Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрические устройства контроля нагрузки, усилий и моментов в станках

Электрические устройства контроля нагрузки, усилий и моментов в станках

В процессе эксплуатации автоматизированного оборудования возникает необходимость контроля нагрузки, т. е. усилий и моментов, действующих в элементах станков и машин. Это предотвращает поломку отдельных деталей или недопустимую перегрузку электродвигателей, позволяет выбрать оптимальный режим работы станков, произвести статистический анализ условий эксплуатации и т. п.

Механические устройства контроля нагрузки

Очень часто устройства контроля нагрузки основываются на механическом принципе. В кинематическую цепь станка включают упругий элемент, деформация которого пропорциональна приложенной нагрузке. Превышение определенного уровня нагрузки приводит к срабатыванию микропереключателя, связанного с упругим элементом кинематической связью. В станкостроении получили широкое распространение устройства контроля нагрузки с кулачковыми, шариковыми или роликовыми муфтами. Их применяют в зажимных устройствах, гайковертах и других случаях, когда электропривод работает на жесткий упор.

Электрические устройства контроля нагрузки

Наличие чувствительного упругого элемента в кинематической цепи снижает общую жесткость электромеханического привода и ухудшает его динамические характеристики. Поэтому информацию о величине нагрузки (в данном случае крутящего момента) стараются получить электрическими методами, контролируя потребляемый приводным электродвигателем ток, мощность, скольжение, угол сдвига фазы и т. п.

На рис. 1, а показана схема контроля нагрузки по току статора асинхронного электродвигателя. Напряжение, пропорциональное току I статора электродвигателя, снимается со вторичной обмотки трансформатора тока ТА, выпрямляется и подается на слаботочное электромагнитное реле К, уставка которого регулируется потенциометром R2. Низкоомный резистор R1 необходим для шунтирования вторичной обмотки трансформатора, который должен работать в режиме короткого замыкания.

Рисунок 1. Схема контроля нагрузки электродвигателя по току статора

Для контроля тока статора применяют также быстродействующие защитные реле тока, описанные в гл. 7. Ток статора связан с моментом нагрузки на валу электродвигателя нелинейной зависимостью вида

где I н — номинальный ток статора, Мн — номинальный момент, β о= I о/ I н—кратность тока холостого хода.

Графически эта зависимость изображена на рис. 1 , б (кривая 1 ). Из графика видно, что при малых нагрузках ток статора электродвигателя изменяется весьма незначительно, и регулировать нагрузку в этой зоне невозможно. Кроме того, ток статора зависит не только от момента, но и от напряжения сети. При понижении напряжения сети зависимость 1 ( М) изменяется (кривая 2), что вносит погрешность в работу схемы.

Ток статора электродвигателя представляет собой геометрическую сумму тока холостого хода и приведенного тока ротора:

При изменении нагрузки меняется ток I2′ Ток холостого хода практически от нагрузки не зависит. Поэтому для увеличения чувствительности устройств контроля малых нагрузок необходимо компенсировать ток холостого хода, имеющий в основном индуктивный характер.

В электродвигателях малой мощности в цепь статора включают батарею конденсаторов С (штриховые линии на рис. 1, а), которая вырабатывает опережающий ток. В результате электродвигатель потребляет из сети ток, равный приведенному току ротора, а зависимость 1(М) становится почти линейной (кривая 3 ни рис. 1, б). Некоторым недостатком данного метода является более сильная зависимость характеристики нагрузки от колебаний напряжения сети.

В электродвигателях большей мощности конденстаторная батарея становится громоздкой и дорогой. В этом случае компенсацию тока холостого хода целесообразнее проводить в цепи вторичной обмотки трансформатора тока (рис. 2).

Рисунок 2. Реле контроля нагрузки с компенсацией тока холостого хода

В схеме используют трансформатор, имеющий две первичные обмотки: тока W1 и напряжения W2. В цепь обмотки напряжения включен конденсатор С, сдвигающий фазу тока на 90° в сторону опережения. Параметры трансформатора подобраны так, что намагничивающая сила обмотки W2 компенсирует ту составляющую намагничивающей силы обмотки W 1 , которая связана с током холостого хода электродвигателя. В результате напряжение на выходе вторичной обмотки W3 пропорционально току ротора и моменту нагрузки. Это напряжение выпрямляется и подается на электромагнитное реле К.

В системах управления станками применяют высокочувствительные реле нагрузки, имеющие явно выраженную релейную зависимость напряжения выхода от момента нагрузки (рис. 3, б). Схема такого реле (рис. 3, а) имеет трансформатор тока ТА и трансформатор напряжения TV, выходные напряжения которых включены встречно.

Рисунок 3. Высокочувствительное реле контроля нагрузки

Если ток холостого хода компенсирован, например, с помощью батареи конденсаторов С, выходное напряжение схемы

где Кта, Кт v —коэффициенты преобразования трансформаторов тока и напряжения, U 1 — напряжение на фазе электродвигателя.

Изменяя Кта или K tv , можно настроить схему так, чтобы при заданном моменте нагрузки Мср напряжение на выходе было минимальным. Тогда всякое отклонение режима от заданного приведет к резкому изменению U вых и вызовет срабатывание реле К.

Подобные схемы применяют для контроля момента касания шлифовального круга с деталью при переходе от быстрого подвода шлифовальной бабки к рабочей подаче.

Более точно работают реле нагрузки, основанные на контроле мощности, потребляемой асинхронным электродвигателем из сети. Такие реле .имеют линейную характеристику, которая не изменяется при колебаниях напряжения сети.

Напряжение, пропорциональное потребляемой мощности, получают перемножением напряжения и тока статора асинхронного электродвигателя. Для этого используют реле нагрузки, основанные на нелинейных элементах с квадратичной вольт-амперной характеристикой — квадраторах. Принцип действия таких реле основан на тождестве (a + b) 2 — ( a — b) 2 = 4ab.

Схема реле нагрузки изображена на рис. 4.

Трансформатор тока ТА, нагруженный на резистор RT и трансформатор напряжения TV образуют на вторичных обмотках напряжения, пропорциональные току и фазному напряжению электродвигателя. Трансформатор напряжения имеет две вторичные обмотки, на которых образуются равные напряжения -Uн и +Uн, сдвинутые по фазе на 180°.

Сумма и разность напряжений выпрямляется фазочувствительной схемой, состоящей из согласующих трансформаторов Т1 и Т2 и диодного моста, и подается на квадраторы А1 и А2, выполненные по принципу кусочно-линейной аппроксимации.

Квадраторы содержат резисторы R1 — R4 и R5 — R8 и вентили, запертые опорным напряжением, снимаемым с делителей R9, R10. По мере увеличения входного напряжения вентили поочередно открываются и в работу вводятся новые резисторы, включенные параллельно резисторам R1 или R5. В результате вольт-амперная характеристика квадратора имеет форму параболы, что обеспечивает квадратичную зависимость тока от входного напряжения. Выходное электромеханическое реле К включено на разность токов двух квадраторов, и в соответствии с основным тождеством ток в его обмотке пропорционален мощности, потребляемой электродвигателем из сети. При правильной настройке квадраторов реле мощности имеет погрешность менее 2%.

Особый класс образуют время-импульсные реле мощности с двойной модуляцией, которые получают все большее распространение. В подобных реле напряжение, пропорциональное току электродвигателя, подается на широтно-импульсный модулятор, вырабатывающий импульсы, длительность которых пропорциональна измеряемому току: τ = К1 I . Эти импульсы поступают на амплитудный модулятор, управляемый напряжением сети.

В результате амплитуда импульсов оказывается пропорциональной напряжению на статоре электродвигателя: Um = K2U. Среднее значение напряжения после двойной модуляции пропорционально про наведению тока и напряжения: U ср = fK1K2TU, где f — частота модуляции. Подобные реле мощности имеют погрешность не более 1,5%.

Изменение механической нагрузки на валу асинхронного электродвигателя приводит к изменению фазы тока статора относительно напряжения сети. По мере увеличения нагрузки фазовый угол уменьшается. Это позволяет построить реле нагрузки на фазовом методе. В большинстве случаев реле реагируют на косинус угла сдвига фазы или коэффициент мощности. По своим характеристикам такие реле близки к реле мощности, но конструкция их значительно проще.

Если из схемы (см. рис. 4) исключить квадраторы А1 и А2, а согласующие трансформаторы T1 и T2 в ней заменить резисторами, то напряжение между точками а и b будет пропорционально cosфи, который также изменяется в функции нагрузки электродвигателя. Электромеханическое реле К, подключенное в точках а и b схемы, позволяет контролировать заданный уровень нагрузки электродвигателя. Недостатком упрощения схемы является повышенная погрешность, связанная с изменением напряжения сети.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Лабораторный стенд НТЦ-01.01 «Электротехника и основы электроники». Цена 362250 руб.

С помощью стенда можно проводить лабораторные работы:

