На рис. 3.6.1 приведена схема реостатного пуска (рис. 3.6.1а) и механические характеристики (рис 3.6.1б) при этом пуске.

Рис. 3.6.1

В момент пуска в ход (рис. 3.6.1 а) в цепь ротора введен полностью пусковой реостат (R_пуск3 = R_пуск1 + R_пуск2), для чего контакты реле к₁ и к₂ разомкнуты. При этом двигатель будет запускаться по характеристике 3 (рис. 3.6.1 б) под действием пускового момента М_пуск. При заданной нагрузке на валу и введенном реостате R_пуск3 разгон закончится в точке А. Для дальнейшего разгона двигателя нужно замкнуть контакты к₁, при этом сопротивление пускового реостата снизится до R_пуск2 и разгон будет продолжаться по характеристике 2 до точки В. При замыкании контактов к₂, пусковой реостат будет полностью выведен (R_пуск=0) и окончательный разгон двигателя будет продолжаться по его естественной механической характеристике 1 и закончится в точке С.

Критическое скольжение равно:

для естественной характеристики ;

для искусственной характеристики .

Пусковой момент для искусственной характеристики можно рассчитать по формуле Клосса

.

Задаваясь необходимой величиной пускового момента, можно вычислить S_кр3 и величину пускового сопротивления

3.7 Использование двигателей с улучшенными пусковыми свойствами

Стремление совместить достоинства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (высокая надежность) и фазным ротором (большой пусковой момент) привело к созданию этих двигателей. Они имеют короткозамкнутую обмотку ротора специальной конструкцией. Различают двигатели с обмоткой ротора в виде двойной «беличьей клетки» (рис. 3.7.1а) и с глубоким пазом (рис. 3.7.1б).

Рис. 3.7.1

На рис. 3.7.1 показаны конструкции ротора двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

У двигателя с двойной «беличьей клеткой» на роторе закладывается две короткозамкнутые обмотки. Обмотка 1 выполняет роль пусковой, а обмотка 2 является рабочей. Для получения повышенного пускового момента пусковая обмотка должна обладать большим активным сопротивлением, чем рабочая обмотка. Поэтому обмотка 1 выполняется из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь), чем обмотка 2 (медь). Сечение проводников, образующих пусковую обмотку, меньше, чем у рабочей обмотки. За счет этого повышается активное сопротивление пусковой обмотки.

Рабочая обмотка, расположенная глубже, охватывается большим магнитным потоком, чем пусковая. Поэтому индуктивное сопротивление рабочей обмотки значительно больше, чем пусковой. За счет этого в момент пуска в ход, когда частота тока ротора имеет наибольшее значение, ток в рабочей обмотке, как следует из закона Ома, будет небольшим и в создании пускового момента будет участвовать в основном пусковая обмотка, имеющая большое активное сопротивление. По мере разгона двигателя частота тока ротора падает, уменьшается и индуктивное сопротивление обмоток ротора, это приводит к увеличению тока в рабочей обмотке, за счет этого в создании вращающего момента будет участвовать, в основном, рабочая обмотка. Т.к. она обладает малым активным сопротивлением, естественная механическая характеристика двигателя будет жесткой.

Аналогичная картина наблюдается у двигателя с глубоким пазом (рис. 3.7.1 б). Глубокий стержень обмотки (1) можно представить в виде нескольких проводников, расположенных по высоте паза. За счет высокой частоты тока в обмотке ротора в момент пуска в ход происходит «вытеснение тока к поверхности проводника». За счет этого в создании пускового момента участвует только верхний слой проводников обмотки ротора. Сечение верхнего слоя значительно меньше сечения всего проводника. Поэтому при пуске в ход обмотка ротора обладает повышенным активным сопротивлением, двигатель развивает повышенный пусковой момент. По мере разгона двигателя плотность тока по сечению проводников обмотки ротора выравнивается, сопротивление обмотки ротора снижается.

В целом эти двигатели имеют жесткие механические характеристики, повышенный пусковой момент и меньшую кратность пускового тока, чем двигатели с короткозамкнутым ротором обычной конструкцией.

3.7.1 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

При работе многих механизмов, приводящихся во вращение асинхронными двигателями, в соответствии с технологическими требованиями возникает необходимость регулировать скорость вращения этих механизмов. Способы регулирования частоты (скорости) вращения асинхронных двигателей раскрывает соотношение:

.

Отсюда следует, что при заданной нагрузке на валу частоту вращения ротора можно регулировать:

1. изменением скольжения;

2. изменением числа пар полюсов;

3. изменением частоты источника питания.

3.7.1.1 Изменение скольжения

Этот способ используют в приводе тех механизмов, где установлены асинхронные двигатели с фазным ротором. Например, в приводе подъемно-транспортных машин. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления ротора не влияет на величину критического момента, но увеличивает критическое скольжение (рис. 3.7.2).

На рис. 3.7.2 приведены механические характеристики асинхронного двигателя при разных сопротивлениях регулировочного реостата R_р3>R_р2>0, R_р1=0.

Рис. 3.7.2

Как следует из рис. 3.7.2 при этом способе можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Основные недостатки этого способа:

1. Из-за больших потерь на регулировочном реостате снижается коэффициент полезного действия, т.е. способ неэкономичный.

2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с увеличением активного сопротивления ротора становится мягче, т.е. снижается устойчивость работы двигателя.

3. Невозможно плавно регулировать частоту вращения.

Из-за перечисленных недостатков этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.

3.7.1.2 Изменение числа пар полюсов

Эти двигатели (многоскоростные) имеют более сложную обмотку статора, позволяющую изменять ее число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. При работе асинхронного двигателя необходимо, чтобы обмотки ротора и статора имели одинаковое число пар полюсов. Только короткозамкнутый ротор способен автоматически приобретать то же число пар полюсов, что и поле статора. Многоскоростные двигатели нашли широкое применение в приводе металлорежущих станков. Нашли применение двух, трех и четырех скоростные двигатели.

На рис. 3.7.3 показана схема соединения и магнитное поле статора двигателя при последовательном (б) и параллельном (а) соединении полуобмоток.

Рис. 3.7.3

У двухскоростного двигателя обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Включая их последовательно или параллельно можно в 2 раза изменять число пар полюсов.

У четырехскоростного двигателя на статоре должно размещаться две независимые обмотки с разным числом пар полюсов. Каждая из обмоток позволяет в два раза изменять число пар полюсов. Например, у двигателя, работающего от сети c частотой f=50 Гц, со следующими частотами вращения 3000/1500/1000/500 [об/мин] с помощью одной из обмоток статора можно получить частоту вращения 3000 об/мин и 1500 об/мин (при этом р=1 и р=2). С помощью другой из обмоток можно получить частоту вращения 1000 об/мин и 500 об/мин (при этом р=3 и р=6)..

При переключении числа пар полюсов изменяется и магнитный поток в зазоре, что приводит к изменению критического момента М_кр (рис. 3.7.4 б). Если при изменении числа пар полюсов одновременно изменять и подведенное напряжение, то критический момент может остаться неизменным (рис. 3.7.4 а). Поэтому при этом способе регулирования могут быть получены два вида семейства механических характеристик (рис. 3.7.4).

Достоинства этого способа регулирования: сохранение жесткости механических характеристик, высокий К.П.Д. Недостатки: ступенчатое регулирование, большие габариты и большая стоимость двигателя.

Рис. 3.7.4

3.7.1.3 Изменение частоты источника питания

В качестве таких источников питания в настоящее время начали находить применение преобразователи частоты (ПЧ), выполняемые на мощных полупроводниковых приборах - тиристорах. Из уравнения трансформаторной ЭДС U₁ = 4,44 w₁ k₁ f Ф следует, что для сохранения неизменным магнитного потока, т.е. для сохранения перегрузочной способности двигателя, необходимо вместе с частотой изменять и действующее значение подведенного напряжения. При выполнении соотношения , критический момент не изменяется и получается семейство механически характеристик, представленное на рис. 3.7.5.

Рис. 3.7.5

На рис. 3.7.5 приведены механические характеристики при частотном регулировании.

Достоинства этого способа: плавное регулирование, возможность повышать и понижать частоту вращения, сохранение жесткости механических характеристик, экономичность. Основной недостаток - требуется преобразователь частоты, т.е. дополнительные капитальные вложения.

3.8 Способы изготовления магнитопровода статора торцевого асинхронного двигателя

В электротехнике при изготовлении магнитопроводов с явно выраженными полюсами для статоров однофазных двигателей. Пластины получаемые из ферромагнитного порошка посредством его прессования с одновременным формированием на противоположных краях соседних полюсов утолщений в форме выступов. Набор магнитопровода из отдельных пластин осуществляют таким образом, чтобы утолщения полюсов не несущей утолщений пластины соприкасались с торцевой поверхностью полюсов, не несущей утолщений, каждой последующей пластины, а зоны с изотропной электрической проводимостью получают в процессе спекания образующих магнитопровод пластин посредством их диффузионной сварки в местах соприкосновения.

На поверхности пластин, не несущей утолщений, соосно утолщениям и одновременно с ними формируют выемки, форма которых повторяет форму утолщений, а глубина меньше высоты утолщений.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что пластины получают из ферромагнитного порошка посредством его прессования с одновременным формированием на противоположных краях соседних полюсов утолщений в форме выступов, набор магнитопровода из отдельных пластин осуществляют таким образом, чтобы утолщения полюсов каждой предыдущей пластины соприкасались с торцевой поверхностью полюсов, не несущей утолщений, каждой последующей пластины, а зоны с изотропной электрической проводимостью получают в процессе спекания образующих магнитопровод пластин посредством их диффузионной сварки в местах соприкосновения.

На поверхности пластины, не несущей утолщений, соосно утолщениям и одновременно с ними формируют выемки, форма которых повторяет форму утолщений, а глубина меньше высоты утолщений.

Изготовление магнитопроводов по предлагаемому способу приводит к созданию на части каждого полюса электрического поверхностного контакта между пластинами, что, в случае размещения на полюсах однофазной обмотки, обуславливает сдвиг по фазе магнитных потоков частей полюсов и получение на валу ротора однофазного двигателя электромагнитного пускового момента. Данный технический эффект достигается при использовании предлагаемого способу и не достигается при использовании известных способов, в соответствии с которыми пусковой момент получают посредством охвата части каждого полюса короткозамкнутым витком, размещением на части каждого полюса массивной ферромагнитной вставки или укладкой в пазы статора вспомогательной пусковой обмотки и включением в ее цепь фазосдвигающего элемента.

Поиск аналогичных и эквивалентных технических решений не обнаружил в основном и смежных классах технических решений, направленных на решение поставленной задачи предложенными путями. Это означает, что данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Предложенный способ изготовления магнитопровода с явно выраженными полюсами для статора однофазного асинхронного двигателя реализуется следующим образом.

Порошок чистого железа (96,5%) смешивают с порошком кремния (3,5%). Из полученной смеси на прессе при давлении 8-10 т/см2 прессуют отдельные пластины 1 толщиной 1,5-2,5 мм с утолщениями на части полюсов. Утолщения выполняются на одной из торцевых поверхностей пластин и имеют форму выступов. Высота утолщений составляет 0,3-1,0 мм, а их длина равна 0,35-0,45 от длины дуги полюсов . Из пластин , полученных прессованием, набирают магнитопровод необходимого в осевом направлении размера , причем набирают так, что утолщения полюсов каждой предыдущей пластины соприкасаются с торцевой поверхностью полюсов , не несущей утолщений , каждой последующей пластины . Такой порядок набора магнитопровода из отдельных пластин обеспечивает соприкосновение всех пластин на части поверхности полюсов , несущих утолщения . Оставшиеся части поверхности пластин оказываются разделенными друг относительно друга воздушными зазорами , высота которых равна высоте утолщений . К набранному из пластин магнитопроводу в осевом направлении прикладывают статическое сжимающее давление 2-4 МПа, после чего магнитопровод помещают в вакуумную печь с глубиной вакуума 10-4 мм рт.ст. Процесс спекания пластин , образующих магнитопровод, ведут при температуре в печи 1050-1100оС в течение 2-1,5 ч. При этом одновременно со спеканием пластин протекает процесс их диффузионной сварки в местах соприкосновения друг с другом. В результате диффузионной сварки на одной части каждого полюса , которая несет утолщения , создается зона изотропной электрической проводимости . На другой части полюсов , из-за наличия между пластинами воздушных зазоров , образуется зона с анизотропной электрической проводимостью. На полюсах изготовленного таким образом магнитопровода, размещается однофазная обмотка, а в пространстве между полюсами устанавливается ротор, который относительно полюсов магнитопровода статора отделяется рабочим воздушным зазором .

Однофазный асинхронный двигатель с магнитопроводом статора, изготовленным по предлагаемому способу, обеспечивает создание на валу ротора электромагнитного пускового момента и запуск двигателя в ход. Физически это объясняется следующим образом.

При подключении однофазной обмотки к источнику однофазного переменного напряжения в ней возникает электрический ток, который создает пульсирующий магнитный поток. Одна часть этого потока проходит по участкам, характеризующимся изотропной электрической проводимостью, а другая часть потока проходит по участкам, имеющим анизотропную электрическую проводимость. Часть потока, проходящая по участкам, имеющим изотропную электрическую проводимость, индуцирует в них электрические токи, которые создают свое магнитное поле, направленное встречно потоку, созданному током однофазной обмотки . В результате на участках образуется некоторый результирующий магнитный поток, который по отношению к потоку участков с анизотропной электрической проводимостью оказывается сдвинутым в пространстве и времени. Наличие пространственного и временного сдвигов по фазе магнитных потоков участков и участков приводит к созданию в рабочем воздушном зазоре эллиптического магнитного поля, а на валу ротора - электромагнитного пускового момента, обуславливающего надежный запуск двигателя.

Пример. Предлагаемый способ изготовления магнитопровода статора реализован в опытном образце однофазного торцевого асинхронного двигателя, в качестве ротора, в котором использован ротор с короткозамкнутой обмоткой от серийно изготавливаемого двигателя типа ТАПН 011-2.

Производится смешивание железного порошка марки ПЖРВ-2-200 (96,5%) с добавкой порошка кремния (3,5%). Смесь прессуется на гидравлическом прессе при давлении 8 т/см2, в результате чего получаются отдельные пластины. Толщина пластин составляет 2,5 мм, высота утолщений в осевом направлении двигателя равна 0,6 мм, а их длина выполнялась равной 13 мм, что составляло 0,35 от длины дуги полюса. Из девяти пластин выбирается магнитопровод и к нему в осевом направлении прикладывается статическое сжимающее давление 3 МПа. После этого магнитопровод помещается в вакуумную печь (10-4 мм рт.ст.), где осуществляется его спекание при температуре (1050-1070)оС в течение двух часов. Одновременно с процессом спекания протекает процесс диффузионной сварки по поверхности соприкосновения пластин.

Исследования в отраслевой лаборатории кафедры "Общая электротехника и промышленная электроника" Пермского политехнического института показали, что однофазный асинхронный двигатель с магнитопроводом статора, изготовленным по предлагаемому способу, обеспечивает надежный запуск ротора из неподвижного состояния.

Использование в качестве исходного материала смеси порошка чистого железа и порошка кремния и прессование смеси при давлении 8-10 т/см2 позволяет реализовать безотходную технологию и получить пластины, а следовательно и магнитопровод, у которых магнитная проницаемость, индукция насыщения, потери от протекания вихревых токов и потери на перемагничивание близки к их величинам, характерным для магнитопроводов из листовой электротехнической стали. Формирование в процессе прессования на части явно выраженных полюсов утолщений в форме выступов обуславливает получение на валу ротора однофазного асинхронного двигателя пускового электромагнитного момента, взаимную изоляцию посредством воздуха пластин друг относительно друга по всей их поверхности, исключая поверхность утолщений полюсов, а также многократное увеличение поверхности охлаждения магнитопровода статора. Спекание пластин в среде вакуума и приложение к пластинам в осевом направлении статического сжимающего давления обеспечивают пластинам и магнитопроводу необходимую механическую прочность и их диффузионную сварку по поверхности соприкосновения пластин друг с другом, т.е. по поверхности утолщений.

Формирование в процессе прессования пластин выемок, расположенных соосно утолщениям, обеспечивает строго определенное положение пластин друг относительно друга и создает предпосылки для автоматизации процесса сборки магнитопровода.

Всесторонними экспериментальными исследованиями установлено следующее.

Уменьшение в смеси порошка чистого железа и увеличение порошка кремния приводит к снижению индукции насыщения и ухудшению механических свойств пластин за счет повышения их твердости и хрупкости.

Увеличение порошка чистого железа и уменьшение порошка кремния обуславливает снижение электрического сопротивления пластин, рост вихревых токов и коэрцитивной силы, увеличение потерь на вихревые токи и перемагничивание.

Прессование пластин при давлении, меньшем 8 т/см2, приводит к снижению плотности пластин, возникновению пористости и уменьшению магнитной проницаемости, т.е. ухудшению магнитных характеристик. Увеличение давления выше 10 т/см2 невозможно из-за ограниченной прочности оснастки.

