Системы электропривода постоянного тока

Электрические машины, аппараты, основы электропривода Федорова Светлана Владимировна, канд.техн.наук, зав.кафедрой энергетики, зам. директора по высшему образованию Основы электропривода Системы электропривода постоянного тока История развития электропривода Групповой привод История развития электропривода Индивидуальный привод История развития электропривода Многодвигательный привод Электропривод и современная энергетика Электропривод – главный потребитель электроэнергии (более 60% всей производимой электроэнергии). Проблемы развития электропривода: • Расширение функциональных возможностей электропривода в разнообразных технологических производствах; • Острое требование экономно расходовать энергию и другие ресурсы. Общие требования к электроприводу 1. Надёжность 2. Точность 3. Быстродействие 4. Качество динамических процессов 5. Энергетическая эффективность 6. Совместимость 7. Ресурсоёмкость Электрический привод (электропривод) – электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. ЭЭ UЗ Управляющее устройство Источник электроэнергии СУ ЭЭ Преобразователь ЭЭ Электродвигатель Мех.Э Передаточное устройство Мех.Э ИО (механизм) Структурная схема электропривода Кинематическая схема электропривода Двигатель Д через соединительную муфту СМ1, клиноременную передачу (КРП), ряд зубчатых передач ЗПi и соединительную муфту СМ2 приводит во вращение барабан (Б), преобразующий вращательное движение в поступательное движение ряда связанных масс. При нагружении элементы системы (валы, опоры, клиноременные передачи, зубчатые зацепления и т.п.) деформируются, т. к. механические связи не являются абсолютно жёсткими. При изменении нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое определяется жёсткостью связи. Каждый вращательно движущийся элемент обладает моментом инерции Ji и связан с (i+1) - элементом механической связью, обладающей жёсткостью Ci. Соответственно каждый поступательно движущийся элемент имеет массу mj и связан со следующим связью с жёсткостью Сj. Классификация электроприводов 1. По виду движения: вращательный и поступательный; однонаправленный и реверсивный; непрерывный и дискретный. 2. По принципам регулирования скорости и положения: нерегулируемый; регулируемый; следящий; программно-управляемый; адаптивный; позиционный. 3. По роду механического передаточного устройства: редукторный; безредукторный. 4. По роду электрического преобразовательного устройства: полупроводниковый (тиристорный, транзисторный); ТП – Д; ПЧ – Д; Г – Д. 5. По способу передачи механической энергии: индивидуальный; взаимосвязанный (многодвигательный); групповой. 10 11 Уравнения движения электропривода Переходный режим M – MСТ = MДИН MДИН = J × d/dt – вращательное движение MДИН = m × d/dt – линейное перемещение Установившийся режим M – MСТ = 0 M = MСТ  =  УСТ =0 12 Механические характеристики механизмов MСТ   MСТ = () MСТ = (n) 1 MСТ = const 2 MСТ  2 3 MСТ  -1   4 1 2 –M –MСТ1 3 MСТ2 MСТ 4 M MСТ1 – 5 4 – реактивный MСТ 5 – активный MСТ Основное уравнение электропривода 13 Нагрузочная диаграмма и тахограмма механизма подъема экскаватора Цикл основных рабочих периодов механизма подъема состоит из следующих основных операций: t1 - разгон двигателя в начале черпания (копания) грунта; t2 - подъем ковша с рукоятью в период черпания грунта; t3 - остановка ковша с грунтом после выхода из забоя; t4 равновесное поддержание ковша с грунтом при повороте его к месту выгрузки; t5 - выгрузка ковша, момент двигателя уменьшается с опорожнением ковша от грунта; t6 - разгон двигателя при опускании пустого ковша; t7 - опускание пустого ковша с постоянной скоростью; t8 - торможение ковша перед опусканием на грунт. Основное уравнение электропривода В первом случае электропривод включён в направлении подъёма груза. Двигатель работает в двигательном режиме. Груз, подвешенный на крюке, создаёт момент сопротивления, препятствующий вращению. Тогда уравнение движения будет иметь вид: Во втором случае в конце подъёма груза двигатель переводится в режим электрического торможения и его момент, как и момент сопротивления, будет препятствовать вращению. Уравнение движения в этом случае имеет вид: В третьем случае электропривод включён в направлении опускания груза, т.е. двигатель работает в двигательном режиме. Поскольку момент сопротивления, создаваемый поднятым грузом, является активным, то при опускании груза он будет не препятствовать, а способствовать вращению. Уравнение движения имеет вид: В четвёртом случае в конце опускания груза двигатель опять переводится в режим электрического торможения, а момент сопротивления продолжает вращать двигатель в направлении спуска. В этом случае уравнение движения имеет вид: При ускорении или замедлении электропривод работает в переходном режиме, вид которого полностью определяется законом изменения динамического момента Мд. Последний, являясь функцией вращающего момента М и момента сопротивления Мс, может зависеть от скорости, времени или положения рабочего органа ТМ. Режимы работы электропривода Режимы работы электродвигателей S1-S10 по ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) Машины электрические вращающиеся Продолжительный режим — это режим работы такой длительности, при которой за время работы двигателя температура всех устройств электропривода достигает установившегося значения. +При кратковременном режиме рабочий период относительно краток и температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного механизма достаточно велик для того, чтобы двигатель успевал охладиться практически до температуры окружающей среды. При повторно-кратковременном режиме периоды работы чередуются с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагрузки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. График зависимости нагревания и охлаждения машины от времени Механические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения 18 Динамическое торможение Для перевода работающего двигателя в режим динамического торможения якорная цепь отключается от источника якорного напряжения и на зажимы якоря подключается реостат динамического торможения RДТ. Под действием инерционных сил якорь продолжает вращаться в прежнем направлении, а полярность напряжения Uв, прикладываемого к обмотке возбуждения, не изменяется. Следовательно, сохраняет своё направление э.д.с. вращения Е. В образовавшемся контуре ток Iя будет протекать под действием Е. Поскольку Е направлено встречно U, то и направление тока по отношению к двигательному режиму изменится на противоположное: Торможение противовключением Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а вращающаяся часть двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления Мс вращается в противоположную сторону – против включения. Наиболее часто торможение противовключением используется в реверсивных электроприводах, так как реверсу двигатель обязательно предшествует процесс торможения. Реверс осуществляется со стороны якоря двигателя, для чего якорь включен в реверсивный мост, образованный главными контактами контакторов направления вращения КВ («вперед» в электроприводах передвижения или «верх» в электроприводах подъёма) и КН («назад» и «низ» соответственно). При реверсе со стороны обмотки возбуждения она включается в реверсивный мост, образованный контактами электрических аппаратов меньшего габарита, так как потребляемая по цепи питания обмотки возбуждения мощность не превышает 15% мощности, потребляемой по цепи питания якоря. Однако реверс со стороны якоря осуществляется гораздо быстрее, поскольку постоянная времени якорной цепи Тя на порядок меньше постоянной времени цепи возбуждения Тв. Технические требования, предъявляемые к электроприводам главных механизмов экскаваторов Формирование требований к электроприводам главных механизмов базируется на анализе режимов работы экскаватора как единой электромеханической системы. При этом также учитывается, что эта система является эргономической системой, поскольку управляет ею человек. Поэтому электроприводы главных механизмов должны обеспечивать максимальное удобство управления экскаватором. Основные технические требования: 1. Режим работы электроприводов - перемежающийся номинальный с двумя или более угловыми скоростями (S8), то есть режим, при котором периоды с одной нагрузкой на одной частоте вращения чередуются с периодами работы на другой частоте вращения при соответствующей этой частоте нагрузке. 2. Электроприводы должны обеспечивать плавное регулирование частоты вращения исполнительного двигателя в диапазоне 10:1. 3. Механические характеристики исполнительных двигателей, реализуемые электроприводами, должны иметь значения коэффициента статизма 0,1-0,2. 4. Электроприводы главных механизмов должны обеспечивать высокопроизводительную работу экскаваторов при одновременном ограничении нагрузок механического и электрического оборудования. Важнейшим условием выполнения этого требования является формирование механической характеристики исполнительного двигателя, которая называется экскаваторной. Принцип тиристорного управления Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями: а – трехфазный нулевой нереверсивный преобразователь; б – трехфазный нулевой реверсивный преобразователь Электромеханические характеристики нереверсивного электропривода, выполненного по схеме ТП-Д Схемы электроприводов с тиристорными преобразователями: а – трехфазный мостовой нереверсивный преобразователь; б – трехфазный мостовой реверсивный преобразователь Схема силовой части электропривода системы ТП-Д с возможностью двух зонного регулирования скорости Электропривод постоянного тока ТП-Д Электропривод постоянного тока 19.05.2021 28 Функциональная схема 19.05.2021 29 Принципиальная схема силовой части электроприводов главных механизмов экскаваторов типа ЭКГ-20 -Механизм поворота приводится в движение четырьмя двигателями ДВ1-ДВ4 -Механизм напора приводится в движение двумя двигателями ДН1, ДН2 -Механизм подъема приводится в движение двумя двигателями ДП1, ДП2 Вторичные обмотки соединены попарно в «звезду» и «треугольник»: - уменьшаются пульсации напряжения, поступающего на цепи якорей исполнительных двигателей электропривода механизма подъема; - уменьшается влияние тиристорных преобразователей на показатели качества напряжения питающей сети. Функциональная схема экскаваторного электропривода по схеме ТП-Д Благодарю за внимание!