Xreferat.com » Рефераты по физике » Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Выполнил

Михайлов Н.В

Руководитель

профессор Суровцев В.Н


2008

Содержание


1. Введение

2. Исходные данные для проектирования

3. Краткое описание функциональной схемы

4. Синтез контура тока

5. Синтез контура скорости

6. Моделирование вентильного двигателя

6.1 Датчик положения ротора

6.2 Релейный регулятор тока RRT

6.3 Инвертор напряжения

7. Анализ динамических свойств виртуальной модели вентильного двигателя.

8. Бездатчиковое определение скорости вентильного двигателя

9. Заключение

10. Список использованной литературы.


1. Введение


Вентильный электродвигатель – это тип синхронной машины, реализованный в замкнутой системе с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя. Часто их также называют бесконтактными двигателями постоянного тока или обращенной машиной постоянного тока. Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств двигателей постоянного тока.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор.

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, которая зависит от напряжения питания.

Статор.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Обычно это трехфазные, реже четырехфазные двигатели.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной и синусоидальной формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале использовались ферритовые магниты для изготовления ротора. Они распространены и дешевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

В двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе используется электромагнит. Напряжение питания к нему подается через контактные кольца установленные на роторе.

Датчик положения ротора.

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в двигателе постоянного тока. Его работа может быть основана на разных принципах – фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т.д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприемника, которые поочередно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих импульсов, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 1200 и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле.

2. Исходные данные для проектирования


Для дальнейшего исследования в качестве исследуемого двигателя примем высокомоментный двигатель ДВУ2М215М-Ф мощностью 3 кВт и частотой вращения 3000 об/мин., характеристики которого представлены в таблице №1.

Условное обозначение двигателя серии ДВУ: ДВУ — двигатель вентильный управляемый, где 215 — диаметр окружности расположения центров отверстий на крепительном фланце; М—условная длина сердечника статора.


Таблица №1.

Тип двигателя ДВУ2М215М-Ф1 (для приводов подачи станков)

Максимальная частота вращения nmax, об/мин 3000 Электромеханическая пост. времени Тм, мс 4,1
Вращающий момент при nmax М, Нм 40 Электромагнитная пост. времени Те, мс 16,4
Номинальный момент при n=500 об/мин Мdo, Нм 47 Тепловая постоянная времени Тт, мин 80
Длительный момент при n=0 Мо, Нм 48 Постоянная вращ. момента при 20С0 Км,Нм/А 1,37
Номинальный ток фазы при 20С0 Ido, А 36 Сопротивление фазы при 20С0 Rф, Ом 0,095
Максимальный ток Imax, A 95 Индуктивность 2-х фаз последовательно L, мГн 3,1
Масса двигателя исполнение Т1, кг 57 Момент инерции ротора J, кгм2 0.0225


Рассчитаем параметры элементов силовой цепи.

Эквивалентное активное сопротивление двух фаз статора двигателя, включенных последовательно:


Rэ=Rдв =2 Rф = 2*0,095 = 0,19 Ом.


Индуктивность двух фаз статора двигателя:

Lдв =3,1 мГн.


Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Номинальная скорость вращения двигателя:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Суммарный момент инерции привода:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Механическая постоянная времени:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Коэффициент обратной связи по скорости:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, примем Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем


Коэффициент обратной связи по току:

Зададимся условиями ограничения параметров системы и примем


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателемИсследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

С учетом этих условий примем коэффициент обратной связи по току:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем


Примем km=0.1.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - коэффициенты пропорциональности между током и моментом; между угловой скоростью и ЭДС.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - коэффициент передачи преобразователя.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - число пар полюсов.


3. Краткое описание функциональной схемы


Для осуществления автоматического регулирования необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить (произвести алгебраическое суммирование) с заданным в виде напряжения значением регулируемой величины и направить результат сравнения регулируемому объекту. Обычно энергии измерительного органа оказывается недостаточно для воздействия на объект регулирования, поэтому возникает необходимость в применении усилительного устройства.

Регулятор тока якоря получает на вход сигнал задания Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателемс выхода регулятора скорости и сигнал обратной связи Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем с выхода датчика тока. На выходе он формирует напряжение управления Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Сигнал обратной связи по току снимается с датчика на основе трансформаторов тока, установленных на стороне переменного тока. Датчик тока осуществляет гальваническое разделение цепей управления от главных цепей и усиление по напряжению.

На регулятор тока (РТ) возлагаются также другие функции:

Установка задания на переключение соответствующих пар транзисторов в зависимости от разности сигналов задания тока и обратной связи по току.

Обеспечение режима торможения электродвигателя.

В системах подчиненного регулирования выходной сигнал регулятора скорости является сигналом задания тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем для регулятора тока.

На регулятор скорости и связанные с ним узлы возлагаются дополнительные задачи:

Ограничение сигнала Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем допустимым значением, которое может зависеть от значения потока двигателя Ф,

Ограничение скорости изменения тока di/dt,

Формирование требуемой жесткости механических характеристик электропривода,

Прием сигналов задания скорости двигателя,

Обеспечение изменения ЭД с определенным ускорением и др.


4. Синтез контура тока


Для обеспечения желаемых динамических характеристик привода примем в качестве регулирующих устройств в контуре тока релейные элементы на каждую фазу двигателя. Используя безынерционные свойства реле, можно настроить систему регулирования на предельное быстродействие, зависящее от параметров контура скорости. Наличие релейных элементов приводит в существенной нелинейности всей системы в целом. Если не принять соответствующих предосторожностей, то автоколебания, возникающие в релейной автоматической системе, приводят к столь значительному изменению выходной величины линейной части, что релейная система становится неработоспособной.

Для уменьшения изменения выходной величины необходимо либо устранить автоколебания, либо увеличить частоту возможных автоколебаний. Последнее следует из того, что модуль частотной характеристики линейной части системы Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем обычно с ростом частоты стремится к нулю и, следовательно, чем выше будет частота автоколебаний, тем будет меньше изменение выходной величины [2].

В связи с этим важное значение приобретают способы увеличения частоты колебаний или, если это возможно, устранения этих колебаний.

Способы повышения частоты автоколебаний:

1. Уменьшение гистерезиса b реле. При этом прямая –b , параллельная оси абсцисс, приближается к действительной оси, точка пересечения частотной характеристики релейной автоматической системы Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем и прямой b смещается вверх. Увеличивается частота автоколебаний, уменьшается их амплитуда.

Недостаток: Невозможно получить частоты автоколебаний выше частоты Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, получаемой при нулевой петле гистерезиса b = 0.

2. Введение отрицательного гистерезиса b. Изменяется направление переключений, прямая –b пройдет выше оси абсцисс, частоты автоколебаний увеличиваются Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

3. Изменение параметров линейной части системы.

3.1. Уменьшение электромеханической постоянной времени Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

3.2. Введение внутренней обратной связи.

Применяя соответствующие обратные связи, можно изменять параметры линейной части системы, а следовательно, и частоту возможных автоколебаний.

Линеаризация.

Релейный элемент является существенно нелинейным элементом. Выходная величина релейного элемента (управляющее воздействие) изменяется скачком, когда входная величина (управляющий сигнал) проходит пороговые значения. В интервале между моментами времени, соответствующими прохождению входной величиной пороговых значений, выходная величина релейного элемента неизменна.

Такие свойства релейного элемента позволяют сравнительно простыми средствами коммутировать большие мощности, но пропорциональность между выходной и входной величинами здесь отсутствует.

Если одновременно с управляющим сигналом на вход релейного элемента подавать дополнительное периодическое воздействие, то релейный элемент может при определенных условиях приобрести свойства пропорциональности. При этих условиях релейный элемент эквивалентен линейному усилителю. Характерной особенностью такого усилителя является зависимость коэффициента усиления от «амплитуды» внешнего воздействия А. Увеличение последней уменьшает коэффициент усиления. Если в релейной системе создать высокочастотные (по сравнению с внешним воздействием) колебания, то релейная система приобретает свойства линейной или пропорциональной системы, причем настройка этой последней системы может осуществляться за счет изменения «амплитуды» этих относительно высокочастотных колебаний. Роль фильтра в релейной системе будет играть ее линейная часть.

Дополнительное высокочастотное воздействие, осуществляющее линеаризацию релейной системы, может быть создано при помощи вынужденных колебаний или автоколебаний, если эти колебания существуют и устойчивы [2].

Процесс линеаризации аналогичен процессу модуляции. Релейный элемент представляет собой модулятор, дополнительное периодическое воздействие соответствует несущей частоте, а внешнее воздействие (управляющий сигнал) — модулирующему сигналу.

Более точно в релейном элементе при наличии дополнительного периодического воздействия происходит своеобразная широтно-импульсная модуляция. Отсюда вытекает соотношение между частотой модулирующего сигнала и несущей, при которой процесс модуляции будет осуществлен без существенных искажений. Отношение частоты несущей к частоте сигнала должно быть по крайней мере больше трех2. Это накладывает ограничения на скорость изменения управляющего сигнала.

Линеаризация автоколебаниями.

В качестве дополнительного периодического воздействия, производящего линеаризацию релейной системы, могут быть использованы автоколебания самой релейной системы, если частота их такова, что внешнее воздействие по сравнению с ними можно считать медленно изменяющимся.

Так как обычно частота автоколебаний относительно низка, то для осуществления линеаризации необходимо применять способы повышения этой частоты автоколебаний.

В таблице № 2 приведены некоторые передаточные функции ускоряющих элементов и их характеристики.

Таблица № 2.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Выражение годографа Вид годографа
1

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

2

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

3

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

4

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем


Выделим из структурной схемы электропривода с синхронной машиной, включенной по схеме вентильного двигателя, контур тока (рис. 4.1).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.1


Передаточная функция линейной части системы Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, причем степень числителя не больше степени знаменателя.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.0)


Выражение для частотной характеристики разомкнутой релейной системы без зоны нечувствительности имеет вид:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (4.1)


Физический смысл выражения (4.1) состоит в том, что результирующая частотная характеристика представляется в виде суммы простейших характеристик, кратных нечетным частотам. Это вытекает из того, что выходной сигнал релейного элемента, имеющий прямоугольную форму, раскладывается в бесконечную сумму ряда Фурье с нечетными гармониками (рис. 4.2.).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.2


Нечетность прямоугольных колебаний относительно начала работы релейного элемента определяет нечетность гармоник.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем- частотная характеристика релейной автоматической системы.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем- частотная характеристика системы без ускоряющего элемента.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем- частотная характеристика системы с ускоряющим элементом.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.2)

Характеристика релейной системы Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем может быть определена по частотной или временным характеристикам или в некоторых случаях по передаточной функции линейной части системы.

В дальнейших расчетах будем пользоваться последним методом.

Согласно [2], если передаточная функция такова, что можно найти её полюсы, то характеристика релейной системы Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем может быть определена через передаточную функцию (точнее через полюсы передаточной функции) не в виде ряда, а замкнутой форме.

При действительных отрицательных, не кратных и ненулевых полюсах передаточной функции Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем справедливо равенство:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, (4.3)


где Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем- полюсы передаточной функции линейной части системы.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем- число полюсов передаточной функции линейной части.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.3


Запишем передаточную функцию линейной части системы без ускоряющего элемента:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.4)

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Согласно выражению (4.4), передаточная функция имеет всего один полюс Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.5)

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.6)


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.4.


В качестве ускоряющего элемента, повышающего частоту автоколебаний в системе, примем Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Выражение годографа УЭ согласно таблице № 2 имеет вид:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, (4.7)


где Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

Учитывая рекомендации [2], назначим параметры ускоряющего элемента:

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.8)


На рис. 4.5 представлен годограф ускоряющего элемента Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, а также результирующий годограф линейной части контура тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.5


Анализируя поведение годографов на рис. 4.5 можно сделать вывод, что постоянная времени ускоряющего элемента Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем снижает результирующий годограф линейной части и его точку пересечения с прямой –b. Уменьшение Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем способствует увеличению автоколебаний системы.

Следует отметить, что увеличение коэффициента передачи ускоряющего элемента также увеличивает частоту автоколебаний, одновременно смещая фазу выходного сигнала в сторону отставания. Результирующий коэффициент передачи линейной части контура тока при этом уменьшается.

На рис. 4.6 приведена структурная схема линеаризованного контура тока. Для сравнения на осциллограф выведены сигналы контура тока без линеаризации (рис. 4.7).

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.6


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.7


Линеаризовав контур тока, мы получили возможность замены релейного регулятора его коэффициентом передачи Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

Рассмотрим контур тока, представленный на рис. 4.8:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 4.8

Структурная схема контура тока включает:

Крэ – коэффициент передачи релейного элемента, Кп - коэффициент передачи преобразователя, Rэ - эквивалентное сопротивление цепи статора,

Tэ - электромагнитная постоянная времени статорной цепи.

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, или

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (4.9)


Приведем ее к стандартному виду:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, (4.10)


где

К- эквивалентный коэффициент усиления замкнутого контура тока,

Т01- эквивалентная постоянная времени замкнутого контура тока.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателемИсследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.11)

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (4.12)


Постоянная времени Т01 выбирается исходя из динамических свойств самого реле.

Назначают Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, однако очень малое значение постоянной времени практически не влияет на динамические свойства системы.

Примем Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, тогда замкнутый контур тока можно представить безынерционным звеном с коэффициентом передачи Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

5. Синтез контура скорости


На рис. 5.1 приведена структурная схема контура скорости.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: