Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и испытана русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-1891 годах. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени. В наше время асинхронные двигатели (АД) нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности, быту и сельском хозяйстве. Их используют в различных механизмах: электроприводе металлорежущих станков, лифтах, конвейерах, насосах, вентиляторах. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики и бытовой техники.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, простота ремонта, малое количество конструктивных элементов, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

Однако простота конструкции приводит к сложности при пуске двигателя. В момент пуска в ход n=0, скольжение S=1. Так как токи в обмотках ротора и статора зависят от скольжения и возрастают при его увеличении, пусковой ток двигателя в 5 ÷ 10 раз больше его номинального тока.

1. Актуальность темы

Для решения проблем, проявляющихся при неконтролируемом пуске асинхронного двигателя, применяют различные способы, которые в той или иной степени обеспечивают разгон асинхронного двигателя с заданным значением тока, существенно меньшем, чем при прямом (неконтролируемом) пуске [1].

Это позволяет также предотвратить преждевременный выход из строя АД и приводимых в движение механизмов, увеличить ресурс коммутационной аппаратуры, обеспечить возможность управления электроприводом с использованием современных средств автоматизации.

Кроме того, применение современного контролируемого пуска позволяет снизить потребляемую активную мощность, существенно снизить потребление реактивной мощности, снизить уровень шума, уменьшить вибрацию электродвигателя.

Умения правильно выбрать метод пуска АД входит в набор навыков, которыми должен владеть инженер-электромеханик. Поэтому на кафедре Электропривод и автоматизация промышленных установок (ЭАПУ) в лаборатории систем управления электроприводами спроектирован стенд для исследования схем пуска АД.

2. Прямой пуск

В большинстве случаев асинхронные двигатели включаются прямым включением в сеть(рис 1) . В статорной цепи двигателя замыкаются контакты электромагнитного пускателя, обмотки подключаются к линейному напряжению сети, возникает вращающееся электромагнитное поле, и привод начинает работать. Для маломощных асинхронных электроприводов мощностью не более 3 кВт негативное влияние на сеть при прямом включении не является критичным. Конечно, имеющим место броском тока нельзя пренебрегать, но даже бытовая сеть переменного тока обычно обладает некоторым резервом по мощности, позволяющим выдержать моментную перегрузку.

Прямой пуск

Рисунок 1 – Прямой пуск АД

Что же касается самого приводного двигателя, то при отсутствии значительного падения напряжения он всегда запустится без последствий. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Поэтому, прямое включение в сеть часто применяется для асинхронных приводов небольших насосных и вентиляторных установок, циркулярных пил, наждаков, металлообрабатывающих станков [3].

В асинхронных двигателях отношение L/R сравнительно мало (особенно в малых двигателях), поэтому переходный процесс в момент включения характеризуется весьма быстрым затуханием свободного тока. Это позволяет пренебречь свободным током и учитывать только установившееся значение тока переходного процесса.

Ускорение при разгоне определяется разностью абсцисс кривых М и Мст и моментом инерции ротора двигателя и механизма, который приводится во вращение. Если в начальный момент пуска Мп < Мст , двигатель разогнаться не сможет.

Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного подключения обмотки статора к сети широко применяют благодаря простоте и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ротором — низкой стоимости и относительно высоким энергетическим показателям.

3. Пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник

В случае если мощность двигателя исчисляется десятками и более киловатт, прямое включение в сеть становится просто неприемлемым. В этом случае броски пускового тока необходимо ограничивать, поскольку они создают лишнюю нагрузку на сеть и могут вызвать значительное падение напряжения, что наиболее проявляется при недостаточно мощных электрических сетях или при питании от автономного источника.

Для снижения пускового тока применяется схема управления электродвигателя звезда-треугольник (рис. 2), при котором запуск происходит с низкими пусковыми токами (схема подключения звезда) и через определенное время переключение в нормальный режим работы (схема подключения треугольник).