Уменьшение статического сжимающего давления ниже 2 МПа не позволяет получить хорошего контакта между пластинами, что приводит к снижению качества диффузионной сварки пластин и уменьшению прочности магнитопровода. Увеличение статического сжимающего давления выше 4 МПа обусловливает пластическую деформацию утолщений и приводит к уменьшению воздушного зазора между пластинами и ухудшению отвода тепла.

Увеличение температуры спекания выше 1100оС приводит к появлению локальных участков оплавления. При этом теряется форма пластин, появляются поры диффузионного характера, что снижает магнитную проницаемость и увеличивает вихревые токи. Уменьшение температуры спекания вниз от 1050оС не обеспечивает условий равномерного растворения кремния в железе, что приводит к уменьшению магнитной проницаемости и магнитной индукции.

Время спекания выбирается из условий полного растворения кремния в железе: с повышением температуры спекания время спекания уменьшается и, наоборот, с уменьшением температуры спекания время спекания возрастает.
Прессование пластин толщиной менее 1,5 мм обуславливает уменьшение магнитной проницаемости и ухудшение магнитных характеристик из-за снижения плотности материала пластин, вызванного ростом влияния трения по торцевым поверхностям. Увеличение толщины пластин, по сравнению с 2,5 мм, приводит к увеличению вихревых токов и ухудшению электрических и магнитных характеристик магнитопроводов.

Уменьшение высоты утолщений, по сравнению с 0,3 мм, обуславливает уменьшение воздушного зазора между пластинами и ведет к ухудшению охлаждения магнитопровода. Рост высоты утолщений выше 1 мм приводит к увеличению габаритов магнитопровода в осевом направлении.
Снижение длины утолщений, по сравнению с 0,35 длины дуги полюсов, обуславливает уменьшение электромагнитного момента однофазного двигателя. Рост длины утолщений, в сравнении с 0,45 длины дуги полюсов, практически не приводит к увеличению электромагнитного момента, но связан с увеличением расхода порошка и уменьшением поверхности охлаждения магнитопровода.

Глубина выемок выбирается из условия надежной фиксации пластин при наборе магнитопровода и эффективного отвода тепла через воздушные зазоры между пластинами.

Однофазный асинхронный двигатель с магнитопроводом статора, изготовленным по предлагаемому способу, так же как и однофазный асинхронный двигатель с магнитопроводом статора, изготовленным по способу, выбранному в качестве прототипа, обеспечивает создание пускового электромагнитного момента.

Вместе с тем, предлагаемое изобретение, в сравнении с , обеспечивает получение существенного положительного эффекта, который сводится к следующему.

Повышается технологичность конструкции, снижается трудоемкость и затраты на производство магнитопроводов, что объясняется отсутствием отходов активных материалов, повышением производительности за счет исключения операций снятия заусениц, взаимного изолирования пластин слоем лака, изготовлением ферромагнитных вставок, их креплением на части полюсов, полной автоматизацией производства, а также сокращением необходимого числа пластин, вызванного увеличением толщины пластин по сравнению с толщиной листовой стали.

Существенно возрастает эффективность охлаждения магнитопровода и размещенной на нем обмотки за счет наличия между пластинами, образующими магнитопровод, воздушных зазоров. Повышение эффективности отвода тепла позволяет увеличить удельные электрические и магнитные нагрузки однофазных двигателей, что способствует улучшению рабочих характеристик двигателей или уменьшению их габаритов.
Изобретение рекомендуется к использованию на предприятиях, осуществляющих серийное производство однофазных асинхронных двигателей. 

4. Анализ кинетического привода

Задача построения высококачественного торцевого асинхронного электропривода с векторным управлением без использования каких-либо датчиков, пристроенных к валу или встроенных в двигатель, постоянно привлекает внимание разработчиков с момента появления самого термина «векторное управление» применительно к торцевому асинхронному электродвигателю в начале 1970-х годов. Область применения таких электроприводов определяется следующими условиями:

1) Механизм предъявляет повышенные требования к быстродействию электропривода.

2) В электроприводе требуется регулирование электромагнитного момента на валу двигателя.

3) Не требуется высокая статическая точность и широкий диапазон регулирования скорости (диапазон не более 100).

4) Установка датчика скорости на вал двигателя невозможна по условиям эксплуатации, технологическим, стоимостным или прочим ограничениям. Типичными объектами являются электроприводы подъемно-транспортных средств, механизмов намотки, экструдеров, дробилок, работающих в пожароопасных, взрывоопасных, химически и радиоактивных средах, в условиях повышенных вибраций и ударных механических нагрузок.

В настоящее время бездатчиковые торцевые асинхронные электроприводы с векторным управлением представлены практически всеми ведущими фирмами, производителями преобразователей частоты. При этом характеристики большинства этих электроприводов оказываются весьма скромными. В частности, полоса пропускания контура скорости, как правило, не превышает 5-7 Гц, а общий диапазон регулирования скорости (вверх и вниз от номинальной) не более 20-100, что вполне достижимо и в системе частотного управления с векторной ориентацией переменных в установившихся режимах работы . Большинство же производителей преобразователей частоты вообще не заявляют в технической документации полосу пропускания и диапазон регулирования скорости. В этом случае получить подобную информацию удается только в результате проведения стендовых испытаний.

Таким образом, если рассматривать указанные характеристики регулирования скорости, то практически «стирается грань» между бездатчиковыми электроприводами с частотным и векторным управлением.

Исследования, выполненные в данной дипломной работе, показали, что характеристики торцевых асинхронных векторных электроприводов без датчика скорости могут существенно превышать аналогичные характеристики систем частотного управления.

В частности, полоса пропускания контура скорости может составлять более 30 Гц, а в диапазоне регулирования скорости не менее 100 обеспечиваются значительно меньшие статические и динамические ошибки. Однако для достижения таких результатов приходится решить ряд проблем.

Основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода, заключаются в следующем:

1) Наблюдатель состояния торцевого асинхронного электродвигателя , построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потоко-сцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потоко-сцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.

2) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния торцевого АД является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе электропривода.

3) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическими «неидеальностями» ключей инвертора. Известные подходы к построению наблюдателей состояния для бездатчикового торцевого асинхронного электропривода достаточно полно представлены. Отличительной особенностью предлагаемого в главе подхода является его относительная простота программной реализации и настройки (большинство контуров наблюдателя и системы управления допускают независимую последовательную настройку). Высокие технические характеристики электропривода достигаются за счет его адаптируемости сразу к трем параметрам электродвигателя, подвергающимся наибольшим изменениям в процессе работы, а именно к активным сопротивлениям статора и ротора и к взаимной индуктивности, а также за счет компенсации задержек переключения силовых ключей преобразователя.

4.1 Структурная схема системы адаптивно-векторного управления торцевым асинхронным электроприводом

Структурная схема системы адаптивно-векторного управления торцевым асинхронным электроприводом приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структурная схема электропривода

Назначение элементов, математическое описание, структурное построение и принцип действия векторного модулятора, преобразователя напряжений, базовых структур векторного регулятора токов I_d, I , регуляторов ЭДС и скорости аналогичны и применительны к системе адаптивно-векторного управления с датчиком скорости/положения (исполнение 2 преобразователей частоты серии ЭПВ). Под базовыми здесь понимаются структуры без учета элементов адаптации. Векторный регулятор токов включает в себя ПИ-регуляторы составляющих вектора тока статора по осям d и q, ориентированным по оценке углового положения вектора потоко-сцепления ротора, и блок компенсации перекрестных связей.

Преобразователь напряжений включает в себя ограничитель заданного напряжения статора по осям d и q и преобразователь координат: ортогональная система (d, q) - полярная система - естественная трехфазная система (a, b, c), неподвижная относительно статора, и блок компенсации запаздывания системы управления.

Векторный модулятор реализует «треугольный» алгоритм пространственно-векторного формирования выходного напряжения IGBT инвертора с функцией компенсации «мертвого времени» и задержек переключения силовых ключей.

Наблюдатель состояния реализует вычисление всех переменных и параметров электродвигателя, необходимых для реализации алгоритма адаптивно-векторного управления, по информации о двух фазных токах статора и двух заданных значениях фазных напряжений.

Блок адаптации выполняет перерасчет параметров регуляторов системы управления в зависимости от изменения параметров двигателя, проявляющихся в процессе работы электропривода.

4.2 Наблюдатель состояния

Структурная схема наблюдателя состояния приведена на рис. 4.2. Все вычисленные переменные (оценки) помечены верхним символом . Для вычисления необходимых переменных вводится ортогональная система координат (x, y), вращающаяся синхронно с частотой поля. Ее угловое положение не фиксируется относительно какой-либо переменной или оси электродвигателя и может быть произвольным, то есть «плавающим». Принципиальными факторами являются не угловое положение, а синхронность системы (x, y), которая обеспечивает в установившихся режимах работы двигателя постоянные значения вычисляемых переменных, а также ее относительно высокая инерционность (скорость изменения углового положения должна быть ограничена), что обеспечивает желаемую степень устойчивости цифровых вычислительных алгоритмов. В качестве частоты вращения системы координат (x, y) могут приниматься переменные, величина которых в установившихся режимах работы равна частоте вращения поля. Это могут быть частоты вращения векторов потоко-сцеплений, отфильтрованные значения частот вращения векторов напряжения или тока статора. В рассматриваемом случае частота вращения системы (x, y) принята равной оценке частоты вращения вектора потокосцепления ротора Угловое положение и частота системы координат на k-интервале расчета переменных наблюдателя вычисляются по выражениям:

(1)

где Т₀ -- интервал расчета переменных наблюдателя.

Рис. 4.2. Структурная схема наблюдателя состояния

Преобразование 1 токов и преобразование 2 напряжений из системы координат (a, b, c) в систему координат (x, y) осуществляются по выражениям:

где I_a, I_b, U_az, U_bz -- токи и заданные напряжения статора фаз a и b.

Использование для преобразования напряжений углового положения системы координат на предыдущем интервале расчета (ц_{x, k} -₁) связано с наличием запаздывания в измерении тока по отношению к формированию напряжения. Переход в полярную систему координат, неподвижную относительно статора, дает угловые положения векторов заданного напряжения и тока статора (ц_uz, ц_i).

Расчет ЭДС ротора осуществляется на основе цифрового решения уравнений статорной цепи электродвигателя, записанных в системе координат (x, y):

U_x = R_s I_x + уL_s (dI_x /d_t) - уL_sщ_x I_y + E_rx ;

U_y = R_s I_y + уL_s (dI_y/d_t) - уL_sщ_x I_y + E_ry , (4)

где E_rx = (L_m/L_r)(dШ_rx /d_t) - щ_x (L_m/L_r)Ш_ry; E_ry = (L_m/L_r)(dШ_ry/d_t) - щ_x (L_m/L_r)Ш_rx-- проекции вектора ЭДС ротора в системе координат (x, y); Ш _rx, Ш _ry -- проекции вектора пото-косцепления ротора в системе координат (x, y); у = 1 - (L²_m/L_sL_r) -- коэффициент рассеяния; L_s, L_r, L_m -- индуктивности статора, ротора, взаимная; R_s -- активное сопротивление статора.

Преобразование E_rx, E в полярную систему координат, неподвижную относительно статора, дает оценки модуля и углового положения вектора ЭДС ротора ().

Вычисление модуля первой оценки частоты вращения вектора потоко-сцепления ротора выполняется с учетом предположения, что трансформаторная составляющая ЭДС ротора () пренебрежимо мала в сравнении с ЭДС вращения , по выражению:

(5)

где -- оценка потокосцепления ротора.

