Вступление в специалиность ЄМС

- отсутствие средств анализа энергетики ЭП.

     Программные средства для автоматизации проектирования, разработанные за рубежом, имеют  одну общую черту – они нацелены на работу с оборудованием конкретной фирмы, под эгидой которой и разрабатывается  ПО. Ярким примером может служить программная продукция фирмы SEW-EURODRIVE, которая имеет четко выраженную ориентацию только на фирменную продукцию.

     В зарубежной научно-технической литературе процесс проектирования электропривода ограничен синтезом механической части  и заканчивается выбором электродвигателя [13], оставляя в стороне такие важные вопросы, как синтез системы управления, оптимизацию динамических характеристик, расчет энергетических показателей. Например, среди программных продуктов  той же фирмы SEW-EURODRIVE существует программное  средство, предназначенное для расчета  ряда механизмов [13]:

- привода транспортного устройства;

- привода подъемного устройства;

- приводов цепного, роликового, ленточного конвейеров с преобразователем

частоты;

- привода поворотного стола;

- привода кривошипно-шатунного механизма;

- привода ходового винта;

- сервоприводов портального подъемника.

     Основное  внимание в ПО уделено расчету механической части и правильному выбору редукторов, определены алгоритмы подобных расчетных процедур.

Рисунок 1.2 - Примерный алгоритм проектирования электропривода по работам В.М. Водовозова 

     Другим  примером может служить программное  обеспечение, предоставляемое фирмой «Siemens». Здесь имеется ряд полезных программ для обслуживания и выбора технического оборудования (например, электродвигателя, преобразователя, защитной аппаратуры и средств обеспечения электромагнитной совместимости), а также для проектирования систем управления не отдельного электропривода, а всего технологического комплекса.

     В заключение можно сделать следующие  выводы:

- в настоящее время программы проектирования электроприводов имеют преимущественно объектно-ориентированный характер. Для зарубежных фирм, продвигающих свою продукцию на рынок, это вполне объяснимо, и, пожалуй, может считаться положительным фактором, т.к. в подобном программном обеспечении учитываются особенности производимой техники. В этом ряду стоят и средства проектирования управляющих микропроцессорных программ для ЭП, ориентированные на определенные типы микроконтроллеров. А вот для программ, предназначенных для проектирования различных электроприводов, объектно-ориентированная реализация является недостатком, т.к. подобное ПО должно быть инвариантно к объекту проектирования;

- при выборе операционной среды вполне очевиден выбор Windows или даже кроссплатформенных разработок, тем более, что в будущих версиях операционной системы компании «Microsoft» поддержка программ под MS DOS находится под вопросом;

- существуют очевидные сложности сочетания статических и динамических расчетов. Здесь требуется отметить, что наилучшим вариантом, по мнению авторов, является использование современных средств анализа динамики, таких как программа MatLab. Встраивание же математической модели в код программы является не лучшим решением;

- существует традиционная проблема данных для проектирования. Решение этой задачи лежит не только в разработке базы данных, но и в разработке информационных моделей элементов электропривода, которые, функционируя в составе ПО, были бы способны при необходимости восстанавливать недостающие параметры;

- практически отсутствуют средства оптимизации динамики и анализа энергетических показателей ЭП.

     Причины такого положения, на взгляд авторов, заключаются  в том, что разработки программ автоматизированного  проектирования электроприводов уделялось  и уделяется недостаточно внимания, хотя в последние годы и наметились положительные тенденции. Процесс  разработки подобного программного обеспечения, особенно инвариантного  к объекту проектирования, находится  еще в самом начале своего развития. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 ОПИСАНИЕ  РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ  ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ  ВОЗБУЖДЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ 
 

     Для получения электромеханической  характеристики двигателя с независимым  возбуждением ω=f(IЯ) при шунтировании якоря внешним сопротивлением rω необходимо вначале найти E=f(IЯ), пересчитать ее на зависимость ω=f(IЯ), а затем перейти к ω=f(M), то есть к уравнению механической характеристики.

     Уравнение получается при решении системы  уравнений, записанных для схемы  шунтирования якоря в соответствии с рис. 2.2, где указаны обозначения всех используемых токов и напряжений: 

                                                 (2.1) 

                                                    (2.2) 

                                                      (2.3) 

     Подставить  значение из (3) в (1), получим: 

                                     (2.4) 

     Из (4) подставим значения в выражение (2): 

                                  (2.5) 

     При Ф=const справедливо: 

                                       (2.6) 

                                      (2.7) 

     Подставляя  значения и из (6) и (7) в (5), получим: 

                         (2.8) 

                          (2.9)

     В относительных единицах: 

                                                          (2.10) 

     Уравнения (9) и (10) показывают, что механическая характеристика двигателя при шунтировании якоря линейна (СФН=const), так же как и механическая характеристика при подаче полного напряжения UН. Это видно из сравнения (8) с уравнением естественной характеристики 

 

     Из  уравнения (8) следует, что при М=0,то есть при идеальном холостом ходе, скорость вращения двигателя 

                                          (2.11) 

     Соотношение (11) показывает, что скорость идеального холостого хода при шунтировании якоря (ω0Ш) меньше такой скорости (ω0) в схеме без шунтирования (см. рис. 2.1).

     Жесткость механической характеристики при шунтировании якоря меньше, чем в схеме без  шунтирования (при естественной характеристике), что видно из неравенства: 

 

     Это также хорошо видно и из сравнения  механических характеристик, показанных на рис. 2.1.

Рисунок 2.1- Сравнение механических характеристик 

Рисунок 2.2 - Схема шунтирования якоря 
 

     2.1 Область применения, преимущества и недостатки двигателей с последовательным и смешанным возбуждением 
 

     Область применения. Наиболее широко эти двигатели  применяются в электротяге (магистральный, городской и внутризаводской электро-транспорт), а также для электропривода грузоподъемных механизмов, особенно для электропривода подъемных лебедок специальных кранов в металлургических цехах. Область применения определяется рядом преимуществ, присущих этим типам двигателей.

     Преимущества. Двигатели с последовательным возбуждением требуют меньшего числа троллеев для подвода электропитания, характерный пример этого - электроприводы трамваев и троллейбусов. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую (по сравнению с двигателями независимого возбуждения) перегрузочную способность по моменту, эти двигатели более надежны (особенно двигатели последовательного возбуждения, имеющие малое межвитковое напряжение в обмотке возбуждения), не боятся снижения напряжения в питающей сети. При применении рассматриваемых двигателей для электроприводов механизмов с резкими пиками нагрузки мягкость механической характеристики (особенно в области малых нагрузок) обеспечит таким приводам преимущество. При пике нагрузки двигатель автоматически снижает скорость, разряжая запас кинетической энергии на вал рабочей машины. При этом ограничивается величина толчков тока в якоре. Малые грузы поднимаются с большей скоростью, а большие - с малой скоростью. Причем это производится автоматически за счет специфики механических характеристик, а не за счет сложных регулирующих устройств.

     Недостатки. Двигатели со смешанным и последовательным возбуждением (особенно последние) нельзя включать в сеть вхолостую или  с малой статической нагрузкой, так как скорость их в этих случаях  превысит допустимые значения, и наступит «разнос» двигателя, сопровождающийся повреждением бандажей и обмоток под действием центробежных усилий.

     Двигатели с последовательным и смешанным  возбуждением имеют большую стоимость  по сравнению с двигателями независимого возбуждения той же мощности и  скорости. Это объясняется большим  расходом активных материалов (железа и меди) для обеспечения большей  перегрузочной способности по току и моменту.

 

3 СПОСОБЫ  РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 
 

     Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем. Эти двигатели  выпускаются мощностью от 0,1 кВт  до нескольких тысяч киловатт и находят  применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя  является простота его конструкции  и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный  двигатель в обычной схеме  включения не допускает регулирования  скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание  значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных  двигателей во избежание перегрева  его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

     Рассмотрим  возможные способы регулирования  скорости асинхронных двигателей (см. рис.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора ω₀ и скольжением s:  

     ω= ω₀-S_абс;

     ω= ω₀-ω₀S. 

 
Рисунок 3.1 - Классификация способов регулирования асинхронных двигателей 

     Исходя из (1) принципиально  возможны два способа регулирования  скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование  скольжения при постоянной величине ω₀.

     Скорость  вращения поля статора определяется двумя параметрами (см.3.3): частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f₁, и числом пар полюсов двигателя р_п. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

     Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для  короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для  асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще  два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой э.д.с. посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

     В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники  созданы и серийно выпускаются  различные виды полупроводниковых  преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое  применение частотно-регулируемого  асинхронного электропривода. Основными  достоинствами этой системы регулируемого  электропривода являются:

- плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.