Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения частотного регулируемого электропривода, построенного по принципу векторного управления
Полезная модель относится к электромеханическим системам и, в частности, к средствам автоматизации силового электропривода, и может быть использовано в учебном процессе в качестве учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения электропривода на базе асинхронного электродвигателя с частотным векторным управлением.
Учебный стенд по автоматизированному электроприводу предназначен для плавного нагружения электропривода при одновременном расширении функциональных возможностей и повышения эффективности использования стенда. Стенд дополнительно снабжен вторым асинхронным электродвигателем, сочлененным с первым асинхронным электродвигателем, вторым частотным преобразователем, составной частью которого является второй аналогово-цифровой преобразователь, вторым регулируемым потенциометром, тумблером, второй кнопкой аварийного отключения, второй кнопкой пуск, вторым контактором. Отличительной особенностью стенда является то, что в качестве нагрузочной машины служит асинхронная машина, получающая питание по статорной цепи от частотного преобразователя, обеспечивающего необходимую ориентацию момента по отношению к моменту развиваемого основным асинхронным электродвигателем.
Полезная модель относится к электромеханическим системам, и в частности, к средствам автоматизации силового электропривода, и может быть использована в учебном процессе в качестве учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения регулируемого электропривода, построенного по принципу векторного управления.
Известны электроприводы переменного тока (1) с частотным регулированием (f), которые строятся на базе преобразователей частоты со звеном постоянного тока и управляемым выпрямителем, применяемых для объектов управления Мc=const. Основу электроприводов составляет инвертор тока (напряжения), от которого получает питание (U) статорная цепь асинхронного электродвигателя с законом управления 
.
Инверторы тока (напряжения) строятся преимущественно на полупроводниковых биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT, имеющим основные преимущества в виде низких потерь в импульсном режиме, высокую допустимую плотность тока, практически прямоугольную область безопасной работы. Инвертор тока (напряжения) выполняется в базовом варианте (без параллельно-последовательного включения транзисторов) на шести ключах, одна группа в составе нечетных ключей подключена к положительному зажиму управляемого выпрямителя, а другая группа в составе четных ключей подключена к отрицательному зажиму управляемого выпрямителя. У первой группы ключей коллекторные зажимы соединены, а у второй группы эмиттерные зажимы соединены. Эмиттерный зажим каждого ключа первой группы соединен с коллекторным зажимом ключа второй группы и подсоединены к статорной обмотке асинхронного электродвигателя. Таким образом, к статору асинхронного электродвигателя подсоединены три цепи от управляемого инвертора. В настоящее время развита теория и практика создания электроприводов с активным выпрямителем (или выпрямителем с активным передним фронтом АЕЕТ), обеспечивающим реализацию тормозных режимов с рекуперацией электроэнергии в сеть и управляемым коэффициентом мощности и коэффициентом нелинейных искажений. Рассматривая широкий круг теоретических вопросов построения электроприводов переменного тока с частотным регулированием, включая векторное управление, с представлением машины переменного тока по различным математическим моделям, в источнике не раскрывается вопрос построения учебного стенда для изучения частотного регулируемого электропривода, построенного по принципу векторного управления, хотя вопрос актуален, поскольку необходима подготовка современного инженерного корпуса.
Известен (2) лабораторный стенд электромашинной системы автоматического управления, который принят авторами за прототип, поскольку он наиболее близок к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Лабораторный стенд электромашинной системы автоматического управления содержит электромашинный усилитель (ЭМУ), представляющий агрегат из асинхронного приводного двигателя и сопряженного на общем валу, в общем корпусе генератора постоянного тока. Техническим результатом является экономия электрической энергии во время эксплуатации лабораторного стенда. Приводной асинхронный двигатель ЭМУ подключен к преобразователю частоты, а якорь генератора постоянного тока ЭМУ подключен к тиристорному нагрузочному устройству, работающему в режиме рекуперации электрической энергии в сеть.
Недостатком лабораторного стенда является организации тормозного момента асинхронного электродвигателя, управляемого тиристорным преобразователем, с помощью вращающего преобразователя (ЭМУ), что снижает надежность работы стенда. Кроме того, в стенде ограничена плавность нагружен электропривода, поскольку тиристорное нагрузочное устройство для рекуперации энергии в сеть должно работать в инверторном режиме. Существенным недостатком стенда является также то, что ЭМУ конструктивно содержит щеточно-коллекторный узел (якорь генератора), что понижает ресурс безотказной его работы и вызванные ограничении по функциональным возможностям. Указанные недостатки можно ликвидировать использованием в качестве нагрузочной машины асинхронного электродвигателя, управляемого также от преобразователя частоты другого(или того же) типа. При таком построении стенда существенно расширяются его функциональные возможности и повышается эффективность использования стенда.
Техническим результатом является повышение плавности нагружения электропривода при одновременном расширении функциональных возможностей и повышении эффективности использования стенда.
Технический результат достигается тем, что в стенд по автоматизированному электроприводу для изучения частотного регулируемого электропривода построенного по принципу векторного управления содержащий трехфазную сеть промышленной частоты, регулируемый потенциометр, асинхронный электродвигатель, контактор с тремя силовыми и нормально открытым контактами, кнопку аварийного отключения, кнопку пуск, частотный преобразователь, составной частью которого является аналогово-цифровой преобразователь, к выходным клеммам которого подключен регулируемый потенциометр, три силовых клеммы контактора подключены к выходным клеммам контактора, подсоединенным к силовым клеммам питания частотного преобразователя, входные силовые клеммы контактора подключены к трехфазной сети промышленной частоты, силовые клеммы частотного преобразователя связаны со статорными клеммами асинхронного электродвигателя, начало катушки контактора через кнопку аварийного отключения подключено к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки контактора через кнопку пуск, шунтируемую нормально открытый контактом контактора, подключен к фазе трехфазной сети промышленной частоты отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым асинхронным электродвигателем, сочлененным с первым асинхронным электродвигателем, вторым частотным преобразователем, с выведенными управляющими клеммами защитной блокировки, +24 В, +10 В, аналоговым входом согласной ориентации момента нагружения, аналоговым вход, программируемого входа, общая точка, составной частью которого является второй аналогово-цифровой преобразователь, вторым регулируемым потенциометром, тумблером, второй кнопкой аварийного отключения, второй кнопкой пуск, вторым контактором с тремя силовыми и вторым нормально открытым контактом, три силовых клеммы второго контактора подключены к его выходным клеммам, подсоединенным к силовым клеммам питания второго частотного преобразователя, входные клеммы второго контактора подключены к трехфазной сети промышленной частоты, силовые клеммы второго частотного преобразователя связаны со статорными клеммами второго асинхронного электродвигателя, начало катушки второго контактора через вторую кнопку аварийного отключения подключено к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки второго контактора через вторую кнопку пуск, шунтируемую вторым нормально открытый контактом второго контактора, подключен к фазе трехфазной сети промышленной частоты, клемма защитной блокировки соединена с клеммой +24 В и через тумблер подключена к клемме программируемого входа, начало и конец второго регулируемого потенциометра соответственно подключены к клемме +10 В и соединенными между собой общей точкой и аналоговым входом, а движок второго регулируемого потенциометра соединен с клеммой входа согласной ориентации момента нагружения второго частотного преобразователя.
На Фиг.1 представлена блочная схема учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения регулируемого электропривода построенного по принципу векторного управления, обозначения на которой соответствуют: 1 - асинхронный электродвигатель; 2 - частотный преобразователь; 3 - силовые контакты контактора; 4 - катушка контактора; 5 - нормально открытый контакт контактора; 6 - кнопка аварийного отключения; 7 - кнопка пуск; 8 - регулируемый потенциометр; 9 - аналогово-цифровой преобразователь; 10 - второй асинхронный электродвигатель; 11 - второй частотный преобразователь; 12 - силовые контакты второго контактора; 13 - катушка второго контактора; 14 - нормально открытый контакт второго контактора; 15 - кнопка аварийного отключения второго асинхронного электродвигателя; 16 - кнопка пуск второго асинхронного электродвигателя; 17 - второй регулируемый потенциометр; 18 - второй аналогово-цифровой преобразователь; 19 - клемма защитной блокировки; 20 - клемма +24 В; 21 - клемма +10 В; 22 - аналоговый вход согласной ориентации момента нагружения; 23 - аналоговый вход; 24 - программируемый вход управления знаком момента второго электродвигателя; 25 - общая точка; 26 - тумблер; 27 - входные силовые клеммы контактора; 28 - выходные силовые клеммы контактора; 29 - входные силовые клеммы второго контактора; 30 - выходные силовые клеммы второго контактора; 31 - выходные силовые клеммы частотного преобразователя; 32 - выходные силовые клеммы второго частотного преобразователя; 33 - клеммы питании частотного преобразователя; 34 - клеммы питании второго частотного преобразователя.
В учебном стенде (Фиг.1) асинхронный электродвигатель 1 по статорной цепи подключен к выходным силовым клеммам 31 частотного преобразователя 2. К трехфазной промышленной сети 380 В подключены входные силовые клеммы 27 контактора 3, - выходные силовые клеммы 28 которого соединены с клеммами 33 питании частотного преобразователя. Начало катушки 4 контактора 3 через кнопку аварийного отключения 6 подключено к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки 4 контактора 3 через кнопку пуск 7, шунтируемую нормально открытый контактом 5 контактора 3, подключен к фазе трехфазной сети. Составной частью частотного преобразователя 2 является аналогово-цифровой преобразователь 9, к выходу которого подключен регулируемый потенциометр 8. Второй асинхронный электродвигатель 10, выполняющий роль нагрузки, и асинхронный электродвигатель 1 сочленены общим валом. Статорные клеммы второго асинхронного электродвигателя 10 подсоединены к выходным силовым клеммам 32 второго частотного преобразователя 11. Выходные силовые клеммы 30 второго контактора 12 соединены с клеммами 34 питании второго частотного преобразователя 11. Входные силовые клеммы 29 второго контактора 12 подключены к трехфазной сети стенда. В состав второго частотного преобразователя 11 входит второй аналогово-цифровой преобразователь 18. Начало катушки 13 второго контактора 12 через вторую кнопку 15 аварийного отключения второго асинхронного электродвигателя 10 подключена к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки 13 контактора 12 через кнопку пуск 16 второго асинхронного электродвигателя 10, шунтируемую нормально открытый контактом 14 второго контактора 12, подключен к фазе трехфазной сети. Клемма 19 защитной блокировки второго частотного преобразователя 11 соединена с клеммой 20 (+24 В), которая в свою очередь через тумблер 26 связана с программируемым входом 24 второго частотного преобразователя 11.Клемма 21 (+10 В) второго частотного преобразователя 11 связана с началом второго регулируемого потенциометра 17, а конец второго регулируемого потенциометра 17 подключен к клемме 23 - аналоговый вход. Движок второго регулируемого потенциометра 17 соединен с клеммой 22 аналогового входа согласной ориентации момента нагрузки второго асинхронного электродвигателя 10. Общая точка 25 и клемма 23 аналогового входа соединены между собой.
Работа на учебном стенде выполняется следующим образом. Для определения экспериментальной механической характеристики частотно управляемого асинхронного двигателя на разных диапазонах регулирования 
=f(M) следует выполнить следующие действия. Нажатием на пусковую кнопку 7 включить контактор 3 (самоблокировка кнопки 7 осуществляется нормально открытым контактом 5). Срабатывание контактора 3 приводит к подаче трехфазного напряжения на клеммы 33 питании частотного преобразователя 2. Снятие трехфазного напряжения с преобразователя 2 осуществляется кнопкой 6. Управление выходной частотой f преобразователя 2, а следовательно и частотой статорной цепи (клеммы 31) и скоростью вращения асинхронного двигателя 1 осуществляется регулируемым потенциометром 8, подключенного на выход аналогово-цифрового преобразователя 9, входящего в состав преобразователя 2. Нагрузочная асинхронная машина 10 может создавать развиваемый момент как согласно, так и встречно ориентированные по отношению к моменту вращения асинхронного двигателя 1. Подача трехфазного напряжения на клеммы 34 питании второго частотного преобразователя 11 осуществляется вторым контактором 12, катушка которого 13 оказывается под фазным напряжением при нажатии на вторую пусковую кнопку 16 (блокировка нормально открытым контактом 14 второго контактора 12).Снятие питающего трехфазного напряжении с клемм 34 питании второго частотного преобразователя 11 осуществляется нажатием на кнопка 15 аварийного отключения второго асинхронного двигателя. При замыкании тумблера 26 потенциал+24 В подается на программируемый вход 24 управления знаком момента второго асинхронного электродвигателя 10. При этом второй частотный преобразователь 11 работает в режиме изменения момента второго асинхронного электродвигателя 10, создавая встречный момент нагружения. При размыкании тумблера 26 второй преобразователь 11 совместно с вторым двигателем 10 работают в режиме согласной ориентации момента. Плавное регулирование момента второго асинхронного двигателя 10 осуществляется вторым регулируемым потенциометром 17. Измерение скорости вращения асинхронного электродвигателя 1 осуществляется программно-аппаратными средствами частотного преобразователя (2 или 11) и отображается на дисплее. На стенде может быть предусмотрено традиционное измерение скорости электродвигателя с помощью тахогенератора, напряжение с которого подается на вольтметр, шкала которого проградуирована в об\мин. Измерение момента двигателя осуществляется программно-аппаратными средствами, отображается на дисплее в процентном отношении от номинального момента.
В учебном стенде в качестве частотных преобразователей использованы преобразователи ATV71HO75M3, от которых получали питание асинхронные электродвигатели типа АДS0В4У3 мощностью Р=1,5 кВт с номинальной скоростью вращения n=1400 об\мин и токами нагрузки I=6,1\3,5 (А).
Используемая информация.
1. - Г.Г.Соколовский. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием, - М., ACADEMA, 2006.
2. - Ф.Н.Рассказов, В.П.Курган, А.А.Панкин. Патент на полезную модель RU 
96980 U1 МПК G01М 1/00 (2006.01), G09B 5/00 (2006.01). Лабораторный стенд электромашинной системы автоматического управления.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
1. Варнаков Олег Витальевич г.Самара 443081 ул. Фадеева 63 кв.202.
2. Кузнецов Павел Константинович г.Самара 443089 ул. Лукачева 36 Б кв.37.
3. Макаровский Леонид Яковлевич г.Самара 443125 ул. Губанова 4 кв.97.
4. Пешев Ярослав Иванович г.Самара 443066 ул. Запорожская 17 кв.76
5. Сандлер Илья Львович г.Самара 443110 пр. Ленина 1 кв. 421.
6. Стариков Алексей Владимирович г.Самара 443100 ул. Молодогвардейская 225 кв.168.
7. Чабанов Юрий Александрович г.Самара 443068 ул. К.Либкнехта 23 кв.1
Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения частотного регулируемого электропривода, построенного по принципу векторного управления, содержащий трехфазную сеть промышленной частоты, регулируемый потенциометр, асинхронный электродвигатель, контактор с тремя силовыми и нормально открытым контактами, кнопку аварийного отключения, кнопку пуск, частотный преобразователь, составной частью которого является аналогово-цифровой преобразователь, к выходным клеммам которого подключен регулируемый потенциометр, три силовых клеммы контактора подключены к выходным клеммам контактора, подсоединенным к силовым клеммам питания частотного преобразователя, входные силовые клеммы контактора подключены к трехфазной сети промышленной частоты, выходные силовые клеммы частотного преобразователя связаны со статорными клеммами асинхронного электродвигателя, начало катушки контактора через кнопку аварийного отключения подключено к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки контактора через кнопку пуска, шунтируемую нормально открытым контактом контактора, подключенным к фазе трехфазной сети промышленной частоты, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым асинхронным электродвигателем, сочлененным с первым асинхронным электродвигателем, вторым частотным преобразователем, с выведенными управляющими клеммами защитной блокировки, +24 В, +10 В, входом согласной ориентации момента нагружения, входом встречной ориентации момента нагружения, программируемым входом, общей точкой, составной частью которого является второй аналогово-цифровой преобразователь, вторым регулируемым потенциометром, тумблером, второй кнопкой аварийного отключения, второй кнопкой пуск, вторым контактором с тремя силовыми и вторым нормально открытым контактами, три силовых клеммы второго контактора подключены к его выходным клеммам, подсоединенным к силовым клеммам питания второго частотного преобразователя, входные клеммы второго контактора подключены к трехфазной сети промышленной частоты, силовые клеммы второго частотного преобразователя связаны со статорными клеммами второго асинхронного электродвигателя, начало катушки второго контактора через вторую кнопку аварийного отключения подключено к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, конец катушки второго контактора через вторую кнопку пуска, шунтируемую вторым нормально открытым контактом второго контактора, подключен к фазе трехфазной сети промышленной частоты, клемма защитной блокировки соединена с клеммой +24 В и через тумблер подключена к клемме программируемого входа, начало и конец второго регулируемого потенциометра соответственно подключены к клемме +10 В и соединенны между собой общей точкой и аналоговым входом, а движок второго регулируемого потенциометра соединен с клеммой входа согласной ориентации момента нагружения второго частотного преобразователя.