  1. Исследование режимов работы и методов расчета линейных цепей постоянного тока с одним источником питания.
    Объект исследования: резистивный мост.
    На практике проводится экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа, метода эквивалентного генератора.
  2. Исследование режимов работы и методов расчета линейных цепей постоянного тока с двумя источниками питания.
    Объект исследования: резистивный мост, в одно из плеч которого включен регулируемый источник ЭДС 0..10В.
    На практике проводится экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа, метода контурных токов.
  3. Исследование режимов работы и методов расчета нелинейных цепей постоянного тока.
    Объект исследования: стабилитрон, параметрический стабилизатор напряжения.
    В лабораторной работе снимаются внешние и нагрузочные характеристики стабилизатора в целом и вольтамперная характеристика стабилитрона в отдельности.
  4. Определение параметров и исследование режимов работы электрической цепи переменного тока с последовательным соединением катушки индуктивности, резистора и конденсатора.
    Объект исследования: электрическая цепь, содержащая последовательно включенные индуктивность (IМАКС=0,8 А, LНОМ=0,25 Гн), емкость (магазин конденсаторов 1..63 мкФ) и активное сопротивление (ПЭВ-50 RНОМ=47 Ом).
    В лабораторной работе определяются параметры схемы замещения катушки индуктивности, исследуются резонансные явления.
  5. Исследование режимов работы линии электропередачи переменного тока при изменении коэффициента мощности нагрузки.
    Объект исследования: модель линии электропередачи нагруженная на аткивно-индуктивную нагрузку.
    В лабораторной работе производится расчет компенсирующего конденсатора и производится эксперимент компенсации реактивной мощности.
  6. Определение параметров и исследование режимов работы трехфазной цепи при соединении потребителей в звезду.
    Объект исследования: трехфазная цепь переменного тока при соединении нагрузок в звезду.
    Исследуются симметричная (во всех фазах включена активная нагрузка сопротивлением 110 Ом мощностью 200 Вт), равномерная (в различные фазы включены активная, активно-индуктивная и активно-емкостная нагрузки полным сопротивлением 250 Ом) и неравномерная нагрузки (создается из равномерной при уменьшении сопротивления активной нагрузки, изменением емкостной нагрузки в пределах 1..63 мкФ) при питании от сети с нулевым проводом и без него.
  7. Определение параметров и исследование режимов работы трехфазной цепи при соединении потребителей в треугольник.
    Объект исследования: трехфазная цепь переменного тока при соединении нагрузок в треугольник. Исследуются те же нагрузки, что и в лабораторной работе 6.
  8. Исследование линейных цепей несинусоидального периодического тока, содержащих катушку и конденсатор.
    Объект исследования:Цепь с мостовым тиристорным управляемым выпрямителем в качестве источника питания.
    В лабораторной работе проводится гармонический анализ тока и напряжения в цепи с управляемым выпрямителем, нагруженным на активно-индуктивную нагрузку.
  9. Определение параметров схемы замещения катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом и при наличии воздушного зазора.
    Объект исследования: катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом и с зазором в магнитопроводе.
    В лабораторной работе определяются параметры схем замещения указанных катушек, снимаются их вольтамперные характеристики.
  10. Определение параметров и основных характеристик однофазного трансформатора.
    Объект исследования: однофазный трансформатор ОСМ1-0,1 220/110 В.
    В лабораторной работе определяются параметры схемы замещения трансформатора, исследуются различные режимы его работы.
  11. Исследование асинхронного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
    Объект исследования: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии АИР56А4У3 (PНОМ=120 Вт, nНОМ=1350 об/мин).
    В лабораторной работе снимаются механические и электромеханические характеристики двигателя. В качестве механической нагрузки асинхронного двигателя используется двигатель постоянного тока независимого возбуждения в режиме динамического торможения.
  12. Определение параметров и основных характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
    Объект исследования: электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением серии ПЛ062УХЛ4 (PНОМ=90 Вт, nНОМ=1500 об/мин).
    В лабораторной работе снимаются механические и электромеханические (как естественные, так и искусственные – реостатные) характеристики электродвигателя. В качестве механической нагрузки двигателя постоянного тока используется асинхронный электродвигатель в режиме динамического торможения.
  13. Определение параметров и основных характеристик генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
    Объект исследования: генератор постоянного тока с независимым возбуждением, в качестве которого используется электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением серии ПЛ062УХЛ4 (PНОМ=90 Вт, nНОМ=1500 об/мин).
    В лабораторной работе снимаются внешние, регулировочные и нагрузочные характеристики генератора. Ток возбуждения генератора изменяется с помощью управляемого выпрямителя, нагрузка создается широтно-импульсным преобразователем.
  14. Исследование процесса зарядки конденсатора от источника постоянного напряжения при ограничении тока с помощью резистора.
    Объект исследования: процесс зарядки конденсатора от источника постоянного напряжения при ограничении тока с помощью резистора.
    В лабораторной работе имеется возможность менять величину токоограничивающего резистора.
  15. Исследование схемы управления трехфазным короткозамкнутым двигателем.
    Объект исследования: типовая схема пуска асинхронного двигателя при различных схемах соединения обмоток статора (звезда, треугольник, переключение со звезды на треугольник)
  16. Однокаскадный транзисторный усилитель.
    Объект исследования: однокаскадный транзисторный усилитель.
    В лабораторной работе исследуется влияние смещения рабочей точки транзистора на форму выходного сигнала, измеряются коэффициенты усиления при отключенном и включенном шунтирующем конденсаторе в эмиттерной цепи.
  17. Исследование двухкаскадных усилителей с непосредственной связью.
    Объект исследования: двухкаскадный усилитель с непосредственной связью.
    Производится оценка соотношений входных и выходных внутренних сопротивлений усилителей с общим эмиттером и общим коллектором.
  18. Исследование параметров транзисторного реле времени с времязадающей RC цепью.
    Объект исследования: транзисторное реле времени с времязадающей RC цепью.
    В лабораторной работе снимается временная характеристика реле времени, определяется относительная погрешность выдержки времени.
  19. Исследование генератора синусоидальных колебаний.
    Объект исследования: генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающей RC-цепью.
    В лабораторной работе исследуются условия возбуждения колебаний, влияние смещения транзисторов на устойчивость работы генератора и на форму выходного сигнала.
  20. Исследование работы широтно-импульсного преобразователя напряжений (ШИП).
    Объект исследования: широтно-импульсный преобразователь.
    В лабораторной работе снимается зависимость выходного напряжения от задающего напряжения.
  21. Исследование работы триггера Шмидта и цифровых счетчиков в интегральном исполнении.
    Объект исследования: триггер Шмидта и цифровой двоичный четырехразрядный счетчик.
    В лабораторной работе исследуется гистерезис при переключении триггера Шмидта, строится таблица состояний двоичного счетчика.
Читать еще:  Cdi двигатель для скутеров что это такое

Конструктивно стенд состоит из двух частей:

  • корпуса, в который установлено электрооборудование, электронные платы, лицевая панель, силовой модуль и столешница интегрированного рабочего стола;
  • машинного агрегата (спарка), содержащего две электрические машины: асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии АИР56А4У3 (PНОМ=120 Вт, nНОМ=1350 об/мин) и электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения серии ПЛ062УХЛ4 (PНОМ=90 Вт, nНОМ=1500 об/мин). На машинном агрегате установлен оптический датчик скорости.

В корпусе стенда размещены:

  • блок питания +24 В 0,5 А, +5 В 0,5 А;
  • плата резистивного моста с дополнительным регулируемым источником ЭДС;
  • плата секундомера с разрешающей способностью 0,1 с;
  • плата транзисторного реле времени с времязадающей RC цепью;
  • плата транзисторных усилителей;
  • плата измерителя частоты вращения электродвигателей с разрешающей способностью 1 об/с;
  • плата тиристорного управляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя;
  • автотрансформатор 0,16кВт.

На лицевой панели изображены электрические схемы объектов исследования. Все схемы, изображенные на панели, разбиты на группы в соответствии с тематикой проводимых работ. На панели установлены коммутационные гнёзда, стрелочные щитовые приборы, коммутацинная аппаратура, а также органы управления, позволяющие изменять параметры элементов при проведении лабораторной работы.

К органам управления относятся:

  • переключатели лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа), который позволяет изменять напряжение в пределах 0..260В с шагом 2 В;
  • переключатели блока переменного резистора, позволяющие изменять сопротивление в пределах 0..10 кОм с шагом 10 Ом;
  • тумблеры магазина конденсаторов, которые дают возможность изменять емкость в пределах 0..63 мкФ с шагом 1 мкФ;
  • задающий потенциометр однофазного мостового тиристорного управляемого выпрямителя;
  • задающий потенциометр широтно-импульсного преобразователя;
  • задающий переключаетль дополнительного источника ЭДС, позволяющий изменять ЭДС в пределах 0..10 В с шагом 1 В;
  • задающий потенциометр реле времени.

В силовом модуле установлены:

резисторы ПЭВ-100, представляющие нагрузки в лабораторных работах по исследованию трехфазных и однофазных цепей переменного тока;

  • трансформаторы ОСМ1-0,1, катушки индуктивности, дроссели;
  • конденсаторы МБГО, представляющие магазин конденсаторов;
  • силовой трансформатор ОСМ1-0,25.

Для проведения работы необходимо собрать схему объекта исследования с помощью унифицированных перемычек, позволяющих собирать схемы без потери их наглядности.

Измерения производятся с помощью стрелочных щитовых приборов. На панели стенда установлено 9 щитовых измерительных приборов, среди них:

  • амперметры переменного тока (предел измерения 0,5/2А, класс точности 2,5) 2 шт.;
  • амперметр постоянного тока (предел измерения 2,5/250мА, класс точности 1,5) 1 шт.;
  • амперметр постоянного тока (предел измерения 25мА/2,5А, класс точности 1,5) 1 шт.;
  • вольтметры переменного напряжения (предел измерения 250В, класс точности 2,5) 2 шт.;
  • вольтметры переменного напряжения (предел измерения 50/250В, класс точности 2,5) 1 шт.;
  • вольтметр постоянного тока (предел измерения 5/50/250В, класс точности 1,5) 1 шт.;
  • ваттметр переменного тока (предел измерения 150/600Вт, класс точности 2,5) 1 шт.;

К стенду прилагается программное и методическое обеспечение:

  • программа тестирования студента для допуска к лабораторным работам. В процессе тестирования проверяются как теоретические знания, так и знание содержания выполняемой лабораторной работы. В результате тестирования студент получает оценку знаний;
  • комплект методической и технической документации, предназначенный для преподавательского состава.

Технические характеристики стенда:

Анализ влияния вольт-амперной характеристикой выпрямителей на статические характеристики нагрузки водородного электролизера

Полный текст:

  • Аннотация
  • Об авторах
  • Список литературы
  • Cited By

Аннотация

Традиционно определение статических нагрузочных характеристик является одним из основных этапов подготовки расчетной модели электроэнергетической системы. Особенно важно правильно учитывать энергоемкие производства, которые вносят огромный вклад в формирование этих характеристик. В частности, наблюдаемый в мире повышенный интерес к водородным технологиям, как одного из наиболее перспективных высокотехнологичных направлений развития энергетики, и увеличение доли установленной мощности объектов генерации на базе возобновляемых источников энергии определяет перспективу развития производства водорода методом электролиза воды. Соответственно, значительное увеличение масштабов применения водородных технологий, в частности в соответствии с «Водородной стратегии для климатически нейтральной Европы» Европейская комиссия производства «зеленого» водорода, определяет задачу формирования корректных математических моделей данных устройств с точки зрения планирования режимов, анализа их влияния на параметры электроэнергетических систем. Определение статических нагрузочных характеристик на основании физического эксперимента не позволит получить характеристику при значительных повышении или снижении напряжения в узле электроэнергетической системы, которые возникают только в аварийных режимах работы энергосистемы. Поэтому представляется актуальным проведение анализа и определения электрических характеристик потребителей путем математического моделирования силовой схемы. В данной статье представлены результаты корректировки статической нагрузочной характеристики электролизера большой мощности, применимого в производстве водорода. Анализ этих результатов, полученных с помощью программного обеспечения MATLAB, проводится с использованием регрессии методом наименьших квадратов для получения полиномиальных функций статических характеристик нагрузки. Согласно этому анализу, статические характеристики рассмотренного электролизера, будучи близкими к линейным внутри регулировочного диапазона, за пределами регулировочного диапазона приобретают параболические зависимости активной и реактивной мощности от напряжения. Статические нагрузочные характеристики установки определяется параметрами схемы питания и вольт-амперной характеристикой выпрямителей, смещающих вершины парабол из начала координат, что следует учитывать для повышения достоверности расчетной схемы.

Ключевые слова

Об авторах

Уфа Руслан Александрович, кандидат технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики

г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050

Васильев Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики

г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050

Панкратов Алексей Владимирович, кандидат технических наук, директор

г. Томск, просп. Кирова, 36, Томск, Томская обл., 634041

Малькова Яна Юрьевна, студент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики

г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050

Список литературы

1. Shiva Kumar S., Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review / S. Shiva Kumar, V. Himabindu, // Materials Science for Energy Technologies. – 2019. – Vol. 2. – No. 3. – Pp. 442-454.

2. Schmidt O., Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study / O. Schmidt, A. Gambhir, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelson, S. Few // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – No. 52. – Pp. 30470-30492.

3. Milanovic, J.V. International Industry Practice on Power System Load Modeling / J.V. Milanovic, K.Yamashita, S.M. Villanueva, S.Z. Djokic, and L.M. Korunovic // IEEE Transactions on Power Systems. – 2012. – Vol. 28. – No. 3. – Pp. 3038-3046.

4. Han, D. A Real Application of MeasurementBased Load Modeling in Large-Scale Power Grids and its Validation / D. Han, J. Ma, R. He, and Z. Dong // IEEE Transactions on Power Systems. – 2009. – Vol. 24. – No. 4. – Pp. 1756-1764.

Читать еще:  Что сделал генри форд с двигателем

5. Orji, U. Load Modeling For Power System Requirement and Capability Assessment / B. Sievenpiper, K. Gerhard, S.B. Leeb, N. Doerry, J.L. Kirtley, and T. McCoy // IEEE Transactions on Power Systems. – 2014. – Vol. 30. – No. 3. – Pp. 1415-1423.

6. Li, Y. Representative static load models for transient stability analysis: development and examination / Y. Li, H.D. Chiang, B.K. Choi, Y.T. Chen, D.H. Huang, and M.G. Lauby // IET Generation, Transmission & Distribution. – 2007. – Vol. 1. – No. 3. – Pp. 422-431.

7. Suvorov, A. The novel approach for electric power system simulation tools validation / A. Suvorov, A. Gusev, M. Andreev, and A. Askarov // Electrical Engineering. – 2019. – Vol. 101. – Pp. 457-466.

8. Korunovic, L.M. Identification of static load characteristics based on measurements in medium-voltage distribution network / L.M. Korunovic, D.P. Stojanovic, and J.V. Milanovic // IET Generation, Transmission & Distribution. – 2008. – Vol. 2. – No. 2. – Pp. 227-234.

9. Kan, Y. Static characteristic of load effects on voltage stability of electric system // In international Conference on System Science and Engineering (ICSSE), Dalian, Liaoning, 2012. – Pp. 596-599.

10. Drimitriev, S.A. Complex load bus static load characteristics determination using passive experiment method / S.A. Drimitriev, S.I. Semenenko, and A.A. Suvorov // In 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED), Ekaterinburg. – 2018. – Pp. 1-6.

11. Pankratov, A. Using static polynomial load models in “Rastrwin” software package for power system studies / A. Pankratov, M. Kondrashov, and S. Paul // MATEC Web of Conf. – 2015.– Vol. 37. – Pp. 1-4.

12. Pazderin, A. Static Load Characteristic of Complex Load Node with Allowance for Automation / A. Pazderin, A. Tavlintsev // MATEC Web of Conf. – 2015.– Vol. 37. – Pp. 1-4.

13. Suvorov, A. A validation approach for short‐ circuit currents calculation in large‐scale power systems / A. Suvorov, A. Gusev, M. Andreev, and A. Askarov // International Transactions on Electrical Energy Systems. – 2020. – Vol. 30. – No. 430. – Pp. 1-20.

14. Xu L. A comparative analysis of the interaction between different FACTS and HVDC / L. Xu, P. Dong, and M. Liu // In IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA. – 2012. – Pp. 1-5.

15. Araujo, F.B. Distributed generation: Voltage stability analysis / F.B. Araujo, and R.B. Prada // In IEEE Grenoble Conference, Grenoble. – 2013. – Pp. 1-4.

16. Rahim, S. A convex optimization based decentralized real-time energy management model with the optimal integration of microgrid in smart grid / S. Rahim, N. Javaid, R. Khan, N. Nawaz, and M. Iqbal // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 236. – Pp. 1-23.

17. Lee, Yo. Technical Measures to Mitigate Load Fluctuation for Large-Scale Customers to Improve Power System Energy Efficiency / Yo. Lee, H. Lee, J. Gim, I. Seo, and G. Lee // Energies. – 2020. – Vol. 13. – Pp. 127.

18. Veprikov, A. Increase of energy efficiency of systems of power supply of industrial consumers of DC on the basis of active converters / A. Veprikov, and V. Polishchuk // International Research Journal. – 2017. – Vol. 7. – Iss. 61. – Pp. 17-21.

19. Pollock, P. Power quality and corrective action in an aluminum smelter / P. Pollock, and C. Duffey // IEEE Industry Applications Society Petroleum and Chemi-cal Industry Conf, Indianapolis, USA. – 1998. – Pp. 181189.

20. Weistner, M. Power quality assurance in the production of aluminum / M. Weistner, an M. Habibulin // Mir Metalla. – 2014. – Vol. 10. – Pp. 10-14.

21. Huglen, R. In Introduction to aluminium electrolysis / R. Huglen, B. Lillebuen, and T. Mellerud // Aluminium Verlag. Dusseldorf. – 1993. – P. 139-162.

22. Nikulin A.D. Thyristor converter technology in non-ferrous metallurgy. Moscow: Metallurgy. – 1983. – 128 p.

23. Kavitha, S. A comparative analysis on linear regres-sion and support vector regression / S. Kavitha, S. Varuna, and R. Ramya // In Proc. of Online International Conference on Green Engineering and Technologies (ICGET), Coimbatore, India. – 2016. – Pp. 1-5.

Асинхронный генератор

Характеристики автономных асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением

Если выполняются условия ωr = const, C = const, то с включением генератора на нагрузку происходит уменьшение частоты.

Генерирование электрических колебаний переменной частоты при отмеченных условиях является характерной отличительной особенностью автономного асинхронного генератора. Принципиально возможно также получение постоянной частоты. Для этого достаточно осуществлять такое регулирование частоты вращения ротора, при котором частота вращения магнитного поля будет оставаться постоянной. В связи с этим, применительно к автономному асинхронному генератору, различают характеристики при постоянной (номинальной) частоте вращения и характеристики при постоянной (номинальной) частоте.

К основным характеристикам относятся: характеристика холостого хода, внешняя, нагрузочная, регулировочная и частотная.

В режиме холостого хода скольжение s ≈ 0. Поэтому характеристика холостого хода при постоянной частоте вращения ротора совпадает с характеристикой при постоянной частоте:

при ωr = const; f1 = const; I = 0 .

Внешняя характеристика автономного асинхронного генератора представляет собой зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при условии постоянства частоты вращения ротора, емкости конденсаторов и коэффициента мощности нагрузки, т.е.

при ωr = const; C = const; cosφ = const , или соответственно:

при f1 = const; C = const; cosφ = const,

гдe I — ток нагрузки; φ — фазовый угол сдвига между током и напряжением нагрузки.

при ωr = const; I = const; cosφ = const, или соответственно

при f1 = const; I = const; cosφ = const.

при U1 = const; ωr = const; cosφ = const, или соответственно:

при U1 = const; f1 = const; cosφ = const.

Частотная характеристика позволяет судить об изменении частоты с изменением нагрузки. Поэтому ее относят к постоянной частоте вращения ротора:

при ωr = const; C = const; cosφ = const.

Номинальная частота вращения может быть выбрана по номинальной частоте при холостом ходе или номинальной нагрузке. В первом случае в соотношение подставляется значение скольжения s = 0, во втором s = snom

По условию ограничения намагничивающего тока за номинальную частоту вращения ротора автономного асинхронного генератора, в качестве которого часто используется асинхронный двигатель, целесообразно принимать частоту, соответствующую номинальной частоте при номинальной нагрузке. Характеристика холостого хода, нагрузочные характеристики генератора и вольтамперные характеристики конденсатора при постоянной частоте вращения ротора (ωr = const, f1 = var) показаны на рис. 12.

Вольтамперные характеристики конденсатора соответствуют одной и той же емкости (С = const).

Характеристика холостого хода (без учета остаточной ЭДС) изображена кривой, проходящей через начало координат. Точке ее пересечения М с вольтамперной характеристикой конденсатора (прямой 0М) соответствует установившийся режим, характеризующийся напряжением U10 и током холостого хода I01

После включения генератора на нагрузку координаты рабочей точки, т.е. точки пересечения магнитной (нагрузочной) характеристики машины и вольтамперной характеристики конденсатора, изменяются вследствие изменения напряжения и тока холостого хода.

С переходом от режима холостого хода к режиму с номинальной нагрузкой рабочая точка перемещается из положения М на характеристике холостого хода в положение N на нагрузочной характеристике 0NВ. Вольтамперная характеристика конденсатора поворачивается в направлении против часовой стрелки на угол Δα = α1 — α, соответствующий приращению реактивного сопротивления конденсатора, обусловленному уменьшением частоты.

Изменения напряжения и тока холостого хода при переходе режима от холостого хода к режиму с номинальной нагрузкой определяются по соотношениям:

По мере увеличения нагрузки вольтамперная характеристика конденсатора продолжает поворачиваться против часовой стрелки, а рабочая точка перемещаться в направлении к точке Р. При этом генератор все более размагничивается, что сопровождается уменьшением напряжения на его зажимах. С переходом рабочей точки в ненасыщенную область 0Р напряжение резко исчезает. Режим самовозбуждения сохраняется до некоторой определенной нагрузки, характеризующей предел статической устойчивости машины.

Заметим, что если экспериментальное получение характеристик автономного асинхронного генератора переменной частоты при fr = const осуществляется довольно просто, то теоретическое исследование режимов его работы встречает значительные затруднения. Так как каждой произвольно взятой нагрузке соответствует вполне определенная частота, то все реактивные параметры системы асинхронный генератор и нагрузка становятся функциями скольжения, причем практически отпадает возможность использования такого метода анализа, как метод круговых диаграмм. Из этого следует, что целесообразнее рассматривать характеристики автономного асинхронного генератора постоянной частоты с переменной частотой вращения ротора. Тогда все режимы работы генератора могут быть исследованы с помощью схем замещения, векторных и круговых диаграмм.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Двигатели постоянного тока

Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть

На рисунках а) и б) показаны схемы включения трехфазных двигателей, у которых выведены лишь по три конца статорных обмоток. На рисунках в) и г) показаны схемы включения трехфазных двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной обмотки.

Все рабочие характеристики двигателей постоянного тока зависят от способа включения цепи возбуждения (статорной) по отношению к цепи якоря (ротора) (рис.29). Соединение может быть параллельным, последовательным, смешанным и обе обмотки могут быть подключены независимо друг от друга.

Рис.29. Схемы подключения двигателей постоянного тока.

Двигатели с параллельным и независимым возбуждением.Схема включения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показана на рис.30, где ПР — пусковой реостат, а РР — регулировочный реостат.

Если обмотку возбуждения такого двигателя подключить через регулировочный реостат РР к другому источнику постоянного напряжения, то получится двигатель с независимым возбуждением.

Рис.30. Схема подключения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Изменение скорости вращения может про­ходить за счет изменения нагрузки и магнитного тока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малости сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения дви­гателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется.

Читать еще:  Влияние работы форсунки на работу двигателя

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать изменением либо сопротивления цепи якоря, либо магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, так как ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что это станет опасным для целости двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением.Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением показана на рис.31. У такого двигателя ток якоря является одновременно и током возбуждения, так как обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Поэтому магнитный поток двигателя изменяется с изменением нагрузки.

Скоростная характеристика двигателя последова­тельного возбуждения приведена на рис.32. Из этой характеристики видно, что скорость дви­гателя сильно зависит от нагрузки. При увеличе­нии нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном уве­личении магнитного потока, что приводит к значи­тельному уменьшению скорости вращения двигате­ля. Это характерная особенность двигателя с после­довательным возбуждением. Значительное умень­шение нагрузки приводит к опасному для двигате­ля увеличению скорости вращения. Поэтому такие двигатели не следует пускать вхолостую или с ма­лой нагрузкой

Рис.31. Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование скорости вращения двигателя с последовательным возбуждением может осуществ­ляться путем изменения либо магнитного потока, либо напряжения питания (рис.32).

Рис.32. Скоростная характеристика двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим боль­шой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки, а также исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми в качестве тяговых двигателей на электрическом транспорте (трамваи, троллейбусы, метро и электровозы), а также на подъемных кра­нах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) на автомобилях и авиационных двигателей.

Двигатель со смешанным возбуждением.Схема включения двигателя посто­янного тока со смешанным возбуждением показана на рис.33. На каждом полюсе тако­го двигателя имеются две обмотки — параллельная и последовательная.

Рис.33. Схема включения двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток двигатель со смешанным возбуждением по своим свойствам приближается либо к двигателю с параллельным возбуждением, либо к двигателю с последовательным возбуждением.

Глава 9. Электронные устройства

1. Полупроводниковые приборы: устройство, принцип действия

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики ври высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Се) и кремний (Si). Германий — это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 г. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 г. Он широко рас­пространен в земной коре в виде кремнезема (дву­окиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Дву­окисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в периодической системе Менделеева. Поэтому в состав атома входят 14 электронов. Однако только четыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обусловливают четыре валентности кремния (рис.34). Атомы кремния способ­ны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи. При ковалентной связи валентные электроны совместно используют­ся различными атомами, что приводит к образованию кристалла.

При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости.

Однако при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». При наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, а дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводимость является суммой электронной и дырочной проводимостей и носит название собственной проводимости.

Рис.34. Кристаллическая решетка кремния.

Чистые полупроводниковые материалы содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используют легирование, т.е. добавление примесей в полупроводниковые материалы.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис.35).

Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атома­ми. Его пятый электрон слабо связан с ядром илегко может стать свободным. Атом мышьяка назывется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар.

Рис.35. Замещение атомов Ge атомами As.

Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок, поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями.По­скольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис.36).

Рис.36. Замещение атомов Ge атомами In.

Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторными. При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Двухслойное полупроводниковое устройство называют диодом. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р-n-переходом и обладает очень важным свойством — его сопротивление зависит от направления тока (рис.37).

Рис.37. Создание запирающего слоя. Диод.

Итак, в куске монокристаллического полупровод­ника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n-переход. Концентрация электро­нов в n-области во много раз больше их концент­рации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Таким образом, на грани­це создается двойной слой пространственного заряда. В этом слое возникает контактное электри­ческое поле, препятствующее дальнейшему пере­ходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равно­весия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенци­альный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда p- и n-областей (элект­роны и дырки) создают небольшой ток проводимос­ти. В состоянии равновесия эти токи взаимно ком­пенсируются.

Если к p-n-переходу подключить внешний источ­ник тока, то напряжение указанной на рис.36 обратной полярности приведет к появлению внеш­него поля Е, совпадающего по направлению с кон­тактным полем Ек, В результате ширина двойного слоя увеличится и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей обратный ток Iобр.

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно на­правлению контактного поля. Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток 1пр. Таким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней проводи­мостью. Это отражает его вольтамперная характе­ристика

Когда к p-n-переходу приложено прямое напря­жение, ток быстро возрастает с ростом напряжения (рис.38). Когда же к p-n-переходу приложено обратное на­пряжение, ток очень мал, быстро достигает насыще­ния и не изменяется да некоторого предельного зна­чения обратного напряжения, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя Uобр, при котором наступает пробой p-n-перехода и он разрушается. Следует отметить, что на рис.38 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масштаба прямого тока.

Рис.38. Вольтамперная характеристика диода.

P-n-переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления пе­ременного тока и для других нелинейных преобра­зований электрических сигналов.

Все диоды обладают малым обратным током. В германиевых диодах он измеряется в микроампе­рах, а в кремниевых – в наноамперах. Германиевый диод имеет больший обратный ток и более чувстви­телен к температуре. Этот недостаток германиевых диодов компенсируется невысоким потенциальным барьером.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увели­чивается, нарушая работу диода. В германиевых ди­одах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры, удваиваясь при повышении температуры приблизительно на 10 С. Схематическое обозначение диода доказано на рисунке, p-часть представлена стрелкой, а n-часть – чертой.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector