соединенных Штатов сориентирована в двух основных направлениях – €œатлантическом€ Европейский регион и €œтихоокеанском€ АзиатскоТихоокеанский мегарегион. Параллельно с традиционными €œатлант...
14488. Столкновение интересов США и КНР на глобальном и региональном уровне 24.54 KB
  Столкновение интересов США и КНР на глобальном и региональном уровне. Китай и США являются великими державами современности. Каждая из этих стран стремится увеличить своё влияние как на глобальном уровне так и в различных регионах. РЕГИОНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ Существует 2 ...
14489. Концепция Большого Ближнего Востока во внешней политике США 16.96 KB
  Концепция Большого Ближнего Востока во внешней политике США Географически под Большим Ближним Востоком подразумевалась обширная территория государств с преобладающим мусульманским населением: от Марокко до Пакистана включительно и от Турции до Судана. Заявленная це
14490. Стратегия нового Шелкового пути: проблемы и перспективы 30.66 KB
  Стратегия нового Шелкового пути: проблемы и перспективы Инициатива Новый Шелковый путь о которой Клинтон впервые объявила в своём выступлении в Ченнаи в Индии 20 июля 2011года предусматривает создание сети торговых и транспортных коридоров которые будут проходить че...
14491. Политика США в Центральной Азии. Концепция «Шелкового пути» 16.27 KB
  Политика США в Центральной Азии. Концепция Шелкового пути. В начале 90х США стали пытаться обособить страны ННГ новых независимых госв от России путем развития государственности и переориентации на запад. С 94г. Начинается освоение ЦА нефтедобывающими компаниями
14492. Политика США в Западном полушарии. Интеграционные проекты США 17.91 KB
  Политика США в Западном полушарии. Интеграционные проекты США Сложно выделить в истории Соединённых Штатов Америки такой период когда бы они не проявляли геополитического интереса в отношении своих ближайших соседей – латиноамериканских государств. Выразителем го...
14493. Арктическая политика США (90-е гг. XX в. - 10 -е гг. XXI в.) 18.12 KB
  Арктическая политика США 90е гг. XX в. 10 е гг. XXI в. Интересы США в Арктике можно сгруппировать в несколько блоков. Вопервых – военностратегические в том числе: ПРО и раннее предупреждение; развертывание наземных и морских систем для стратегической переброски; страт
14494. Интересы ЕС в ЛА. Саммиты ЕС-ЛА. Политика ЕС – как фактор интеграции в регионе 21.53 KB
  Интересы ЕС в ЛА. Саммиты ЕСЛА. Политика ЕС – как фактор интеграции в регионе. Ибероамериканские саммиты. Основы трансрегионального сотрудничества ЛКА и ЕС Интересы: Динамичное развитие региональных интеграционных процессов. Углубление политического диалога ...
14495. Международные программы развития Африки и роль стран ЕС в развитии региона 17.82 KB
  Международные программы развития Африки и роль стран ЕС в развитии региона В период формирования Европейского союза европейские страны имевшие бывшие колонии за пределами Европы стремились сохранить свои особые отношения с ними. Таким образом возникла идея ассоциа...