Рамблер-Планета > Планета Ashot Arakeljan

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД.

nordasu@rambler.ru — Thu, 16 Sep 2010 13:32:13 +0400

Основные сведения

Привод является составной частью производственных машин и механизмов.

Современный уровень развития электроники, обеспечивший производство недорогих, надежных, быстродействующих, простых в эксплуатации регулируемых электрических и механических преобразователей, датчиков сбора информации, сетевых устройств накопления, обработки и передачи информации, обеспечил внедрение и, практически, повсеместное применение управляемых автоматизированных приводов.

В общем случае, структурная схема производственного комплекса с асинхронным электроприводом может быть представлена в виде:

Обеспечение продолжительной и безаварийной работы технологического комплекса (с точки зрения электропривода), предполагает, что:

I. производственные машины и механизмы должны снабжаться энергией (мощностью) в достаточном объеме для нормального пуска и протекания технологического процесса с учетом статических и динамических нагрузок;

II. качество преобразования энергии должно соответствовать принятым энергетическим требованиям или превосходить их;

III. параметры механической мощности (момент и скорость вращения) должны соответствовать требованиям технологического процесса;

IV. привод должен нормально функционировать в внешних условиях существующих или создаваемых при протекании технологического процесса (окружающая среда, режимы работы …)

V. привод, при необходимости, должен обеспечивать качество динамических процессов, поддерживать обратную связь по технологическому параметру, обеспечивать обмен информацией с системой управления верхнего уровня.

Под приводом далее рассматривается комплектный асинхронный электропривод в составе:

- трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым или фазным ротором;

- зубчатого или червячного редуктора;

- электронного регулятора:

- преобразователя напряжения сети по амплитуде;

- выпрямителя в цепи ротора;

- преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем и автономным инвертором напряжения, работающего по схеме широтно- импульсной модуляции.

Корректный выбор и расчет электропривода и его составляющих возможен при задании статических и динамических нагрузок самого производственного механизма, определяемых статическими (механическая характеристика) и, динамическими характеристиками (режимы работы), необходимостью регулирования (числом параметров регулирования, качество переходного процесса, точность установки параметра регулирования).

Подробнее

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН

nordasu@rambler.ru — Tue, 24 Aug 2010 11:38:05 +0400

Значительные вычислительные затраты, необходимые при численном интегрировании дифференциальных уравнений, в общем случае нелинейных, привели к тому, что на начальных этапах развития теории электрических машин, применялись в основном аналитические (качественные) методы исследования переходных процессов. При этом наиболее наглядные модели удавалось получить при допущении, что скорость ротора постоянна или задана аналитически, и приведении дифференциальных уравнений равновесия напряжений, записанных для всех фаз, к уравнениям двухфазной, так называемой, модели обобщенной машины.

С развитием электронной и аналоговой вычислительной техники появилась возможность более точных исследований переходных процессов с учетом разного рода нелинейностей, вводимых свойствами магнитных материалов, изменением во времени внешних статических и динамических моментов, непостоянством внутренних параметров электрической машины в процессе работы. Возникновение не симметрий, в аварийных режимах, или, из-за наличия вентильных элементов в цепях статора или ротора, привело к разработке ряда моделей, основными требованиями к которым были, приемлемые затраты машинного времени, которые при заданной точности расчетов, в основном определяются величиной шага интегрирования.

Появление быстродействующей микропроцессорной техники, на базе которых возможно построение систем управления, привело к необходимости разработки, так называемых, векторных моделей асинхронных машин. Конечное время, за которое возможно измерение сигналов обратной связи (токи, скорость или положение ротора, измерение или расчет параметров машины), обработка и передача информации в систему формирования управляющих воздействий, предопределило разработку моделей основными требованиями, к которым является, быстродействие, заданная точность и устойчивость системы управления в заданном диапазоне регулирования. Общим для этих моделей, является степень линеаризации исходных уравнений и принцип независимого и без инерционного управления моментом двигателя.

К настоящему времени разработаны десятки вариантов моделей асинхронных двигателей, на основе которых, на различной элементной базе, реализованы многочисленные устройства управления.

Однако, несмотря на многочисленность разработок, выбор системы управления для конкретного применения не является очевидным. В какой то мере помогает огромное количество функций, реализованных в системах управления и позволяющих адаптировать систему к конкретному применению.

Многовариантность параметрирования (программирования) преобра-зователей частоты, естественные ограничения систем управления, адаптация к конкретному технологическому процессу предполагают глубокий анализ применений с помощью математических моделей.

Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основано на составлении и решении дифференциальных уравнений Кирхгофа.

Наиболее полное исследование процессов электромеханического преобразования энергии в асинхронном двигателе предполагает учет как свойств электро и магнитопроводящих материалов, так и форм, размеров конструктивных элементов и их технологические допуски. Задача очень сложная и предполагает исследование распределения магнитного поля во всех элементах асинхронного двигателя на каждом шаге интегрирования дифференциальных уравнений с учетом эффектов насыщения, вытеснения токов и т.д.

Проведение подобных исследований представляет большой интерес с точки зрения уточнения параметров и методик проектирования асинхронных двигателей, особенно в настоящее время, когда все большее применение находит асинхронный регулируемый привод с преобразователями частоты, предъявляющий специфические требования к асинхронному двигателю.

В большинстве случаев достаточно точные, для приложений представляющих практическую ценность (особенно для задач электропривода), результаты могут быть получены с применением упрощенных дифференциальных уравнений. При составлении и решение дифференциальных уравнений асинхронной машины (особенно для получения аналитических соотношений, что является наиболее ценным при проектировании и расчете энергетических, механических и регулировочных характеристик) неизбежно встает вопрос о рациональной идеализации параметров и нелинейных зависимостей.

Конструктивно активная часть асинхронного двигателя представляет собой:

- неподвижный статор, состоящий из стального сердечника и распределенной обмотки, расположенной в пазах сердечника. С целью снижения потерь от вихревых токов (неизбежно возникающих в электропроводящих материалах при наложении переменных магнитных потоков), сердечник набран из листов электротехнической стали толщина, которых определяется технологическими возможностями и требованиями к прочности. Листы изолированы электрически друг от друга.

Распределенная обмотка статора многовитковая. Число витков определяется необходимой величиной магнитного потока в воздушном зазоре между статором и ротором. Расположенные в пазах витки, изолированы от материала сердечника пазовой изоляцией, образуют фазы обмотки, которые в свою очередь изолированы междуфазовой изоляцией;

- подвижный ротор, также состоит из стального сердечника и также набран из листов по той же причине, что и сердечник статора. Обмотка ротора стандартных короткозамкнутых двигателей состоит из залитых в пазы сердечника ротора стержней (алюминиевого или медного сплава) и закорочена по торцам короткозамыкающими кольцами.

Общепринятыми допущениями при составлении и решении дифференциальных уравнений являются:

- распределенные обмотки статора и ротора заменяется сосредоточенными с идеальными пассивными элементами схем замещения: активными сопротивлениями фаз статора и ; индуктивностями рассеяния фаз статора и ротора и ; индуктивностями самоиндукции фаз статора и ротора и ; максимальной величиной индуктивности взаимной индукции между фазой статора и фазой ротора соответственно. Дополненные величиной момента инерции ротора , активные и индуктивные сопротивления фаз образуют список параметров электрической машины;

Идеальными пассивными элементами схемы замещения цепей переменного тока являются:

- резистивный элемент, с активным сопротивлением , которым учитывается необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Под другими видами энергии подразумеваются, в первую очередь, тепловая энергия, затем лучистая и т.д. Интересно, что если под другим видом энергии рассматривать механическую энергию передаваемую двигателем исполнительному механизму, и следовательно безвозвратно теряемую для двигателя, то формально (для асинхронного двигателя) механическому моменту на выходном валу двигателя можно сопоставить некоторое активное сопротивление в электрической цепи двигателя.

Падение напряжения на активном сопротивлении и ток через него определяются прямой пропорциональной зависимостью.

Активное сопротивление фазы обмотки рассчитывается по -

удельному сопротивлению материала проводника, которое в общем случае зависит от температуры, и для режимных расчетов двигателей приводится к 75 ⁰С; - длина проводника фазы; - поперечное сечение проводника; - коэффициент, учитывающий так называемый эффект вытеснения тока. Вытеснение тока в проводнике - неравномерное распределение тока по высоте проводника в пазу, возникающее из-за того что, число магнитных линий, пронизывающих паз по высоте различно, и максимально на дне паза. Для многовитковой обмотки статора этот эффект проявляется как однозначно отрицательный. Для стержневой одновитковой обмотки ротора, этот эффект удачно используется при пуске асинхронного двигателя. При пуске, когда скорость ротора равна нулю, а скорость магнитного поля статора равна номинальной, эффект вытеснения тока приводит к увеличению активного сопротивления фазы ротора и увеличению пускового момента.

- индуктивный элемент, с индуктивностью , которым учитывается обратимое преобразование электрической энергии в энергию магнитного поля и наоборот.

Электродвижущая сила индуктивности и ток через него, в общем случае, связаны дифференциальным уравнением.

Электродвижущая сила (ЭДС) - феноменологическая характеристика устройства, определяющая разность потенциалов между его разомкнутыми полюсами.

Магнитный поток катушки с числом витков , есть потокосцепление катушки, и определяется соотношением . Изменение потокосцепления во времени создает на полюсах катушки разность потенциалов численно равную приложенной ЭДС.

Являясь интегральной характеристикой замкнутого контура, в общем случае, место приложения ЭДС не определено. Однако в применении к катушкам ЭДС можно локализовать между полюсами катушки и считать ее свойством самой катушки.

Если магнитный поток образован самой рассматриваемой катушкой, то говорят о собственной индуктивности (явление самоиндукции).

Если магнитный поток образован другой катушкой, то говорят о взаимной индуктивности (явление взаимоиндукции).

Часть магнитного потока машины, замыкающаяся не по ферромагнитному магнитопроводу (по воздуху) называется потоком рассеяния и определяет индуктивность рассеяния.

Определение собственных, взаимных индуктивностей и индуктивностей рассеяния фаз представляет собой наиболее трудную часть при математическом моделировании физических процессов электромеханического преобразования энергии в электрических машинах.

Для трехфазной симметричной неявнополюсной электрической машины величины собственных индуктивностей фаз статора и ротор равны между собой и равны максимальной величине взаимной индуктивности между фазой статора и ротора, при условии, что все параметры ротора и статора приведены к одинаковому числу витков.

- величины активных сопротивлений и индуктивностей постоянны;

Замена изменяемых параметров постоянными величинами, применяемое в математических моделях, резко упрощает составление и решение дифференциальных уравнений.

В общем случае значения всех параметров асинхронного двигателя изменяются в процессе работы, причем величина изменения , как правило, связана с одновременным действием нескольких факторов. Например, индуктивности рассеяния зависят как от степени насыщения магнитной цепи, так и от величины эффективной площади пазов, определяемой вытеснением тока. Учет всех факторов, влияющих на величину изменения параметров, осложняется отсутствием реальных аналитических (общих методов расчета) зависимостей их от токов, потоков, частоты их изменения или скорости вращения.

На практике, характер и величины изменений параметров от нескольких факторов удается получить только для конкретных типов двигателей. Поэтому целесообразным является (для большинства случаев) изменения параметров, связанные с величинами нескольких факторов, представляют как функцию величины, оказывающей наибольшее влиянии на данный параметр.

Активные сопротивления обмоток статора и ротора, в основном, зависят от степени нагрева, активное сопротивление ротора изменяется в процессе пуска из-за эффекта вытеснения тока, индуктивные сопротивления зависят от степени насыщения магнитной цепи.

- магнитная система не насыщена, потери на гистерезис и в стали от вихревых токов отсутствуют;

Предположение о не насыщенности магнитных цепей позволяет задавать линейные зависимости между потоками и МДС обмоток, что в свою очередь позволяет определять результирующие вектора потоков как в виде суммы составляющих потоков образованных отдельными МДС контуров, так и в виде вектора, образованного результирующим вектором МДС, определенного как сумма МДС отдельных контуров. Отсутствие потерь в стали позволяет считать, что потоки, создающие их МДС и токи совпадают по фазе.

- расточка статора и ротора гладкие;

Для упрощения математического исследования, поверхностными и пульсационными потерями из-за высших гармонических составляющих потока, создаваемых зубцами статора и ротора пренебрегаем.

Приведенные допущения позволяют сформулировать два основных положения:

- распределение потока, созданного обмотками статора и ротора, в воздушном зазоре синусоидальное;

- магнитное поле плоскопараллельное, рабочее поле и поля рассеяния взаимно независимы.

Подробнее

Сайт о математическом моделировании асинхронных двигателей

Реконструкция и модернизация производства средствами электропривода

nordasu@rambler.ru — Wed, 07 Oct 2009 11:32:55 +0400

Очевидно, что конкурентоспособность предприятия напрямую зависит от энергоемкости, производительности и надежности технологического оборудования.

Полная замена старого оборудования на новое, являясь наиболее эффективным решением при реконструкции, требует больших инвестиций.

Другим, менее капиталоемким направлением, является модернизация технологическгого процесса собственными средствами.

Основные технические проблемы при таком подходе могут быть сформулированы как:

Ø модернизация технологического оборудования, с целью повышения производительности, и уменьшения количество работников, занятых в технологическом цикле;

Ø повышение загрузки технологического оборудования, с целью снижения удельных затрат на единицу продукции;

Ø дооборудование технологических процессов, введением в технологический процесс вспомогательного оборудования, с целью оптимизации производства;

Ø повышение надежности технологического оборудования, исключение аварийных остановов, с целью снижения затрат на ремонт и потерь от простоев.

Простота ввода в эксплуатацию преобразователей частоты, наличие нескольких уровней параметрирования:

v заводская настройка;

v быстрая настройка с уточнением параметров двигателя;

v тонкая настройка, для учета всех статических и динамических особенностей технологического процесса.

дает возможность частично или полностью автоматизировать технологические процессы.

Производство и поставка надежных, экономичных, редукторов и мотор-редукторов в составе комплектного автоматизированного электропривода ( запрограммированными в соотвествии с техническим заданием заказчика) делает возможным автоматизировать и модернизировать технологическое оборудование собственными силами предрприятия экономя значительные ресурсы.

Цели модернизации подьемно-транспортного и кранового хозяйства, станочного парка, упаковочных и фасующих машин, мельниц, миксеров, экструдеров – повышение производительности, экономия электроэнергии, увеличение срока службы, уменьшение эксплуатационных затрат - достигаются, плавными пусками и торможением с управляемым ускорением, плавным регулированием скорости в широком диапазоне, плавном реверсе, точном позиционировании, работой в сети в многодвигательном режиме, точное и четкое реагирование на внезапные изменения характера нагрузки.

Дооборудование производств транспортными роботами, осуществляющими межоперационные и межучастковые связи, подъемно-выдвижными столами, значительно сокращает время простоя в работе.

Изготовление тележек и столов, не представляет трудностей, а автоматизировать их можно применяя комплектный электропривод.

Другим направлением, обеспечения высокой производительности, при минимальных капитальных затратах, является реконструкция технологических линий. На многих предприятиях, например, металлургического производства, источником напряжения электродвигателей ( как правило, электродвигателей постоянного тока) рольгангов и станов прокатки являются электромашинные преобразователи, управление производится с помощью аналоговых средств. Целью реконструкции в этом случае, является замена систем управления на цифровые (более точные), двигателей постоянного тока, на асинхронные двигатели, управляемых преобразователями частоты. Двигатели асинхронные,мотор-редукторы, преобразователи частоты

Частотно-регулируемый привод.

nordasu@rambler.ru — Tue, 06 Oct 2009 19:44:32 +0400

Экономия электроэнергии, модернизация, повышение производительности, увеличение номенклатурного ряда

В настоящее время основным потребителем электроэнергии, порядка 80% от вырабатываемой электроэнергии, является электропривод.

Доля асинхронного электропривода, в приводе машин и механизмов, составляет порядка 75 % с тенденцией к постоянному увеличению.

Такая тенденция связана с тем, что с одной стороны, применение современных электропроводящих и изоляционных материалов в производстве асинхронных двигателей, позволяет повышать его энергетические характеристики, тем самым, обеспечивая экономию электроэнергии в традицоиннных областях применения аснхронных двигателей.

С другой стороны, современный уровень развития электроники, обеспечивший производство недорогих, надежных, быстродействующих, простых в эксплуатации преобразователей частоты, стал основой для внедрения регулируемого электропривода, позволяющего экономить электроэнергию, за счет более точного учета особенностей работы исполнительных механизмов и улучшения условий работы самого асинхронного двигателя. Развитые и разнообразные устройствами визуализации, возможность совместной работы с компьютером, обеспечивают удобную диспетчеризацию, учет и анализ потребления электроэнергии.

Простота ввода в эксплуатацию преобразователей частоты, позволяет заказчику частично или полностью автоматизировать свое производство своими силами ( малыми затратами ), т.е. значительно повысить производительность, снизить количество сотрудников и требуемого оборудования на единицу продукции.

Возможность быстрой настройки параметров (параметрирования), учета особенностей работы приводного механизма, интуитивно понятный интерфейс программного обеспечения, и возможность настройки режимов работы on-line с помощью программного осциллографа, позволяет разнообразить потребительские свойства производимого потребителем оборудования, т.е. значительно увеличить номенклатуру, производимого оборудования, и его конкурентоспособность.

Предлагаемая к поставке номенклатура позволяет решить поставленные задачи и включает в себя:

- редукторы и мотор-редукторы мощностью до 200 кВт;

- механические регуляторы скорости вращения клиноременные, фрикционные до 110 кВт;

- электронные регуляторы скорости вращения до 160 кВт с степенью защиты до IP66;

- программное обеспечение по выбору, параметрированию и программированию.

Двигатели асинхронные,мотор-редукторы, преобразователи частоты