Элементы и устройства систем управления вводная лекция Ктн

Элементы и устройства систем управления вводная лекция Ктн, доцент Маковский Андрей Леонидович

В результате изучения дисциплины обучаемый должен: знать: • теорию электрических машин; • принципы работы электрических машин постоянного и переменного тока; • назначение специальных электрические машины и электромагнитных устройств автоматики; • способы управления электрическими машинами; • типы датчиков основных параметров технологических процессов; • типы электромагнитных реле; уметь: • рассчитывать статистические и динамические характеристики электрических машин постоянного и переменного тока;

• определять основные технические характеристики датчиков, электромагнитных устройств и других элементов; • подключать и использовать рациональные режимы работы электрических машин; • выбирать и использовать датчики для измерения параметров технологических процессов; • выбирать и использовать необходимые электромагнитные устройства автоматики. владеть: –основными приемами, связанными с выбором элементов и устройств для систем управления технологическими процессами и подвижными объектами; –способами проектирования измерительных устройств; –методикой организации и проведения лабораторных испытаний элементов и устройств.

Литература ОСНОВНАЯ 1. Фираго, Б. И. Теория электропривода: учеб. пособие / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. – Минск : ЗАО «Техноперспектива» , 2004. – 527 с. 2. Терехов В. М. , Осипов О. И. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М. : Издательский центр «Академия» , 2005. – 304 с. 3. Фираго Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока. / Б. И. Фираго, Л. Б. Павлячик. – Минск : «Техноперспектива» , 2006. – 363 с. 4. Усольцев, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / учеб. пособие. – СПб. : СПб. ГУ ИТМО, 2006. – 94 с. 5. Волков Н. И. , Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики : учебник. / Н. И. Волков, В. П. Миловзоров. – М. : Высшая школа, 1978. – 320 с. n

6. Пиотровский, Л. М. Электрические машины. – М. : Энергия, 1976. – 532 с. 7. Арменский, Е. В. Электрические микромашины : учебник / Е. В. Арменский, Г. Б. Фалк. – М. : Высшая школа, 1975. – 239 с. 8. Миловзоров, В. П. Элементы информационных систем : учебник. – М. : Высшая школа, 1989. – 440 с. 9. Электромеханические аппараты автоматики : учебник / Б. К. Буль [и др. ]. – М. : Высшая школа, 1988. – 303 с. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ 10. Иванов-Цыганов, А. И. Электро-преобразовательные устройства РЭС. Учебник. – М. : Высшая школа, 1996. – 272 с. 11. Конюхов, Н. Е. Электромагнитные двигатели механических величин / Н. Е. Конюхов, Ф. Н. Медников, М. Л. Негаевский. – М. : Машиностроение, 1987. – 255 с. 12. Миловзоров З. И. Электромагнитная техника в задачах, упражнениях и расчетах: учебник. – М. : Высшая школа, 1975. – 370 с.

n Электрическая машина является электромеханическим преобразователем, который может осуществлять процесс преобразования механической энергии в электрическую и наоборот

n Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называют генераторами, а машины, в которых совершается обратное преобразование, называются двигателями

Электрические машины Машины переменного тока синхронные асинхронные Машины постоянного тока

Машины постоянного тока также находят широкое применение. Они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении частоты вращения, пуска и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока n

Синхронная машина используется главным образом как генератор для производства электрической энергии переменного тока на электрических станциях. n СМ также имеет применение как двигатель. n

Асинхронные машины применяются преимущественно при работе в режиме двигателей. n Коллекторные АМ переменного тока изза их высокой стоимости и сложности обслуживания применяются крайне редко n

Машины переменного тока

Асинхронные машины По способу возбуждения м. п. однофазные Имеет пусковую обмотку, последовательно с которой включается емкость. По окончании пуска пусковая обмотка отключается. По типу обмотки ротора Короткозамкнутые (с беличьей клеткой) двухфазные применяются в измерительной технике и автоматике как реверсивные исполнительные двигатели различных устройств, в следящих системах трехфазные Фазные (с контактными кольцами)

Машины мощностью до 0, 5 к. Вт в большинстве своем выполняют одно-двухфазными. Такие машины используются: n для привода электрофицированных бытовых приборов; n медицинского оборудования n в устройствах малой мощности

n Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо. Добровольским в 1889 -91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1. 5 к. Вт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо. Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

Устройство АД трехфазного тока

Основные части АД статор ротор

1 – корпус 2 – лапы 3 – сердечник статора 4 – пазы статора 5 – обмотка статора 6 – сердечник ротора 7 – пазы ротора 8 – обмотка ротора 9 – вал ротора

n Обмотка статора состоит из 3 отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. n Обмотки ротора бывают двух видов: короткозамкнутая и фазная. n

АД с короткозамкнутым ротором 1 – станина 2 – сердечник статора 3 – статорная обмотка 4 – сердечник ротора с кз обмоткой

АД с фазным ротором 1 – корпус 2 – статорная обмотка 3 – фазный ротор 4 – контактные щетки 5 – неподвижные угольные щетки

Принцип работы трехфазной АМ

Принцип работы основывается на 2 явлениях: n n Явление электромагнитной индукции, когда в проводниках изменяющимся магнитным полем индуцируется ЭДС Явление силового действия магнитного поля, которое проявляется в механическом воздействии; на проводник с током действует сила, под действием которой проводник может двигаться

3 ф. АМ с кз ротором Ф Ф

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n 0. Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т. е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n.

