- •Введение в электромеханику
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •В.1. Краткая история развития электромеханики
- •В.2. Понятие “электромеханика”. Структура электромеханических систем
- •В.3. Задачи и структура учебного плана подготовки бакалавров по направлению 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии
- •Контрольные вопросы
- •Глава 1. Основные понятия и законы электротехники
- •1.1. Электрические цепи постоянного и переменного тока
- •1.2. Магнитные цепи
- •1.3. Электромагнитная аналогия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Устройство, принцип действия и характеристики электрических двигателей
- •2.1. Классификация электродвигателей
- •2.2. Двигатель постоянного тока
- •2.3. Асинхронный двигатель переменного тока
- •2.4. Синхронный двигатель
- •2.5. Обратимость электрических машин углового движения
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Силовые преобразователи электрической энергии
- •3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный
- •3.2. Преобразователи переменного тока
- •3.2.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью
- •3.2.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Преобразователи движения
- •4.1. Назначение и классификация преобразователей движения
- •4.2. Зубчатые передачи
- •4.3. Червячная передача
- •4.4. Передачи с гибкой связью
- •4.4.1 Ременные передачи
- •4.4.2 Цепная передача
- •4.4.3. Тросовая передача
- •4.5. Передача винт-гайка
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Введение в теорию электропривода
- •5.1. Механика электропривода
- •5.1.1. Кинематическая и расчетная схема механической части электропривода
- •5.1.2. Уравнение движения электропривода
- •5.1.3. Типовые статические нагрузки электропривода
- •5.2. Регулирование координат электропривода
- •5.2.1. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения
- •5.2.2. Регулирование скорости асинхронных двигателей
- •5.2.3. Регулирование тока и момента при пуске электродвигателей
- •5.3. Энергетика электропривода
- •5.3.1. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода
- •5.3.2. Типовые режимы работы электропривода
- •5.3.3. Выбор мощности электродвигателей
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Управление электромеханическими модулями и системами
- •6.1. Иерархия систем управления
- •6.2. Системы управления исполнительного уровня
- •6.3. Интеллектуальные системы управления на основе нейронных сетей
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Введение в электромеханику
- •455000, Г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Контрольные вопросы
1. Какие электродвигатели вращательного движения Вы знаете? Поясните их конструктивные особенности. Нарисуйте механические характеристики, укажите, в чем они схожи и каковы отличия.
2. Поясните принцип действия двигателей постоянного тока, асинхронного и синхронного двигателей переменного тока.
3. Укажите особенности конструкции линейного электродвигателя.
4. В чем заключается принцип обратимости электрических машин. Каким образом это позволяет повысить энергетическую эффективность электромеханическох систем?
5. Перечислите способы регулирования скорости двигателя постоянного тока, асинхронного и синхронного двигателя переменного тока.
Глава 3. Силовые преобразователи электрической энергии
В настоящее время для питания электродвигателей промышленных электромеханических модулей применяют специальные устройства – силовые электронные преобразователи, преобразующие переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц в постоянное регулируемое по величине напряжение (тиристорные преобразователи постоянного тока) или в переменное напряжение регулируемой частоты и амплитуды (преобразователи частоты).
3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный
Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов
В этой схеме входное напряжение ивх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц. Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а, к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение ивх оказывается приложенным к нагрузке Rнагр, в которой начинает протекать ток нагрузки iнагр. При активной нагрузке (как это показано на рис. 3.1, б) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение ивх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение ивх, которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки Rнагр будет однополярное пульсирующее напряжение иd, среднее значение которого составит
, (3.1)
где ,– амплитуда напряжения сети и его действующее значение.
Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения
. (3.2)
Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 3.2 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т, вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а, b, с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки Rнагр. Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.
Рис. 3.2. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов
Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 3.2, б. Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.
Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 3.2, б). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку Rнагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет
, (3.3)
а коэффициент пульсаций
, (3.4)
где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.
Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 3.3), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.
Рис. 3.3. Трехфазный мостовой выпрямитель:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов
Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, б, в, г, д на рис. 3.3, б), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м, н на рис. 3.3, б).
При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени -ток проводят диодыи, в интервале времени-– диодыи, в интервале-– диодыи, и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.
Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет
, (3.5)
а коэффициент пульсаций
. (3.6)
Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 3.4).
При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а, б, в, г, д на рис. 3.4, б), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол α = 60°). В этом случае (см. рис. 3.4, в) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.
Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 3.4,б) или увеличение (рис. 3.4, г) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле α = 0 кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 3.2, б).
Рис. 3.4. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б, в, г – диаграммы напряжений
при различных углах управления
На рис. 3.5 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1) и трехфазной мостовой (кривая 2) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .
Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.
Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р, потребляемой преобразователем, к полной мощности S
. (3.7)
Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при α = 6 до 0,3…0,45 при α = 60°.