Учебное пособие: Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального колледжа по специальности 140613 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

Салаватский индустриальный колледж

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников Салаватского индустриального колледжа

по специальности 140613

«Техническая эксплуатация и обслуживание электрического

и электромеханического оборудования»

2006

Содержание

Введение

Электрический привод (ЭП) представляет собой электромеханическую систему, обеспечивающую реализацию различных технологических и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, коммунальном хозяйстве и в быту с использованием механической энергии. Назначение ЭП состоит в обеспечении движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управлении этим движением. Другими словами, ЭП, являясь энергетической основой реализации технологических и производственных процессов, во многом определяет их качество, энергетические и технико-экономические показатели.

Расширение и усложнение выполняемых ЭП функций, использование в них новых элементов и устройств, все более широкое включение ЭП в системы автоматизации технологических процессов требуют высокого уровня подготовки специалистов, занимающихся их проектированием, монтажом, наладкой и эксплуатацией. Они должны хорошо разбираться в основных физических процессах, протекающих в ЭП, знать назначение, устройство, принцип действия, свойства и характеристики их компонент, разбираться в схемах управления ЭП и уметь выбирать их элементы, а также определять технико-экономические показатели работы ЭП.

Дисциплина «Электрический привод» предусматривает изучение классификации электроприводов; структурной схемы электропривода; физических процессов в электроприводах с машинами постоянного тока, асинхронными и синхронными машинами; принципов управления в электроприводе; элементов схем управления; основ автоматизированного электропривода; принципов автоматического управления электроприводами; типовых схем и узлов разомкнутых и замкнутых систем автоматического управления электроприводами; преобразовательных устройств.

Учебная дисциплина «Электрический привод» является специальной дисциплиной и базируется на знаниях, полученных студентами при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин «Теоретические основы электротехники», « Автоматика », «Электрические машины и аппараты», «Электронная техника», «Техническая механика», «Инженерная графика».

Методическое указание предназначено для студентов специальности № 140613 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования» , которые готовятся для работы в качестве техников. Объектами профессиональной деятельности техников являются технологические процессы по поддержанию технической исправности и работоспособности электрического и электромеханического оборудования, восстановлению его работоспособности, нарушенной во время эксплуатации, техническому перевооружению электрического и электромеханического оборудования до уровня перспективных требований.

В результате изучения учебной дисциплины студент должен:

иметь представление:

- о роли и месте учебной дисциплины в основной профессиональ­ной образовательной программе данной специальности и в сфере профессиональной деятельности техника;

- о структурном и функциональном составе ЭП;

- о применении ЭП в современном производстве;

знать:

- классификацию, назначение, характеристики элементов и всего ЭП;

- принцип работы ЭП;

- порядок расчета мощности, выбор электродвигателей и элементов схем управления;

- принципы автоматического управления ЭП;

уметь:

- читать и составлять типовые схемы управления ЭП;

- правильно выбирать электродвигатели для привода по мощности;

- управлять пуском и реверсом двигателя;

- объяснить принцип действия ЭП.

Рабочая программа рассчитана на 96 часов (из них 22 ч. лабораторных и практических занятий ).

Методические указания

При изучении учебной дисциплины необходимо постоянно обращать внимание на ее прикладной характер.

Освоение учебной дисциплины предполагает практическое осмысление ее разделов и тем на лабораторных и практических занятиях, в процессе которых студенты должны закрепить и углубить теоретические знания, приобрести необходимые умения.

В содержании учебной дисциплины по каждой теме приведены требования к формируемым представлениям, знаниям и умениям.

При изучении материала необходимо соблюдать единство терминологии и обозначений в соответствии с действующими стандартами.

Вначале необходимо проработать материал по разделам тематического плана и только после его усвоения следует перейти к расчетной и теоретической частям контрольной работы.

Изучение материала следует вести по приведенной литературе, тщатель­но конспектируя прорабатываемый материал.

Помните, что наличие хорошего конспекта со ссылками на литературу поможет успешно выполнить контрольную работу и сдать экзамен.

Изображение схем в конспекте облегчает их понимание и способствует запоминанию отдельных типовых узлов, которые часто повторяются во многих схемах. Приучайтесь, читая схему, выделять в ней функциональные узлы, т.е. такие "кусочки" схемы, которые состоят из нескольких элементов, повторяются в различных схемах, но служат одним и тем же целям.

Для успешного освоения учебного материала в процессе конспектирования пользуйтесь прилагаемым перечнем вопросов. При ответе на них легче усвоите математические выводы, формулы и схемы. Помните, что вопросы для самоконтроля не исключают необходимости тщательного анализа всего материала. Расчетные навыки получите при выполнении контрольной работы.

При выполнении контрольной работы необходимо помнить, что все расчеты должны быть подробными, четко выполненными с соответствующими пояснениями. В расчетах должны использоваться единицы физических величин международной системы "СИ.

Результаты расчетов следует анализировать с точки зрения реальности и соответствия их данной задаче.

Все ответы на вопросы должны быть краткими, четкими и в то же время исчерпывающими.

Все схемы должны выполняться карандашом по линейке с соблюдением всех условных обозначений согласно действующим ГОСТам (ГОСТ 2.105 и последующие).

Учебным планом предусмотрена сдача экзамена.

2 Программа учебной дисциплины

Тематический план

Содержание учебной дисциплины и методические указания

Введение

Краткое содержание учебной дисциплины. Связь с другими дисципли­ нами. Роль и место электропривода (ЭП) в производственном процессе и быту. Определения и понятия. Назначение и классификация ЭП. Структур­ная схема ЭП.

Методические указания

Данная тема является вводной и должна дать понятие о значимости данной дисциплины, о самоорганизации учебной деятельности студента в освоении электрического привода.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назовите характерные технологические процессы в промышленном производстве.