Ф n Включенная в сеть трехфазная обмотка статора, создает магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой. Магнитное поле создается намагничивающим током обмотки статора, которое наводит ЭДС в проводниках обмотки ротора. Так как обмотка ротора замкнута, то индуцируемые в ней ЭДС создают пропорциональные им токи. Возникающий ток в замкнутой обмотке ротора и вращающееся магнитное поле взаимодействуя образуют момент, действующий в направлении вращающегося магнитного поля, в результате чего ротор начинает вращаться. М

n При включении к трехфазной сети фаз обмотки статора возбуждается вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения - частота питающей сети - число пар полюсов

где - обмоточные коэффициенты, учитывающие тип обмотки ( ) - числа витков в фазе обмоток статора и ротора

Частота тока статора Частота ЭДС, индуцированной во вращающей обмотке ротора

При неподвижном роторе ( ) при вращении ротора ЭДС во вращающейся части машины

n Скольжение – отставание ротора от вращения магнитного поля n Тогда частота вращения ротора При номинальном режиме

Активная и реактивная мощности, потребляемые из сети АД где

Энергетическая диаграмма Р 1 - мощность, подводимая от сети - потери на нагрев обмотки статора Рэм Pэ1 - потери в стали Pст Рмех - электромагнитная мощность, передаваемая ротору - потери на нагрев обмотки ротора Pэ2 Р 2 Pтр= Pмех - механические потери - полезная мощность, отдаваемая с вала двигателя

КПД При номинальном режиме

Уравнения электрического и магнитного состояния

n Уравнение электрического состояния для фазы обмотки статора 1 n Уравнение электрического состояния для фазы обмотки ротора 2

При постоянном действующем напряжении на статорной обмотке Амплитуда магнитной индукции результирующего рабочего поля должна сохраняться практически неизменной. Это следует из n доказывающего практическое постоянство потока полюсов результирующего вращающего поля машины

n Магнитный поток, создаваемый геометрической суммой МДС обмоток статора и ротора будет оставаться таким же как и при холостом ходе, когда n Уравнение магнитного состояния где - число фаз обмоток статора и ротора

приведенный ток где - коэффициент трансформации по току 3 уравнение токов

Эквивалентная схема замещения фазы трехфазного АД

n При составлении схемы замещения магнитную связь между обмотками двигателя необходимо заменить электрической связью. При таком замещении вращающийся ротор заменяют эквивалентным неподвижным ротором. Затем обмотку ротора приводят к обмотке статора.

Из уравнения 2 получим

Формулы приведения

Формулы приведения

Схема замещения АД (Т-образная)

Г-образная схема замещения

- индуктивное сопротивление фаз обмотки статора и приведенного ротора - активное сопротивление проводников обмоток статора и ротора - активное сопротивление ветви намагничивания, обусловленное магнитными потерями в магнитопроводе - индуктивное сопротивление, определяемое реактивной мощностью, накапливаемой в магнитном поле машины

Механическая характеристика M Mmax неустойчив Mп s 1 0 Режим тормоза Режим генератора sk nk Режим двигателя 0 n 0 -1 2 n 0 n

Механическая характеристика Рабочий режим Перегрузка M неустойчив Mmax Mп sk s S=1 Условие устойчивой работы: автоматическое установление равновесия между вращающим и тормозным моментами. Т. е. , с увеличением нагрузки на валу должен возрастать и вращающий момент

Механическая характеристика n n 1 Mmax Mп M Механическая характеристика АД при 0

n Момент АД

n Пусковой момент где - приведенный ток кз в роторе -синхронная частота вращения - угловая скорость вращения м. п.

n Максимальный момент

n Для расчета момента используется формула Клосса где

s 0 n M 1 0 0

Рабочие характеристики АД определяют основные эксплуатационные свойства АД и снимаются при fн и UH мало отличается от 65

из-за воздушного зазора Ток статора растет, компенсируя размагничивающее действие тока ротора, что обеспечивает неизменность магнитного потока вращающегося магнитного поля затрачивается на преодоление механических и добавочных потерь 66

Q 1 ≈const, Р растет с ростом нагрузки и достигает наибольшего значения в режиме, близком к номинальному 67

Пуск трехфазного АД

1. Прямой пуск АД ¨ При пуске двигателя в ход АД ротор в первый момент остается неподвижным , когда Если - кратность пускового тока

К недостаткам прямого пуска АД с кз ротором относятся: n относительно малый пусковой момент n относительно большой пусковой ток

2. Переключение фаз обмоток статора с Υ на Звезда Треугольник Uл=380 Пусковой ток уменьшится в 3 раза, а затем переключают на 71

3. Автотрансформаторный пуск АД Это пуск при пониженном напряжении. На обмотку статора подается пониженное напряжение через автотрансформатор. Постепенно увеличивая напряжение выходят на естественную характеристику при U 1 н 72

4. Пуск АД с фазным ротором n Пусковой бросок можно уменьшить путем включения в цепь ротора через контактные кольца трехфазного пускового реостата. щетки кольца статор n Rдоб ротор В этом случае возрастает момент.

n Сопротивление каждой фазы может быть подобрано так, чтобы двигатель при пуске развивал максимальный момент. При включении такого сопротивления вращательный момент АД будет иметь максимум при s=1. Чтобы АД продолжал развивать вращающий момент, близкий максимальному, сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. И при достижением АД нормальной скорости, пусковой реостат замыкается накоротко.

Недостатки пуска АД с фазным ротором • удорожание машины, • усложнение ее обслуживания, • длительность и сложность управления пусковыми реостатами, • потеря активной мощности в реостатах 75

Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами

С беличьей клеткой 1 – обмотка из латуни, имеет меньшее активное сопротивление, чем обмотка 2 2 – рабочая обмотка из меди При пуске f 2 максимальна (s=1) индуктивное сопротивление рабочей обмотки велико (охватывается сталью) почти весь ток течет по пусковой обмотке и создает большой Мпуск По мере разгона f 2 ↓ индуктивное сопротивление ↓ и ток вытесняется в рабочую обмотку.

С глубоким пазом ротора При пуске f 2=f и на распределение тока в стержне оказывает влияние поле рассеяния. Затем ток ротора вытесняется в наружную часть стержня. Это эквивалентно увеличению активного сопротивления, Mпуск↑, а Iпуск ↓. При рабочей f 2 индуктивное сопротивление становится незначительным и ток по сечению распределяется равномерно.

Регулирование скорости вращения

n Реостатное регулирование n за счет регулирования сопротивления в цепи ротора n Полюсное регулирование n n Частотное регулирование

Мвр Рабочий механизм МТ Мвр = Мт – установившийся режим Мвр > Мт – происходит разгон Мвр < Мт – происходит торможение 81

1. Реостатное регулирование применяется для двигателя с фазным ротором Недостатки: большие потери энергии в реостате, неэффективно при малых нагрузках, механическая характеристика мягче, следовательно, уменьшается устойчивость работы двигателя. 82

2. Метод регулирования изменением числа пар полюсов Если на статоре поместить две отдельные обмотки числом пар полюсов p=1 n 1=3000 p=2 n 1 =1500 Достоинства: экономичность и большой диапазон регулирования. p=5 n 1 =600 Недостатки: большая дискретность изменения частоты и усложнение конструкции обмотки. 83

3. Метод частотного регулирования наиболее перспективный Чтобы Мвр не изменялся, надо поддерживать Эту задачу решают с помощью современных электронных устройств 84

Жесткость характеристик не меняется, так как они идут параллельно. Ммах=const при f

При f>fном соблюдение постоянства Мmax не выполняется т. к. требует регулирования напряжения выше номинального. Во избежание перегрузки двигателя по мощности такой режим допустим только при снижении нагрузки на валу. 86

Способы электрического торможения

1. Торможение противовключением Осуществляется переключением двух фаз статора, т. е. изменением направления вращения магнитного поля машины. n -M В момент, когда ротор остановится, обмотку статора отключают от сети, т. к. двигатель может начать разгон в обратном направлении. M -n 88 88

1 2 1 К 2 1 RT 89 2 2 1 2 s>1, частота токов в роторе возрастает, что приводит к росту ЭДС и токов в роторе. Для ограничения вводится RT. 2 1 К 1 из положения 1 в 2; К 2 из 1 в 2

2. Рекуперативное торможение (т. е. торможение с отдачей энергии в сеть) - перевод машины из режима двигателя в режим генератора. Для этого необходимо, чтобы n 2>n 1 n -M Такие условия могут возникнуть при спуске груза, когда момент от веса груза M действует в сторону вращения ротора. Момент меняет знак и двигатель тормозится до скорости х. х. . 90 90

3. Подключение двух обмоток к постоянному напряжению U + 1 1 2 К К из положения 1 в 2 91 - Ротор вращается в постоянном в пространстве и времени магнитном поле, что приводит к быстрой остановке