Исследование конструкции тиристорных электроприводов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Темой курсовой работы является «Исследование конструкции тиристорных электроприводов».

Актуальность: В промышленности приводы с управляемыми полупроводниковыми вентилями - тиристорами получили широкое распространение.

Цель исследования: изучение конструкции тиристорного электропривода и электродвигателя данного механизма.

Задачи:

Изучить теоретические основы судовых электроприводов.

Научиться рассчитывать механические и электрические характеристики электропривода устройства.

Объектом исследования является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа АМ-62-4.

Предмет исследования: Электрические и механические характеристики двигателей и теоретическое обоснование эксплуатации этого типа электродвигателей в судовых условиях.

Методы исследования:

Теоретические методы:

- анализ (проанализирована различная литература и интернет источники по тиристорным электроприводам, методике расчёта задач по разделу «электропривод»;

- обобщение (выделение нужной информации о конструкции тиристорного электропривода и его механических характеристиках);

- синтез (объединение материалов из литературных и интернет источников);

- сравнение.

Практические методы:

- расчетная часть (проведение математических расчётов по заданным параметрам);

- графическое построение механических и скоростных характеристик асинхронного короткозамкнутого двигателя.

Теоретическая значимость заключается в обобщении и пополнении знаний по теме исследования.

Практическая значимость - научиться рассчитывать и находить естественные механические и скоростные характеристики электропривода, подготовка графических элементов по расчётной части.

Структура работы выполнена следующим образом:

Глава 1 содержит исследование конструкции тиристорных электроприводов.

Глава 2 содержит элементы расчёта и проектирования.

Глава 3 посвящена графическому отображению зависимостей электродвигателя.

Исследование конструкции тиристорных электроприводов

В промышленности широкое распространение получили приводы с управляемыми полупроводниковыми вентилями -- тиристорами. Тиристоры изготовляют на ток, доходящий до сотен ампер, на напряжение до 1000 и более вольт. Они отличаются высоким к. п. д., относительно малыми размерами, высоким быстродействием и способностью работать в широком диапазоне температуры окружающей среды (от -60 до +60 °С). 

Электропривод, в котором режим работы его исполнительного двигателя (ИД) или иного исполнительного механизма (ИМ) регулируется преобразовательным устройством (ПУ) на тиристорах

В тиристорных электроприводах переменного тока в качестве ИД чаще всего применяют асинхронные и синхронные трёхфазные электродвигатели, режим работы которых можно регулировать изменением частоты и амплитуды напряжения, подводимого к статору, а в случае синхронного двигателя -- также изменением тока в обмотке возбуждения. В тиристорных электроприводах этого типа, питающихся от источника переменного тока, регулирующим ПУ обычно служит тиристорный преобразователь частоты, выполненный либо с промежуточным звеном постоянного или переменного тока, либо по схеме с непосредственной связью. При питании таких тиристорных электроприводах от источника постоянного тока в качестве ПУ используют автономный инвертор. Реверсирование ИД в тиристорных электроприводах переменного тока осуществляют, изменяя последовательность чередования фаз напряжения, подводимого к статору.

В тиристорных электроприводах постоянного тока применяют двигатели постоянного тока с последовательным, параллельным, смешанным или независимым возбуждением, регулирование режимов работы которых можно производить по цепи обмотки якоря или обмотки возбуждения. В тиристорных электроприводах этого типа, питающихся от источника переменного тока, ПУ служит тиристорный выпрямитель тока. Если питание таких тиристорных электроприводах осуществляется от источника постоянного тока, то ПУ выполняют в виде импульсного регулятора постоянного тока или системы «инвертор -- выпрямитель» с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты. В тиристорных электроприводах постоянного тока реверсирование ИД производят изменением направления тока в обмотке якоря или обмотке возбуждения двигателя (при этом применяют второе такое же ПУ, включаемое встречно-параллельно с первым по отношению к цепи ИД).

Для гальванической развязки цепей питания и нагрузки, а также при необходимости согласовать величины напряжения источника питания и ИД в тиристорных электроприводах используют трансформатор, включая его на входе ПУ (если тиристорный электропривод питается от источника переменного тока) или в его промежуточном звене (при питании тиристорных электроприводах постоянным током). Управление передаваемым через ПУ потоком энергии осуществляют посредством ручной или автоматической системы управления и регулирования (СУР), включающей блоки питания, регулирования частоты и напряжения, формирования управляющих импульсов для тиристоров силовых цепей ПУ, а также блоки защиты от токов короткого замыкания, перегрузок и перенапряжении.

Современные СУР выполняют на типовых логических блоках и интегральных схемах, имеющих малые габариты, высокие быстродействие и надёжность. Для отвода тепла от тиристоров и ИД используют естественное или принудительное воздушное либо жидкостное охлаждение.

Тиристорные электроприводы находят применение в различных отраслях промышленности и на транспорте. Мощность тиристорных электроприводов составляет (в зависимости от их назначения) от нескольких квт до 10 Мвт и выше.

Тиристор представляет собой не полностью управляемый прибор, который включается подачей соответствующего потенциала на управляющий электрод, а отключается только принудительным разрывом цепи тока за счет отключения напряжения, естественного перехода его через нуль или подачи гасящего напряжения обратного знака. Изменением момента подачи управляющего напряжения (его задержкой) можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения и тем самым скорость двигателя.

Среднее значение выпрямленного напряжения при отсутствии регулирования в основном определяется схемой включения тиристорного преобразователя. Схемы преобразователей делятся на два класса: с нулевым выводом и мостовые.

В установках средней и большой мощности преимущественно используются мостовые схемы преобразователей, что в основном обусловлено двумя причинами:

а) меньшим напряжением на каждом из тиристоров,

б) отсутствием постоянной составляющей тока, протекающего по обмоткам трансформатора.

Схемы преобразователей могут также отличаться числом фаз: от одной в установках малой мощности до 12 - 24 в мощных преобразователях.

Все варианты тиристорных преобразователей наряду с положительными свойствами, как-то малой инерционностью, отсутствием вращающихся элементов, меньшими (по сравнению с электромеханическими преобразователями) габаритами, обладают и рядом недостатков:

1. Жесткая связь с питающей сетью: все колебания напряжения в сети непосредственно передаются в систему привода, а толчки нагрузки на оси двигателя немедленно передаются в сеть и вызывают всплески тока.

2. Низкий коэффициент мощности при регулировании напряжения в сторону снижения.

3. Генерация высших гармонических, загружающих питающую сеть.

Механическая характеристика двигателя, питаемого от тиристорного преобразователя, определяется напряжением, приложенным к якорю, и характером его изменения с нагрузкой, т. е. внешней характеристикой преобразователя и параметрами преобразователя и двигателя.

Рассмотрим устройство и принцип действия тиристора.

Тиристор (рис. 1, а) представляет собой четырехслойный кремниевый полупроводник с двумя р-n-переходами и одним n-р-переходом. Величина силы тока I, проходящего через тиристор под действием анодного напряжения Uа, зависит от тока Iу управления, проходящего через управляющий электрод под действием напряжения Uy управления.

Если ток управления отсутствует (Iу = 0), то при повышении напряжения Uа ток I в цепи потребителя П будет нарастать, оставаясь, однако, весьма малым по величине (рис. 1, б). 

Рис. 1. Структурная схема (а), вольтамперная характеристика (б) и конструктивное оформление (в) тиристора

В это время переход n-р, включенный в непроводящем направлении, обладает большим сопротивлением. При определенном значении Ua1 анодного напряжения, называемом напряжением открывания, зажигания или переключения, наступает лавинный пробой запирающего слоя. Его сопротивление становится малым, а сила тока возрастает до значения, определяемого, в соответствии с законом Ома, сопротивлением Rп потребителя П.

При увеличении силы тока Iу напряжение Ua уменьшается. Ток Iу, при котором напряжение Ua достигает наименьшего значения, называют током Iс спрямления.

Закрывание тиристора происходит при снятии напряжения Ua или при изменении его знака. Номинальной силой тока Iн тиристора называют наибольшее среднее значение силы тока, проходящего в прямом направлении, не вызывающее недопустимого перегрева.

Номинальным напряжением Uн называют наибольшее допустимое амплитудное напряжение, при котором обеспечивается заданная надежность прибора.

Падение напряжения ДUн, созданное номинальным током, называют номинальным падением напряжения (обычно ДUн = 1 - 2 В).

Величина силы тока Iс спрямления колеблется в пределах 0,1 - 0,4 А при напряжении Uc 6 - 8 В.

Тиристор надежно открывается при длительности импульса в 20 - 30 мкс. Интервал между импульсами не должен быть менее 100 мкс. Когда напряжение Ua уменьшается до нуля, тиристор запирается.

Внешнее конструктивное оформление тиристора приведено на рис. 1, в. На медном основании 1 с шестигранной огранкой и хвостовиком с резьбой укрепляется кремниевая четырехслойная структура 2 с силовым отрицательным 3и управляющим 4 выводами. Кремниевая структура защищена металлическим кожухом 5 цилиндрической формы. В кожухе укреплен изолятор 6. Резьбу в основании 1 используют для установки тиристора и для присоединения к положительному полюсу источника анодного напряжения.

При увеличении напряжения Ua уменьшается ток управления, необходимый для открывания тиристора (см. рис. 1, б). Ток управления открывания пропорционален напряжению Uуо управления открывания.

Если Uа меняется по закону синуса (рис. 2), то необходимые напряжения и 0 открывания могут быть изображены штриховой линией. Если приложенное напряжение управления Uy1 постоянно и его значение ниже минимального значения напряжения Uуо, то тиристор не открывается.

Если напряжение управления увеличить до значения Uy2, то тиристор откроется, как только напряжение Uy2 окажется больше напряжения Uуо. Изменяя величину Uу, можно изменять угол открывания тиристора в пределах от 0 до 90о. 

Рис. 2. Управление тиристором

Для открывания тиристора при углах, превышающих 90°, применяют переменное напряжение управления Uу, изменяющееся, например, синусоидально. При напряжении, соответствующем точке пересечения синусоидой этого напряжения штриховой кривой Uуо = f(щt), тиристор открывается.

Смещая синусоиду Uуо по горизонтали вправо или влево, можно изменять угол щt0 открывания тиристора. Такое управление углом открывания называют горизонтальным. Его осуществляют посредством специальных фазосмещателей.

Смещая ту же синусоиду по вертикали вверх или вниз, также можно изменять угол открывания. Такое управление называют вертикальным. В этом случае с переменным напряжением управления uу алгебраически складывают постоянное напряжение, например, напряжение Uy1. Угол открывания регулируют путем изменения величины этого напряжения.

После открывания тиристор остается открытым до конца положительного полупериода, и напряжение управления не влияет на его работу. Это позволяет применить также импульсное управление, периодически подавая положительные импульсы напряжения управления в нужные моменты времени (рис. 2 внизу). При этом повышается четкость управления.

Изменяя тем или иным способом угол открывания тиристора, можно подавать на потребитель импульсы напряжения различной формы. При этом изменяется величина среднего значения напряжения на зажимах потребителя.

Для управления тиристорами применяют различные устройства. В схеме, показанной на рис. 3, напряжение сети переменного тока подается на первичную обмотку трансформатора Tp1. 

Рис. 3. Схема управления тиристорами

В цепь вторичной обмотки этого трансформатора включен двухполупериодный выпрямитель B1, В2, В3, В4 со значительной индуктивностью L в цепи постоянного тока. Пульсации выпрямленного тока при этом практически устраняются. Но такой постоянный ток может быть получен лишь при двухполупериодном выпрямлении переменного тока, имеющего форму, показанную на рис. 4, а.

Таким образом, в данном случае выпрямитель В1, В2, ВЗ, В4 (см. рис. 3) является преобразователем формы переменного тока. При такой схеме конденсаторы С1 и С2 попеременно заряжаются прямоугольными импульсами тока (рис. 4, а). При этом на обкладках конденсаторов С1 и С2 образуется пилообразное напряжение (рис. 4, б), приложенное к базам транзисторов Т1 и Т2 (см. рис. 3).

Это напряжение называют опорным. В цепи базы каждого транзистора действует также и напряжение Uy постоянного тока. Когда пилообразное напряжение равно нулю, напряжение Uy создает на базах обоих транзисторов положительные потенциалы. Каждый транзистор открывается током базы при отрицательном потенциале на базе.

Это происходит, когда отрицательные значения пилообразного опорного напряжения оказываются большими, чем Uy (рис. 4, б). Это условие выполняется в зависимости от величины Uy при различных значениях фазового угла. При этом транзистор открывается на различные промежутки времени в зависимости от величины напряжения Uy. 

Рис. 4. Графики напряжений управления тиристорами

Когда тот или другой транзистор открывается, через первичную обмотку трансформатора Тр2 или Тр3 (см. рис. 3) проходит прямоугольный импульс тока. При прохождении переднего фронта этого импульса во вторичной обмотке возникает импульс напряжения, который подается на управляющий электрод тиристора.

При прохождении заднего фронта импульса тока во вторичной обмотке возникает импульс напряжения противоположной полярности. Этот импульс замыкается полупроводниковым диодом, шунтирующим вторичную обмотку, и на тиристор не подается.

При управлении тиристорами (см. рис. 3) двумя трансформаторами создают два импульса, сдвинутых по фазе на 180°.

Рассмотрим системы тиристорного управления двигателями.

В системах тиристорного управления двигателями постоянного тока изменение постоянного напряжения на якоре двигателя используют для регулирования его частоты вращения. В этих случаях обычно используют схемы многофазного выпрямления.

На рис. 5, а сплошной линией показана простейшая схема такого рода. В этой схеме каждый из тиристоров Т1, Т2, Т3 включен последовательно со вторичной обмоткой трансформатора и якорем электродвигателя; э. д. с. вторичных обмоток сдвинуты по фазе. Поэтому на якорь двигателя при управлении углом открывания тиристорами подаются импульсы напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга. 

В многофазной схеме, в зависимости от выбранного угла зажигания тиристоров, через якорь двигателя могут протекать прерывистые и непрерывные токи. У реверсивного электропривода (рис. 5, а, вся схема) используют два комплекта тиристоров: Т1, Т2, Т3 и Т4, Т5, Т6.

Открывая тиристоры той или иной группы, изменяют направление тока в якоре электродвигателя и, следовательно, направление его вращения.

Реверс двигателя может быть также осуществлен путем изменения направления тока в обмотке возбуждения электродвигателя. Такой реверс применяют в тех случаях, когда не требуется высокого быстродействия, поскольку обмотка возбуждения обладает по сравнению с обмоткой якоря весьма высокой индуктивностью. Такой реверс часто применяют для тиристорных приводов главного движения металлорежущих станков.

Реверс двигателя может быть также осуществлен путем изменения направления тока в обмотке возбуждения электродвигателя. Такой реверс применяют в тех случаях, когда не требуется высокого быстродействия, поскольку обмотка возбуждения обладает по сравнению с обмоткой якоря весьма высокой индуктивностью. Такой реверс часто применяют для тиристорных приводов главного движения металлорежущих станков.

Второй комплект тиристоров позволяет также осуществить тормозные режимы, требующие изменения направления тока в цепи якоря электродвигателя. Тиристоры в рассматриваемых схемах привода используют для включения и отключения двигателя, а также для ограничения величины пускового и тормозного тока, исключая необходимость применения контакторов, а также пусковых и тормозных реостатов.

Рис. 5. Схемы тиристорного привода

В схемах тиристорного электропривода постоянного тока силовые трансформаторы нежелательны. Они повышают резервы и стоимость установки, поэтому часто используют схему, приведенную на рис. 5, б.

В этой схеме управления зажиганием тиристоров осуществляет блок управления БУ1. Его присоединяют к сети трехфазного тока, обеспечивая этим питание и согласование фаз импульсов управления с анодным напряжением тиристоров.

В тиристорном приводе обычно применяют обратную связь по частоте

вращения электродвигателя. При этом используют тахогенератор Т и промежуточный транзисторный усилитель УТ. Применяют также обратную связь по э. д. с. электродвигателя, осуществляемую путем одновременного действия отрицательной обратной связи по напряжению и положительной обратной связи по току якоря.

Для регулирования тока возбуждения применяют тиристор Т7 с блоком управления БУ2. В отрицательные полупериоды анодного напряжения, когда тиристор Т7 не пропускает ток, ток в ОВД продолжает протекать за счет э. д. с. самоиндукции, замыкаясь через шунтирующий вентиль В1.

Рассмотрим тиристорные электроприводы с широтно-импульсным управлением.

В рассмотренных тиристорных приводах питание двигателя осуществляется импульсами напряжения частотой 50 Гц. В целях увеличения быстродействия частоту импульсов целесообразно повышать. Это достигается в тиристорных приводах с широтно-импульсным управлением, где через якорь двигателя пропускают прямоугольные импульсы постоянного тока различной длительности (широты) частотой до 2-5 кГц. Помимо высокого быстродействия такое управление обеспечивает большие диапазоны регулирования частоты вращения электродвигателя и более высокие энергетические показатели.

При широтно-импульсном управлении двигатель питается от неуправляемого выпрямителя, а тиристор, включенный последовательно с якорем, периодически закрывается и открывается. При этом через цепь якоря двигателя проходят импульсы постоянного тока. Изменение длительности (широты) этих импульсов приводит к изменению частоты вращения электродвигателя.

Поскольку в данном случае тиристор работает под постоянным напряжением, для его закрывания применяют особые схемы. Одна из простейших схем широтно-импульсного управления приведена на рис. 6. 

В этой схеме тиристор Тр запирается при включении тиристора Тг гашения. При открывании этого тиристора заряженный конденсатор С разряжается на дроссель Др1, создавая в нем значительную э. д. с. При этом на концах дросселя возникает напряжение, большее, чем напряжение U силового выпрямителя и направленное ему навстречу.

Рис. 6. Тиристорный электропривод с широтно-импульсным управлением

Через силовой выпрямитель и шунтирующий диод Д1 это напряжение подается на тиристор Тр и вызывает его запирание. При запирании тиристора конденсатор С вновь заряжается до напряжения коммутации Uк > U.

Вследствие повышенной частоты импульсов тока и инерции якоря двигателя импульсный характер питания на плавности вращения двигателя практически не отражается. Тиристоры Тр и Тг открываются посредством специальной фазосмещающей схемы, позволяющей изменять ширину импульса.

Электропромышленность выпускает различные модификации комплектных регулируемых тиристорных электроприводов постоянного тока мощностью. Среди них имеются приводы с диапазонами регулирования частоты вращения 1:20; 1:200; 1:2000 путем изменения напряжения, нереверсивные и реверсивные приводы, с электрическим торможением и без него. Управление осуществляется транзисторными фазоимпульсными устройствами. В приводах используют отрицательные обратные связи по частоте вращения двигателей и по противо-э. д. с.

Преимуществами тиристорных приводов являются высокие энергетические показатели, малые размеры и масса, отсутствие каких-либо вращающихся машин помимо электродвигателя, высокое быстродействие, постоянная готовность к работе. Основным недостатком тиристорных приводов является их пока еще высокая стоимость, значительно превышающая стоимость приводов с электромашинными и магнитными усилителями.

В настоящее время существует устойчивая тенденция повсеместной замены тиристорных электроприводов постоянного тока на частотно-регулируемые электроприводы переменного тока.

2. Расчётная часть

тиристорный электропривод двигатель

Рассчитать естественные механическую и скоростную характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя типа АМ-62-4 по следующим паспортным (каталожным) данным: Рн =11,4 квт; =1275 об/мин; при U=220 В ; =42,0 А; 2,05; 1,8; 0,74; f=50 Гц; p=2.

Решение.

Номинальный момент на валу двигателя из уравнения

Максимальный момент

,88

Синхронная скорость двигателя типа АМ-62-4 (четырёхполюсного)

Номинальное скольжение

Критическое скольжение из уравнения

0,27

Коэффициент, а, согласно определению, будет:

Расчетный коэффициент k по формуле (1):

Задаваясь значениями скольжения s от 0 до 1, определяем соответствующие им значения моментов:

из уравнения (2)

При S=0:

При S=0,01

При S=0,03

При S=0,057

При S=0,1

При S =0,2

из уравнения (3):

При S=0

При S=0,01

При S=0,03

При S=0,057

При S=0,1

При S=0,2

Выражая механическую характеристику, как n=f(M), для принятых значениях s определяем скорости двигателя

При S=0

При S=0,01

При S=0,03

При S=0,057

При S=0,1

При S=0,2

Ток холостого хода двигателя находим по уравнению (4)

Для принятых значений s определяем из уравнения (5) потребляемый двигателем ток

При S=0

При S=0,01

При S=0,03

При S=0,057

При S=0,1

При S=0,2

Про S=0

При S=0,01

При S=0,03

При S=0,057

При S=0,1

При S=0,2

Результаты расчетов сводим в таблице №1.

Таблица №1.

S	M1	M2	I0	Imin	Imax
0	0	0	10,92	10,92	10,92
0,01	1,32	1,245	10,92	11,61	11,65
0,03	3,925	3,7	10,92	16,09	16,34
0,057	7,229	6,823	10,92	24,66	25,27
0,1	11,648	11,058	10,92	38,85	39,8
0,2	17,11	16,657	10,92	65,64	66,5

3. Графическая часть

Рис. 7. «Зависимость момента М1 и М2 от скольжения S»

Рис. 8. «Зависимость тока I0, Imin и Imax от скольжения S»

Заключение

В курсовой работе нами были изучены теоретические основы конструкций тиристорных электроприводов, а так же принцип работы данного устройства. При работе с учебной и научной литературой систематизированы, полученные в процессе обучения, знания по дисциплине «Судовые электроприводы».

В практической части был произведен анализ электрических и механических характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа АМ-62-4. В результате проведенной работы были закреплены знания и навыки, полученные в процессе обучения по дисциплине «Судовые электроприводы». Умение проводить расчёты и анализ полученных результатов является неотъемлемой частью профессиональной подготовки судового электромеханика. Эти знания и умения пригодятся нам в дальнейшей профессиональной деятельности на современных судах.

Список литературы

Автоматическое управление электротермическими установками / Под ред. А.Д. Сванчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

Актуальность проблемы энергосбережения в системе водоснабжения // Ежемесячная газета «Новости приводной техники». - М., 2001.

Бабокин Г.И. Энергосбережение в электроприводе конвейера // Изв. вузов. Горный журнал. - 2002.

Брасдавский И.Я., Зубрицкий О.Б., Ольков А.Е. Энергетика регулировочных режимов асинхронного электропривода при потенциальном моменте нагрузки // Изв. вузов. Электромеханика. - 1975.

Использование частотно-регулируемого электропривода в насосных станциях // Ежемесячная газета «Новости приводной техники». - М.: 2002.

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод как средство энергосбережения / И.А. Авербах, Е.И. Барац, И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов // Энергетика региона. - Екатеринбург, 2002.

Размещено на Allbest.ru