2. Приведите свои примеры рабочих машин и их исполнительных органов, реализующих технологические процессы и операции.

3. Каковы особенности функционирования исполнительных органов рабочих машин?

4. Охарактеризуйте механическое движение исполнительного органа рабочей машины.

5. Что такое момент или сила сопротивления?

6. Каковы преимущества электрического привода?

7. Дайте определение электрического привода и приведите примеры реализации его элементов.

8. Как классифицируются электрические приводы?

9. Назовите основные этапы развития электрического привода.

10. Чем характеризуется развитие современного электрического привода?

Литература: [1 ] ; [2 ]; [4 ].

Раздел 1 МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Тема 1.1 Статические и динамические нагрузки. Основное уравнение электропривода

Студент должен:

иметь представление:

– о видах нагрузок в ЭП;

– о видах движений ЭП при различных моментах;

знать:

–характеристики механизмов и электродвигателей (ЭД);

–основное уравнение движения ЭП.

Механическая часть электропривода (ЭП). Возможные направления пе­ редачи механической мощности в ЭП. Динамический момент и силы со­ противления. Момент инерции тела относительно оси вращения. Активные и реактивные моменты. Основное уравнение движения ЭП.

Методические указания

Механическое движение от вала двигателя к исполнительному органу передается с помощью механического передаточного устройства (МПУ, которое в общем случае включает в себя различные механические элементы – шестерни, канаты, валы, муфты сцепления, шкивы и т. д. Эти элементы вращаются или движутся поступательно с разной скоростью, имеют определенную жесткость и момент инерции (массу), а соединения между ними в общем случае содержат зазоры. Наличие этих свойств элементов МПУ вносит определенные искажения в процесс передачи движения от двигателя к исполнительному органу и требует соответствующего учета. Анализ механического движения осуществляется с помощью расчетных схем электропривода, получаемых по определенным правилам.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие элементы относятся к механической части ЭП?

2. Запишите уравнения, описывающие поступательное и вращательное движения механических элементов.

3. Какое движение называется установившимся и какое неустановившимся?

4. Поясните правило определения знаков моментов в уравнении движения.

5. Что такое динамический момент ЭП?

6. Что такое жесткость механической характеристики ?

7. Как с помощью механических характеристик двигателя и исполнительного органа определить скорость установившегося движения?

8. Как можно оценить устойчивость движения?

9. В каких случаях возникает неустановившееся движение ЭП?

10. Какова цель рассмотрения неустановившегося движения?

11. Какими уравнениями описывается неустановившееся движение?

12. От каких факторов может в общем случае зависеть динамический момент ЭП?,

13. Поясните физический смысл электромеханической постоянной времени и способ ее определения по кривым переходного процесса.

14. Назовите методы получения кривых переходного процесса при произвольном характере динамического момента ЭП.

Литература: [1 ] ; [2 ]; [4 ].

Тема 1.2 Приведение движения элементов электропривода к одной оси вращения

Студент должен:

знать:

- понятия: масса, инерция, маховый момент;

- назначение приведения статических моментов и моментов инер ции к валу электродвигателя;

уметь:

- выполнять операцию приведения;

объяснять особенности расчета приведенного момента нагрузки при различных направлениях потока энергии в механической части ЭП.

Масса, инерция, момент инерции. Операция приведения. Приведения статических моментов и моментов инерции к валу ЭД. Приведенный маховый момент.

Методические указания

Элементы механической части привода механически связаны друг с другом и образуют единую кинематическую цепь от двигателя к исполнительному органу. Каждый элемент имеет свою скорость движения и характеризуется моментом инерции или массой, а также совокупностью дейст­вующих на него моментов или сил. Движение любого элемента описывается уравнением, при использовании которых должно быть учтено взаимодействие этого элемента с остальной частью кинематической цепи, что удобно осуществлять путем приведения моментов и усилий, а также моментов инерции и масс. В результате выполнения этой операции приведения реальная кинематическая схема заменяется расчетной энергетически эквивалентной схемой, основу которой составляет тот элемент, движение которого рассматривается.

Приведение моментов и усилий, а также моментов инерции и масс может быть осуществлено к любому элементу механической части электропривода, но, как правило, этим элементом является вал электродвигателя. Это позволяет наиболее полно исследовать характер движения привода и режим его работы, точнее формировать законы движения. Зная параметры кинематической схемы, можно определить и вид движения исполнительного органа. В некоторых более редких случаях поступают наоборот, осуществляя приведение всех величин к исполнительному органу.

Вопросы для самоконтроля:

1. Для чего выполняется операция приведения?

2. Поясните особенности расчета приведенного момента нагрузки при различных направлениях потока энергии в механической части ЭП.

3. Чем обусловлено использование многомассовых расчетных схем ЭП?

Литература: [1 ] ; [2 ]; [4 ].

Раздел 2 ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тема 2.1 Режимы работы двигателя постоянного тока (ДПТ) и его характеристики

Студент должен:

знать:

- основные схемы включения ДПТ;

- допущения, принимаемые при выводе формул для характеристик ДПТ;

- виды и признаки энергетических режимов ДПТ;

уметь:

- различать естественные и искусственные характеристики;

- проводить испытания по анализу механических и электромеханических свойств ДПТ.

Режимы работы двигателя постоянного тока (ДПТ), основные схемы включения ДПТ. Электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при различных способах возбуждения.

Методические указания

В ЭП используются двигатели постоянного тока независимого (ДПТНВ), последовательного (ДПТПВ) и смешанного (ДПТСВ) возбуждения, а также двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые по своим характеристикам близки к ДПТНВ. Вывод уравнений для характеристик ДПТ осуществляется при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту.

