Тяговый электропривод


Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
621.3                                                   №4039
Т 99







ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД


Программа и методические указания для выполнения расчётно-графической работы студентами направления 140600 специальности 140606 - Электрический транспорт












НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.333(07) Т 99





Рецензент канд. техн. наук, доцент В.В. Бирюков






Составители:







д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник Е.Г Порсев, ассистент Е.А. Спиридонов, канд. техн. наук КД Малозёмов







Работа подготовлена на кафедре электротехнических комплексов



















© Новосибирский государственный технический университет, 2011

            Введение


   «Тяговый электропривод» является первой из дисциплин учебного плана специальности 140606, закладывающей основы анализа и синтеза сложных электромеханических систем, изучение которых будет продолжено в дисциплине «Автоматизированный тяговый электропривод». Дисциплина знакомит студентов с основными закономерностями построения механической и электрической частей электроприводов общепромышленного назначения, которые получают дальнейшее развитие в дисциплине «Теория электрической тяги» применительно к транспортным средствам.
   Настоящие методические указания содержат не только программу [1], перечень литературных источников, рекомендации по поиску теоретического материала, перечень вопросов курса, которые должны быть усвоены студентами в процессе аудиторной и самостоятельной работы, но и задания на расчётно-графическую работу, предусмотренную учебным планом.
   После изучения курса студент должен знать структуру электропривода, разновидности электромеханических преобразователей энергии и их характеристики, преимущества и недостатки различных схемных решений электроприводов, области применения, а также приобрести практические навыки по составлению уравнений, описывающих механическую и электрическую части электропривода и электропривод в целом, составлению структурных схем реальных приводов, принципиальных электрических схем силовых цепей и схем управления электроприводами, расчету параметров электроприводов и его элементов.

            1. ПРОГРАММА КУРСА

            1.1. Тяговый электропривод


   Введение. Задачи курса, объём и методика изучения. Общие понятия, назначение и области использования тяговых электроприводов на электрическом транспорте, структура и основные элементы электропривода. Классификация тяговых электроприводов, история их развития.
   Механика электропривода. Общие сведения. Расчётные схемы механической части электропривода. Статические и динамические нагрузки тяговых электроприводов. Уравнение движения электропривода. Механические переходные процессы в электроприводах. Механическая часть электропривода как объект управления.
   Электромеханические свойства электродвигателей электроприводов. Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателях постоянного и переменного тока. Статические и динамические, естественные и искусственные механические характеристики электродвигателей постоянного тока с независимым, последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Характеристики асинхронных и синхронных двигателей.
   Динамика тяговых электроприводов. Структурные схемы электроприводов как разомкнутых электромеханических систем. Электропривод как обобщенная электромеханическая система с линеаризованной механической характеристикой. Устойчивость статического режима работы электропривода. Понятие о демпфировании электроприводом упругих механических колебаний. Переходные процессы в электроприводах и методы их анализа.
   Регулирование координат электропривода. Основные показатели способов регулирования координат электропривода. Системы: генератор - двигатель; тиристорный преобразователь - двигатель; преобразователь частоты - двигатель. Реостатное регулирование момента (тока) и частоты вращения в электроприводах различных систем с двигате

4

лями постоянного и переменного тока. Электропривод с регулированием положения.
   Управление электроприводами. Принципы управления электродвигателями в тяговых электроприводах. Типовые узлы схем резисторноконтакторного управления пуском и торможением двигателей постоянного и переменного тока. Типовые узлы схем управления пуском и торможением двигателей постоянного и переменного тока на базе бесконтактных элементов. Принципы построения замкнутых систем регулируемого электропривода. Схемы автоматического управления двигателями постоянного и переменного тока в замкнутых системах регулирования. Следящий электропривод. Системы электрического вала.
   Энергетика электропривода. Баланс мощности и энергетические характеристики электропривода. Потери энергии в установившихся и переходных процессах. Нагревание и охлаждение двигателей. Режимы работы электродвигателей. Расчет мощности двигателя при различных режимах работы электропривода.


            1.2. Управление электроприводами


   Разомкнутые системы управления электроприводами. Принципы управления двигателями в электроприводах; классификация способов управления. Типовые узлы схем релейно-контактного управления пуском и торможением двигателей постоянного и переменного тока. Типовые узлы схем управления пуском и торможением двигателей постоянного и переменного тока на базе бесконтактных элементов.
   Замкнутые системы управления электроприводами. Общие положения. Принципы построения замкнутых систем регулируемого электропривода. Схемы автоматического управления двигателями постоянного и переменного тока в замкнутых системах регулирования. Следящий электропривод.


            2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


   Изучение курса следует начать с истории возникновения и развития электропривода как в нашей стране, так и за рубежом, которая достаточно полно изложена Чиликиным М.Г. [2, 5]. Знакомство с историей позволит лучше представить пути развития электропривода в различных отраслях промышленности и транспорта и совершенствования его составных частей.


5

   Изучение раздела механики электропривода целесообразно начать со знакомства с условиями его работы в различных типовых производственных механизмах, рассмотрения схемных решений кинематики привода, определения условий возникновения, распределения и передачи нагрузок, их характера и изменения во времени. Необходимые общие сведения по этим вопросам излагались в соответствующих разделах курсов «Физика», «Прикладная механика» и «Теоретическая механика». Сведения о характере механических характеристик производственных механизмов и электрических двигателей приводятся в учебниках [3-5], в которых в доступной форме излагается также методика построения расчетной схемы механической части электропривода по его кинематической схеме.
   Основным уравнением, описывающим изменение положения механической части привода, является уравнение движения, которое путем несложных математических преобразований может быть получено из закона сохранения энергии движущегося объекта или на основе уравнения Лагранжа [4]. Уравнение движения электропривода- основа для составления математической модели его механической части, которая позволяет не только представить механическую часть в качестве объекта управления, но и исследовать механические переходные процессы [3-5]. Представление механической части электропривода как объекта управления предполагает составление структурной схемы п-массовой модели на основе сведений из теории автоматического управления [9]. Изучение данного раздела теории будет более успешным, если предварительно обратиться к тем главам высшей математики, в которых рассматриваются преобразования Лапласа и приемы их использования при построении и последующем упрощении структурных схем механики привода.
   Изученный в данной части курса теоретический материал необходимо закрепить на практике, рассмотрев решение некоторых примеров в учебных пособиях [4, 8].
   Раздел «Электромеханические свойства моторов электроприводов» базируется на курсе «Электрические машины». Поэтому перед изучением этого раздела необходимо вспомнить сведения о двигателях постоянного и переменного тока (по соответствующим разделам литературы, рекомендованной в курсе «Электрические машины»), акцентируя внимание на принципиальных отличиях в конструкции моторов, индивидуальных особенностях различных способов возбуждения и их влияния на механические характеристики двигателя. При отсутствии такой литературы можно использовать литературу по электроприводу [4, 5].

6

При этом следует учитывать, что приведённые теоретические выкладки [3, 4] дают математическое описание электрической машины как универсального преобразователя электрической энергии в механическую независимо от количества фаз и рода тока, т. е. описывают обобщённую электрическую машину.
   При изучении этого раздела необходимо обратить внимание на отличия в математических моделях двигателей с различными способами возбуждения, описываемых системами дифференциальных уравнений. Системы уравнений позволяют не только построить статические механические и электромеханические характеристики машины, но и составить структурную схему электрической части привода, которая затем может быть исследована на устойчивость известными методами [9].
   Для закрепления теоретического материала данной части курса необходимо рассмотреть примеры решения задач, приведённых В.И. Ключевым [4].
   В разделе «Динамика электропривода» исследуются вопросы устойчивости электропривода как обобщённой электромеханической системы в статических и динамических режимах. Основой для исследований является передаточная функция объекта, получаемая в результате преобразований известными методами [9] структурной схемы электропривода, которая составляется на основе изученных ранее математических моделей механической и электрической частей электропривода. Поэтому изучение раздела необходимо начать с повторения соответствующего материала двух предыдущих частей курса.
   Существенное место в разделе занимают вопросы, связанные с изучением переходных процессов в электроприводе. Переходные процессы в электроприводах могут вызываться различными причинами: изменениями величины момента сопротивления на выходе системы, величины питающего напряжения, нагревом элементов привода, изменением режима работы и т. д. В соответствии с этим в приводе возникают механические, электрические, тепловые и другие переходные процессы, влияющие на устойчивость его работы. В учебниках [3-5] достаточно полно и подробно изложены методы анализа переходных процессов с точки зрения оптимизации их по соответствующим требованиям к их характеру. Основное внимание уделяется наиболее распространённым в электроприводах переходным процессам - электромеханическим для привода с линейной механической характеристикой при го₀ = const и го₀ = f (t).

7

   Теоретический материал в учебниках С.А. Ковчина [3] и В.И. Клю-чева [4] подкрепляется рассмотрением конкретных практических примеров, что способствует закреплению получаемых знаний и привитию навыков использования их на практике.
   Изучение раздела по регулированию координат электропривода базируется на математической модели электрической части привода. Поэтому перед изучением необходимо вернуться к соответствующему материалу в начальной части курса и проанализировать возможности перехода от дифференциальных уравнений математической модели электрической части привода к равенствам, описывающим кривые механических и электромеханических характеристик. Математические модели и структурные схемы различных типов приводов (на постоянном и переменном токах) позволяют рассчитать искусственные характеристики приводов, необходимые для построения графических зависимостей пуска и торможения, а также определить логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики привода.
   Теоретический материал по данному разделу сопровождён в учебниках [3, 4] большим количеством примеров расчёта параметров элементов различных систем питания электроприводов с электродвигателями постоянного и переменного тока.
   В целях привития навыков практических расчётов и построения естественных и искусственных, пусковых и тормозных механических и электромеханических характеристик тяговых электродвигателей, которые в последующем пригодятся для выполнения расчётно-графических заданий, курсовых работ и в дипломном проектировании, а также при изучении дисциплин «Электрооборудование и управление транспортными средствами», «Электрическая тяга» и др., - рекомендуется самостоятельно просчитать эти характеристики для электродвигателей переменного и постоянного тока, используя исходные данные, например, из справочников, промышленных каталогов и другой нормативнотехнической литературы. Достаточно полные исходные данные по тяговым двигателям постоянного тока, применяемым на отечественном транспорте, приведены в методическом руководстве к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Теория и расчёт электрооборудования подвижного состава ГЭТ» [12].
   В разделе «Энергетика электропривода» рассматриваются вопросы баланса мощности в электроприводе и особенности работы электромоторов в различных режимах функционирования исполнительных механизмов. Практическую значимость этого раздела дисциплины трудно

8

переоценить, так как он является основополагающим при проектировании электропривода с точки зрения правильного определения мощности приводного электродвигателя, обеспечивающего нормальное функционирование электропривода в целом. При изучении раздела необходимо уделить особое внимание характеру изменения температуры приводного электродвигателя в различных режимах работы, которая в конечном итоге и определяет величину его мощности [4, 5].
   Вторая часть теоретического цикла дисциплины посвящена в основном изучению существующих схем управления тяговыми электроприводами и основ синтеза систем управления на базе типовых элементов и узлов.
   В разделе «Разомкнутые системы управления электроприводами» рассматриваются подробно и широко варианты типовых узлов, выполненных на резисторно-контакторных и бесконтактных элементах, и схем управления электродвигателями переменного и постоянного тока в режимах пуска и торможения [5].
   Несмотря на большое разнообразие схемных решений системы управления электроприводами на постоянном и переменном токе, все они построены по одному из трёх принципов: управление в функции тока, в функции скорости или в функции времени. Поэтому, изучив досконально лишь один из вариантов схемных решений системы управления приводом на постоянном или переменном токе, можно сравнительно просто построить систему управления для других вариантов. Изложенный в этом разделе теоретический материал целесообразно закрепить рассмотрением примеров расчёта элементов электропривода, излагаемых в учебных пособиях, например, А.В. Башарина [8].
   В разделе «Замкнутые системы управления электроприводами», как и в предыдущем разделе, рассматриваются принципы построения и схемные решения различных вариантов электроприводов на постоянном и переменном токе. Для двух наиболее распространённых типов замкнутых систем регулирования - с одним общим суммирующим усилителем и с подчинённым регулированием с последующей коррекцией - рассматриваются типовые схемы электроприводов различных производственных механизмов [3].

9

            3. РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ


   Для закрепления некоторых разделов теоретического цикла программой курса предусмотрено выполнение расчётно-графического задания. Задание содержит 7 различных вариантов исполнительных механизмов (см. табл. 2), каждый из которых имеет 4 модификации по исходным данным.
   Исходные данные для расчёта следует выбирать следующим образом:
   •    вариант задания по таблице 1, где номер варианта соответствует последней цифре в номере зачётной книжки студента;
   •    подвариант задания - по предпоследней цифре в номере зачетной книжки;
   •    при превышении цифры в зачётной книжке величины номера варианта и подварианта следует производить цикл, начиная с первых номеров таблиц 1 и 2.
   При выполнении расчётно-графического задания необходимо:
   •    составить кинематическую и расчётную схемы привода;
   •    рассчитать механические параметры и составить трёхмассовую модель привода;
   •    составить обобщённую структурную схему привода;
   •    определить передаточную функцию механической части привода.

Таблица 1

Варианты задания

                          Номер варианта                       
            1       2       3       4      5      6       7   
Механизм                 Поворот-  Кон-  Экипаж Венти- Бетоно           Лифт  Лебёдка ный круг вейер         лятор  мешалка
Тип элек-                                                     
тродвига- ДК256Г ДК257Б   ДК210А  ТЕ022А ДК211А Д257А  ДК108Г 
теля                                                          

10