Билет №2 (Без 3го вопроса)

Билет №2

1. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода

Баланс мощностей в электромеханической системе однодвигательного электропривода :

.

Этому выражению соответствует рис.1.2.

-мощность электрической энергии, поступающей из сети на вход электропривода (положительна, если энергия поступает от сети).

- доля мощности, расходуемая на реализацию движения рабочего

органа механизма, преодоление сил статического сопротивления

(положительна, если энергия направлена к рабочему органу).

- мощность, идущая на изменение кинетической энергии движущихся

элементов механической части.

- мощность, идущая на изменение потенциальной энергии

деформируемых элементов механической части.

- мощность, если в процессе движения механизма происходит изменение потенциальной энергии элементов.

В электрической части энергия может запасаться в индуктивных и емкостных элементах, при этом изменение суммарной энергии в этих элементах определяется мощностями и .

Часть энергии теряется, рассеиваясь в виде теплоты. Суммарная мощность потерь складывается из потерь в обмотках преобразователей, потерь, связанных с перемагничиванием стали, потерь в емкостных элементах и потерь из-за наличия трения в механической части.

Экономичность работы ЭП характеризуется цикловым КПД привода (отношением произведенной механической работы к потребленной за это время электроэнергии):

. (*)

Если на отдельных участках работы мощность потребляемой энергии и механическая мощность были постоянны, то .

КПД ЭП как системы: ,

где - КПД электрического и электромеханического преобразователей и

механической части привода;

- мощность на входе ЭМП;

- электромагнитная механическая мощность.

КПД – является мерой экономичности преобразования энергии системой ЭП, поэтому универсальной оценкой КПД является выражение (*).

Кроме характеристики экономичности преобразования энергии важное значение имеет анализ экономичности потребления энергии из сети, т.е. хар-ка ЭП как приемника эл.энергии. Экономичность передачи энергии от источника приводу зависит как от типа и технических хар-к элементов ЭП, так и от режимов его работы. Например, энергия, затрачиваемая на возбуждение ДПТ НВ, идет только на потери, связанные с протеканием токов в ОВ и созданием начального запаса электромагнитной энергии, при этом часть энергии теряется на пути от источника к ЭП.

Рассмотрим особенности передачи и потребления энергии на переменном токе. Поскольку потери мощности в активных сопротивлениях источника, линии и приемника определяются полным током , то при заданной активной мощности эти потери будут равны:

,

т.е. в раз превышать потери при передаче той же мощности постоянным током. Например, при потери превышают более чем вдвое. Поэтому как энергетическая характеристика ЭП на переменном токе определяет экономичность потребления активной мощности.

Еще менее экономично передается энергия, если при регулировании ее потока искажается форма синусоидального тока (например, при импульсном питании ил применении ТП). Активная мощность при периодических несинусоидальных токах и напряжениях равна , а полная мощность равна , при этом их отношение характеризуется коэффициентом мощности . Он не имеет смысла, аналогично . Лишь при отсутствии высших гармоник , в остальных случаях ,

где - коэффициент искажений, равный отношению действующего значения первой гармоники тока к действующему значению несинусоидального тока;

- угол сдвига первой гармоники тока.

2. Принципы построения систем управления АД.

В соответствии с векторными диаграммами и соотношениями между основными переменными АД его электромеханические свойства при фиксированной частоте питания однозначно определяются как абсолютными значениями магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей машины, так и их векторными взаимосвязями в функции абсолютного скольжения АД. Отсюда и различные принципы управления АД: скалярный, при котором осуществляется регулирование лишь абсолютных значений переменных АД, и векторный, при котором одновременно осуществляется принудительная взаимная ориентация векторов переменных АД в соответствии с принятым законом управления. При этом управляемость АД может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряжения U₁ , либо частоты f₁ и тока I₁ статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй – как частотно-токовое управление.

Поскольку выбор способа и принципа управления определяется совокупностью статических, динамических, энергетических и затратных требований к асинхронному электроприводу, следует дать их сравнительную оценку.

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространенным в электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования абсолютных значений переменных АД. Однако реализация желаемых законов регулирования скорости и момента АД, их стабилизация и ограничение, при которых обеспечивалось бы постоянство или ограничение в допустимых пределах внутренних переменных АД (токов статора и ротора, их потокосцеплений, основного магнитного потока), из-за сложных функциональных зависимостей между ними весьма ограничена. И если в статических режимах за счет комбинаций обратных связей по переменным АД в замкнутых системах частотного регулирования и можно добиться желаемых или близких к ним свойств электропривода, то в динамических режимах эта задача трудно выполнима. Связано это с весьма сложными электромагнитными процессами, протекающими в АД.

При любых динамических возмущениях в АД происходит взаимное изменение токов и связанных с ними магнитных потоков машины. При этом скорость изменения магнитных потоков заметно отстает от темпа изменения токов АД. В результате в переходном процессе нарушается взаимосвязь не только абсолютных значений токов и потоков, но и возникает фазовый сдвиг между их векторами. Последний носит свободный и не управляемый в динамике характер. Поскольку и абсолютные значения и взаимные фазовые сдвиги векторов токов и потоков цепей статора и ротора изменяются одновременно, то при наличии взаимосвязанных звеньев, содержащих электромагнитные постоянные времени цепей статора, контура намагничивания, ротора и механическую постоянную времени ротора, изменение переменных АД во времени будет носить затухающий колебательный характер. Период колебаний и коэффициент их демпфирования зависят от соотношений постоянных времени и абсолютного скольжения АД. После окончания переходного процесса абсолютные значения токов и потоков и фазовые сдвиги между их векторами взаимно сориентируются в пространстве и определятся уже в соответствии с заданным установившимся режимом работы АД.

Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты. Однако в разомкнутых системах подобное управление практически исключено, поскольку с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения желаемых перегрузочных способностей АД по моменту потребуется заметное превышение номинальных значений напряжения питания и тока статора.

Векторный принцип управления базируется на принудительной взаимной ориентации векторов потокосцеплений и токов АД в полярной или декартовой системах координат в соответствии с заданным законом регулирования. В замкнутых системах векторного управления по цепям обратных связей наряду с абсолютными значениями регулируемых переменных поступает информация о текущем пространственном положении их векторов. За счет регулирования модулей переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, обеспечивая тем самым заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

Информация о текущих значениях модуля и пространственного положения векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяются техническими требованиями к электроприводу. В общем случае подобные системы с косвенным регулированием координат электропривода из-за нестабильности параметров АД и сложной их взаимосвязи уступают по своим статическим и динамическим показателям системам с прямым векторным управлением. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием в простоте технических решений и, соответственно, в практической надежности.

При векторном управлении регулирование электромагнитного момента АД может осуществляться формированием мгновенных значений как напряжений, так и токов в обмотках статора. Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока обеспечивается регулирование момента не зависимого от частоты питания АД, что упрощает схему управления, а также одновременно достаточно просто обеспечивается ограничение перегрева двигателя. При этом напряжения на обмотках статора АД, образуются автоматически в зависимости от его режима работы.