В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде

U = E + IR (1)

E = k Ф ω (2)

М = k Ф I (3)

где r = r _я + r _д — полное сопротивление цепи якоря, Ом;

Ф — магнитный поток ДПТ, Вб;

ω — угловая скорость ро­тора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с;

k = pN /(2 π a ) —конструктивный коэффициент ДПТ;

р—чис­ло пар полюсов; N — число активных проводников обмотки якоря;

а — число параллельных ветвей обмотки якоря.

Подставляя (2) в (1), получаем формулу для элект ромеханической характеристики ДПТ

ω = (U – IR)/(k Ф ) (4)

Формула для механической характеристики ДПТ незави симого возбуждения получается из (4) заменой в нем то ка на момент по выражению (3)

ω = U /( k Ф)-М R /( k Ф)² (5)

Выражения (4) и (5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря R _д , магнитного потока Ф и напряжения U , подводимого к цепи якоря.

Энергетический режим работы двигателя зависит от ме ханических М, ω и электрических Е, I координат двигателя определяющих его механичес кую Р₂ = М ω и электромагнитную Р_эм = EI мощности.

Необходимо отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генера­торного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента — нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания – равенство нулю ЭДС и скорости двигателя.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие серии двигателей постоянного тока выпускаются электротехнической промышленностью?

2. Опишите основную схему включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

3. Какие допущения принимаются при выводе формул для характеристик двигателя постоянного тока?

4. Назовите виды и соответствующие признаки энергетических режимов двигателя.

5. Назовите основные способы регулирования координат ЭП с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

Литература: [1 ] ; [2 ]; [4 ].

Тема 2.2 Расчет и построение характеристик двигателя постоянного тока

Студент должен:

знать:

- понятия: относительные и именованные величины;

- основные соотношения параметров для ДПТ;

уметь:

-рассчитывать и строить механические характеристики ДПТ в от носительных единицах.

Основные соотношения параметров для ДПТ. Расчет и построение ме ханических характеристик ДПТ. Относительные величины. Характеристики ДПТ в относительных единицах.

Методические указания

Электромеханическая и механическая характеристики ДПТНВ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента.

Основной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является включение его обмотки возбуждения ОВ последовательно с обмоткой якоря, вследствие чего ток якоря одновременно является и током воз­буждения. Магнитный поток Ф и ток I якоря связаны между собой кривой намагничивания. В общем случае эта кривая не имеет точного аналитического выраже­ния, поэтому нельзя получить и точных выражений для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. Тем не менее, можно представить эту кривую с помощью какого-либо приближенного аналитического вы­ражения, что позволит проанализировать вид характеристик ДПТ по­следовательного возбуждения.

Для графического изображения характеристик ДПТ последователь­ного возбуждения необходимо отметить следующие положения:

1. При I → 0, M → 0, ω → ∞, т. е. ось скорости является, вертикальной асимптотой для характеристик ДПТ последовательного возбуждения.

2. При I → ∞, M → ∞, ω → — R /( ka ), т, е. прямая с ординатой ω_а = — R /( ka ) является горизонтальной асимптотой характеристик ДПТ.

3. Зависимости ω( I ) и ω( M ) имеют гиперболический характер.

Для получения реальных естест­венных характеристик ДПТ после­довательного возбуждения в практических расчетах используются так называемые универсальные характеристики ДПТ последовательного воз­буждения. Эти характеристики представляют собой зависимости относи­тельных значений скорости ДПТ ω_* = ω/ω _ном и момента M _* = M / M _ном от относительного тока I _* = I / I _ном .

Двигатель смешанного возбуждения, имея две обмотки возбужде­ния, сочетает в себе свойства как ДПТ независимого возбуждения, так и ДПТ последовательного возбуждения.

Вопросы для самоконтроля:

1 В чем особенности схемы включения и характеристик ДПТНВ?

2. Что такое универсальные характеристики двигателей постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения?

3. В чем особенности схемы включения и характеристик ДПТПВ?

4. В чем особенности схемы включения и характеристик ДПТСВ?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 2.3 Пуск, торможение и реверс двигателя постоянного тока

Студент должен:

знать:

– процессы, происходящие в ДПТ при пуске, торможении и ревер се;

– влияние добавочных резисторов в цепи якоря на величины тока и момента;

– – способы торможения ДПТ;

уметь:

– строить пусковую диаграмму ДПТ;

– рассчитывать и включать пусковой резистор в цепь якоря;

– составлять схему включения ДПТ для его пуска, торможения и реверса.

Пусковая диаграмма ДПТ. Изменение тока при пуске. Графоаналитический метод расчета пускового резистора. Динамическое торможение. Торможение противовключением. Выбор пусковых резисторов.

Методические указания

Для ограничения тока и момента при пуске в простей­шем случае используется одна искусственная характери­стика. Порядок пуска ДПТ следующий: внача­ле он начинает работать по характеристике пусковой при наличии в цепи якоря добавочного резистора R _Д1 . Далее при скоро­сти ω₁ резистор R _д1 , закорачивается и ДПТ переходит на естественную характеристику. Сопротивление резистора R _Д1 выбирается из условия обеспечения допустимого тока в начальный момент пуска

R _д1 = U / I _доп – R _я ,

где I _доп – допустимый ток,А.

Во многих случаях при пуске ДПТ используется не одна, а несколько искусственных характеристик. Их количество зависит от момента нагрузки электропривода и требований плавности переходных процессов.

Динамическое торможение ДПТ осуществляется отклю чением якоря от сети и замыканием его на резистор.

Для ДПТ последовательного возбуждения возможны два варианта тормозного режима: при его работе генератором последовательно с сетью (режим торможения противовключеиием) и независимо от сети (режим динамического торможения).

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое пусковая диаграмма и как она строится?

2. Назовите способы торможения ДПТПВ.

3. Каким образом осуществляется режим динамического торможения для ДПТ?

4. Сущность графо -аналитического метода расчета пусковых сопротивлений для ДПТ.

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 2.4 Регулирование скорости двигателя постоянного тока

Студент должен:

знать:

- способы регулирования скорости ДПТ, их достоинства и недостатки;

уметь:

– строить регулировочные характеристики ДПТ при различных способах регулирования скорости;

– рассчитывать регулировочные резисторы.

Способы регулирования скорости ДПТ. Регулирование скорости ДПТ

изменением напряжения, сопротивления цепи якоря и изменен ием потока

возбуждения. Расчет регулировочных резисторов. Импульсное регулирование.

Методические указания

Регулированием скорости является принудительное из менение скорости двигателя в целях регулирования скоро­ сти движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов. В общем случае регулирование скорости двигателей – а под этим понимается также и поддержание скорости на заданном уровне – может осуществляться двумя способами – параметрическим и в замкнутых системах.

При параметрическом способе регулирование достигается изменением каких-либо параметров электрических цепей двигателей или питающего напряжения за счет включения, например, различных дополнительных элементов: резисторов, конденсаторов, индуктивностей. Качество такого регулирования скорости обычно оказывается не очень высоким.

При необходимости получения процесса регулирования скорости с высокими качественными показателями перехо дят к замкнутым системам электропривода, в которых воз­действие на двигатель обычно осуществляется изменением подводимого к двигателю напряжения, или частоты этого напряжения, или того и другого. Для этой цели служат различные силовые преобразователи постоянного и переменного тока.

Регулирование скорости в количественном отношении характеризуется шестью основными показателями (диапазон регулирования, стабильность скорости, плавность регулирования скорости, направление регулирования скорости, допустимая нагрузка двигателя, экономичность регулирования скорости.)

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие координаты (переменные) ЭП регулируются при управлении движением исполнительного органа?

2. Какими способами может осуществляться регулирование координат ЭП?

3. Какими показателями оценивается регулирование скорости?

4. В каких случаях и каким образом регулируется момент двигателя?

5. В каких случаях возникает необходимость регулирования (ограничения) тока двигателя?

6. В чем сущность регулирования положения ЭП?

7. Поясните структурное построение ЭП.

8. Какие существуют принципы построения замкнутых ЭП?

9. Назовите виды обратных связей.

10. Что такое автоматизированный ЭП?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Раздел 3 ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Тема 3.1 Механические характеристики асинхронного двигателя (АД)

переменного тока

Студент должен:

знать:

- механические характеристики АД переменного тока для различ ных режимов работы;

- влияние активного сопротивления в цепи ротора и напряжения в
обмотке статора на механическую характеристику;

уметь:

- рассчитывать механические характеристики асинхронных двига телей в различных режимах работы, в том числе и по формуле Клосса

Механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя (АД). Двигательный и тормозной режимы. Формула Клосса. Упрощенный расчет механической характеристики АД по формуле Клосса.

Методические указания

Асинхронные двигатели (АД) являются в настоящее, время самым распространенным видом электродвигателя в промышленности и сельском хозяйстве. Это определяется рядом преимуществ АД по сравнению с другими видами двигателей: он более прост и надежен в эксплуатации, для его изготовления требуется меньше цветных металлов, он имеет меньшие массу, габариты и стоимость, чем двигатели постоянного тока.

Для получения выражений электромеханической и механической характеристик АД используется его схема замещения, на которой цепи статора и ротора представлены своими активными и индуктивными сопротивлениями. Особенность схемы замещения АД состоит в том, что в ней ток, ЭДС и параметры цепи ротора пересчитаны (приведены) к цепи статора, что и позволяет изобразить эти две цепи на схеме соединенными электрически, хотя в действительности связь между ними осуществляется через электромагнитное поле.

В отличие от двигателя постоянного тока электромеханическая характеристика АД представляется в виде зависимости тока ротора от скольжения, а не от скорости  , что является особенностью этих двигателей. Для построения электромеханической характеристики АД используются характерные точки этой зависимости и ее асимптоты, придавая скольжению s и скорости  различные значения в пределах ±бесконечность.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие серии АД выпускаются электротехнической промышленностью?

2. Что такое схема замещения АД?

3. В каких энергетических режимах может работать АД?

4. Какими способами можно получить искусственные механические характеристики АД?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 3.2 Пуск, торможение и реверс асинхронного двигателя

переменного тока

Студент должен:

знать:

– пусковые свойства АД;

– основные точки пусковой диаграммы АД с фазным ротором ;

– способы торможения АД;

– схемы включения для различного вида торможения и реверса

Проблемы пуска АД. Пусковая диаграмма для АД с фазным ротором. Расчет пусковых резисторов в цепи статора. Торможение АД противовключением. Динамическое и рекуперативное торможения АД. Реверс АД.

Методические указания

Включение добавочных резисторов R_2д в цепь ротора применяется как с целью регулирования тока и момента АД с фазным ротором, так и для регулирования его скорости.

Задача по расчету резисторов в цепях статора и ротора обычно формулируется следующим образом: известны паспортные данные двигателя; требуется рассчитать сопротивление добавочных резисторов в цепях ротора или статора, при включении которых искусственные характеристики пройдут соответственно через точки с координатами ( и, Iи) или ( _и , М_и ). Расположение характеристик обычно задается по соображениям получения требуемых (допустимых) значений пусковых тока или момента АД. Торможение АД можно осуществить при питании его от сети переменного тока путем подключения цепи статора к источнику постоянного тока (динамическое торможение), а также при его самовозбуждении.

При включении АД по основной схеме возможно торможение противовключением и рекуперативное торможение.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какими способами осуществляется торможение АД в его основной схеме включения?

2. Что такое динамическое торможение АД?

3.Каким образом строиться пусковая диаграмма АД?

4. Что такое рекуперативное торможение АД?

5. Перечислите пусковые свойства АД.

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 3.3 Регулирование скорости асинхронного двигателя

переменного тока

Студент должен:

знать:

– способы регулирования скорости АД;

– механические характеристики АД при различных способах регу- лирования скорости;

– области использования и особенности работы однофазного АД;

– разновидности АД;

уметь:

– объяснять принцип экономичности АД;

– объяснять принцип получения различного числа пар полюсов многоскоростного АД;

– объяснять сущность импульсного способа регулирования коор динат ЭП с АД;

– объяснять работу линейного АД;

– выполнять расчет и составлять схему включения добавочных ре зисторов в цепь статора и ротора.

Регулирование скорости АД изменением сопротивления в цепи ротора, напряжения на статоре, частоты питающего напряжения, числа пар полюсов, включением резисторов и дросселей в цепь статора. Принцип регулирования экономичности АД. Импульсное регулирование координат ЭП.

Разновидности и области применения однофазных АД. Особенности применения линейных АД.

Методические указания

Частотный способ регулирования скорости широко используется для качественного регулирования в первую очередь скорости АД и широко применяется в настоящее время. Принцип его заключается в том, что изменяя частоту f питающего АД напряжения, можно изменять его скорость, получая различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а получаемые при этом характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: регулирование скорости АД в этом случае не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности оказываются небольшими.

Изменение числа полюсов АД достигается, когда на ста­торе АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полю­сов p ₁ и р₂ .

Один из распространенных способов регулирования ско­рости, тока и момента АД с фазным ротором связан с вве­дением и изменением дополнительных резисторов в цепи его ротора.

В последние годы для регулирования координат АД ши­рокое применение нашел импульсный способ. Сущность его заключается в периодическом (импульсном) изменении какого-либо параметра цепей АД или питающей сети. При­менительно к АД чаще всего осуществляется импульсное изменение подводимого к АД напряжения или сопротивле­ний резисторов в цепях ротора или статора.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие достоинства и недостатки имеет способ регулирования координат АД с помощью резисторов?

2. Какие возможности по управлению АД обеспечивает регулирование напряжения на его статоре?

3. В чем состоит принцип регулирования экономичности АД?

4. Почему при частотном способе регулирования происходит также и изменение подводимого к АД напряжения?

5.Какие типы ПЧ вы знаете?

6. Поясните принцип получения различного числа пар полюсов многоскоростного АД.

7. В чем сущность импульсного способа регулирования координат ЭП с АД?

8. Каковы области использования однофазных АД?

9. В чем состоят основные особенности работы однофазного АД?

10. Назовите основные виды однофазных АД.

11. Что такое линейный АД и каковы рациональные области его применения?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 3.4 Электропривод с синхронным двигателем переменного тока

Студент должен

знать:

– достоинства синхронного двигателя (СД);

– схему включения, статические характеристики и режимы работы
СД;

– особенности пуска, регулирование скорости и торможение СД;

– области применения и особенности работы ЭП с вентильным и шаговым двигателями.

Статические характеристики и режимы работы СД. Пуск, регулирова ние скорости и торможение СД. СД как компенсатор реактивной мощно сти. U -образные характеристики. ЭП с вентильным двигателем. Вентельно-индуктивный ЭП.

Методические указания

Один из эффективных способов компенсации реактив­ ной мощности связан с использованием СД, который за счет регулирования тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опережающим cos φ. Возмож­ность работы СД в качестве компенсатора реактивной мощ­ности иллюстрируют U -образные характеристики СД.

Синхронный двигатель может работать во всех основных энергетических режимах, а именно: двигательном и генера­ торном при параллельной и последовательной работе с сетью и независимо от сети. При этом режим генератора последовательно с сетью (торможение противовключением) используется редко из-за того, что перевод СД в этот ре­ жим сопровождается значительными бросками тока и тре­ бует применения сложных схем управления. Для осуществления торможения СД чаще используется генераторный режим при работе независимо от сети пере менного тока (режим динамического торможения). Для ре­ ализации этого режима обмотка статора СД отключается от сети и замыкается на дополнительный резистор R _1Д.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие достоинства присущи СД?

2. Что такое угловая характеристика СД?

3. В чем состоят особенности пуска СД?

4. Как включается обмотка возбуждения СД при пуске?

5. Как ограничиваются токи при пуске СД?

6. Что такое U-образные характеристики СД?

7. Как с помощью СД можно компенсировать реактивную мощность в питающей сети?

8. Каким образом происходит регулирование тока возбуждения СД?

9. В чем особенности переходных процессов в ЭП с СД?

10. Что такое вентильный двигатель?

11. Какие коммутаторы используются в ВД?

12. Поясните принцип действия шагового двигателя.

13. Какова схема управления ШД?

14. Назовите виды ШД и их особенности.

15. Назовите особенности вентильного ЭП с индукторным двигателем.

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Раздел 4 ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Тема 4.1 Потери мощности и энергии в электроприводе

Студент должен:

знать:

– энергетические показатели ЭП;

– потери мощности и энергии в переходных режимах ЭП;

– пути повышения КПД ЭП.

Переходные режимы ЭП. Энергетические показатели ЭП. Потери энер­гии при пуске, реверсе и торможении ЭД. Влияние нагрузки на потери, ко­эффициент полезного действия и мощности ЭП. Способы снижения потерь энергии в ЭП в переходных режимах.

Методические указания

К основным энергетическим показателям работы электроприводов относятся потери мощности, энергии, КПД и коэффициент мощности ( cos φ). В связи с появлением вентильного регулируемого электропри вода при оценке энергетических показателей также используется так называемый коэффициент искажения, который определяет степень отличия переменных величин (тока и напряжения) от синусоидальной формы.

Энергетические показатели электропривода существенно зависят от режима его работы, характера изменения момента нагрузки и способов регулирования координат. Обычно определение энергетических показателей рассматривается отдельно для нерегулируемого и регулируемого электроприводов при их работе в установившемся и переходном режимах, что позволяет полнее учесть их особенности для отдельных типов электроприводов.

В общем случае мощность потерь в нерегулируемом электроприводе складывается из мощности потерь в эле ментах электропривода, в том числе в двигателе и механи ческой передаче от вала двигателя к исполнительному органу рабочей машины.

Потери мощности в механической передаче ∆Р_мех оп ределяются главным образом трением в движущихся час тях и существенно зависят от передаваемого момента.

Под постоянными потерями подразумеваются потери мощности, не зависящие от токов двигателя и определяе мые его нагрузкой. К ним относятся потери в стали, магни топроводе, механические потери от трения в подшипниках и вентиляционные потери. Для СД, а также для ДПТ неза висимого возбуждения к постоянным потерям могут быть отнесены потери в обмотках возбуждения.

Строго говоря, постоянные потери в действительности не являются неизменными, а зависят от скорости двигате ля, амплитуды и частоты питающего двигатель напряже ния. Однако поскольку постоянные потери изменяются незначительно, они обычно принимаются неизменными и рав ными номинальным постоянным потерям.

Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в меди обмоток двигателей при протекании по ним изменя ющегося в общем случае тока нагрузки.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назовите энергетические показатели ЭП.

2. Что входит в состав постоянных и переменных потерь мощности?

3. Как связаны между собой потери мощности и энергии?

4. Почему расчет потерь мощности и энергии в якоре ДПТ и роторе АД может быть выполнен по одной формуле?

5. Как упрощенно учитывается нагрузка ЭП при расчете потерь энергии в переходных процессах?

6. Что дает применение задатчика интенсивности в системе П-Д с точки зрения снижения потерь энергии?

7. Что такое средневзвешенный КПД?

8. Каким образом можно повысить КПД ЭП?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 4.2 Переходные процессы в электроприводе

Студент должен:

знать:

– особенности переходных процессов в разомкнутой системе «преобразователь - двигатель»;

– особенности переходных процессов в АД;

– методы расчета переходного процесса;

уметь:

– рассчитывать время пуска и торможения ЭД;

– оценивать постоянную времени ЭД;

– использовать ЭВМ для расчета переходного процесса.

Переходные процессы в системе «преобразователь-двигатель» Особен ности переходных процессов в АД и их нормирование.

Определение времени пуска и торможения ЭД. Уравнение переходного процесса. Постоянная времени. Методы расчета переходного процесса. Расчет переходного процесса с помощью ЭВМ. Способы снижения потерь электроэнергии в переходных процессах.

Методические указания

Эффективным средством формирования переходных процессов с заданным качеством является принцип подчиненного регулирования координат электропривода. Его сущность состоит в том, что для регу­лирования каждой координаты электропривода используется отдельный регулятор и соответствующая жесткая отрицательная обратная связь. Контуры регулирования координат образуют при этом концентрическую систему, в которой каждый внутренний контур управ­ляется сигналом от внешнего контура, т. е. является подчиненным по отношению к нему. Такое построение позволяет произвести оптимальную настройку с заданным качеством каждого контура и одновременно под­чинить работу всех внутренних контуров регулированию основной вы­ходной координаты системы.

В общем случае настройка контуров и выбор параметров регуля­торов координат производятся по техническому (модульному) или сим­метричному оптимуму. Такая настройка в электроприводе обеспечивает астатическое регу­лирование координат и высокое быстродействие при отработке возму­щающих воздействий, но переходные процессы при скачкообразных из­менениях управляющих воздействий происходят с большим перерегу­лированием, доходящим до 55 %.

В системах автоматизированного электропривода постоянного и пе­ременного тока в общем случае осуществляется регулирование тока, момента, напряжения, ЭДС, магнитного потока, скорости и положения, как по техническому, так и по симметричному оптимумам. Здесь рас­сматриваются принципы построения и расчета электропривода по си­стеме тиристорный преобразователь — ДПТ независимого возбуждения (ТП—ДПТ НВ), в котором осуществляется регулирование скорости по принципу подчиненного регулирования с настройкой контуров на тех­нический оптимум.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем цель и сущность формирования статических и динамических ха­рактеристик ЭП?

2. В чем основная особенность переходных процессов в асинхронном ЭП?

3. Какими путями достигается формирование переходных процессов в асин­хронном ЭП?

4. В чем особенности переходных процессов в ЭП с СД?

5. Какие существуют способы снижения потерь энергии в переходных процессах ЭП?

6. Какие методы расчета переходного процесса существуют?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 4.3 Выбор двигателя для электропривода

Студент должен:

знать:

– требования к выбору ЭД;

– классы нагревостойкости изоляции;

– режимы работы ЭД по нагреву.

Факторы, определяющие систему электропривода. Выбор электродвигателя по роду тока, способу возбуждений, напряжению, степени защиты от влияния внешней среды и др. Уравнения нагревания и охлаждения. Классы нагревостойкости и изоляции. Длительный, повторно-кратковременный и кратковременный режим работы: нагрузочная диаграмма, выбор мощности электродвигателя. Проверка на перегрузочную способность.

Методические указания

Выбор электродвигателей для работы в системах автоматизирован­ ного электропривода представляет собой важную и сложную задачу. От того, насколько правильно она будет решена, зависят технико-экономические показатели работы системы рабочая машина – электропривод.

Основным требованием при выборе электродвигателя является со­ответствие его мощности условиям технологического процесса рабочей машины. Применение двигателя недостаточной мощности может при­вести к нарушению заданного цикла, снижению производительности ра­бочей машины. При недостаточной мощности двигателя будут иметь место также его повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и выход двигателя из строя, что вызовет прекращение работы машины и экономические потери.

Недопустимым является также использование двигателей завышен­ ной мощности, так как при этом не только повышается первоначальная стоимость электропривода, но увеличиваются и потери энергии за счет снижения КПД двигателя, а для асинхронного электропривода, кроме того, снижается коэффициент мощности.

При выборе электродвигателя должно проверяться также его соот­ ветствие условиям пуска рабочей машины и возможных перегрузок.

Выбор электродвигателя производится обычно в следующей после­довательности:

1) расчет мощности и предварительный выбор двигателя;

2) проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;

3) проверка выбранного двигателя по нагреву.

Если выбранный в п. 1 двигатель удовлетворяет условиям провер­ ки по пп. 2 и 3, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет условиям п. 2 или 3, то выбира­ется другой двигатель (как правило, большей мощности) и проверка повторяется.

Следует отметить, что проверка двигателя по нагреву выполняется не только при выборе вновь проектируемого электропривода, но и для работающих двигателей для определения их загрузки и теплового режима.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается задача выбора двигателя?

2. На основании каких исходных данных производится расчет мощности двигателя?

3. Что такое нагрузочная диаграмма двигателя?

4. В чем сущность проверки двигателя по перегрузке и условиям пуска?

5. В чем сущность проверки двигателя по нагреву?

6. На чем основывается прямой метод проверки двигателя по нагреву?

7. Что такое метод средних потерь?

8. В чем сущность методов эквивалентных величин?

9. В каких основных режимах может работать двигатель и чем они харак­теризуются?

10. Каким образом производится проверка по нагреву силовых резисторов в цепях двигателей?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Раздел 5 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Тема 5.1. Разомкнутые системы электропривода

Студент должен:

знать:

– конструкцию, технические характеристики и принцип действия электроаппаратуры, применяемой для управления разомкнутой системой ЭП;

– принципы тиристорного управления ЭП;

уметь:

– практически различать элементы управления разомкнутой системы ЭП;

– собирать схемы управления разомкнутой системой ЭП.

Аппараты, работающие в силовых цепях ЭП. Пуск и торможение ЭД в функции различных параметров. Принцип тиристорного управления ЭП. Типовые узлы и схемы управления разомкнутой системой ЭП.

Методические указания

Электрическая схема автоматизированного электропривода содержит множество отдельных элементов, связанных между со­бой проводами, кабелями и шинами. При составлении и чтении электрических схем необходимо пользоваться ГОСТами. Не­смотря на многообразие типов, элементы электрических схем (обмотки двигателей, катушки, контакты аппаратов и др.) имеют много общего, поэтому для их изображения на схемах необходимо относительно небольшое количество условных обозначений. Контакты аппаратов изображаются на схемах в обесточенном со­стоянии аппаратов, например контакты электромагнитных реле и контакторов — при обесточенной катушке, контакты кнопок — при отсутствии нажатия на кнопку и т.д. Контакты электрических аппаратов подразделяются на замыкающие и размыкающие. При включении аппарата, т.е. при прохождении тока по катушке, контакты меняют свое положение на противоположное.

Цепи в электрических схемах подразделяются на силовые и цепи управления. К силовым относятся цепи статоров, роторов и якорей электрических машин. На схемах силовые цепи изобра­жаются утолщенными линиями, а цепи управления, в которые включаются катушки и контакты контакторов и реле, контакты путевых выключателей и кнопочных станций, элементы защиты и сигнализации, — тонкими линиями.

К разомкнутым относятся электрические схемы, в которых для управления ЭП не используются обратные связи по его координатам или технологическим параметрам приводимых в движение рабочей машины или производственного механизма. Эти схемы, отличаясь простотой своей реализации, широко применяется там, где не требуется высокое качество управления движением ЭП, например, для пуска, реверса и торможения двигателей.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие функции выполняют в основном разомкнутые схемы управления ЭП?

2. По каким принципам строятся разомкнутые схемы управления пуском, реверсом и торможением двигателей?

3. Перечислите и поясните действие аппаратов ручного управления.

4. Перечислите и опишите принцип действия аппаратов дистанционного управления.

5. Перечислите и поясните действие датчиков координат ЭП.

6. Какие виды защит используются в схемах управления ЭП?

7. С помощью каких аппаратов реализуются различные виды защит в ЭП?

8. Назовите типичные блокировки, применяемые в схемах управления ЭП.

9. Какие типовые операции по преобразованию электрических сигналов выполняют бесконтактные логические элементы?

10. Какие виды силовых резисторов применяются в схемах ЭП?

11. Какие виды тормозных устройств применяются в ЭП?

12. Поясните принцип действия электрогидравлического толкателя.

13. Проверьте свое понимание работы релейно-контакторных схем управления при наличии в них неисправностей (например, обрыв цепей катушек контакторов и реле, приваривание их контактов, перегорание предохранителей и др.)

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

Тема 5.2. Замкнутые системы электропривода. Преобразовательные устройства

Студент должен:

иметь представление:

– о комплектных и интегрированных ЭП;

знать:

– преимущества замкнутых систем ЭП;

– назначение обратных связей в схеме управления замкнутой системой;

– принципы статического преобразования с помощью тиристоров:

уметь:

– проводить анализ схемы управления замкнутой системой ЭП;

– объяснять работу тиристорных преобразователей.

Достоинства замкнутой системы. Роль и виды обратных связей в систе­ме электропривода. Главная обратная связь. Регулирование тока и момента. Тиристорные силовые преобразователи. Следящий электропривод. Микро­процессорные средства программного управления электродвигателем.

Комплектные и интегрированные ЭП.

Методические указания

Замкнутые структуры ЭП строятся по принципу компенсации внешних возмущений и принципу отклонения, называемому также принципом обратной связи.

Современные замкнутые системы управления ЭП реализуются, как правило, на основе полупроводниковых элементов и устройств, отличающихся при правильном их выборе и использовании широкими функциональными возможностями управления, автоматизации и диагностики, надежностью в эксплуатации, высоким КПД и относительно невысокой стоимостью. В то же время подключение элементов ЭП к источникам питания, некоторые виды защит и сигнализации осуществляются в этих системах с помощью рассмотренных выше электрических аппаратов с ручным и электромагнитным управлением.

Силовая часть замкнутых ЭП реализуется на основе того или иного преобразователя - выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора напряжения постоянного или переменного тока. В этих преобразователях используются диоды, тиристоры, транзисторы и различные модули (интегрированные устройства) на их основе.

Принципиальные электрические схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например монтажных схем и чертежей, схем внешних соединений и т.п. По форме исполнения различают принципиальные электрические совмещенные (свернутые) и развернутые схемы. На совмещенных электрических схемах приборы и аппараты изображают в со­бранном виде, т.е. обозначение элементов, входящих в комплект аппарата (катушки, контакты), размещают внутри условного изображения прибора с маркировкой выходных зажимов соглас­но заводской инструкции или данным каталога. Совмещенные электрические принципиальные схемы применяют для изобра­жения принципа действия сложных регулирующих устройств, ин­формационных или вычислительных управляющих машин и др. При составлении принципиальных электрических схем в развер­нутом виде изображения приборов и аппаратов разъединяют на составные элементы, которые связывают друг с другом, в резуль­тате чего образуются отдельные электрические цепи. В целом схема состоит из ряда электрических цепей, распо­ложенных горизонтально или вертикально. Желательно распола­гать электрические цепи в соответствии с последовательностью действий отдельных элементов во времени, так как в этих схемах используют развернутые изображения отдельных элементов ап­паратов. При вычерчивании принципиальных электрических схем применяют условные графические изображения в соответствии с действующими стандартами.

Каждый элемент схемы должен иметь буквенно-цифровое обозначение. Все элементы одного и того же аппарата в принци­пиальной схеме обозначаются одинаково. Если таких аппаратов в схеме несколько, то после буквенного обозначения ставится цифра. Переключатели, которые не имеют отключенного со­стояния, изображают на схеме в одном из положений, принятом за исходное. Для обозначения положения контактов, ключей и переключателей управления, программных реле и других мно­гопозиционных аппаратов и устройств используют специальные диаграммы, характеризующие состояние контактов при различ­ных положениях аппаратов.

Вопросы для самоконтроля:

1. В каких случаях требуется создание замкнутых схем ЭП?

2. Какова структура силовой части большинства замкнутых ЭП?

3. Какие функциональные аналоговые элементы управления применяются в замкнутых ЭП?

4. Что такое операционный усилитель?

5. Какие функциональные преобразования и за счет чего может осуществлять операционный усилитель?

6. Какие функциональные цифровые элементы управления применяются в замкнутых ЭП?

7. Кратко охарактеризуйте наиболее распространенные цифровые узлы.

8. Что такое двоичный, восьмеричный и шестнадцатеричный цифровые коды?

9. Какие датчики координат применяются в замкнутых ЭП?

10. Что такое микропроцессор, микроЭВМ и микропроцессорная система?

11. Какой ЭП называется комплектным?

12. Приведите примеры комплектных ЭП и серийных замкнутых ЭП постоянного и переменного тока.

13. Какой ЭП называется следящим?

14. Как работает ЭП с программным управлением?

15. В чем особенности работы ЭП с ЧПУ?

16. Какое управление ЭП называется адаптивным?

Литература: [ 1 ] ; [ 2 ] ; [ 4 ] .

3 Перечень лабораторных и практических работ

4 Задания для контрольной работы

Контрольная работа – это отчет студента заочника о проделанной работе по изучению программы дисциплины «Электрический привод».

Учебный материал состоит из пяти разделов. Студенту необходимо выполнить одну контрольную работу в срок, установленный учебным планом.

Контрольная работа №1 включает в себя 4 задания. Номер Вашего варианта совпадает с номером в учебном журнале .

Контрольная работа №1

Задание 1

Для двигателя постоянного тока построить естественную и искусственную механические характеристики.

Данные для решения задачи, в соответствии с вариантом, приведены в таблице1.1.

Таблица 1.1 – Исходные данные для задания 1

Продолжение таблицы 1.1

Задание 2

Построить естественную и искусственную механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором типа МТН.

Данные для решения задачи, в соответствии с вариантом, приведены в таблице1.2.

Таблица 1.2 – Исходные данные для задания 2

Продолжение таблицы 1.2

Примечание: 1) С 1-ого варианта по 12-ый - продолжительность включения – 25%, с 13-ого по 24-ый – 40%, с 25-ого по 32-ой –60%.

2) Добавочное сопротивление в цепи ротора для получения искусственной характеристики – 0,5 Ом для всех вариантов.

Задание 3

Рассчитать и построить графики переходных процессов (пуск двигателя), если Мст=0,8*Мном., т.е. постоянная, момент инерции механизма равен моменту инерции ротора двигателя.

Данные для решения задачи, в соответствии с вариантом, приведены в таблице1.3.

Таблица 1.3 – Исходные данные для задания 3.

Продолжение таблицы 1.3