Знак частоты вращения вектора потокосцепления ротора вычисляется на основе оригинального алгоритма по информации об угловых положениях векторов заданного напряжения и тока статора, модуле частоты вращения на текущем и предыдущих интервалах расчета и знаке частоты вращения на предыдущем интервале расчета.

Коррекция оценки частоты вращения вектора потокосцепления ротора по фактической мгновенной частоте вращения вектора ЭДС ротора, вычисленной из его углового положения ц_e, выполняется с целью устранить в оценке частоты ошибку, вызванную структурной и параметрической неадекватностью модели статорной цепи, погрешностями измерительных каналов и приближенным характером вычислений. Коррекция выполняется на основе интегрального регулятора частоты, коэффициент которого устанавливается исходя из желаемого характера движения ошибки.

Оценка углового положения вектора потокосцепления ротора выполняется на основе информации об угловых положениях векторов ЭДС ротора, тока статора и оценок частоты вращения вектора потокосцепления ротора . С учетом пренебрежения малой величиной трансформаторной ЭДС, угловые положения векторов ЭДС и потокосцепления ротора отстоят друг от друга на угол: ±р/2 Знак определяется направлением вращения векторов (знаком частоты). На малых частотах величина ЭДС ротора стремится к нулю, и, следовательно, диапазон вычисления положения вектора ЭДС с заданной точностью ограничен некоторым минимальным значением частоты щ_Шmin. Чтобы обеспечить работоспособность наблюдателя состояния на частотах, меньших щ_Шmin, осуществляется переход от ориентации по вектору ЭДС к ориентации по вектору тока статора. Алгоритм вычислений организован таким образом, что этот переход осуществляется только в режимах малых скольжений, то есть близких к холостому ходу электродвигателя. В этом случае положение вектора тока статора оказывается близким к положению вектора потокосцепления ротора, и переход на ориентацию по току не приводит к большим ошибкам в точности вычисления переменных.

Дополнительная коррекция оценки углового положения вектора потокосцепления ротора выполняется с целью минимизации влияния на точность вычисления переменных электродвигателя ошибок, вызываемых следующими факторами:

1. Малыми динамическими отклонениями разности угловых положений векторов ЭДС и потокосцепления ротора от величины ±р/2

2. Динамическими ошибками вычисления вектора ЭДС ротора.

3. Наличием скачков в оценке положения вектора потокосцепления, вызванных изменением структуры наблюдателя состояния в области малых частот при переходе с ориентации по вектору ЭДС к ориентации по вектору тока.

Коррекция выполняется на основе П-регулятора положения. Параметры регулятора выбираются исходя из желаемого характера движения ошибки между нескорректированным и скорректированным значениями углового положения вектора потокосцепления ротора. Коррекция угла выполняется с использованием алгоритма безинерционного устранения ошибок, превышающих определенное пороговое значение. Это делается для устранения возможности накопления больших погрешностей в вычислении угла потокосцепления при переходных процессах «в большом» (когда регулятор скорости переходит из линейной области в ограничение, в частности, при пусках, торможениях и реверсе с номинальной частоты вращения).

Преобразование трех токов статора из системы координат (a, b, c) в ортогональную систему координат (d, q), ориентированную по оценке углового положения вектора потокосцепления ротора, осуществляется по выражениям:

(6)

Для выделения параметров электродвигателя, к изменениям которых электропривод оказывается наиболее чувствительным, а именно взаимной индуктивности, активных сопротивлений статора и ротора, используется сигнал невязки д_щ. Этот сигнал определяет разницу между скорректированным значением частоты вращения вектора потокосцепления ротора и ее первой оценкой . В качестве исходных значений вычисляемых параметров (L_m0, R_{s 0}, R_{r 0}) используются значения, определенные в результате выполнения процедуры автонастройки электропривода [3] или введенные пользователем на основе паспортных данных двигателя. Так как невязка одна, а оцениваемых параметров три, то для обеспечения сходимости оценок к истинным значениям параметров алгоритмы вычисления оценок разнесены во времени и в зависимости от режима работы электропривода (уровня частоты и нагрузки). С этой целью в блок оценки параметров вводится дополнительная информация о пределах функционирования алгоритмов оценки (щ_maxR, щ_minR, щ_maxL, щ_minL, I_minR ) и переменные, характеризующие величину частоты и нагрузки. Для оценки R_s использован интегральный регулятор, для оценки L_m -- пропорционально-интегральный. Настройки регуляторов произведены таким образом, чтобы обеспечить желаемый характер движения ошибок оценки параметров. Оценка температурного изменения R_r выполняется косвенным образом по оценке температурного изменения активного сопротивления статора.

4.3 Анализ чувствительности электропривода к изменению параметров электродвигателя и задержкам переключения инвертора

Анализ чувствительности выполнялся в отношении электромагнитных параметров двигателя, наиболее подверженных изменению в процессе работы электропривода. К таким параметрам относятся активные сопротивления фаз статора и ротора, подверженные температурным изменениям, и взаимная индуктивность, изменяющаяся в связи с эффектом насыщения магнитной системы электродвигателя потоком взаимоиндукции. Для анализа использовалась математическая модель электропривода с базовой структурой системы бездатчикового векторного управления.

На рис. 4.3 показано влияние отклонений R_s, L_m, R_r на погрешность вычисления скорости и углового положения вектора потокосцепления ротора для электропривода с электродвигателем 4ТА112МА6У3. Значения отклонений параметров выбраны такими, что вполне могут встречаться в рабочих режимах электропривода, а именно 50%-ное увеличение активных сопротивлений двигателя относительно их значений, полученных в холодном состоянии, и 10%-ное увеличение взаимной индуктивности, вызванное ослаблением поля относительно его состояния в номинальном режиме. На рис.4.4 для того же электродвигателя показано влияние отклонений в активном сопротивлении статора на динамические процессы отработки ступенчатого изменения сигнала задания по скорости.

Рис.4 3. Графики ошибок в ориентации системы управления и вычисленной скорости при вариации параметров электродвигателя, уровня скорости и нагрузки: а) Rs = 1,5R' s ; _-- Mc = Mnom, * -- Mc = 0; б) L? m = 0,9Lm; _! щr = (0,05-0,9)щnom , * -- щr = 1,2щnom ; в) Rr = 1,5R' r , щr = (0,05-0,9)щnom .

Рис. 4.4 Временные диаграммы скорости в режиме ступенчатого сброса

Анализ представленных диаграмм и других результатов исследования чувствительности позволяет сделать следующие выводы:

1. Наиболее чувствителен электропривод к изменению активного сопротивления статора, которое ощутимо воздействует как на статические, так и динамические характеристики. Чувствительность к изменению R_s является функцией скорости и нагрузки. Наиболее сильному влиянию подвержены характеристики электропривода в области малых частот (менее 0,2щ_nom), вплоть до потери работоспособности, проявляющейся в возникновении автоколебательного режима работы с большими пульсациями переменных. В частности, при электропривод с торцевым асинхронным электродвигателем утрачивает работоспособность на скоростях, меньших 0,05щ_nom.

2. Изменение активного сопротивления ротора влияет на статическую ошибку в скорости и не влияет на точность ориентации системы по вектору потокосцепления ротора и на динамические характеристики электропривода. Статическая ошибка в скорости является функцией нагрузки и не зависит от уровня скорости.

3. Изменение взаимной индуктивности незначительно сказывается на ориентации и динамических характеристиках электропривода при работе на скоростях, меньших номинальной. Статическая ошибка в скорости возрастает с ростом нагрузки и при работе с постоянным потокосцеплением ротора не зависит от уровня скорости. Чувствительность электропривода к изменению L_m существенно возрастает на скорости, превышающей номинальную, вплоть до отказа воспринимать задание по скорости выше определенного уровня. В частности, при электропривод с торцевым асинхронным электродвигателем не разгоняется выше 1,3щ_nom.

4. Изменение индуктивностей рассеяния в связи с насыщением зубцовой зоны двигателя потоками рассеяния заметным образом проявляется при кратностях тока статора, превышающих (2-3) от номинального значения и, как правило, не превышает 30%-ного снижения относительно своего ненасыщенного значения, даже при токах прямого пуска двигателей на номинальное напряжение [14]. Результаты моделирования и эксперимента показали, что 50%-ные измененияL_s не оказывают существенного влияния на характеристики электропривода.

5. Исследования чувствительности электропривода к величине «мертвой зоны» переключения транзисторов инвертора показали, что в случае корректной параметрической настройки электропривода именно наличие «мертвой зоны» является фактором, ограничивающим диапазон регулирования электропривода вниз от номинальной скорости. Это проявляется в возрастании на малых скоростях низкочастотных (шестикратных по отношению к периоду основной гармоники) пульсаций в скорости и в электромагнитных переменных электропривода. Величина этих пульсаций возрастает с увеличением частоты модуляции и величины «мертвой зоны». Причина пульсаций заключается в отклонении реального напряжения статора от его заданного значения, сформированного без учета временных задержек переключения ключей инвертора. Так как расчет переменных электропривода выполняется на основе заданного напряжения статора, то эта ошибка проявляется во всех вычисленных переменных.

6. Введение в электропривод алгоритмов адаптации к R_s, L_m, R_r и компенсации задержек переключения ключей инвертора позволяет существенно улучшить его характеристики, а именно: снизить чувствительность к изменению параметров в процессе работы, расширить диапазон регулирования скорости как вниз, так и вверх от номинальной, снизить уровень пульсаций переменных на малых скоростях.

4.4 Описание стенда для проведения испытаний

Исследования проводились на лабораторном стенде, включающем преобразователь частоты ЭПВ-ТТПТ-16-380-4АО, торцевой асинхронный двигатель (P_nom = 3 кВт, N_nom = 1000 об/мин, I_nom = 7,4 А, M_nom = 30 Н*м), нагрузочный агрегат, выполненный на основе электропривода FANUC DC SERVOMOTOR SYSTEM с электродвигателем 30М (N_nom = 1200 об/мин, M_nom = 37 Н*м, I_nom = 24 А), компьютерный осциллограф PCS500А, персональный компьютер. На рис. 4.5 представлены динамические процессы, полученные в режимах пуска и реверса электропривода без нагрузки при следующих параметрах системы управления: постоянные времени контуров тока -- 2 мс; постоянные времени контуров скорости и ЭДС -- 4 мс; предельное значение электромагнитного момента: а) 2,9 M_nom, б) 2 M_nom. Настройка параметров системы управления на параметры торцевого асинхронного электродвигателя произведена в автоматическом режиме.

Рис.4.5 Динамические процессы в режиме реверса и пуска двигателя

На рис.4 6 представлены временные диаграммы скорости, тока фазы статора I_a, тока якоря I _Я нагрузочного двигателя в режиме ступенчатого наброса нагрузки с холостого хода (M = M_xx ) до номинального момента (M=M_nom).

В скорости и фазном токе отчетливо видны 6-пульсные искажения, связанные с неполной компенсацией задержек инвертора напряжения. С ростом нагрузки величина этих искажений снижается, так как с увеличением амплитуды заданного напряжения статора повышается точность его отработки.



Рис. 4.6. Процессы в режиме ступенчатого наброса номинального момента нагрузки на скорости щr = 0,05щnom

В процессе испытаний электропривода были получены следующие характеристики: предельное значение полосы пропускания, на которую может быть настроен контур скорости, -- не менее 30 Гц; диапазон регулирования скорости -- не менее 50 вниз от номинальной и не менее 2 вверх от номинальной; коэффициент неравномерности на минимальной скорости -- не более 0,25; статическая погрешность на минимальной скорости при изменении нагрузки в пределах (0,2-0,6) М_пот и (0,6-1) М_пот -- не более ±20%. Электропривод может работать как с замкнутым, так и с разомкнутым контуром скорости, то есть осуществлять регулирование момента.

5.Экономическая часть

5.1 Расчет цеха

5.1.1 Определение количества оборудования

Годовую трудоемкость по цеху определяем по формуле:

мин

Количество металлорежущих станков для выполнения обработки деталей согласно полученной трудоемкости определяется по формуле:

,

где - действительный годовой фонд работы оборудования (при двухсменном режиме чел. в зависимости от числа рабочих дней в году);

- коэффициент загрузки оборудования (для серийного производства ).

станков

С учетом обрабатываемых поверхностей станки распределяются по технологическому назначению следующим образом:

Количество станков токарной группы:

ст.

Круглошлифовальной группы:

ст.

Фрезерной группы:

ст.

Фрезерно-центровальной группы:

ст.

Согласно полученным результатам принятое количество производственных станков составит:

ст.

Количество станков заточного отделения рекомендуется принимать 4-6% от числа обслуживаемого оборудования, т.е.

Кроме универсально-заточных необходимо в отделении иметь специальные заточные станки: для дисковых пил, центровочных сверл, для протяжек и т.д. Поэтому принимаем 1 специальный заточной станок. Итого:

шт.

Для цеховой ремонтной базы (ЦРБ) в серийном производстве принимается 2,6…4,3%. Это составит:

ст.

Для мастерской по ремонту оснастки и инструмента принимают 4% от количества производственных станков, т.е. ст.

Кроме этого на ремонтной базе устанавливают наждачное точило, пресс винтовой или гидравлический, электроискровой станок для удаления из отверстий сломанных инструментов и электрогазосварочный пост.

Таблица 5.1 - Ведомость металлорежущих станков производственного назначения.

Производственные участки	Металлорежущие станки	Средняя мощность	Количество станков

Подобные документы

• Выбор асинхронного двигателя

  Обоснованный выбор типов и вариантов асинхронного двигателя. Пусковой момент механизма, определение установившейся скорости. Расчёт номинальных параметров и рабочего режима асинхронного двигателя. Параметры асинхронного двигателя пяти исполнений.
  
  реферат [165,2 K], добавлен 20.01.2011
  

• Проектирование асинхронного двигателя мощностью 45 кВт

  Расчет статора, ротора, магнитной цепи и потерь асинхронного двигателя. Определение параметров рабочего режима и пусковых характеристик. Тепловой, вентиляционный и механический расчет асинхронного двигателя. Испытание вала на жесткость и на прочность.
  
  курсовая работа [4,8 M], добавлен 10.10.2012
  

• Расчет асинхронного двигателя

  Выбор основных размеров асинхронного двигателя. Определение размеров зубцовой зоны статора. Расчет ротора, магнитной цепи, параметров рабочего режима, рабочих потерь. Вычисление и построение пусковых характеристик. Тепловой расчет асинхронного двигателя.
  
  курсовая работа [1,9 M], добавлен 27.09.2014
  

• Расчет асинхронного двигателя

  Построения развернутой и радиальной схем обмоток статора, определение вектора тока короткого замыкания. Построение круговой диаграммы асинхронного двигателя. Аналитический расчет по схеме замещения. Построение рабочих характеристик асинхронного двигателя.
  
  контрольная работа [921,2 K], добавлен 20.05.2014
  

• Разработка и исследование адекватной модели двухмассового динамического стенда

  Построение рациональных эксплуатационных режимов асинхронного двигателя, выбор системы управления. Исследование двухмассового динамического стенда на базе математической модели. Техническая разработка лабораторного стенда на базе асинхронного двигателя.
  
  магистерская работа [2,0 M], добавлен 20.10.2015
  

• Расчет статических и динамических характеристик асинхронного электропривода

  Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя; мощности, потребляемой из сети. Построение механической и энергомеханической характеристик при номинальных напряжении и частоте. Графики переходных процессов при пуске асинхронного двигателя.
  
  курсовая работа [997,1 K], добавлен 08.01.2014
  

• Характеристики асинхронного двигателя

  Расчет исходных данных двигателя. Расчет и построение естественных механических характеристик асинхронного двигателя по формулам Клосса и Клосса-Чекунова. Искусственные характеристики двигателя при понижении напряжения и частоты тока питающей сети.
  
  курсовая работа [264,0 K], добавлен 30.04.2014
  

• Расчет основных элементов и характеристик асинхронного двигателя

  Параметры обмотки асинхронного двигателя. Построение двухслойной статорной обмотки с оптимально укороченным шагом. Построение рабочих характеристик. Механические характеристики асинхронного двигателя при неноминальных параметрах электрической сети.
  
  курсовая работа [856,8 K], добавлен 14.12.2013
  

• Расчет асинхронного двигателя

  Выбор конструкции асинхронного двигателя и его основных размеров. Расчет зубцовой зоны и обмотки статора. Коэффициенты, необходимые для расчёта воздушного зазора: магнитная проницаемость и напряжение. Расчет параметров машины, потерь и КПД двигателя.
  
  реферат [2,0 M], добавлен 06.09.2012
  

• Моделирование нагрева асинхронного двигателя

  Фундаментальные законы теплопередачи. Устройства для защиты двигателя от перегрузок, использующие тепловую модель двигателя. Выбор и определение параметров тепловой модели асинхронного двигателя, методика ее реализации в программном пакете Matlab.
  
  дипломная работа [1,4 M], добавлен 02.01.2011
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам