Меню

Управление двигателем переменного тока напряжением

Управление электродвигателями переменного тока

Современная схема управления электродвигателем переменного тока чаще всего включает в себя преобразователь частоты. Данная система управления начала набирать популярность благодаря развитию микропроцессорной электроники, на принципах которой и работают современные частотные преобразователи. Такой блок управления асинхронным двигателем отличается высокой надежностью и приемлемой ценой. Кроме того, установка таких систем управления может сэкономить около 40 % потребляемой энергии. Трехфазные двигатели переменного тока могут управляться с применением двух различных принципов:

  • вольт-частотное регулирование;
  • векторный метод управления.

Вольт-частотное управление асинхронным электродвигателем еще называют скалярным. Изменение скорости вращения вала при этом достигается изменением частоты и напряжения в обмотке статора. При этом одновременно изменяется модуль данного напряжения. В результате как частота, так и напряжение являются регулирующими факторами. Для работы двигателя переменного тока важно, чтобы отношение напряжения на статоре и его частота оставались постоянными. То есть снижение или увеличения частоты должно быть синхронизировано напряжением. При этом КПД электродвигателя практически не изменяется.

Подобная схема управления электродвигателем переменного тока удобна тем, что позволяет одновременно работать с группой устройств, что является важнейшим преимуществом при работе со сложными технологическими линиями, например при контроле движения конвейера. При использовании вольт-частотного регулирования можно добиться диапазонов 1/40, чего вполне достаточно для решения большинства производственных задач. Но при этом необходимо отметить, что данная система управления не позволяет контролировать вращающий момент и режим позиционирования. Чаще всего данный способ управления применяется в вентиляторах, насосах, конвейерных системах и т. д.

Векторное управление электродвигателем переменного тока позволяет осуществлять не только скалярное управление, но и работать с магнитным потоком. В основе данной системы лежит представление об основных параметрах электромагнитной системы двигателей как о векторах, расположенных в пространстве. Микросхемы для управления электродвигателя позволяют контролировать и изменять не только амплитуду, но и фазу статорного тока, фактически изменяя его вектор. В результате появляется возможность управления вращающим моментном электродвигателя.

Для эффективного управления фазой тока, а значит, и магнитным потоком относительно ротора, необходимо знать его точное состояние в любой момент времени. Для решения этой проблемы используется либо внешний датчик положения ротора, либо система определения его положения по параметрам напряжения и токов обмоток статора. Управление электродвигателем переменного тока с устройством контроля обратной связи скорости позволяют ее регулирование в диапазоне 1–1000. При этом точность контроля скорости составляет сотые доли процента. Точность регулирования момента несколько ниже — около 2 процентов.

Источник

Способы управления электродвигателями

Управление коллекторными электродвигателями постоянного тока

Из уравнения скорости электродвигателя постоянного тока видно, что частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока напрямую связана с величиной напряжения питания прикладываемого к двигателю и момента нагрузки.

  • где w— угловая частота, рад/с,
  • U — напряжение питания, В,
  • Ke– постоянная ЭДС, В∙с/рад,
  • M — момент электродвигателя, Н∙м,
  • beta— механическая жесткость двигателя.

Таким образом скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока изменяется посредством изменения величины напряжения питания.

Управление универсальными двигателями

Универсальный коллекторный двигатель может быть подключен как к сети постоянного тока, так и к сети переменного тока. Так же как и у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость универсального двигателя управляется величиной напряжения питания, а не его частотой.

Управление бесщеточными электродвигателями переменного тока

Электроприводы с электродвигателем переменного тока наиболее часто используются в составе: насосов, вентиляторов, компрессоров, станков и других механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения вала двигателя, либо определенный технологический параметр.

Основным элементом современного электропривода является система управления электродвигателем: частотный преобразователь или сервопривод.

Преобразователь частоты позволяет управлять моментом и скоростью вращения электродвигателя и исполнительного механизма.
Сервопривод позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма.

При этом современные высокопроизводительные методы управления двигателями переменного тока используемые в современных частотных преобразователях и в сервоприводах имеют единую концепцию управления — векторное управление.

Источник

Управление двигателями переменного тока

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 3425 ; Нарушение авторских прав

Высококачественные электроприводы должны иметь широкий диапазон регулирования скорости вплоть до нулевой, обеспечивать полное управление вращающим моментом, интенсивное ускорение и торможение. В прошлом в широкодиапазонных электроприводах преобладали коллекторные двигатели постоянного тока из-за их лучших регулировочных характеристик. Однако эти двигатели имеют малую надежность и небольшой ресурс, требуют трудоемкого обслуживания, порождают мощные радиопомехи. В последнее время более широкое распространение в регулируемом приводе получили трехфазные двигатели переменного тока, такие, как асинхронные (АД) и синхронные (СД) с магнитным или электромагнитным возбуждением, а также синхронные реактивные двигатели (РД). Это двигатели значительно надежнее, почти не требуют обслуживания, имеют более высокую удельную мощность, особенно при высоких частотах вращения.

До недавнего времени управление двигателями переменного тока осуществлялось довольно примитивным образом, путем изменения частоты тока, питающего статорные обмотки в зависимости от величины и знака ошибки по скорости. Это ограничивало их применение низкодинамичными приводами со сравнительно узким диапазоном регулирования. Сейчас все шире используются более передовые способы регулирования, направленные на создание в машине магнитных полей, интенсивность и положение которых являются оптимальными при данном положении ротора двигателя. Эти способы базируются на решении уравнений Парка—Горева и, по сути, сводятся к позиционному управлению вектором магнитного поля машины. Такое управление часто называют векторным. Векторное управление требует большого объема вычислений, которые совсем недавно не могли быть выполнены в реальном времени за приемлемую цену.

Читайте также:  Емкостной ток кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена

Сейчас ситуация изменилась. Появились недорогие однокристальные цифровые процессоры сигналов (ЦПС) с высокой производительностью, которые позволили обеспечить полосу пропускания контура регулирования до 4 кГц при выполнении этими процессорами векторных преобразований сигналов, пропорциональных токам и напряжениям двигателя. Эти преобразования включают вычисления в реальном времени синуса и косинуса угла поворота ротора, плюс операции «умножение—накопление» [9.9].

Для управления высококачественным сервоприводом переменного тока требуется дискретизирующее АЦ-преобразование сигналов, пропорциональных токам статора. Номинальный режим работы двигателя характеризуется мощностью на валу, которую двигатель может развивать не перегреваясь в течение продолжительного времени. Кратковременно двигатель может развить мощность, превосходящую номинальную в несколько раз (некоторые типы двигателей — шестикратно). В широкодиапазонных следящих и программно-управляемых приводах двигатель работает значительную часть времени с пониженными нагрузками, но кратковременно — со значительными перегрузками. Еще 25 лет назад международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала для привода станков с программным управлением диапазоны регулирования скорости вплоть до 30000:1. Все это требует для систем векторного управления приводами применения АЦП высокой разрядности (до 12. 14 бит). Второе требование, предъявляемое к АЦП: одновременное осуществление выборки, по крайней мере, по двум каналам. В этом случае, зная мгновенное значение тока в двух фазах при обычно трехпроводном включении двигателя, мы можем рассчитать ток в третьей фазе. Любая задержка между считываниями приведет к значительной погрешности определения тока.

Несколько фирм выпускают системы сбора данных, ориентированные на применение в системах векторного управления двигателями переменного тока. Например, микросхемы семейства AD7862/3/4 (Рис. 9.38) включают по два АЦП (каждый со своим УВХ) и по два входных аналоговых мультиплексора мих.

С помощью входных делителей можно в некоторых пределах изменять полную шкалу входных сигналов. AD7862/4 имеют 12-разрядные АЦП, a AD7863 — 14-разрядные.

Впоследствии разработчики резонно посчитали, что для систем, не требующих очень высокого быстродействия, достаточно использовать один АЦП, но с

четырьмя УВХ на входах 4-х канального мультиплексора. Так появился более дешевый 14-разрядный AD7865.

Типовое включение систем сбора данных этого семейства показано на Рис. 9.39.

Недостатком этой схемы является отсутствие информации о текущем положении ротора, которая необходима для более точного управления двигателем.

В приводах на основе синхронных двигателей такая информация абсолютно необходима для обеспечения оптимального угла выбега ротора. Поэтому обычно двигатели снабжаются магнитными датчиками положения ротора на эффекте Холла. Для недорогих приводов применение датчиков положения ротора может оказаться накладным, тогда применяют метод оценивания угла поворота ротора по Калману, основываясь на значениях токов и напряжений двигателя. Это, однако, требует большей вычислительной мощности ЦПС и не обеспечивает необходимой точности при низких скоростях привода.

Фирма Burr-Brown выпускает систему сбора данных ADS7864, ориентированную на применение в системах векторного управления двигателями переменного тока с датчиками положения ротора. Блок-схема этой системы приведена на Рис. 9.40.

Микросхема ADS7864 содержит два 12-разрядных АЦП последовательного приближения с максимальной частотой преобразований 500 кГц и шесть УВХ, которые могут одновременно производить выборку шести дифференциальных сигналов.

Два дифференциальных мультиплексора 3×1 подключают поочередно выходы УВХ к входам АЦП, также дифференциальным. Такое построение аналоговой части позволяет обеспечить подавление синфазного сигнала на 80 дБ вплоть до частоты 50 кГц. Для упрощения передачи данных процессору в состав микросхемы входит память типа FIFO (first input — first output) емкостью шесть 16-битных слов (адрес и данные).

Сравнительно недавно фирма Analog Devices начала выпуск однокристальных контроллеров семейства АОМСЗхх для векторного управления трехфазными электродвигателями. Упрощенная блок-схема системы управления двигателем показана на Рис 9.41.

На входы регулятора поступают сигналы, зависящие от токов двигателя, а также от положения и скорости вращения его ротора. Первичным датчиком положения здесь является синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ). Цифровой процессор сигналов используется для векторных вычислений в реальном времени, необходимых для генерации сигналов управления ключами трехфазного мостового инвертора. ИМС ADMC300 располагает 5-канальным 16-разрядным сигма-дельта АЦП и трехфазным цифровым ШИМ-контроллером с разрешением 12 бит на период, а также имеет гибкий интерфейс кодера датчика положения ротора. Микросхемы ADMC330/1 содержат 7-канальные АЦП последовательного счета с 12-битным разрешением и

программируемый 3-фазный 16-разрядный ШИМ-генератор. В качестве процессорного ядра всех этих микросхем используется 16-разрядный ЦП С с фиксированной точкой фирмы Analog Devices ADSP-2171, имеющий быстродействие 20 MIPS (млн команд в с).

Читайте также:  Как можно сделать усилитель для тока

Для улучшения формы токов, питающих обмотки двигателя, контроллер с помощью широтной модуляции импульсов, управляющих ключами инверторов, формирует синусоидальные (в среднем) напряжения на выходе силового инвертора. Частота управляющих импульсов, модулированных по ширине, регулируется в пределах до 20 кГц. Это позволяет инвертору генерировать квазисинусоидальное трехфазное напряжение в диапазоне частот 0. 250 Гц. В микросхемах ADMC3xx обеспечивается разрешающая способность по времени ШИМ-контроллерадо 38 не.

Из-за невысокого быстродействия АЦП этих микросхем невозможно отслеживать мгновенные значения токов двигателя, что снижает возможности контроля над формой токов и оценивания положения ротора по информации о токах. В этом отношении лучшими характеристиками обладает ADMC401. Эта микросхема включает 8-канальный 12-разрядный конвейерный АЦП, имеющий время преобразования менее 2мкс. В отличие от ADMC3xx в состав ADMC401 входит встроенный интерфейс кодера положения.

48. Принцип работы генераторов.

В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используют генераторы сигналов – устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы.

Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями.

Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 1.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора сигналов

Здесь А – коэффициент передачи усилителя.

Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотно-селективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией Kос (jw), по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход.

Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторах периодических колебаний. Причиной возникновения колебаний служат флуктуации – слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе активного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора. На рис. 2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний.

Рисунок 2 — Процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний

Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы:

В (1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент

не перейдет в нелинейный режим. При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице:

При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис. 1). В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (2) выполняется только на частоте ω0 , колебания имеют синусоидальную форму. Если это условие выполняется на нескольких частотах, колебания на выходе генератора имеют сложную форму, а спектр содержит гармоники с частотами, на которых выполняется условие (2).

Таким образом, в зависимости от частотных характеристик цепи обратной связи форма колебаний может иметь синусоидальную или несинусоидальную форму. Соответственно различают генераторы гармонических колебаний и импульсные. Для получения гармонических колебаний необходимо использовать цепь обратной связи второго или более высокого порядка, имеющую, как правило, резонансные характеристики. Цепи обратной связи импульсных генераторов имеют обычно первый порядок.

Рассмотрим подробнее условия, при которых в генераторе наступает стационарный режим. Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме:

Kос (jw) = |Kос (jw)|e j φ( w) .

Тогда условие (2) можно записать в виде

A× |Kос (jw)| = 1; (3)

φ(w ) = 2n , n = 0,1, 2. (4)

Равенство (3) называют условием баланса амплитуд, а равенство

(4) – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (3) и (4) соответствует установившемуся режиму работы генератора. Эти условия называют в специальной литературе критерием Баркхаузена.

Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду используемых частотно-избирательных цепей. Широкое распространение получили LC— и RC-генераторы. В кварцевых генераторах в качестве частотно-избирательной цепи используют кварцевый резонатор – пластину кварца, обработанную таким образом, что она имеет определенную частоту колебаний.

Источник



ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Двигатели переменного тока (ЭПТ) относятся к категории силовых агрегатов, в основу работы которых заложен принцип преобразования электрической энергии в механическое вращение.

Функционирование таких электротехнических устройств основано на эффекте вращающегося магнитного поля, создаваемого в статоре за счет соответствующего распределения питающего напряжения. Для понимания принципа работы двигателей переменного тока потребуется ознакомиться с существующими разновидностями этих агрегатов.

Виды двигателей переменного тока.

В зависимости от конструктивных особенностей и характера связи электромагнитного (э/м) поля вращающегося ротора и ЭДС неподвижного статора различают синхронные и асинхронные двигатели. В первых эта связь жесткая, а в асинхронных частоты их вращения отличаются на величину так называемого «скольжения».

По количеству полюсов, электромагнитных катушек статора и типу питающего напряжения все известные модели делятся на:

  • однофазные (включая конденсаторные);
  • трехфазные двигатели переменного тока;
  • шаговые (многофазные) агрегаты.
Читайте также:  Почему ноль не бьет током под нагрузкой

По способу организации возбуждения и характеру связи с ротором различают коллекторные и бесколлекторные электродвигатели.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Независимо от типа электрической машины (синхронная или асинхронная, коллекторная или бесколлекторная) все они обладают следующими техническими характеристиками:

  • количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
  • мощность электрическая и на валу;
  • схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
  • класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

Виды мощности:

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Конструкция коллекторных электродвигателей содержит в своем составе следующие обязательные компоненты:

  • ротор особой конструкции;
  • статор с основными и возбуждающими обмотками;
  • коллекторный узел с комплектом щеток.

Основа ротора (якоря) – магнитопровод из пластин электротехнической стали, между полюсами которого при изготовлении по определенной схеме укладываются витки медного провода.

Концы обмоток выводятся на коллекторный узел, являющийся коммутаторной частью системы (здесь осуществляется их переключение). С его помощью обмотка якоря соединяется со статорной в последовательную цепочку. При этом создаваемое в ней поле взаимодействуют с магнитным потоком статора, создавая необходимый вращающий момент.

Преимущества и недостатки.

К достоинствам коллекторных двигателей переменного тока относят плавность запуска и простоту схемы возбуждающей цепочки, включенной последовательно с основной обмоткой. Отмечается также возможность получения значительных по величине вращательных моментов. Эти изделия надежны в работе и хорошо «держат» предельные нагрузки на валу.

Недостатки этих агрегатов представлены ниже:

  • повышенный уровень шумности;
  • низкий по сравнению с бесколлекторными конструкциями кпд;
  • необходимость постоянного обслуживания коллекторного узла из-за износа и загрязнения его элементов (ламелей);
  • потребность в обновлении и регулировки щеток;
  • высокий уровень радиопомех.

К минусам коллекторных электродвигателей также относят недостаточную надежность рабочих узлов и малые сроки эксплуатации входящих в их состав элементов.

Области применения.

Область применения коллекторных двигателей определяется особенностью их конструкции.

При частоте сетевого напряжения 50 Гц скорость вращения вала у этих изделий достигает 9000-10000 об/мин. Именно поэтому двигатели с коллекторным узлом типа широко применяются в бытовой аппаратуре самого различного класса.

Это:

  • стиральные машины;
  • электромясорубки, кофемолки и миксеры;
  • электроинструмент (дрели, болгарки, перфораторы и т. п.).

Сегодня традиционные коллекторные двигатели везде, где это возможно, заменяются современными бесщеточными агрегатами.

С расширением и удешевлением современной электронной базы их производство становится более выгодным. Одновременно совершенствуются схемы управления, работающие на полупроводниковых элементах различного класса.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В основу управления режимами работы двигателей переменного тока заложен принцип зависимости частоты вращения вала от величины напряжения, прикладываемого к катушкам статора.

При фиксированной величине тока это означает изменение мощности, передаваемой в нагрузочную (роторную) цепь. Еще один параметр, которым нередко приходится управлять при эксплуатации двигателей рассматриваемого класса – направление вращения вала (реверс).

Для реализации двух этих возможностей применяются различные схемы, построенные на компонентах того или иного типа.

Это могут быть:

  • транзисторные ключи или реле;
  • тиристорные элементы;
  • электронные тиристоры (симисторы).

Транзисторы применяется сегодня крайне редко, поскольку на смену им пришли более эффективные тиристорные и симисторные управляющие элементы.

С их помощью удается непосредственно изменять величину мощности, отдаваемой в нагрузочную цепочку ротора. Для этих целей применяются современные методы широтно-импульсного или фазоимпульсного управления.

Управление двигателем переменного тока

Для получения нужной частоты вращения вала и мощности, отдаваемой непосредственно в нагрузку, используется особый электронный элемент – симистор. Степень его открытия задается подачей на управляющий электрод соответствующего напряжения или последовательности прямоугольных импульсов.

Во втором случае частота следования задает время открытия прямого перехода симистора, что в конечном счете определяет величину мощности, передаваемой в управляемую роторную цепочку.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник