Проектирование электромеханических преобразователей

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования Санкт-Петербургский

Научно-Исследовательский Университет Информационных Технологий

Механики и Оптики

Проектирование электромеханических преобразователей

«Лабораторный практикум»

Преподаватель: Овчинников И.Е.

2011год

Введение

1. Функциональная схема вентильного двигателя (ВД)

На рисунке 1 а) представлена функциональная схема ВД, в которую входит:

- Полупроводниковый коммутатор (инвертор) К на шести силовых транзисторах

- Трёхфазная обмотка О с фазами А, В, С

- Ротор двигателя Р в виде двухполюсного магнита NS

- Сектор якоря С (угловой размер ), закреплённый на валу ротора так, что его ось симметрии перпендикулярна оси полюсов NS

- В обойме датчика положения ротора ДПР, содержатся сигнальные чувствительные элементы 1-3’-2-1’-3-2’, управляющие включением-отключением соответствующих (по номеру) транзисторов. Оси чувствительных элементов параллельны осям фаз A, B, C. Транзистор оказывается включённым как только чувствительный элемент оказывается в зоне сектора якоря ДПР. На рис.1а возбуждены элементы 3 и 1’, элемент 2 выходит из зоны спектора. Включены транзисторы и , а транзистор отключается. Ток проходит по фазам С и А и двигатель создаёт момент, направленный против часовой стрелки. Движение ротора осуществляется в направлении стрелки ω.

- КБ соединительный кабель служит для передачи управляющих сигналов с чувствительных элементов 1,2,3,..1’ к транзисторам

На рисунке 1б показаны напряжения на фазах А, В, С двигателя в случае прямоугольного напряжения и в случае когда напряжению придаётся синусоидальная форма . В первом случае фазы двигателя непосредственно подключены к источнику постоянного напряжения (рис.а) и фазное напряжение имеет высоту прямоугольника . Во втором случае формируется синусоидальное линейное напряжение , у которого амплитуда равна , а амплитуда фазного напряжения

Верхняя строчка диаграммы напряжений (рис.1б) соответствует подключению фазы С к источнику питания (рис.1а)

2. Преобразование уравнений динамики к безразмерным переменным.

Данное преобразование позволяет придать характеристикам и уравнениям динамики двигателя универсальный характер, независящий от конкретных величин параметров: момента инерции ротора и нагрузки, электромагнитного момента, постоянных величин и т.д.

Общий вид уравнения динамики ЭМП вращательного движения

(1)

J – момент инерции приведённый к валу ротора

Ω – угловая скорость ротора (рад/с)

М – электромагнитный момент двигателя (Нм)

Мн – момент нагрузки на валу (Нм)

t – время(c)

3. Разделим обе части уравнения (1) на величину базового момента Мб, за который примем величину пускового момента двигателя: Мб=Мп.

Обозначим безразмерные моменты двигателя и нагрузки как

После деления имеем

Умножим и разделим левую часть этого уравнения на величину базовой угловой скорости , за которую примем скорость идеального холостого хода двигателя . В результате получим

(4)

Обозначим:

– безразмерная угловая скорость

– механическая постоянная времени (с)

Уравнение (4) принимает вид

(5)

Наконец, введём безразмерное время , после чего уравнение динамики (5) окончательно примет полностью безразмерный вид:

(6)

Обычно удаётся представить моменты двигателя и нагрузки , как функции скорости ω : (ω) и , после чего уравнение (6) может быть решено аналитически (в простейших случаях) или нужен метод математического моделирования. То есть будет найдена зависимость изменения относительной скорости ω в функции безразмерного времени τ. Реальные значения для скорости, момента и времени определяются из безразмерных величин по формулам:

(7)

После решения уравнения (6) угол поворота вала можно определить из соотношения

(8)

Здесь – начальное значение угла поворота ротора относительно начала отсчёта углов.

Лабораторная работа №1

Расчёт и построение механических характеристик вентильного двигателя (ВД) при несинусоидальном питании фаз.

Механической характеристикой электрического двигателя называется зависимость его скорости от момента нагрузки на валу:

В установившемся режиме электромагнитный момент двигателя уравновешивается моментом нагрузки М=Мн , поэтому можно рассматривать

Средний момент вентильного двигателя определяется как

(9)

Или в безразмерной форме

– межкоммутационный угловой период в эл. радианах. (соотношение между углами в электрических радианах и геометрических радианах соответствует , где р – число пар полюсов двигателя. В (9) М – мгновенный момент двигателя зависящий от положения ротора ϑ ). Далее будет принято эл. радианах, т.е. будет рассматриваться трёхфазный ВД. Средний безразмерный момент ВД определяется зависимостью [1] :

В этой формуле

ω - безразмерная угловая скорость ротора (4)

u – безразмерное (относительное) напряжение на входе полупроводникового коммутатора (инвертора)

u=U/Uн ,Uн=Uб – номинальное базовое напряжение питания на входе коммутатора

Задания:

Задание №1

Построить на основании (10) механические характеристики для следующих уровней напряжения питания u=1.1;1.0;0.8;0.6;0.4.

Для каждого значения напряжения. ; ; Пределы изменения 0≤ω≤1 , 0≤ ≤1

Задание №2

Определить для семейства характеристик при фиксированном значения скорости для моментов нагрузки и

Задание №3

Построить механические характеристики для реальных значений скорости и момента и , где об/мин, используя соотношения . ; ; при построении принять . Определить чему будет равна скорость двигателя, если момент нагрузки на валу будет равен 5Нм, 3Нм?

Лабораторная работа №2

Исследование процессов динамики ВД по усреднённым значениям электромагнитного момента и несинусоидальном токе фаз.

При несинусоидальном питании фаз, т.е. при работе ВД в номинальном режиме на естественной характеристике токи фаз могу иметь существенно несинусоидальную форму [1], а электромагнитный момент будет носить неравномерный характер т.е. содержать помимо постоянной составляющей также и пульсационные составляющие, не приносящие вреда на больших скоростях , однако ухудшающие качество процесса регулирования скорости при более низких скоростях.

Уравнения переходных процессов изменения скорости в данной работе будем рассматривать по усреднённому электромагнитному моменту двигателя , выражение (10)

Безразмерное уравнение двигателя определяется согласно выражению (6) в виде , , -момент сухого трения.

Задания:

Задние №1

Рассчитать и построить кривую переходного процесса прямого пуска двигателя, приняв начальное значение скорости ω(0)=0, момент нагрузки . Параметр индуктивности и , напряжение питания u=1.

Задние №2

Рассчитать и построить кривую реверса двигателя, приняв начальное значение скорости ω(0) – установившееся значение скорости из предыдущего примера при ; при напряжение питания u= -1.

Задание №3

Рассчитать и построить переходный процесс изменения скорости при набросе и сбросе нагрузки. Уравнение динамики (10) принимает вид

(11)

Пример: начальное значение нагрузки .

Начальное значение установившейся скорости соответствует установившемуся значению в задании 1, при и . Наброс (cброс) нагрузки соответствует величине

Задание №4

Рассчитать и построить переходный процесс изменения угла поворота вала ϑ на интервале одной постоянной времени . Определить угол поворота вала при

Пример: начальные условия и параметры , ; и ; .

Угол поворота вала при рассчитывается в соответствии с выражением (8)

, рад/c; ; Принять , T=5* c

(или другие данные по усмотрению преподавателя)

Лабораторная работа №3

Расчёт и построение механических характеристик вентильного двигателя (ВД) при синусоидальном питании его обмоток.

При питании обмоток ВД синусоидальными токами, нулевое значение которых будет строго согласовано с положением оси полюсов ротора по отношению к магнитной оси соответствующей фазы статора (с помощью датчика положения ротора – ДПР), момент двигателя будет иметь равномерный характер, т.е. не будет содержать пульсационных составляющих. Безразмерный момент двигателя в отличие от (10) будет иметь более простое выражение.

Задания:

Задние №1

Построить на основании (12) механические характеристики для следующих условий

U=1.1; 1,0; 0,8; 0,6; 0,4. Для каждого напряжения принять значения ; ; Провести сравнение вида механической характеристики для несинусоидального (задание 1 лаб.раб.1) и синусоидального питания для значений u=1; . Условие сравнения: амплитуда линейного синусоидального напряжения двигателя равна напряжению в звене постоянного тока. Амплитуда фазного синусоидального напряжения равна амплитуды линейного напряжения. Сравнение провести построив два вида кривых и . В одной системе координат . Сделать вывод по результатам сравнения. Оценить как влияет уменьшение параметра на расхождение (отличие ) кривых.

Лабораторная работа №4

Исследование процессов динамики ВД по мгновенному значению электромагнитного момента при синусоидальных токах в фазах.

Уравнения для мгновенных токов фаз трёхфазного ВД будут отвечать системе дифференциальных уравнений, записанных в безразмерной форме [1]:

(13)

Величина , где – эквивалентная электромагнитная постоянная фазы, имеющей собственную индуктивность и активное сопротивление .

Т – электромеханическая постоянная времени.

Мгновенный безразмерный момент двигателя определяется выражением

(14)

В этих уравнениях угол поворота ротора записан в электрических радианах, по этому согласно формуле (8) при будем иметь под знаком тригонометрических функций в двух верхних уравнениях

(15)

Уравнение динамики ВД согласно (6) запишем в виде

(16)Здесь предполагается, что момент нагрузки обусловлен сухим трением.

В случае вентиляторного момента безразмерная форма моменты нагрузки будет иметь вид , где , - коэффициент вентиляторного момента. Система уравнений (13), (14), (15), (16) описывает любые переходные процессы ВД при синусоидальном питании его фаз.

Задание 1

Рассчитать и построить кривую переходного процесса прямого пуска двигателя , приняв начальное значение скорости .

Момент нагрузки , параметр индуктивности и .

Амплитуда фазного напряжения .

Сравнить вид кривых пуска со случаем несинусоидального питания фаз (см. лаб. работу №2, задание 1). Сделать выводы.

Литература:

[1] И.Е. Овчинников

«Вентильные электрические двигатели и привод на их основе » изд. КОРОНА-Век. 2006г. Санкт-Петербург

Дата добавления: 2014-11-08; просмотров: 379; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!