Работа №7. Исследование разомкнутой системы "преобразователь частоты – асинхронный двигатель"

Цель работы

Исследование рабочих свойств системы "Преобразователь частоты – асинхронный двигатель" (ПЧ-АД), частотного регулирования скорости вращения, скалярного и векторного управления в разомкнутой системе. Исследование режимов компенсации скольжения и момента.

Программа работы

1. Изучить принципы работы с модулем преобразователя частоты (Приложение Б).

2. Изучить схему для снятия характеристик системы ПЧ-АД.

3. Снять семейство характеристик в режиме скалярного управления.

4. Исследовать способы компенсации скольжения двигателя.

6. Исследовать способы торможения двигателя.

Пояснения к работе

1. В лабораторной работе используются следующие модули:

– модуль питания стенда (МПС);

– модуль питания (МП);

– силовой модуль (СМ);

– модуль преобразователя частоты (ПЧ);

– модуль тиристорного преобразователя (ТП);

– модуль ввода/вывода (МВВ).

2. Схема для снятия характеристик системы ПЧ-АД приведена на рис. 1.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) подключается к модулю тиристорного преобразователя (ТП). Якорная обмотка присоединяется к выходам якорного преобразователя модуля ТП через датчики тока и напряжения, Обмотка возбуждения – к выходам нерегулируемого источника напряжения =220В модуля ТП.

Асинхронный электродвигатель подключается к преобразователю частоты ПЧ. Собственно преобразователь частоты запитывается напряжением 3x380В от модуля питания через измеритель мощности (МИМ).

Для проведения работы на персональном компьютере должно быть загружено ПО DeltaProfi и соответствующая лабораторная работа.

3. Перед проведением работы при выключенном автомате QF1 МПС привести модули в исходное состояние:

– переключатель "Сеть" модуля ТП перевести в нижнее положение, тумблер SA3 – в положение «Руч», SA4, SA6 – в нижнее положение, SA5 – в среднее положение. Перевести ТП в режим регулирования момента (Приложение Б);

– переключатель SA3 модуля ПЧ перевести в нижнее положение, SA1 – в среднее в положение «Стоп», потенциометр RP1 – в крайнее положение против часовой стрелки, установить перемычку между клеммами XS1 и XS2 модуля.

Рис. 1. Схема для снятия характеристик системы ПЧ-АД

4. Снятие семейства характеристик системы в режиме скалярного управления

Скалярное управление в системе ПЧ-АД сводится к управлению по закону U/f=const, при котором критический момент асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения держится постоянным.

Для переведения преобразователя в данный режим выполнить следующие действия:

– сбросить настройки на заводские и запрограммировать преобразователь на режим регулирования скорости (Приложение А);

– в параметре 0.49 установить значение L2 – это откроет доступ ко всем параметрам ПЧ;

– установить параметр 5.27=OFF (режим компенсации скольжения отключен).

Опыт проводится в следующей последовательности:

– включением автоматического выключателя QF1 МПС подать напряжение на стенд;

–включением автоматического выключателя QF2 МП подать напряжение на преобразователь частоты;

– включить кнопку "Сеть" модуля ТП;

– подать разрешение на работу ПЧ (SA3) и, выбрав направление вращения асинхронного электродвигателя переключателем SA1 модуля ПЧ, задать потенциометром RP1 выходную частоту преобразователя 50Гц;

– подать разрешение на работу модуля ТП (тумблер SA6);

– зафиксировав необходимые величины согласно табл. 1, задать момент нагрузки. Таким образом снять несколько точек в двигательном и генераторном режимах;

– после проведения опыта вывести момент нагрузки на ноль (RP1 модуля ТП), убрать разрешение на работу ТП, остановить асинхронный электродвигатель.

Напряжение статора можно смотреть на экране ПЧ (параметр 5.02), ток статора смотреть в параметре 4.01.

Таблица 1

UС, В
IC, А
UЯ, В
IЯ, А
n, об/мин
UВХ, В
IВХ, А
PВХ, Вт
SC, ВА
ω, 1/с
ΔPЭЛСТ, Вт
ΔPЭЛЯ, Вт
PЯ, Вт
PВ, Вт
PC, Вт
ηАД
ηПЧ-АД
cos(φ)АД
cos(φ)ПЧАД
МВ, Н∙м

Повторить опыт для двух других значений частоты на выходе преобразователя.

Расчетные формулы:

Полная выходная мощность преобразователя частоты, ВА

,

где U_СФ – фазное напряжение на выходе ПЧ, В.

Частота вращения электродвигателя, 1/с

.

Электрические потери в статорной обмотке электродвигателя, Вт

,

где r_С – активное сопротивление фазы статора, Ом.

Электрические потери в цепи якоря ДПТ, Вт

,

где r_Я – активное сопротивление якорной обмотки ДПТ, Ом.

Выходная мощность ТП, Вт

.

Мощность на валу асинхронного электродвигателя, Вт:

,

где ΔP_{МЕХ.ДПТ} – механические потери ДПТ (Приложение В).

Активная выходная мощность ПЧ, Вт

,

где ΔP_МЕХ.АД – механические потери АДКЗ (Приложение В).

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

.

cosφ асинхронного двигателя

.

Коэффициент полезного действия системы

.

cosφ системы

.

Момент на валу асинхронного двигателя, Н∙м:

.

5. Снятие регулировочных характеристик

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости выходной частоты, напряжения, мощности от сигнала задания при постоянном моменте на валу двигателя: f, U_C, P, S = f(U_З), М_В=сonst.

Для снятия характеристик необходимо:

– установить выходную частоту преобразователя частоты 60 Гц (параметр 0.02=60);

– задав нагрузку с помощью тиристорного преобразователя (значение I_Я задается преподавателем и выбирается в пределах 0…1А), уменьшать выходную частоту ПЧ, фиксируя необходимые параметры. Сигнал задания (параметр 7.01) отображается в процентах от максимального сигнала (10В). Выходная частота отображается в параметре 5.01.

Результаты опыта занести в табл. 2.

Таблица 2

IЯ=
UВХ, В
f, Гц
UС, В
IC, А
UЯ, В
n, об/мин
UВХ, В
IВХ, А
PВХ, Вт
SC, ВА
ω, 1/с
ΔPЭЛ, Вт
ΔPЯ, Вт
PЯ, Вт
PВ, Вт
PC, Вт
ηАД
ηПЧ-АД
cos(φ)АД
cos(φ)ПЧАД
МВ, Н∙м

Расчетные формулы:

Полная выходная мощность преобразователя частоты, ВА

,

где U_СФ – фазное напряжение на выходе ПЧ, В.

Частота вращения электродвигателя, 1/с

.

Электрические потери в статорной обмотке электродвигателя, Вт

,

где r_С – активное сопротивление фазы статора, Ом.

Электрические потери в цепи якоря ДПТ, Вт

,

где r_Я – активное сопротивление якорной обмотки ДПТ, Ом.

Выходная мощность ТП, Вт

.

Мощность на валу асинхронного электродвигателя, Вт:

,

где ΔP_{МЕХ.ДПТ} – механические потери ДПТ (Приложение В).

Активная выходная мощность ПЧ, Вт

,

где ΔP_МЕХ.АД – механические потери АДКЗ (Приложение В).

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

.

сosφ асинхронного двигателя

.

Коэффициент полезного действия системы

.

сosφ системы

.

Момент на валу асинхронного двигателя, Н∙м:

.

6. Снятие механических характеристик системы ПЧ-АД при включенном режиме компенсации скольжения

Компенсация скольжения представляет собой способ поддержания частоты вращения двигателя при изменении нагрузки за счет повышения частоты питающего двигатель напряжения с применением внутренней положительной обратной связи по току статора.

Для включения режима компенсации скольжения необходимо:

– установить в параметре 5.27 значение ON;

– установить в параметре 6.01 торможение на выбеге (COAST).

После включения режима компенсации скольжения необходимо снять механические характеристики системы, а данные опыта занести в таблицу, аналогичную табл. 1.

7. Снятие механических характеристик системы ПЧ-АД при включенном режиме компенсации момента

Режим компенсации момента представляет собой режим регулирования напряжения статора в зависимости от нагрузки. Данный режим называется также режимом оптимизации потока или энергосберегающим режимом. На холостом ходу напряжение статора снижается, благодаря чему падает жесткость и критический момент двигателя. Одновременно снижается ток статора и I²r потери.

Для включения данного режима необходимо:

– выключить режим компенсации скольжения (5.27=OFF);

– установить в параметре 5.13 значение ON.

После включения режима компенсации момента необходимо снять механические характеристики системы, а данные опыта занести в таблицу, аналогичную табл. 1.

По результатам опытов построить следующие характеристики:

– ω=f(M_В);

– ω=f(I_C);

– η_АД, η_ПЧ-АД=f(M_В);

– cos(φ)_АД, cos(φ)_ПЧ-АД=f(M_В).

Необходимо расположить соответствующие характеристики на одной и той же координатной сетке.

8. Исследование способов торможения электродвигателя

Преобразователь частоты имеет возможность совершать различные способы торможения электродвигателя в зависимости от требования технологического процесса. В процессе работы рекомендуется опробовать следующие способы торможения электродвигателя:

– остановка на выбеге;

– остановка с заданным темпом;

– торможение с подпиткой постоянным током.

В данном опыте требуется заснять процессы торможения.

Торможение на выбеге включается установкой параметра 6.01=Coast.

Торможение с заданным темпом включается установкой параметра 6.01=rp. Время торможения задается параметром 0.04 и варьируется в пределах 0…3200с.

Торможение с подпиткой постоянным током включается установкой в параметре 6.01 значения rp.dc1. Необходимо задать ток торможения (6.06) в процентах от номинального тока инвертора (0…150%), длительность торможения постоянным током (6.07) от 0 до 25с.

Для проведения опыта необходимо разогнать двигатель до 50Гц, затем перевести переключатель SA1 модуля ПЧ в среднее положение. Происходит торможение по запрограммированному закону.

Рекомендуется нанести осциллограммы торможения на одной сетке и оценить различия переходных процессов.

Контрольные вопросы

1. Какие способы регулировки частоты вращения асинхронных электродвигателей вы знаете?

2. С какой целью при регулировании частоты вращения изменяются одновременно частота и напряжение на выходе преобразователя?

3. Укажите достоинства и недостатки применения частотного регулирования?

4. Объясните работу преобразователя в тормозном режиме. Где рассеивается энергия торможения двигателя?