«Создание компьютерной модели асинхронного электропривода» выполнена студентом группы Эл-13-05 Махлиной Е. В
АННОТАЦИЯ
Выпускная работа бакалавра на тему «Создание компьютерной модели асинхронного электропривода» выполнена студентом группы Эл-13-05 Махлиной Е.В.
Расчетно-пояснительная записка содержит 82 листа, 49 рисунков и состоит из трех глав, введения, заключения и приложения.
Работа направлена на разработку компьютерной модели электромеханической системы на базе асинхронного электродвигателя с регулированием частоты вращения.
В первой главе рассмотрены особенности асинхронного двигателя и способы регулирования его частоты вращения, а также функциональная схема электромеханической системы на базе асинхронного двигателя.
Во второй главе работы рассматриваются все элементы электромеханической системы в отдельности, рассчитываются их параметры, а также анализируется взаимосвязь этих элементов друг с другом.
В третьей главе рассматривается процесс компьютерного моделирования получившейся электромеханической системы. Идет поэтапное моделирование однофазного мостового выпрямителя с LC-фильтром на выходе, инвертора, регулятора напряжения повышающего типа, асинхронного двигателя и системы регулирования напряжения, подаваемого на инвертор.
Далее анализируются результаты, полученные в результате компьютерного моделирования системы в целом.
3 ВВЕДЕНИЕ
Энергетическую основу производства составляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дельнейшего совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессора и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики. Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили широко использовать регулируемые источники питания на базе тиристоров с бесконтактными системами автоматического управления. Мощность отдельных тиристорных преобразователей достигает десятков тысяч киловатт. Большая гибкость управления и широкие возможности в отношении полноты автоматизации обеспечиваются благодаря широкому применению интегральных аналоговых и дискретных устройств, вычислительной техники, унифицированных блочных систем регуляторов.
Рассматриваемый в работе асинхронный электропривод является учебным лабораторным оборудованием (стендом) и предназначен для проведения экспериментальных исследований в учебных лабораториях.
Широкий набор современных измерительных средств позволяет исследовать на лабораторных стендах почти все электротехнические устройства, в том числе асинхронные машины. Необходимость исследования асинхронных машин обусловлена их широким применением во всех областях промышленности и на транспорте. Описанию асинхронных двигателей, их достоинствам и недостаткам будет посвящена первая глава настоящей работы.
В промышленности асинхронные машины работают при изменении напряжения в пределах 220 В ± 10% и частоты в пределах 50Гц ± 1%. Поэтому для изучения всех режимов работы асинхронного двигателя, в том числе и
4
частотного пуска, будет достаточно, чтобы проектируемый стенд обеспечивал регулирование напряжения в пределах 110 - 220 В.
В данной работе исследуется асинхронный электродвигатель промышленной серии АИС мощностью 250 Вт. Такой двигатель - типичный представитель двигателей этой мощности. Использование двигателей большей мощности нецелесообразно, т.к. в этом случае элементарная база преобразователя и регулятора будет заметно усложнена, а стоимость всей системы значительно возрастет.
Целью данной работы является разработка компьютерной модели электромеханической системы (ЭМС) на базе асинхронного двигателя с предварительным выбором и расчетом параметров этой системы. ЭМС строится на базе асинхронного двигателя АИС71А4УЗ и полупроводникового преобразователя, включающего в себя выпрямитель с LC-фильтром, повышающий регулятор напряжения и трехфазный инвертор, а также систему управления ими, для использования в лабораторном стенде.
5 1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
1.1. Асинхронный двигатель и способы регулирования его частоты вращения
1.1.1. Понятие асинхронной машины и область применения
Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой
только первичная обмотка получает питание от электрической сети с постоянной частотой, а вторая обмотка замыкается накоротко или на электрическое сопротивление. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота зависит от угловой скорости вращения ротора.
Асинхронные машины применяются на практике главным образом как двигатели. Наибольшее распространение имеют трехфазные асинхронные двигатели. Они находят себе самое широкое применение на заводах, фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах, для вспомогательных механизмов электрических станций.
1.1.2. Устройство асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель (рис. 1.1) имеет неподвижную часть, именуемую
статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. Статор имеет магнитный сердечник 5, а ротор - магнитный сердечник 6, образующие магнитопровод двигателя. Сердечники шихтуются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи. При этом в листах вырубаются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которых располагают обмотки соответственно статора 2 и ротора 1.
Сердечник статора с обмоткой закрепляется в корпусе 4. Сердечник ротора с обмоткой плотно насаживается на вал 7, вращающийся в подшипниках. Через вал полезный вращающий момент передается нагрузочному механизму. Вентилятор 8 служит для охлаждения машины, т.к. при работе они нагреваются из-за возникновения потерь мощности. В коробке выводов 3 располагаются клеммы с выведенными концами трехфазной обмотки
статора, которую можно соединить в звезду или треугольник и подключить на напряжение питающей сети.
Рис. 1.1. Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
1 - обмотка ротора; 2 - обмотка статора; 3 - коробка выводов; 4 - корпус; 5 - сердечник (магнитопровод) статора; 6 - сердечник (магнитопровод) ротора;
7 - вал; 8 - вентилятор
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
1.1.3. Принцип действия асинхронного двигателя
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рис. 1.2.
7
Рис. 1.2. Принцип действия асинхронного двигателя
Обмотка статора асинхронного двигателя подключается к сети переменного тока. Под действием напряжения сети в ней протекает переменный ток, создаются МДС и вращающееся магнитное поле. Рабочий поток взаимной индукции проходит по ярму (спинке сердечника) и зубцам статора, через воздушный зазор, по зубцам и ярму ротора и замыкается через полюс другой полярности.
Магнитное поле при вращении пересекает проводники обмотки ротора, цепь которой всегда замкнута. В каждом проводнике при этом наводится ЭДС, определяемая по формуле (1.1):
enp=BlvomH, (1.1)
где В - индукция в месте расположения проводника, / - длина проводника, Уотн - линейная скорость перемещения поля относительно проводника ротора.
Полярность ЭДС, наводимой в проводнике, определяется по правилу правой руки. Под действием этой ЭДС в проводнике потечет ток гпр ~ епр. В результате его взаимодействия с вращающимся полем статора появится тангенциальная сила Fnp, действующая на проводник. Пользуясь правилом левой руки, можно найти направление этой электромагнитной силы, действующей на ротор и заставляющей его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения п в направлении вращения поля статора.
Проводники обмотки ротора распределены по пазам его сердечника на окружности с диаметром D2. Произведение силы Fnp на ее плечо (расстояние до оси вращения) равно электромагнитному моменту. Суммированием
8 электромагнитных моментов всех проводников получают результирующий электромагнитный момент, действующий на ротор (1.2):
где z2 - число пазов ротора.
22
Ротор начинает вращаться под действием результирующего электромагнитного момента, если он больше момента сопротивления нагрузки. Механический момент нагрузки прикладывается к валу двигателя.
Поле статора вращается с постоянной скоростью п/, не зависящей от нагрузки. Скорость вращения поля щ называется синхронной скоростью вращения и определяется по формуле (1.3):
*-&-. 0.3)
Р где р — число пар полюсов;/- частота, Гц.
Начав вращаться под действием электромагнитного момента, ротор будет догонять поле статора. Но скорость вращения ротора п не может стать равной синхронной скорости вращения поля статора щ. Допустим, что п=п\. Так как У0тн=пгп, то при п=п, ЭДС е„р=0, iv=0, F„p=0, M=0, поэтому ротор начнет останавливаться. Таким образом, у асинхронного двигателя всегда «<«/, т.е. ротор отстает от поля статора, вращаясь медленнее его и скользя относительно него. Это несинхронное вращение ротора и обусловило название «асинхронный двигатель».
Скорость поля относительно ротора пск — щ - п называется частотой скольжения, а отношение этой частоты к частоте поля, обозначаемое через s, называется скольжением и определяется по формуле (1.4):
s = - , (1.4)
п,
Частота ЭДС в обмотке ротора определяется скоростью пск (1.5):
60 60 60
9 где ni-n=sn].
Следовательно, поле статора наводит в роторе ЭДС переменной частоты /2, которую называют частотой скольжения.
При пуске асинхронного двигателя частота в роторе наибольшая. В самом деле, при n=Q, s=\,f2=f. При холостом ходе^~0.
С такой же низкой частотой изменяется магнитный поток в сердечнике ротора, т.е. в нем практически отсутствуют потери в стали. Однако магнитопровод ротора делают шихтованным по следующим причинам:
- пуски, торможения и другие переходные процессы, особенно если
они происходят часто, сопровождаются изменением скольжения и частоты в
роторе в широких пределах;
высшие пространственные гармоники поля перемагничивают сердечник ротора с частотами, зачастую даже превышающими частоту сети;
- при штамповке листов электротехнической стали для сердечника
статора внутреннюю часть вырубки можно использовать для шихтовки
сердечника ротора. В противном случае ее пришлось бы отправлять в отходы.