Пуск АД переключением обмотки статора со звезды на треугольник

Рисунок 2 – Пуск АД переключением обмотки статора со звезды на треугольник

При этом напряжение, подаваемое на фазы обмотки статора, уменьшается в 1,73 раза, что обусловливает уменьшение фазных токов в 1,73 раз и линейных токов в 3 раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на нормальную схему.

Сначала, при пуске, двигатель подключается в звезду, а момент и величина тока при этом равна трети от номинальной. По истечению заданного интервала привод отключается и снова включается, но уже по схеме «треугольник.

Пуск будет эффективным, если при разгоне по схеме «звезда» двигатель сможет развить момент, который необходим для набора скорости, достаточной для переключения на «треугольник». Если это произойдёт на скорости, значительно меньшей номинальной, то ток при таком пуске не будет значительно отличаться от тока прямого пуска, а значит, применение устройства лишено смысла.

Кроме больших скачков тока и момента, в момент перехода двигателя на работу по схеме «треугольник» происходят и другие сложные переходные процессы. Их амплитуда зависит от амплитуды и фазы напряжения, которое создаётся двигателем при переключении [7].

В самом худшем случае величина напряжения может быть такой же, как в сети, однако находиться в противофазе. Тогда ток будет превышать номинальный в два раза, а момент, согласно вышеприведенной формуле, в четыре.

4. Реостатный пуск

Данный способ можно применять в случае если нет необходимости развивать большой пусковой момент. Включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) сопротивлений (рис. 3). При этом на указанных сопротивлениях создаются некоторые падения напряжения, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора подается пониженное напряжение. По мере разгона двигателя снижается ЭДС , индуцированная в обмотке ротора, а следовательно, и пусковой ток. В результате уменьшается падение напряжения на указанных сопротивлениях и автоматически возрастает приложенное к двигателю напряжение. После окончания разгона добавочные резисторы замыкаются накоротко контактором К1.

Такой способ пуска для снижения подводимого к статору напряжения использует жидкостные или металлические резисторы. При грамотном выборе резисторов такие устройства обеспечивают хорошее снижение момента и пускового тока электродвигателя.

Точный выбор резисторов должен быть сделан ещё на этапе проектирования с учётом всех параметров двигателя, его режимов работы и планируемой нагрузки. Однако такая информация не всегда оказывается доступной, а когда резисторы выбирают неточно, то и качество, и надёжность работы пускателя остаются невысокими.

Особенность такой схемы заключается в том, что сопротивление резисторов меняется в процессе работы из-за их нагрева. По причине опасности перегрева, пускатели с резисторами не используются для работы с высокоинерционными машинами и механизмами.

Реостатный пуск АД

Рисунок 3 – Реостатный пуск АД

5. Автотрансформаторный пуск

При данном способе пуска двигатель подключается к сети через понижающий автотрансформатор (рис. 4), который может иметь несколько ступеней, переключаемых в процессе пуска соответствующей аппаратурой.

Автотрансформаторный пуск АДа

Рисунок 4 – Автотрансформаторный пуск АД

При такой схеме пуска для снижения подводимого к двигателю напряжения используется автотрансформатор. Для ступенчатой регуляции величины пускового тока и момента используются специальные отводы. Полная скорость вращения вала электродвигателя достигается до момента перехода на номинальное напряжение, а скачки тока при этом минимизируются. В тоже время из-за ступенчатого характера регулирования достичь высоких показателей точности оказывается невозможно.

Пускатель с автотрансформатором, в отличие от пуска методом звезда/треугольник характеризуется замкнутыми переходными процессами. Это означает, что жесткие переходные процессы кривых момента и тока во время разгона электродвигателя отсутствуют.

Из-за падения величины напряжения на автотрансформаторе, уменьшается момент на любых скоростях электродвигателя. При высокоинерционной нагрузке привода время пуска может превысить допустимые (безопасные) пределы, а при переменной — поведение системы становится неоптимальным.

Пуск с применением автотрансформатора обычно используются при частоте пусков до 3 шт./час. Для более частых пусков асинхронных двигателей необходимо использовать автотрансформаторы значительно больших габаритов и стоимости, что ведет к нерациональности использования данного метода.

6. Переключение пар полюсов

При таком пуска АД изменение скорости происходит не плавно, а скачками, требуется довольно сложное переключающее устройство, в особенности при числе скоростей большем двух. При переходе с одной скорости на другую разрывается цепь статора, при этом неизбежны толчки тока и момента, коэффициент мощности при низших скоростях ниже, чем при высших из-за увеличения рассеяния магнитного потока.

Снижение вращающего момента двигателей с переключением числа полюсов. При изменении частоты вращения таких двигателей с высокой на низкую могут понадобиться соответствующие меры по снижению вращающего момента, поскольку его величина при переключении пар полюсов больше величины пускового момента. Этого можно добиться не только с помощью дроссельных и резисторных схем, но и недорогим способом 2-фазного переключения (рис 5). При таком переключении двигатель в течение определенного времени (регулируемого через реле времени) работает только от двух фаз статорной обмотки для низкой частоты вращения. Благодаря этому симметричное (в нормальном режиме) вращающееся поле искажается, и двигатель создает меньший вращающий момент.

Оптимальный способ - это использование электронного устройства плавного переключения числа полюсов WPU, электронные схемы которого отключают 3-ю фазу при переключении полюсов и снова подключают ее в нужный момент.

Применение устройства плавного переключения числа полюсов для пуска АД

Рисунок 5 – Применение устройства плавного переключения числа полюсов для пуска АД

Для снижения броска момента при переключении пар полюсов используются электронные устройства плавного переключения числа полюсов типа WPU.

Двигатели имеющие большее число скоростей (4- 8), требуют увеличения типоразмера и менее рентабельны (низкий КПД, значительные габариты, высокая цена).

Двухскоростные асинхронные двигатели изготовляют с двумя независимыми трехфазными обмотками статора, имеющими различное число пар полюсов, что позволяет ступенчато регулировать частоту вращения ротора подключением одной из обмоток к трехфазной питающей сети. Переход с низкой скорости на высокую должен производиться после выдержки времени для размагничивания двигателя, чтобы избежать больших бросков тока из-за противофазного состояния между сетью и двигателем. Силовая схема подключения двухскоростного двигателя к УПП изображена на рисунке 6, а управляющая на рисунке 7.

Силовая част

Рисунок 6 – Силовая часть

Управляющая часть

Рисунок 7 – Управляющая часть

В данной схеме возможно использование двигателя с двумя независимыми обмотками. У этих двигателей две скорости и они сконструированы таким образом, что каждая обмотка взаимодействует внутренне с различным количеством полюсов и в зависимости от того, какая обмотка подключена к сети, двигатель будет вращаться с различным числом оборотов.

Двигатель с одной обмоткой с подключением Даландера изображены на рисунке 8 и 9. Эти двухскоростные двигатели сконструированы с обычной трехфазной обмоткой, но соединенной внутри таким образом, что в зависимости то того, какие внешние коммутации произведены, в двигателе будут происходить переключения с одного на другое количество полюсов, но их соотношение всегда будет 2 к 1; таким образом, у двигателя будут две различные скорости, одна в два раза превышающая другую [11].

Силовая часть

Рисунок 8 – Силовая часть
(анимация: 6 кадров, 7 циклов повторения, 151 килобайт)

Управляющая часть

Рисунок 9 – Управляющая часть

Также существуют двигатели с обмоткой Даландера и другой независимой обмоткой (при таком типе двигателя достигаются три различные скорости, две с обмоткой подключения Даландера и третья с независимой обмоткой) и двигатели с двумя обмотками Даланлера (при таком типе двигателя реализуется возможность четырех скоростей, две с каждой обмотки).

7. Пуск с применением устройства плавного пуска

Схема работы УПП может быть одной из четырёх типов:

  1. Регуляторы пускового момента контролируют лишь одну фазу трехфазного асинхронного двигателя. Хотя такой тип управления и способен контролировать плавный пуск, он не обеспечивает снижения пусковых токов.Фактически, при использовании регуляторов пускового момента, ток на обмотках двигателя приблизительно равен току, который получается при прямом пуске. В тоже время, такой ток протекает по обмоткам дольше, чем в случае прямого пуска, поэтому двигатель может перегреться.Устройства такого типа не могут применяться для приводов, которым нужно снижение пусковых токов. Они не могут обеспечить пуск высокоинерционных механизмов (из-за опасности перегрева двигателя), а также частые запуски/остановки привода.
  2. Регуляторы напряжения без сигнала обратной связи могут работать только по жестко заданной пользователем программе. Обратная связь от двигателя отсутствует, поэтому они не могут изменять частоту вращения двигателя, подстраивая её под меняющуюся нагрузку. В остальном они отвечают всем требованиям, которые предъявляются к мягким пускателям, и способны управлять всеми фазами двигателя. Это едва ли не самые популярные устройства плавного пуска. Схема запуска двигателя определяется путём предварительного задания стартового напряжения, а также времени, необходимого для пуска. Многие устройства такого типа могут обеспечивать также ограничение величины пускового тока — это достигается снижением напряжения при запуске. Разумеется, такие регуляторы способны управлять также замедлением работы механизма, выполняя плавный и продолжительный останов.Двухфазные регуляторы могут снижать напряжение и в трёх фазах, однако ток получается несбалансированным.
  3. Регуляторы напряжения с сигналом обратной связи — это модернизированные версии устройств, описанных выше. Они способны считывать текущую величину тока и регулировать напряжение таким образом, чтобы ток не выходил за заданные пользователем рамки. Также полученные данные используются для работы разнообразных защит (от дисбаланса фаз, перегрузки и т.п.).Такое устройство плавного пуска асинхронных двигателей может быть сгруппировано с другими подобными устройствами в единую систему управления электродвигателями.
  4. Регуляторы тока с сигналом обратной связи. Это самые современные устройства плавного пуска. Схема работы основана на регуляции силы тока, а не напряжения, как предыдущие модели. Это обеспечивает лучшую точность управления, более простое программирование и быструю настройку устройства — ведь большинство параметров тут определяется автоматически, без необходимости ручного ввода.

В момент такого пуска ток, протекающий через двигатель, равен току в случае заклиненного ротора. Двигатель в это время разгоняется, причём момент в какое-то мгновение становится выше номинала, после чего приходит к номинальному значению. Характер изменения тока и момента зависит от конструкции и модели каждого конкретного двигателя.

Устройство для плавного пуска электродвигателя представляет собой электронный прибор, снижающий напряжение и соответственно пусковой ток путем фазового управления. Электронный прибор содержит регулировочный блок, где настраиваются различные эксплуатационные и защитные параметры, и силовой блок с встречно-параллельно включенными тиристорами. С его помощью пусковой ток ограничивают, как правило, величиной, в 2-3 раза превышающей номинальный ток. Наличие значительного момента инерции в процессе пуска может привести к увеличению теплообразования в электродвигателе и, тем самым, к снижению его срока службы[17].

При плавном пуске электродвигателя тиристорный силовой блок обеспечивает подачу тока несинусоидальной формы и создает высшие гармоники. В связи с очень коротким временем ускорения/торможения с практической точки зрения (и в нормах, касающихся высших гармоник) это не имеет продолжительного отрицательного влияния на питающую сеть. Однако может вносить помехи в работу контроллеров. Для исключения влияния помех желательна установка противопомеховых фильтров на входе устройства плавного пуска.

Как показано, устройство плавного пуска рекомендуется устанавливать вместе с обходным контактором, чтобы электродвигатель в процессе эксплуатации работал в режиме прямого присоединения к питающей сети. Тем самым обеспечивается минимальный износ и потеря мощности в устройстве для плавного пуска.

Наиболее важным элементом в силовой части УПП является классический симистор (два встречно-параллельно включенных тиристора с управляющим входом), включаемый последовательно между питающим проводником и обмоткой двигателя. Тиристор отпирается при условии приложения прямого напряжения анод-катод и одновременной подачи отпирающего потенциала или его импульса на управляющий электрод. Запирается тиристор только снижением тока в цепи «анод-катод-нагрузка» до значения, близкого к нулевому. В составе УПП тиристор исполняет роль быстродействующего полупроводникового контактора, включаемого напряжением, а выключаемого током [5].

Подключение АД по схеме звезда

Рисунок 10 – Подключение АД по схеме звезда

Подключение АД по схеме треугольник

Рисунок 11 – Подключение АД по схеме треугольник

Временной момент запирания при переходе через ноль тока тиристора, через который питается обмотка разгоняемого двигателя, всегда запаздывает относительно момента перехода синусоиды фазного напряжения через ноль из-за индуктивной составляющей. УПП содержат симисторы, включаемые в одну, две или все три фазы, причём, при соединении обмоток треугольником, возможно включение симисторов не в фазу питания, а в разрыв обмотки рис. 3. В этом случае ток через симистор снижается в 1,73 раза и позволяет выбрать менее мощное и более дешёвое УПП, но удваивает число необходимых кабелей (с допустимым током в те же 1,73 раза ниже).

Соединение обмоток двигателя треугольником с последовательным включением УПП

Рисунок 12 – Соединение обмоток двигателя треугольником с последовательным включением УПП

Применение различных схем подключения к УПП (например Altistart_48_ATS48D17Q) вызывает разброс мощностей двигателей: 3 kW при 230 V (соединение в линии питания двигателя) для работы в сложных условиях (номинальный ток 12А) рис. 8 либо 15 kW при 400 V (подключение последовательно к каждой обмотке двигателя) (номинальный ток 29А) рис. 9.

Схема работы УПП может быть одной из четырёх типов:

Основные функции УПП:

8. Частотный пуск

Наиболее эффективным для асинхронного привода является пуск с использованием частотного преобразователя (ПЧ). Изменяя частоту и величину питающего напряжения, преобразователь позволяет асинхронному двигателю запускаться и работать с оптимальными показателями в составе любого привода. При этом совершенно исключаются броски тока, а крутящий момент достигает максимально возможных значений [6].

9. Инерционная крыльчатка

Для некоторых приводов (не требующих контроля за разгоном) уменьшение ускорения при пуске и замедления при торможении (плавность разгона и торможения) достигается путем установки чугунной крыльчатки двигателя (маховика), создающей дополнительный момент инерции. При этом следует учитывать количество включений привода в час, так как при большом количестве включений двигатель перегреется и выйдет из строя.

Выводы

Умения проводить правильно выбрать метод пуска двухскоростного АД входит в набор навыков, которыми должен владеть инженер-электромеханик. Поэтому на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» (ЭАПУ) в лаборатории систем управления электроприводами спроектирован стенд для исследования устройства плавного пуска на основе устройства Altistart_48_ATS48D17Q (17А, 170-460В) производства Schneider Electric, управляющего пуском двигателя АИР80В4/2У3 мощностью 1,5 кВт/2,2 кВт (380 В, 50 Гц, 1410/2760 об/мин, 3,8А/4,6А).

Разработанный стенд планируется к использованию в учебном процессе по подготовке бакалавров по направлению «Электромеханика» кафедрой ЭАПУ и в перспективе может быть расширен и дополнен. В качестве ближайшей перспективы рассматриваем реализацию системы логического управления АД на основе программируемого логического контроллера OVEN 100-24, а также разработку средств компьютерной регистрации напряжений, токов и скорости исследуемых АД.

Так, например, благодаря экспериментальной установке можно установить при каком пониженном напряжении запустится привод ленточного конвейера, который практически всегда вынужден запускаться в нагруженном состоянии.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Полилов Е.В., Батрак А.М., Руднев Е.С., Скорик С.П., Горелов П.В. Исследовательский стенд для апробации алгоритмов Управления сложными электромеханическими системами // Електротехн. та комп'ют. системи. - 2011. - Вип. 3. - С. 481-487. - Библиогр.: 14 назв. - рус.
  2. Толочко О.И., Розкаряка П.И., Горобец Н.М. К вопросу об изменении типовых структур цифровых систем управления комплектными электроприводами // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 10 (180). - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – C. 188-193
  3. Шуйский В.П. Расчет электрических машин. Пер. с немец. –I.: Энергия, 1968, 731с.
  4. Толочко О.И., Коцегуб П.Х., Розкаряка П.И Реализация алгоритмов цифрового управления позиционным электроприводом постоянного тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. Вип.3(44):Ч.1 . 2007 . 178 с. : іл. - С. 18-20.
  5. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебн. для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с.
  6. Алексеев К.Б., Палагута К.А. Микроконтроллерное управление электроприводом // Учебное пособие. - М.: МГИУ, 2008. - 298 с.
  7. Чекавский Г.С. Конспект лекция по СУЭП, ДонНТУ, каф. ЭАПУ, 2012 г.
  8. Усольцев А.А. Общая электротехника // Учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 301 с.
  9. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным // Ж.: Электричество в №4/98. 1998, c. 38–42.
  10. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин: Учебн. для вузов, 2–е изд., перераб. и дополн. М.: Высш.школа, 1975. – 319 с.
  11. Беспалов В.Я., Копылов И.П. Переходные процессы в асинхронных двигателях при несинусоидальном напряжении. Электричество,гё 8, 1971.
  12. Беспалов В.Я., Исследование асинхронных двигателей при несинусоидальном напряжении. Автореферат канд. дисс. М.: 1968.
  13. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберигающий асинхронный электропривод: Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. Заведений /; под ред. И.Я. Браславского, – М.: Издательский центр Академия, 2004. – 256 с.
  14. Мельников H.A. Реактивная мощность в электрических сетях.–М.; Энергия, 1975. 128с.
  15. Шевченко И.С., Морозов Д.И Электромеханические процессы в асинхронном электроприводе: Учеб. Пособие / – Алчевск: ДонДТУ, 2009, – 349 с.
  16. Бородина И.В., Вейнтер A.M., Серый И.М., Янко–Тринцкий A.A. Автоматический регулируемый по скорости электропривод с асинхрони–зированным синхронным двигателем. Электричество, 1975, № 7,с. 41–46.
  17. Пересада С.М., Ковбаса С.Н. Цифровые системы управления электроприводом [электронный ресурс] – Режим доступа:http://www.el-drives.com
  18. Пересада С.М., Ковбаса С.Н. Станция быстрого моделирования алгоритмов управления электроприводом [электронный ресурс] - Режим доступа:www.el-drives.com
  19. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. Учебн. для электроэнерг,специальн. вузов,3.е изд., перераб. и доп. М.: Высш.школа, 1978. – "415 с.
  20. Винаков А.Ф., Бабийчук О.Б. Однофазный реверсивный электропривод с квазичастотным управлением // Электротехника и электрооборудование. 1995.–Вып.47.– С.49–53.
  21. Петров Г.Н. Электрические машины. Учебн. для электроэнерг.вузов и факульт. в 3–х ч. Изд. 2–е перераб. ч.2. Асинхронные и синхронные машины. M.JI.: Госэнергоиздат, 1963, 416 с.