1.1.4. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели обычно применяются для электроприводов, которые работают с постоянной частотой вращения. Но иногда они применяются для регулируемых электроприводов. Рассмотрим возможные способы регулирования частоты вращения.
Из формул (1.3) и (1.4) получим:
« = —0-*), (1.6) Р
Из формулы (1.6) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:
1. изменением частоты питающего напряжения;
10
изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;
изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения от Sa к Sr, а, следовательно, и к уменьшению частоты вращения двигателя.
Частотное регулирование. Для реализации этого способа требуется автономный источник электроэнергии переменной частоты: синхронный генератор, вращающийся с переменной скоростью, или статический полупроводниковый преобразователь частоты.
Пренебрегая малым падением напряжения на полном сопротивлении обмотки статора, то из формулы (1.7)
и!=4,44^Коб1Ф (1.7) очевидно, что для сохранения постоянным потока в машине при регулировании частоты необходимо одновременно пропорционально изменять напряжение. Эту двойную функцию выполняет преобразователь частоты, реализуя отношение Ui/f=const.
Рис. 1.3. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
При разработке электрических машин, работающих при постоянной частоте, учитываются следующие отличительные признаки:
- частотно-регулируемым двигателям не требуются глубокие пазы короткозамкнутого ротора для увеличения пускового момента, т.к.
11
преобразователь частоты реализует «мягкий» пуск с постепенным увеличением частоты;
число полюсов частотно-регулируемого двигателя должно быть согласовано с диапазоном регулирования частоты и передаточным числом редуктора;
преобразователи частоты подключаются к сети стандартного напряжения, а их наиболее простые схемы имеют на выходе отличные от стандартных значения напряжения;
при несинусоидальном питающем напряжении (токе) нет необходимости к гармоническому распределению магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя;
из-за низкой эффективности собственных вентиляторов при работе на малых частотах частотно-регулируемые двигатели должны снабжаться автономными вентиляторами-наездниками со своим собственным приводом;
очень высоким скоростям вращения регулируемого двигателя должны соответствовать его подшипники, их смазочные материалы, уплотнения и балансировка ротора;
- в лучших современных преобразователях частоты используют
широтно-импульсную модуляцию.
Изменяя частоту, можно регулировать скорость вращения асинхронного двигателя в очень широком диапазоне, сохраняя при этом высокими его энергетические показатели. Однако наличие преобразователя частоты повышает стоимость и усложняет обслуживание электропривода.
Изменение числа полюсов. Пути реализации этого способа
регулирования скорости вращения асинхронных двигателей следующие:
- размещение в пазах статора нескольких обмоток с различным
числом полюсов. В этом случае напряжение питания переключается с одной
обмотки на другую в зависимости от требуемой скорости. Модификации таких
многоскоростных асинхронных двигателей используются, например, в
электроприводах лифтов;
12
изменение схемы обмотки статора путем переключения ее катушек;
использование полюсно-амплитудной модуляции, изменяющей схему обмотки. При этом в результате наложения полей катушек изменяется число полюсов результирующего магнитного поля в воздушном зазоре. При этом появляется большее число высших пространственных гармоник.
Недостатками данного способа регулирования являются:
невозможность плавного регулирования (скорость изменяется только скачком);
более высокие габаритные размеры, масса и скорость многоскоростных двигателей по сравнению с односкоростными нерегулируемыми.
Воздействие на скольжение. Управлять скоростью вращения ротора асинхронного двигателя (из формулы (1.6)) можно, регулируя напряжение питания или изменяя активное сопротивление цепи.
Регулирование изменением напряжения. Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения на зажимах обмотки статора. Если каким-нибудь регулятором уменьшить напряжение, максимальный момент резко понижается, а критическое скольжение остается неизменным.
Работа асинхронного двигателя при повышенном скольжении неэкономична, так как при этом велики потери в обмотке ротора. Поэтому таким способом регулируют скорость вращения ротора в малом диапазоне и только в двигателях небольшой мощности.
Реостатное регулирование двигателя с фазным ротором. Реостат в цепи ротора должен быть рассчитан на продолжительную работу, а не только на кратковременное протекание пускового тока. Если при заданном моменте нагрузки, равном, например, номинальному, изменять сопротивление регулировочного реостата, то скольжение будет тоже меняться в некотором диапазоне. Обычно этот диапазон невелик, так как в реостате при этом возникают потери, поэтому данный способ регулировании тоже неэкономичен.
страница 1страница 2 ... страница 4страница 5
скачать
Другие похожие работы: