Курсовая работа: Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока:. Электропривод постоянного тока реферат


Электропривод с двигателем параллельного возбуждения

4

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрооборудования

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: «Автоматизированный электропривод»

на тему: «Расчет электроприводов постоянного и переменного тока»

Выполнил студент

гр. ЭО – 95 Васин А.В.

____________________

«__» __________ 1999

Принял ассистент

Захаров К. Д.

____________________

____________________

«__» _________ 1999

Липецк 1999

ЗАДАНИЕ

1. Электропривод с двигателем постоянного тока параллельного возбуждения

1.1. По исходным данным (табл.1), используя нагрузочную диаграмму и тахограмму механизма (рис.1), построить нагрузочную диаграмму двигателя. Известны следующие параметры механизма:

J— суммарный момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя (с учетом момента инерции самого двигателя) при нагрузке Мс1 и Мс2;

J’=0,2J — суммарный момент инерции при Мс3 и Мс4.

Цикл работы механизмов состоит из следующих операций: подъем груза с Мс1=Мс/ и опускание с Мс2=Мс, а также подъем грузозахватывающего устройства с Мс3=0,3Мс1 и опускание с Мс4=0,3Мс2 (при активном моменте статическом; кпд передачи =0,8).

Операции содержат режимы пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и тормржения (см. рис.1). Продолжительность включения ПВ%=65% при одинаковом времени пауз.

Время установившейся работы на естественной характеристике tуст =2tпуск1; время работы на пониженной скорости составляет 0,5tпуск1. Максимально допустимое ускорение электропривода не должно превышать |доп| в режиме торможения с Мс3. Во всех остальных переходных режимах момент двигателя должен быть одинаковым, равным Мдоп=2,5Мн.

1.2. По нагрузочной диаграмме выбрать двигатель постоянного тока параллельного возбуждения из серии машин длительного режима работы, имеющих угловую скорость р.

1.3. Построить механические =f(M) и электромеханические =f(I) характеристики электродвигателя для следующих случаев: пуск в N=2 ступеней, торможение противовключением, получение пониженной скорости =0,3р шунтированием цепи якоря и возвращение в режим =0 (остановка) путем торможения противовключением. Определить параметры резисторов.

1.4. Определить пределы, в которых будет изменяться механическая характеристика в естественной схеме включения при колебаниях напряжения питания в пределах 20%.

1.5. Построить характеристику динамического торможения =f(I), обеспечивающую замедление с ускорениями, не превышающими |доп|. Мс=0,5Мн. Определить параметры тормозного резистора.

1.6. Изобразить структурную схему двухмассовой системы механизма передвижения тележки. Приняв J1=Jдв, J2=3J1, 12=1,2 с-1, построить АЧХ при воздействии возмущения на вал механизма.

1.7. Рассчитать и построить механическую характеристику разомкнутой системы УП-Д, если еп=220 В; внутреннее сопротивление управляемого преобразователя rп=2rяд.

1.8. Изобразить структурную схему и рассчитать уравнение статической механической характеристики в системе УП-Д с замкнутой обратной связью по скорости. Определить коэффициент обратной связи по скорости Кос и задающий сигнал Uзс, если статическая механическая характеристика проходит через точки Мн, н и имеет жесткость в 10 раз большую, чем в разомкнутой системе. Преобразователь считать инерционным звеном с коэффициентом усиления Кп=100, постоянной времени Тп=0,01 с и с внутренним сопротивлением rп=2rяд.

2. Электропривод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения.

2.1. Согласно заданному варианту выбрать двигатель последовательного возбуждения тихоходного исполнения.

2.2. Рассчитать и построить естественные =f(I), =f(M) и диаграмму пусковых характеристик, определить параметры резисторов при пуске в N=3 ступеней.

2.3. Рассчитать и построить реостатные =f(I), =f(M), если известны координаты рабочей точки: =0,6н, Мс=Мн. Определить величину добавочного резистора.

2.4. Рассчитать и построить =f(I), =f(M) при питании двигателя пониженным напряжением U=0,5Uн.

2.5. Рассчитать и построить =f(M) динамического торможения с самовозбуждением, позволяющего производить спуск груза (нагрузка Мс=1,5Мн). Расчет производить для двух случаев: скорость спуска груза равна р1=-0,8н и р=-0,3н.

3. Электропривод с асинхронным двигателем.

3.1. Производственный механизм — вентилятор. По заданному варианту рассчитать мощность двигателя и выбрать по каталогу двигатель с фазовым ротором крановой или краново-металлургической серии.

3.2. Рассчитать и построить естественные и реостатные =f(M) и =f(I2), если механическая характеристика проходит через точку с=0,5н, Мс=Мн. Определить параметры резистора. Построить пусковую диаграмму при пуске в 2;3;3;4 ступени. Определить параметры пусковых резисторов.

3.3. Построить механические характеристики при частотном регулировании с постоянной мощностью в диапазоне 3:1.

3.4. Рассчитать и построить  = f(M), также рассчитать сопротивление добавочного резистора при ЭДТ с независимым возбуждением, если характеристика должна проходить через точку  = н, – М = 1,2Мн.

ОГЛАВЛЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО 1

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 1

1.ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 8

2.ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 26

3.ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 36

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих, к уничтожению существенного различия между трудом умственным и физическим, к дальнейшему повышению материального благосостояния людей.

Всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия или рабочей машины.

Назначение первых двух элементов: двигателя с его системой управления и передаточного механизма, куда могут входить валы, шкивы, ремни, шестерни и т. п., заключается в том, сообщить движение исполнительному механизму.

Следовательно, первая и вторая части машинного устройства служат для приведения в движение рабочей машины. Поэтому их объединяют общим названием «привод».

Сегодня электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины. И системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и рад других факторов.

Целью курсовой работы является приобретения навыков расчёта автоматизированного электропривода.

1.1. Построение нагрузочной диаграммы двигателя постоянного тока

Известны следующие параметры механизма:

J=3,6 Нмс2- суммарный момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя (с учетом момента инерции самого двигателя) при нагрузке Mc1 и Mc2.

Mc=21Нм - статический момент.

доп=67с-2 - допустимое ускорение.

р=105 с-1 - рабочая скорость.

Цикл работы механизмов состоит из подъема груза с моментом Мс1 и опускание с моментом Мс2, а также подъем грузозахватывающего устройства с моментом Мс3 и опускание с Мс4.

Операции содержат режимы пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и торможения. Продолжительность включения ПВ%=65%, при одинаковом времени пауз.

Характерной особенностью электроприводов инерционных механизмов циклического действия является значительная динамическая нагрузка двигателей в переходных процессах. Относительное время переходных процессов в цикле для этих механизмов также весьма значительно. Поэтому при выборе электродвигателя по нагреву необходимо учитывать динамические нагрузки уже на этапе предварительного выбора. Уменьшение времени переходных процессов обычно ограничено допустимым ускорением (например, по условиям механической прочности). Так как реализация этого ограничения возлагается на привод, то максимальный момент электропривода в переходных процессах также должен быть ограничен.

Определяем эти моменты:

Нм;

Нм;

Нм;

Нм.

Суммарный момент инерции при моментах Мс3 и Мс4:

Нмс2.

Момент двигателя равен:

Нм.

Для построения нагрузочной диаграммы Мс = f(t) и тахограммы = f(t) необходимо определить время пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и торможения при различных моментах.

Время переходных процессов определяем с использованием основного уравнения движения из формулы:

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с;

с.

Время простоя определяется из выражения:

.

Тогда время простоя t0/4 равно:

с.

По полученным данным построим нагрузочную диаграмму двигателя (рис. 1.1).

.

Рис. 1.1. Нагрузочная диаграмма двигателя постоянного тока

1.2. Выбор двигателя

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения выбрать из серии машин длительного режима работы, имеющих рабочую угловую скорость р.

Так как для механизма, работающего с циклической нагрузкой, необходимо выбрать двигатель продолжительного режима, то для этого определяем эквивалентный по нагреву момент:

где Мсi – момент статической нагрузки, соответствующие i-му участку рабочего цикла нагрузочной диаграммы; ti – время работы двигателя на i-м участке; кз = 1,1…1,3 – коэффициент учитывающий отличие нагрузочной диаграммы двигателя от диаграммы статической нагрузки.

Расчётная мощность двигателя Вт. Исходя из Pр ир по каталогу [1] выбираем двигатель П51 с параметрами: приведёнными в табл.1.1.

Таблица 1.1

Основные параметры двигателя типа П51

Pн = 3,2 кВт

Uн = 220 [В]

rя+rдп = 1,051 Ом

nн = 1000 об/мин

Iн = 18,3 А

rпар = 168 Ом

J = 0,35 кгм2

[c-1].

[НМ].

studfiles.net

Реферат - Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

И ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок

Заведующий кафедрой

Хватов С.В.

(подпись) (фамилия. и. о.)

(дата)

Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока

с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя

(наименование темы проекта или работы)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

(вид документа)

вариант 2.7

(номер варианта)

РУКОВОДИТЕЛЬ

Соколов В.В.

(подпись) (фамилия. и. о.)

(дата)

СТУДЕНТ

Кирасиров Д.В.

(подпись) (фамилия. и. о.)

04-ЭПА

(дата) (группа или шифр)

Проект защищен (дата)

Протокол №

С оценкой

Нижний Новгород 2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Исходные данные

Введение

1. Выбор основного оборудования

2. Функциональная схема электропривода

3. Расчёт параметров силовой цепи электропривода

4. Расчёт запаса по напряжению

5. Расчёт параметров регулятора тока якоря и ЭДС

6. Расчёт параметров регулятора тока возбуждения

7. Расчёт скоростных характеристик и их статизма в разомкнутой и замкнутой системе электропривода

8. Расчёт величины динамического падения скорости двигателя при набросе момента нагрузки

9. Оценка влияния внутренней обратной связи по ЭДС на процессы, протекающие в контуре тока

10. Исследование динамических процессов в контуре тока якоря и ЭДС на цифровой модели

Перечень элементов

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Тип двигателя: П132-4К;

Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;

Номинальное напряжение: Uн = 220 В;

Номинальный ток: Iн = 385 А;

Номинальная частота вращения: nн = 300 об/мин;

Момент инерции: Jм = 100 кгм2;

Передаточное отношение редуктора: Кр = 5;

Тип ЭП: реверсивный.

Данные электродвигателя

Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;

Номинальное напряжение: Uн = 220 В;

Номинальный ток: Iн = 385 А;

Номинальная частота вращения: nн = 300 об/мин;

Максимальная частота вращения: nМАКС=1500 об/мин;

Максимальный ток: Imax= 2,5Iн;

Маховой момент: GD2 = 73 кгм2;

Число полюсов: 2р = 4;

Число витков обмотки якоря: wя = 135;

Сопротивление обмотки якоря при 20°С: Rя = 0,025 Ом;

Число параллельных ветвей обмотки якоря: 2а = 2;

Сопротивление добавочных полюсов при 20°С: Rдп = 0,004 Ом;

Число витков на полюс: wв = 639;

Сопротивление обмотки главных полюсов: Rов = 12 Ом;

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсовой работы является разработка однозонного реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя.

Данный электропривод постоянного тока разрабатывается на основе комплектного тиристорного электропривода ЭПУ.

Применение тиристорного электропривода позволяет оптимизировать его работу на отработку необходимых технологических операций. В данной курсовой работе необходимо стабилизировать скорость вращения электродвигателя при помощи обратной связи по ЭДС и стабилизации тока возбуждения двигателя. Это осуществляется путём нахождения требуемых регуляторов и расчёта их параметров.

1 ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Тиристорный преобразователь:

ЭПУ 1М 46 27 Е УХЛ4

Модификация по выпрямленному напряжению блока управления (115 В)

Напряжение питающей сети (380 В, 50 Гц)

Функциональная характеристика (однозонный, главного движения с обратной связью по ЭДС )

Климатическое исполнение

/>Категория размещения

Силовой согласующий трансформатор:

Тип: ТСЗП-200/0,7;

Напряжение сетевой обмотки: U1 = 0,38 кВ;

Фазное напряжение вентильной обмотки: U2ф = 117 В;

Напряжение короткого замыкания: DUк = 5,2 %;

Потери короткого замыкания: DРкз = 2960 Вт;

Номинальный выпрямленный ток Idн = 500 А.

Сглаживающий дроссель:

Тип: ФРОС-125/0,5;

Индуктивность: Lсд = 0,75 мГн;

Потери в меди при номинальном выпрямленном токе: DРсд = 960 Вт.

Шунт:

Шунт в цепи якоря выбираем из условия, чтобы его номинальный ток был не меньше номинального тока двигателя. Номинальный ток двигателя Iн = 385 А, т. о. выбираю шунт типа 75 ШСМ на номинальный ток Iшня = 500 А и номинальное напряжение Uшн = 75 мВ.

Задатчик регулируемой величины:

В качестве задатчика скорости выбираем потенциометр типа ППБ – 15 –1000 Ом. Т.к Uп = ±15 В, а Uз(max) = 10 В, последовательно необходимо включить добавочный резистор, Rдоб = 500 Ом, на котором будет погашено излишне напряжение.

В состав электропривода входит:

— блок управления,

— электродвигатель,

— трансформатор,

— сглаживающий реактор,

— источник питания обмотки возбуждения,

--PAGE_BREAK--

— блок ввода (для подключения возбудителя к сети).

Электропривод выполнен с принудительным охлаждением, защита преобразователя производится автоматическими выключателями.

Обмотка возбуждения подключается к двум фазам вторичной силовой обмотки трансформатора. Тиристорный преобразователь возбудителя ТПВ выполнен по однофазной мостовой схеме.

Управление тиристорами ТПЯ производится от трехканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1—ФИЗ. Ввод управляющего сигна­ла в СИФУ, регулирование углов и их ограничение осуществляется с помощью переменных резисторов в управляющем органе (УО) СИФУ. Переключение импульсов управления в преобразователе ТПЯ производится блоком логи­ческого устройства ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП.

Токоограничение обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения регулятора ЭДС. При этом исключение бросков тока осуществляется за счет ограничения выходного напряжения регулятора тока.

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Данная система с регулированием скорости и стабилизацией тока возбуждения построена по принципу подчиненного регулирования и имеет два контура регулирования: внутренний контур тока якоря и внешний контур ЭДС, а также независимый контур тока возбуждения.

Во внутренний контур тока якоря входят: регулятор тока якоря, вентильный преобразователь якоря двигателя ВПЯ, якорная цепь двигателя и датчик тока якоря.

Внешний контур ЭДС состоит из регулятора ЭДС, замкнутого контура тока якоря, механической цепи двигателя и датчика напряжения.

В данной системе существует два способа ограничения тока якоря двигателя: путем ограничения выходного сигнала регулятора ЭДС, который является задающим сигналом на ток, и за счет “токовой стенки”, реализованной в ЭПУ.

Рассматривая работу системы при набросе момента нагрузки.

Предполагаем, что двигатель пускался на холостом ходу и к моменту наброса нагрузки вышел на заданную скорость. На входе регуляторов тока и ЭДС нули. После появления момента нагрузки по якорю начинает протекать статический ток, а скорость двигателя начинает уменьшаться. В результате на входе регулятора ЭДС возникает сигнал рассогласования положительного знака, а на вход регулятора тока подается отрицательный сигнал обратной связи по току. По мере уменьшения скорости растет рассогласование на входе регулятора ЭДС и пропорционально растет выходной сигнал регулятора, который компенсирует сигнал отрицательной обратной связи по току. В некоторый момент времени скорость уменьшается до той величины, при которой сигнал на входе регулятора тока становиться равным нулю. Это момент окончания переходного процесса. Система входит в установившийся режим с некоторой ошибкой по скорости.

/>

Рисунок 2.1 – Функциональная схема электропривода

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Падение напряжения на щеточном контакте принимаем равным

DUщ=2 В.

Номинальная угловая скорость

/>рад/с. (3.1)

Сопротивление якорной цепи электродвигателя

/>Ом. (3.2)

где βт– коэффициент, учитывающий изменение сопротивления обмоток при нагреве на 60°С, βт= 1.24.

Номинальная ЭДС электродвигателя

/>В. (3.3)

Конструктивный коэффициент электродвигателя

/>, (3.4)

где />– число витков обмотки якоря, />= 135 витка;

2а – число параллельных ветвей, 2а = 2;

2р – число полюсов, 2р = 4.

Коэффициент ЭДС и момента электродвигателя

/>вс/рад. (3.5)

Номинальный поток

/>Вб. (3.6)

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 80 °С

/>Ом. (3.7)

Номинальный ток возбуждения

/>А. (3.8)

Коэффициент наклона кривой намагничивания при Ф = Фн

/>Вб/А, (3.9)

где />определяется по кривой намагничивания [1].

Индуктивность обмотки возбуждения

/>Гн. (3.10)

Электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения

/>с. (3.11)

Постоянная времени контура вихревых токов

/>с. (3.12)

Индуктивность якоря двигателя

/>Гн, (3.13)

где />= 0.1 – для компенсированных машин.

Электромагнитная постоянная времени якоря электродвигателя

/>с. (3.14)

Момент инерции двигателя

/>кгм2 .(3.15)

Момент инерции механизма, приведенный к валу электродвигателя

/>кгм2.(3.16)

Момент инерции привода

/> кгм2.(3.17)

Номинальный момент электродвигателя

/> Нм. (3.18)

Максимальное ускорение электродвигателя при пуске от задатчика интенсивности

/> рад/с2 ,(3.19)

при Мдин= Мн.

Приведенное к цепи выпрямленного тока сопротивление трансформатора

/> Ом. (3.20)

Максимальная выпрямленная эдс преобразователя цепи якоря

/> В. (3.21)

где kсх1= 2.34 – коэффициент трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи вторичной обмотки

    продолжение --PAGE_BREAK--

/> Ом. (3.22)

где kсх2= 0,815 – для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Эквивалентное сопротивление трансформатора, учитывающее снижение выпрямленного напряжения при коммутации вентиля

/> Ом. (3.23)

Сопротивление сглаживающего дросселя

/> Ом. (3.24)

Сопротивление шин и кабелей

/> Ом. (3.25)

Сопротивление цепи ТП – якорь двигателя

/>. 3.26)

Индуктивность рассеяния трансформатора

/> Гн. (3.27)

Индуктивность цепи ТП – электродвигатель

/> Гн. (3.28)

Максимальное значение коэффициента усиления ТП в цепи якоря с СИФУ, выполненной по вертикальному принципу управления с пилообразным напряжением сравнения

/>. (3.29)

где Uоп– амплитуда опорного напряжения в СИФУ, Uоп= 10 В.

Электромагнитная постоянная времени цепи ТП – электродвигатель

/> с. (3.30)

Электромеханическая постоянная времени

/> с. (3.31)

Передаточный коэффициент шунта в цепи якоря

/> Ом. (3.32)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря

/>. (3.33)

Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря

/>, (3.34)

где UДТmax– максимально допустимое значение напряжения на выходе датчика тока, UДТmax= 10 В.

Шунт в цепи возбуждения выбираю по номинальному току возбуждения электродвигателя. Выбираем шунт на ток Iншв= 15 А.

Передаточный коэффициент шунта в цепи возбуждения

/>. (3.35)

Коэффициент усилителя датчика тока в цепи возбуждения

Напряжение датчика тока возбуждения принимаю 4,5 В, тогда

/>, Ом. (3.36)

Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря

/>. (3.37)

Не скомпенсированные постоянные времени контуров тока якоря и тока возбуждения примем Тm= 0.005 с; Тmв= 0.04 с.

4 РАСЧЕТ ЗАПАСА ПО НАПРЯЖЕНИЮ

Определяем необходимый запас по напряжению

/>, (4.1)

где />, (4.2)

где Eдн– номинальная ЭДС двигателя.

Eдн= 204 В,

ΔEдзап= max{ΔEdстат; ΔEdдин} (4.3)

ΔEdстат= Imax∙Rэ=2.5∙385·0.069 = 66.6 В. (4.4)

/> В. (4.5)

/>.

Определяю фактический коэффициент запаса

/>. (4.6)

Предельная величина ЭДС, до которой будет осуществляться настройка контура на модульный оптимум

Edпред= Edoя– DEdзап= 273.1 – 124.9 = 144.1 В. (4.7)

Предельная ЭДС двигателя при снижении напряжении питающей сети на 10%

Edпред= Edoя– DEdзап= 0.9∙273.1 – 124.9 = 117.2 В. (4.7)

/>. (4.8)

По полученному значению следует, что настройка на модульный оптимум будет выполняться в достаточно большом диапазоне скоростей.

    продолжение --PAGE_BREAK--

5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС

Оптимизацию системы, построенной по принципу подчинённого регулирования, начинаем с внутреннего контура тока якоря.

5.1 Контур тока якоря

5.1.1 Оптимизация контура тока якоря

/>

РТ – регулятор тока;

ТП – тиристорный преобразователь якоря двигателя;

ЯЦ – якорная цепь двигателя;

ДТ – датчик тока.

Рисунок 5.1 – Структурная схема контура тока якоря

Оптимизацию проводим при допущениях:

1) датчик тока считаем без инерционным

/> (5.1.1.1)

2) все малые инерционности, которые имеет контур, включены на входе ТП:

/>. (5.1.1.2)

3) ЭД заторможен (Е = 0) или (DЕ »0), а значит отсутствует ОС по ЭДС.

Оптимизируем контур тока на модульный оптимум

/>, (5.1.1.3)

тогда

/>, (5.1.1.4)

где />(5.1.1.5)

Получили пропорционально-интегральный регулятор (ПИ — регулятор) тока.

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид

/>. (5.1.1.6)

Т. к. величина Тmмала, то слагаемым />можно пренебречь, тогда считаем />, получаем

/>(5.1.1.7)

где Тт= 2∙Тµ– эквивалентная постоянная времени настроенного на модульный оптимум контура тока.

Структурная схема замкнутого контура тока имеет вид:

/>/>

/>/>/>/>

Рисунок 5.2 – Структурная схема замкнутого контура тока

5.1.2 Расчёт параметров регулятора тока якоря

/>

Рисунок 5.3 – Регулятор тока якоря

Коэффициент регулятора тока

/>. (5.1.2.1)

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока />Ф

Сопротивление резистора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока

/>

Ом. (5.1.2.2)

Сопротивление в цепи датчика тока

/>Ом. (5.1.2.3)

Чтобы в установившемся режиме сигнал РТ не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС. />, считаем />

/>Ом. (5.1.2.4)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря определён в разделе 3.

Принимаем R1= 5 кОм, тогда

R2= R1∙kудтя= 5∙66.6=333 кОм. (5.1.2.5)

5.2 Контур ЭДС

5.2.1 Оптимизация контура ЭДС

/>

РЭ – регулятор ЭДС;

ЗКТ – замкнутый контур тока;

ЭМ – электромеханическая часть двигателя;

ДЭ – датчик ЭДС.

Тяц– постоянная времени якорной цепи двигателя, с которой снимается сигнал обратной связи по ЭДС.

Рисунок 5.4 – Структурная схема контура ЭДС

Допущение:

Ic= 0 (Х.Х.)

В контуре есть два звена с малыми постоянными времени, которые включены последовательно и поэтому могут быть преобразованы к одному звену с малой постоянной времени, равной их сумме

/>(5.2.1.1)

где Тmэ–малая постоянная времени контура ЭДС, c.

Тmэ= Тт+ Тяц¢(5.2.1.2)

Передаточная функция разомкнутого контура ЭДС, настроенного на модульный оптимум

/>, (5.2.1.3)

откуда

/>. (5.2.1.4)

Получил пропорциональный регулятор (П-регулятор) ЭДС.

С таким регулятором система будет астатичной по заданию (при отсутствии возмущающего воздействия) и статичной по возмущению.

Передаточная функция замкнутого контура ЭДС

/>. (5.2.1.5)

    продолжение --PAGE_BREAK--

Таким образом, в замкнутой передаточной функции контура ЭДС присутствует форсирующее звено.

Из-за наличия инерционности в датчике ЭДС переходный процесс будет идти с большим перерегулированием. Для уменьшения перерегулирования на вход системы включаю фильтр с постоянной времени, равной инерционности датчика.

Передаточная функция фильтра />.

/>(5.2.1.6)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

/>/>

/>

/>

/>/>/>/>

/>/>/>/>

Рисунок 5.6 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

5.2.2 Расчет параметров регулятора ЭДС с применением датчика напряжения

/>

Рисунок 5.7 – Регулятор ЭДС

Коэффициент датчика напряжения

/>. (5.2.2.1)

Коэффициент передачи регулятора ЭДС

/>. (5.2.2.2)

Задаемся ёмкостью в цепи датчика напряжения Сдн= 1 мкФ.

Сопротивление в цепи датчика напряжения:

/>если RIдн= RIIдн= 0,5∙Rдн, то />.

/>Ом. (5.2.2.3)

/>(5.2.2.4)

Сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора напряжения:

Rоэ= kрэ×Rдн= 0.547×/>= 129.3 кОм. (5.2.2.5)

Сопротивление в цепи задания ЭДС находим из условий установившегося режима:

/>, Iзэ= Iдн, т.е. Uзэmax= Uднmax= 10 В, следовательно

Rзэ= Rдн=129.3 кОм. (5.2.2.6)

Ёмкость фильтра в цепи определяем из условия

/>если RIзэ= RIIзэ= 0,5∙Rзэ, то />.

При Rзэ = RднСф= Сдн= 1 мкФ.

Сопротивление резистора токовой компенсации находим из условий режима стопорения двигателя: Ед= 0, Uдэ= 0.

/>.

Uдт= I×kдт, Uдн= Uд×kдн= I×Ra×kдн,

/>кОм. (5.2.2.7)

Сопротивления резисторов делителя/>. Считая kпр= 1 и принимая R3= 1 кОм, выражаю R4

/>кОм. (5.2.2.8)

Ограничение выходного сигнала регулятора ЭДС осуществляется двумя встречно включенными стабилитронами VD1 и VD2. Поскольку выходной сигнал регулятора ЭДС является сигналом задания на ток, то его ограничение приводит к ограничению тока двигателя на уровне максимально допустимого.

Падение напряжения на стабилитронах принимаем ΔUст= 1 В, максимально допустимое напряжение задания на ток Uзтmax= 10 В.

Тогда напряжение на стабилитронах будет равным

/>UVD1= UVD2= Uзтmax– ΔUст= 10 – 1 = 9 В. (5.2.2.9)

6 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1 Оптимизация контура тока возбуждения

Так как привод однозонный, то оптимизацию контура тока возбуждения проводим для точки Фн.

/>

РТВ – регулятор тока возбуждения;

ТПВ – тиристорный преобразователь обмотки возбуждения;

ОВ – электрическая цепь обмотки возбуждения;

МЦ – магнитная цепь обмотки возбуждения;

ДТВ – датчик тока возбуждения.

Рисунок 6.1 – Структурная схема контура тока возбуждения

Проводим оптимизацию контура тока на модульный оптимум. Для разомкнутой системы:

/>. (6.1.1)

Передаточная функция регулятора тока возбуждения

/>, (6.1.2)

где kртв– коэффициент регулятора тока.

Получаем пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) контура тока возбуждения.

6.2 Расчёт параметров регулятора тока возбуждения

/>

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема стабилизации тока возбуждения

Коэффициент тиристорного преобразователя цепи возбуждения

/>, (6.2.1)

где Ed0В– максимальная выпрямленная ЭДС преобразователя цепи возбуждения;

α – номинальный угол управления преобразователя.

/>В. (6.2.2)

/>. (6.2.3)

    продолжение --PAGE_BREAK--

/>. (6.2.4)

/>. (6.2.5)

Определяем коэффициент регулятора тока возбуждения

/>, (6.2.6)

где TВ∑— электромагнитная постоянная времени.

TВ∑= Tв+ Tвт= 0.624 + 0.062= 0.686. (6.2.7)

Задаюсь величиной емкости конденсатора в цепи датчика тока возбуждения

Cдтв= 5 мкФ.

Определяю сопротивление датчика тока возбуждения

/>кОм. (6.2.8)

Определяем сопротивление обратной связи регулятора тока возбуждения

Rотв= kртв∙Rдтв= />∙/>= 321.2 кОм. (6.2.9)

Сопротивление резистора в цепи задатчика тока возбуждения

/>кОм. (6.2.10)

Задаемся сопротивлением R5= 5 кОм.

Находим сопротивление R6

/>кОм. (6.2.11)

7 РАСЧЁТ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ СТАТИЗМА В РАЗОМКНУТОЙ И ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Механические характеристики двигателя постоянного тока линейны, поэтому их построение произвожу по двум точкам, соответствующим режимам холостого хода и номинальной нагрузки.

Выражение для расчета механических характеристик имеет вид

Ω = Ω– Δ Ω,(7.1)

где Ω–– угловая скорость идеального холостого хода.

/>рад/с. (7.2)

Падение скорости при номинальной нагрузке на естественной характеристике

/>рад/с. (7.3)

Падение скорости при номинальной нагрузке в разомкнутой системе

/>рад/с. (7.4)

Падение скорости при номинальной нагрузке в замкнутой системе

/>рад/с.(7.5)

/>/>/>/>/>/>/>

Рисунок 7.1 – Скоростные характеристики электропривода

Статизм естественной характеристики

/>. (7.6)

Статизм характеристики разомкнутой системы

/>. (7.7)

Статизм характеристики замкнутой системы

/>. (7.8)

Напряжение задания на скорость холостого хода Wо

UЗС1= Wо×kдн×Ce×Фн= 33.9×0.045×85.94×0.076 = 10 В. (7.9)

Напряжение задания на скорость холостого хода W= 0,7∙Wона искусственной механической характеристике при пониженном напряжении

UЗС2= 0,7×Wо×kдн×Ce×Фн= 0.7×33.9×0.045×85.94×0.076 = 7 В. (7.10)

Из полученных графиков механических характеристик можно сказать, что естественная характеристика самая жесткая, характеристика разомкнутой системы более мягкая, чем естественная, а характеристика замкнутой системы – самая мягкая.

Большая мягкость механической характеристики – недостаток замкнутой системы, но в то же время система настроена на модульный оптимум и переходные процессы будут идти с малым (4,3 %) перерегулированием и достаточно высоким (8,4Тm) быстродействием.

При наличие датчика ЭДС, имея соответственную обвязку этого датчика, можно в определенном частотном диапазоне скомпенсировать инерционность датчика, что позволит повысить жесткость механической характеристики.

8 РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПАДЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАБРОСЕ МОМЕНТА НАГРУЗКИ

/>

Рисунок 8.1 – Структурная схема контура тока якоря по возмущению

Находим передаточную функцию замкнутого контура ЭДС по возмущению

/>. (8.1)

Установившейся режим:

/>. (8.2)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

/>/>/>/>

/>/>/>

Рисунок 8.2 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

Падение скорости в разомкнутой системе по Лапласу имеет вид

/>. (8.3)

Следовательно, падение скорости в замкнутой системе в операторной форме запишется

/>. (8.4)

Воспользуемся программой MahtCadдля перехода от изображения к оригиналу, падение скорости в замкнутой системе запишется

/>. (8.5)

На рисунке представлена кривая изменения падения скорости DWв функции времени t, получаемая пересчетом кривой изменения относительного падения скорости dn= DW/DWIнзсв функции относительного времени t= t/Tmэ. Параметры переходного процесса соответствуют настройке на модульный оптимум.

/>

Рисунок 8.3 – Кривая изменение скорости при набросе момента

Переходный процесс идет с перерегулированием 4,3% и быстродействием 8,4Тm.

9 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭДС

НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОНТУРЕ ТОКА

/>

Рисунок 9.1 – Структурная схема контура регулирования тока якоря с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС.

При исследовании считаем, что нагрузки на валу нет, т.е. Ic= 0.

    продолжение --PAGE_BREAK--

Передаточная функция звена якорной цепи с учетом влияния внутренней обратной связи по ЭДС

/>. (9.1)

Передаточная функция звена якорной цепи в данном случае обладает дифференцирующими свойствами, следовательно, компенсирует интегральные свойства регулятора.

Определяю передаточную функцию разомкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС и регулятором, рассчитанным на режим заторможенного двигателя

/>

(9.1)(9.2)

Передаточная функцию замкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС:

/>

(9.3)

В установившемся режиме:

/>. (9.4)

В контуре тока без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС

Структурная схема.

/>

Рисунок 9.2 – Структурная схема

/>, (9.5)

где />(9.6)

/>. (9.7)

Контур тока, который с ПИ-регулятором был астатическим при заторможенном роторе, становится статическим в переходном режиме (DЕ ¹0). Ошибка регулирования тем больше, чем меньше постоянная времени Тм. Другое следствие влияния ОС по ЭДС это увеличенное перерегулирование. По отношению к новому установившемуся уровню тока перерегулирование увеличивается, но по абсолютной величине остается тем же.

Если ЭП имеет большую Тм, то за время выхода тока на заданный уровень ЭДС электродвигателя практически не меняется и ее влияние на ток минимально.

В ЭП с высокомоментными ЭД, где Тммала, влияние внутренней ОС по ЭДС существенно, что иногда приходится учитывать изменением передаточной функции регулятора.

Для компенсации действия внутренней обратной связи по ЭДС иногда применяют более сложный регулятор, например, (ПИ)2– типа.

10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНТУРЕ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС НА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ

10.1 Контур тока

Динамический ток Iдин= 0.5∙Iн= 0.5∙385 = 192.5 А.

Статический ток Iс= 0.6 ∙Iн= 0.6∙385 = 231 А.

Из пункта 7:

– напряжение задания на скорость холостого хода WоUЗС1= 10 В.

– напряжение задания на скорость холостого хода W= 0,7∙Wо UЗС2= 7 В.

/>

Рисунок 10.1 – Исследование настройки контура тока

На рисунке 10.1 представлены 9 графиков переходных процессов. Графики расположены слева направо по возрастанию постоянной времени регулятора, и сверху вниз по уменьшению коэффициента передачи регулятора kР. На центральном графике — переходный процесс при настройке системы на модульный оптимум. Как видно из графиков, при увеличении постоянной времени регулятора уменьшается колебательность переходного процесса, а при уменьшении коэффициента передачи регулятора уменьшается перерегулирование. Оптимальный переходный процесс наблюдается в системе, настроенной на модульный оптимум. Его параметры: длительность процесса 8,4Тµ, перерегулирование 4,3%.

/>

Рисунок 10.2 – Исследование контура тока

На рисунке 10.2 представлены переходные процессы в контуре тока. Как видно из графика, процессы носят апериодический характер, ток выходит на максимальный уровень в соответствии с сигналом задания с перерегулированием приблизительно 4%, причем при реверсе абсолютная величина перерегулирования больше в 2 раза, чем при пуске, поскольку больше фактическое задание на ток: при пуске фактическое задание с 0 на Iст, а при реверсе с Iстна –Iст,т. е. 2 Iст– в 2 раза больше.

10.2 Контур ЭДС

/>

Рисунок 10.3 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС

На рисунке 10.3 приведены кривые тока и скорости двигателя.

При разгоне на холостом ходу, без задатчика интенсивности, по якорю двигателя протекает динамический ток достаточно большой величины, идет разгон двигателя. После выхода двигателя на установившуюся скорость, ток в якоре спадает практически до нуля, т.к. разгон окончен и динамический ток равен нулю, а момент нагрузки еще не наброшен и, следовательно, статический ток равен нулю. При набросе момента нагрузки по якорю двигателя начинает протекать статический ток, а скорость двигателя уменьшается на некоторую величину ΔΩ, соответствующую падению скорости при данной нагрузке, что показывает, что система статическая по возмущению. Во время реверса ток в двигателе увеличивается за счет броска динамического тока и одновременно меняет свое направление. Когда переходный процесс реверса заканчивается, ток в двигателе спадает до статического значения, а при снятии нагрузки – уменьшается до нуля.

В последнем случае скорость двигателя увеличивается на величину падения скорости при набросе нагрузки ΔΩ. Далее идет процесс торможения на холостом ходу, при этом скорость двигателя уменьшается до нуля, а в якоре двигателя возникает динамический ток, обеспечивающий переходный процесс торможения.

П-регулятор ЭДС с применением задатчика интенсивности.

/>

Рисунок 4 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС с задатчиком интенсивности

В системе с задатчиком интенсивности кривые переходного процесса качественного имеют тот же вид, но более растянуты во времени, поскольку задатчик интенсивности ограничивает на заданном уровне динамический ток, обуславливающий ускорение.

ЛИТЕРАТУРА

1 Методические указания к курсовому проекту по дисциплине ²Системы управления электроприводами.² / ГПИ. 1983г.

2 Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат. 1988г.

3 Стандарт предприятия. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП-1-У-НГТУ-98. / НГТУ, Нижний Новгород, 1998 г.

www.ronl.ru

Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

И ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КафедраЭлектропривод и автоматизация промышленных установок

Заведующий кафедрой

Хватов С.В.

(подпись)(фамилия. и. о.)

(дата)

Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока

с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя

(наименование темы проекта или работы)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

(вид документа)

вариант 2.7

(номер варианта)

РУКОВОДИТЕЛЬ

Соколов В.В.

(подпись)(фамилия. и. о.)

(дата)

СТУДЕНТ

Кирасиров Д.В.

(подпись)(фамилия. и. о.)

04-ЭПА

(дата) (группа или шифр)

Проект защищен(дата)

Протокол №

С оценкой

Нижний Новгород 2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Исходные данные

Введение

1. Выбор основного оборудования

2. Функциональная схема электропривода

3. Расчёт параметров силовой цепи электропривода

4. Расчёт запаса по напряжению

5. Расчёт параметров регулятора тока якоря и ЭДС

6. Расчёт параметров регулятора тока возбуждения

7. Расчёт скоростных характеристик и их статизма в разомкнутой и замкнутой системе электропривода

8. Расчёт величины динамического падения скорости двигателя при набросе момента нагрузки

9. Оценка влияния внутренней обратной связи по ЭДС на процессы, протекающие в контуре тока

10. Исследование динамических процессов в контуре тока якоря и ЭДС на цифровой модели

Перечень элементов

Тип двигателя: П132-4К;

Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;

Номинальное напряжение: Uн= 220 В;

Номинальный ток: Iн= 385 А;

Номинальная частота вращения: nн= 300 об/мин;

Момент инерции: Jм= 100 кгм2;

Передаточное отношение редуктора: Кр= 5;

Тип ЭП: реверсивный.

Данные электродвигателя

Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;

Номинальное напряжение: Uн= 220 В;

Номинальный ток: Iн= 385 А;

Номинальная частота вращения: nн= 300 об/мин;

Максимальная частота вращения: nМАКС=1500 об/мин;

Максимальный ток: Imax= 2,5Iн;

Маховой момент: GD2= 73 кгм2;

Число полюсов: 2р = 4;

Число витков обмотки якоря: wя= 135;

Сопротивление обмотки якоря при 20°С: Rя= 0,025 Ом;

Число параллельных ветвей обмотки якоря: 2а = 2;

Сопротивление добавочных полюсов при 20°С: Rдп= 0,004 Ом;

Число витков на полюс: wв= 639;

Сопротивление обмотки главных полюсов: Rов= 12 Ом;

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсовой работы является разработка однозонного реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя.

Данный электропривод постоянного тока разрабатывается на основе комплектного тиристорного электропривода ЭПУ.

Применение тиристорного электропривода позволяет оптимизировать его работу на отработку необходимых технологических операций. В данной курсовой работе необходимо стабилизировать скорость вращения электродвигателя при помощи обратной связи по ЭДС и стабилизации тока возбуждения двигателя. Это осуществляется путём нахождения требуемых регуляторов и расчёта их параметров.

1 ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Тиристорный преобразователь:

ЭПУ 1М 46 27 Е УХЛ4

Модификация по выпрямленному напряжению блока управления (115 В)

Напряжение питающей сети (380 В, 50 Гц)

Функциональная характеристика (однозонный, главного движения с обратной связью по ЭДС )

Климатическое исполнение

Категория размещения

Силовой согласующий трансформатор:

Тип: ТСЗП-200/0,7;

Напряжение сетевой обмотки: U1= 0,38 кВ;

Фазное напряжение вентильной обмотки: U2ф= 117 В;

Напряжение короткого замыкания: DUк= 5,2 %;

Потери короткого замыкания: DРкз= 2960 Вт;

Номинальный выпрямленный ток Idн= 500 А.

Сглаживающий дроссель:

Тип: ФРОС-125/0,5;

Индуктивность: Lсд= 0,75 мГн;

Потери в меди при номинальном выпрямленном токе: DРсд= 960 Вт.

Шунт:

Шунт в цепи якоря выбираем из условия, чтобы его номинальный ток был не меньше номинального тока двигателя. Номинальный ток двигателя Iн= 385 А, т. о. выбираю шунт типа 75 ШСМ на номинальный ток Iшня= 500 А и номинальное напряжение Uшн= 75 мВ.

Задатчик регулируемой величины:

В качестве задатчика скорости выбираем потенциометр типа ППБ – 15 –1000 Ом. Т.к Uп= ±15 В, а Uз(max)= 10 В, последовательно необходимо включить добавочный резистор, Rдоб= 500 Ом, на котором будет погашено излишне напряжение.

В состав электропривода входит:

- блок управления,

- электродвигатель,

- трансформатор,

- сглаживающий реактор,

- источник питания обмотки возбуждения,

- блок ввода (для подключения возбудителя к сети).

Электропривод выполнен с принудительным охлаждением, защита преобразователя производится автоматическими выключателями.

Обмотка возбуждения подключается к двум фазам вторичной силовой обмотки трансформатора. Тиристорный преобразователь возбудителя ТПВ выполнен по однофазной мостовой схеме.

Управление тиристорами ТПЯ производится от трехканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1—ФИЗ. Ввод управляющего сигна­ла в СИФУ, регулирование углов и их ограничение осуществляется с помощью переменных резисторов в управляющем органе (УО) СИФУ. Переключение импульсов управления в преобразователе ТПЯ производится блоком логи­ческого устройства ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП.

Токоограничение обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения регулятора ЭДС. При этом исключение бросков тока осуществляется за счет ограничения выходного напряжения регулятора тока.

Данная система с регулированием скорости и стабилизацией тока возбуждения построена по принципу подчиненного регулирования и имеет два контура регулирования: внутренний контур тока якоря и внешний контур ЭДС, а также независимый контур тока возбуждения.

Во внутренний контур тока якоря входят: регулятор тока якоря, вентильный преобразователь якоря двигателя ВПЯ, якорная цепь двигателя и датчик тока якоря.

Внешний контур ЭДС состоит из регулятора ЭДС, замкнутого контура тока якоря, механической цепи двигателя и датчика напряжения.

В данной системе существует два способа ограничения тока якоря двигателя: путем ограничения выходного сигнала регулятора ЭДС, который является задающим сигналом на ток, и за счет “токовой стенки”, реализованной в ЭПУ.

Рассматривая работу системы при набросе момента нагрузки.

Предполагаем, что двигатель пускался на холостом ходу и к моменту наброса нагрузки вышел на заданную скорость. На входе регуляторов тока и ЭДС нули. После появления момента нагрузки по якорю начинает протекать статический ток, а скорость двигателя начинает уменьшаться. В результате на входе регулятора ЭДС возникает сигнал рассогласования положительного знака, а на вход регулятора тока подается отрицательный сигнал обратной связи по току. По мере уменьшения скорости растет рассогласование на входе регулятора ЭДС и пропорционально растет выходной сигнал регулятора, который компенсирует сигнал отрицательной обратной связи по току. В некоторый момент времени скорость уменьшается до той величины, при которой сигнал на входе регулятора тока становиться равным нулю. Это момент окончания переходного процесса. Система входит в установившийся режим с некоторой ошибкой по скорости.

Рисунок 2.1 – Функциональная схема электропривода

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Падение напряжения на щеточном контакте принимаем равным

DUщ=2 В.

Номинальная угловая скорость

рад/с. (3.1)

Сопротивление якорной цепи электродвигателя

Ом. (3.2)

где βт– коэффициент, учитывающий изменение сопротивления обмоток при нагреве на 60°С, βт= 1.24.

Номинальная ЭДС электродвигателя

В. (3.3)

Конструктивный коэффициент электродвигателя

, (3.4)

где– число витков обмотки якоря,= 135 витка;

2а – число параллельных ветвей, 2а = 2;

2р – число полюсов, 2р = 4.

Коэффициент ЭДС и момента электродвигателя

вс/рад. (3.5)

Номинальный поток

Вб. (3.6)

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 80 °С

Ом . (3.7)

Номинальный ток возбуждения

А . (3.8)

Коэффициент наклона кривой намагничивания при Ф = Фн

Вб/А , (3.9)

гдеопределяется по кривой намагничивания [1].

Индуктивность обмотки возбуждения

Гн. (3.10)

Электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения

с. (3.11)

Постоянная времени контура вихревых токов

с . (3.12)

Индуктивность якоря двигателя

Гн , (3.13)

где= 0.1 – для компенсированных машин.

Электромагнитная постоянная времени якоря электродвигателя

с. (3.14)

Момент инерции двигателя

кгм2. (3.15)

Момент инерции механизма, приведенный к валу электродвигателя

кгм2. (3.16)

Момент инерции привода

кгм2. (3.17)

Номинальный момент электродвигателя

Нм. (3.18)

Максимальное ускорение электродвигателя при пуске от задатчика интенсивности

рад/с2,(3.19)

при Мдин= Мн.

Приведенное к цепи выпрямленного тока сопротивление трансформатора

Ом. (3.20)

Максимальная выпрямленная эдс преобразователя цепи якоря

В. (3.21)

где kсх1= 2.34 – коэффициент трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи вторичной обмотки

Ом. (3.22)

где kсх2= 0,815 – для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Эквивалентное сопротивление трансформатора, учитывающее снижение выпрямленного напряжения при коммутации вентиля

Ом. (3.23)

Сопротивление сглаживающего дросселя

Ом. (3.24)

Сопротивление шин и кабелей

Ом. (3.25)

Сопротивление цепи ТП – якорь двигателя

. 3.26)

Индуктивность рассеяния трансформатора

Гн. (3.27)

Индуктивность цепи ТП – электродвигатель

Гн. (3.28)

Максимальное значение коэффициента усиления ТП в цепи якоря с СИФУ, выполненной по вертикальному принципу управления с пилообразным напряжением сравнения

. (3.29)

где Uоп– амплитуда опорного напряжения в СИФУ, Uоп= 10 В.

Электромагнитная постоянная времени цепи ТП – электродвигатель

с . (3.30)

Электромеханическая постоянная времени

с. (3.31)

Передаточный коэффициент шунта в цепи якоря

Ом. (3.32)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря

. (3.33)

Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря

, (3.34)

где UДТmax– максимально допустимое значение напряжения на выходе датчика тока, UДТmax= 10 В.

Шунт в цепи возбуждения выбираю по номинальному току возбуждения электродвигателя. Выбираем шунт на ток Iншв= 15 А.

Передаточный коэффициент шунта в цепи возбуждения

. (3.35)

Коэффициент усилителя датчика тока в цепи возбуждения

Напряжение датчика тока возбуждения принимаю 4,5 В, тогда

, Ом. (3.36)

Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря

. (3.37)

Не скомпенсированные постоянные времени контуров тока якоря и тока возбуждения примем Тm= 0.005 с; Тmв= 0.04 с.

4 РАСЧЕТ ЗАПАСА ПО НАПРЯЖЕНИЮ

Определяем необходимый запас по напряжению

, (4.1)

где, (4.2)

где Eдн– номинальная ЭДС двигателя.

Eдн= 204 В,

ΔEдзап= max {ΔEdстат; ΔEdдин} (4.3)

ΔEdстат= Imax∙Rэ=2.5∙385·0.069 = 66.6 В. (4.4)

В. (4.5)

.

Определяю фактический коэффициент запаса

. (4.6)

Предельная величина ЭДС, до которой будет осуществляться настройка контура на модульный оптимум

Edпред= Edoя– DEdзап= 273.1 – 124.9 = 144.1 В. (4.7)

Предельная ЭДС двигателя при снижении напряжении питающей сети на 10%

Edпред= Edoя– DEdзап= 0.9∙273.1 – 124.9 = 117.2 В. (4.7)

. (4.8)

По полученному значению следует, что настройка на модульный оптимум будет выполняться в достаточно большом диапазоне скоростей.

5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС

Оптимизацию системы, построенной по принципу подчинённого регулирования, начинаем с внутреннего контура тока якоря.

5.1 Контур тока якоря

5.1.1 Оптимизация контура тока якоря

РТ – регулятор тока;

ТП – тиристорный преобразователь якоря двигателя;

ЯЦ – якорная цепь двигателя;

ДТ – датчик тока.

Рисунок 5.1 – Структурная схема контура тока якоря

Оптимизацию проводим при допущениях:

1) датчик тока считаем без инерционным

(5.1.1.1)

2) все малые инерционности, которые имеет контур, включены на входе ТП:

. (5.1.1.2)

3) ЭД заторможен (Е = 0) или (DЕ » 0), а значит отсутствует ОС по ЭДС.

Оптимизируем контур тока на модульный оптимум

, (5.1.1.3)

тогда

, (5.1.1.4)

где(5.1.1.5)

Получили пропорционально-интегральный регулятор (ПИ - регулятор) тока.

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид

. (5.1.1.6)

Т. к. величина Тmмала, то слагаемымможно пренебречь, тогда считаем, получаем

(5.1.1.7)

где Тт= 2∙Тµ– эквивалентная постоянная времени настроенного на модульный оптимум контура тока.

Структурная схема замкнутого контура тока имеет вид:

Рисунок 5.2 – Структурная схема замкнутого контура тока

5.1.2 Расчёт параметров регулятора тока якоря

Рисунок 5.3 – Регулятор тока якоря

Коэффициент регулятора тока

. (5.1.2.1)

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора токаФ

Сопротивление резистора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока

Ом . (5.1.2.2)

Сопротивление в цепи датчика тока

Ом. (5.1.2.3)

Чтобы в установившемся режиме сигнал РТ не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС., считаем

Ом. (5.1.2.4)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря определён в разделе 3.

Принимаем R1= 5 кОм, тогда

R2= R1∙kудтя= 5∙66.6=333 кОм. (5.1.2.5)

5.2 Контур ЭДС

5.2.1 Оптимизация контура ЭДС

РЭ – регулятор ЭДС;

ЗКТ – замкнутый контур тока;

ЭМ – электромеханическая часть двигателя;

ДЭ – датчик ЭДС.

Тяц– постоянная времени якорной цепи двигателя, с которой снимается сигнал обратной связи по ЭДС.

Рисунок 5.4 – Структурная схема контура ЭДС

Допущение:

Ic = 0 (Х.Х.)

В контуре есть два звена с малыми постоянными времени, которые включены последовательно и поэтому могут быть преобразованы к одному звену с малой постоянной времени, равной их сумме

(5.2.1.1)

где Тmэ– малая постоянная времени контура ЭДС, c.

Тmэ= Тт+ Тяц¢ (5.2.1.2)

Передаточная функция разомкнутого контура ЭДС, настроенного на модульный оптимум

, (5.2.1.3)

откуда

. (5.2.1.4)

Получил пропорциональный регулятор (П-регулятор) ЭДС.

С таким регулятором система будет астатичной по заданию (при отсутствии возмущающего воздействия) и статичной по возмущению.

Передаточная функция замкнутого контура ЭДС

. (5.2.1.5)

Таким образом, в замкнутой передаточной функции контура ЭДС присутствует форсирующее звено.

Из-за наличия инерционности в датчике ЭДС переходный процесс будет идти с большим перерегулированием. Для уменьшения перерегулирования на вход системы включаю фильтр с постоянной времени, равной инерционности датчика.

Передаточная функция фильтра.

(5.2.1.6)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

Рисунок 5.6 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

5.2.2 Расчет параметров регулятора ЭДС с применением датчика напряжения

Рисунок 5.7 – Регулятор ЭДС

Коэффициент датчика напряжения

. (5.2.2.1)

Коэффициент передачи регулятора ЭДС

. (5.2.2.2)

Задаемся ёмкостью в цепи датчика напряжения Сдн= 1 мкФ.

Сопротивление в цепи датчика напряжения:

если RIдн= RIIдн= 0,5∙Rдн, то.

Ом. (5.2.2.3)

(5.2.2.4)

Сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора напряжения:

Rоэ= kрэ×Rдн= 0.547×= 129.3 кОм. (5.2.2.5)

Сопротивление в цепи задания ЭДС находим из условий установившегося режима:

, Iзэ= Iдн, т.е. Uзэmax= Uднmax= 10 В, следовательно

Rзэ= Rдн=129.3 кОм. (5.2.2.6)

Ёмкость фильтра в цепи определяем из условия

если RIзэ= RIIзэ= 0,5∙Rзэ, то.

При Rзэ= RднСф= Сдн= 1 мкФ.

Сопротивление резистора токовой компенсации находим из условий режима стопорения двигателя: Ед= 0 , Uдэ= 0.

.

Uдт= I×kдт, Uдн= Uд×kдн= I× Ra×kдн,

кОм. (5.2.2.7)

Сопротивления резисторов делителя. Считая kпр= 1 и принимая R3= 1 кОм, выражаю R4

кОм. (5.2.2.8)

Ограничение выходного сигнала регулятора ЭДС осуществляется двумя встречно включенными стабилитронами VD1 и VD2 . Поскольку выходной сигнал регулятора ЭДС является сигналом задания на ток, то его ограничение приводит к ограничению тока двигателя на уровне максимально допустимого.

Падение напряжения на стабилитронах принимаем ΔUст= 1 В, максимально допустимое напряжение задания на ток Uзтmax= 10 В.

Тогда напряжение на стабилитронах будет равным

UVD1= UVD2= Uзтmax– ΔUст= 10 –

1 = 9 В. (5.2.2.9)

6 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1 Оптимизация контура тока возбуждения

Так как привод однозонный, то оптимизацию контура тока возбуждения проводим для точки Фн.

РТВ – регулятор тока возбуждения;

ТПВ – тиристорный преобразователь обмотки возбуждения;

ОВ – электрическая цепь обмотки возбуждения;

МЦ – магнитная цепь обмотки возбуждения;

ДТВ – датчик тока возбуждения.

Рисунок 6.1 – Структурная схема контура тока возбуждения

Проводим оптимизацию контура тока на модульный оптимум. Для разомкнутой системы:

. (6.1.1)

Передаточная функция регулятора тока возбуждения

, (6.1.2)

где kртв– коэффициент регулятора тока.

Получаем пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) контура тока возбуждения.

6.2 Расчёт параметров регулятора тока возбуждения

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема стабилизации тока возбуждения

Коэффициент тиристорного преобразователя цепи возбуждения

, (6.2.1)

где Ed0В– максимальная выпрямленная ЭДС преобразователя цепи возбуждения;

α – номинальный угол управления преобразователя.

В. (6.2.2)

. (6.2.3)

. (6.2.4)

. (6.2.5)

Определяем коэффициент регулятора тока возбуждения

, (6.2.6)

где TВ∑- электромагнитная постоянная времени.

TВ∑= Tв+ Tвт= 0.624 + 0.062= 0.686. (6.2.7)

Задаюсь величиной емкости конденсатора в цепи датчика тока возбуждения

Cдтв= 5 мкФ.

Определяю сопротивление датчика тока возбуждения

кОм. (6.2.8)

Определяем сопротивление обратной связи регулятора тока возбуждения

Rотв= kртв∙Rдтв== 321.2 кОм. (6.2.9)

Сопротивление резистора в цепи задатчика тока возбуждения

кОм. (6.2.10)

Задаемся сопротивлением R5= 5 кОм.

Находим сопротивление R6

кОм. (6.2.11)

7 РАСЧЁТ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ СТАТИЗМА В РАЗОМКНУТОЙ И ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Механические характеристики двигателя постоянного тока линейны, поэтому их построение произвожу по двум точкам, соответствующим режимам холостого хода и номинальной нагрузки.

Выражение для расчета механических характеристик имеет вид

Ω = Ω0– Δ Ω, (7.1)

где Ω0–– угловая скорость идеального холостого хода.

рад/с. (7.2)

Падение скорости при номинальной нагрузке на естественной характеристике

рад/с. (7.3)

Падение скорости при номинальной нагрузке в разомкнутой системе

рад/с. (7.4)

Падение скорости при номинальной нагрузке в замкнутой системе

рад/с. (7.5)

Рисунок 7.1 – Скоростные характеристики электропривода

Статизм естественной характеристики

. (7.6)

Статизм характеристики разомкнутой системы

. (7.7)

Статизм характеристики замкнутой системы

. (7.8)

Напряжение задания на скорость холостого хода Wо

UЗС1= Wо×kдн×Ce×Фн= 33.9×0.045×85.94×0.076 = 10 В. (7.9)

Напряжение задания на скорость холостого хода W = 0,7∙Wона искусственной механической характеристике при пониженном напряжении

UЗС2= 0,7×Wо×kдн×Ce×Фн= 0.7×33.9×0.045×85.94×0.076 = 7 В. (7.10)

Из полученных графиков механических характеристик можно сказать, что естественная характеристика самая жесткая, характеристика разомкнутой системы более мягкая, чем естественная, а характеристика замкнутой системы – самая мягкая.

Большая мягкость механической характеристики – недостаток замкнутой системы, но в то же время система настроена на модульный оптимум и переходные процессы будут идти с малым (4,3 %) перерегулированием и достаточно высоким (8,4Тm) быстродействием.

При наличие датчика ЭДС, имея соответственную обвязку этого датчика, можно в определенном частотном диапазоне скомпенсировать инерционность датчика, что позволит повысить жесткость механической характеристики.

8 РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПАДЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАБРОСЕ МОМЕНТА НАГРУЗКИ

Рисунок 8.1 – Структурная схема контура тока якоря по возмущению

Находим передаточную функцию замкнутого контура ЭДС по возмущению

. (8.1)

Установившейся режим:

. (8.2)

Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:

Рисунок 8.2 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС

Падение скорости в разомкнутой системе по Лапласу имеет вид

. (8.3)

Следовательно, падение скорости в замкнутой системе в операторной форме запишется

. (8.4)

Воспользуемся программой Maht Cad для перехода от изображения к оригиналу, падение скорости в замкнутой системе запишется

. (8.5)

На рисунке представлена кривая изменения падения скорости DW в функции времени t, получаемая пересчетом кривой изменения относительного падения скорости dn = DW/DWIнзсв функции относительного времени t = t/Tmэ. Параметры переходного процесса соответствуют настройке на модульный оптимум.

Рисунок 8.3 – Кривая изменение скорости при набросе момента

Переходный процесс идет с перерегулированием 4,3% и быстродействием 8,4Тm.

9 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭДС

НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОНТУРЕ ТОКА

Рисунок 9.1 – Структурная схема контура регулирования тока якоря с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС.

При исследовании считаем, что нагрузки на валу нет, т.е. Ic= 0.

Передаточная функция звена якорной цепи с учетом влияния внутренней обратной связи по ЭДС

. (9.1)

Передаточная функция звена якорной цепи в данном случае обладает дифференцирующими свойствами, следовательно, компенсирует интегральные свойства регулятора.

Определяю передаточную функцию разомкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС и регулятором, рассчитанным на режим заторможенного двигателя

(9.1) (9.2)

Передаточная функцию замкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС:

(9.3)

В установившемся режиме:

. (9.4)

В контуре тока без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС

Структурная схема.

Рисунок 9.2 – Структурная схема

, (9.5)

где(9.6)

. (9.7)

Контур тока, который с ПИ-регулятором был астатическим при заторможенном роторе, становится статическим в переходном режиме (DЕ ¹ 0). Ошибка регулирования тем больше, чем меньше постоянная времени Тм. Другое следствие влияния ОС по ЭДС это увеличенное перерегулирование. По отношению к новому установившемуся уровню тока перерегулирование увеличивается, но по абсолютной величине остается тем же.

Если ЭП имеет большую Тм, то за время выхода тока на заданный уровень ЭДС электродвигателя практически не меняется и ее влияние на ток минимально.

В ЭП с высокомоментными ЭД, где Тммала, влияние внутренней ОС по ЭДС существенно, что иногда приходится учитывать изменением передаточной функции регулятора.

Для компенсации действия внутренней обратной связи по ЭДС иногда применяют более сложный регулятор, например, (ПИ)2– типа.

10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНТУРЕ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС НА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ

10.1 Контур тока

Динамический ток Iдин= 0.5∙Iн= 0.5∙385 = 192.5 А.

Статический ток Iс= 0.6 ∙Iн= 0.6∙385 = 231 А.

Из пункта 7:

– напряжение задания на скорость холостого хода WоUЗС1= 10 В.

– напряжение задания на скорость холостого хода W = 0,7∙WоUЗС2= 7 В.

Рисунок 10.1 – Исследование настройки контура тока

На рисунке 10.1 представлены 9 графиков переходных процессов. Графики расположены слева направо по возрастанию постоянной времени регулятора , и сверху вниз по уменьшению коэффициента передачи регулятора kР. На центральном графике - переходный процесс при настройке системы на модульный оптимум. Как видно из графиков, при увеличении постоянной времени регулятора уменьшается колебательность переходного процесса, а при уменьшении коэффициента передачи регулятора уменьшается перерегулирование. Оптимальный переходный процесс наблюдается в системе, настроенной на модульный оптимум. Его параметры: длительность процесса 8,4Тµ, перерегулирование 4,3%.

Рисунок 10.2 – Исследование контура тока

На рисунке 10.2 представлены переходные процессы в контуре тока. Как видно из графика, процессы носят апериодический характер, ток выходит на максимальный уровень в соответствии с сигналом задания с перерегулированием приблизительно 4%, причем при реверсе абсолютная величина перерегулирования больше в 2 раза, чем при пуске, поскольку больше фактическое задание на ток: при пуске фактическое задание с 0 на Iст, а при реверсе с Iстна –Iст,т. е. 2 Iст– в 2 раза больше.

10.2 Контур ЭДС

Рисунок 10.3 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС

На рисунке 10.3 приведены кривые тока и скорости двигателя.

При разгоне на холостом ходу, без задатчика интенсивности, по якорю двигателя протекает динамический ток достаточно большой величины, идет разгон двигателя. После выхода двигателя на установившуюся скорость, ток в якоре спадает практически до нуля, т.к. разгон окончен и динамический ток равен нулю, а момент нагрузки еще не наброшен и, следовательно, статический ток равен нулю. При набросе момента нагрузки по якорю двигателя начинает протекать статический ток, а скорость двигателя уменьшается на некоторую величину ΔΩ, соответствующую падению скорости при данной нагрузке, что показывает, что система статическая по возмущению. Во время реверса ток в двигателе увеличивается за счет броска динамического тока и одновременно меняет свое направление. Когда переходный процесс реверса заканчивается, ток в двигателе спадает до статического значения, а при снятии нагрузки – уменьшается до нуля.

В последнем случае скорость двигателя увеличивается на величину падения скорости при набросе нагрузки ΔΩ. Далее идет процесс торможения на холостом ходу, при этом скорость двигателя уменьшается до нуля, а в якоре двигателя возникает динамический ток, обеспечивающий переходный процесс торможения.

П-регулятор ЭДС с применением задатчика интенсивности.

Рисунок 4 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС с задатчиком интенсивности

В системе с задатчиком интенсивности кривые переходного процесса качественного имеют тот же вид, но более растянуты во времени, поскольку задатчик интенсивности ограничивает на заданном уровне динамический ток, обуславливающий ускорение.

ЛИТЕРАТУРА

1 Методические указания к курсовому проекту по дисциплине ²Системы управления электроприводами.² / ГПИ. 1983г.

2 Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат. 1988г.

3 Стандарт предприятия. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП-1-У-НГТУ-98. / НГТУ, Нижний Новгород, 1998 г.

superbotanik.net

Проект комплектного тиристорного электропривода постоянного тока

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации.

Кафедра: Электропривод и автоматизация промышленных процессов.

Пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу систем управления электроприводом.

Руководитель:

“-----“-----------200г

Автор проекта

Студент группы

“-----“-----------200г

Проект защищен

с оценкой

-----------------------

-------------------------

“------“---------200г

200

Содержание

1. Введение

2. Выбор электродвигателя

3. Выбор структуры системы управления электроприводом

4. Выбор комплектного тиристорного электропривода

5. Выбор элементов силового электорооборудования в комплектном электроприводе

6. Функциональная и структурная схемы электропривода. Переход к относительным единицам.

7. Определение параметров силового электрооборудования

8. Выбор типа регуляторов и расчет их параметров

9. Построение статических характеристик замкнутой системы электропривода

10. Защиты в электроприводе и расчет их уставок

11. Исследование качества процессов в проектируемой системе электропривода

12. Вывод

Литература

Введение

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать комплектный тиристорный электропривод постоянного тока на основании технических требований представленных в таблице №1. Для этого, выбран двигатель из указанного диапазона мощностей, определена структура системы управления, выбран тиристорный преобразователь и силовое оборудование к нему, произведен синтез регуляторов. На основании знаний полученных в курсе ТАУ произведена настройка системы управления на оптимальное быстродействие и устойчивость. Исследованы качества процессов в спроектированной системе.

Таблица 1.1

Исходные данные к курсовому проекту.

Наименование

Обозначение

Величина

Диапазон мощностей, в пределах которого следует выбирать двигатель. КВт

От 50до99

Момент инерции механизма в долях от момента инерции двигателя.

Jм/Jд

2.0

Изменение момента статической нагрузки Мсв долях от номинального Мн

Мс/Мн

0.8

Колебания напряжения сети.

êUс=êUс/Uс

0.25

Диапазон регулирования скорости вниз от номинальной

D1=nн/nmin

5

Диапазон регулирования скорости вверх от номинальной.

D2=nmax/nн

1

Допустимая статическая ошибка поддержания скорости при минимальной уставке.

ênдин=ênс/nmin

0.12

Величина токоограничения при упоре

m=Imax/Iн

2.0

Ускорение электропривода при пуске

l=Iдин/Iн

1.4

2. Выбор электродвигателя

Из указанного диапазона мощностей выбираю двигатель постоянного тока продолжительного режима работы типа П92, 220 В, защищенный, независимого возбуждения.

Таблица 2.1

Параметры двигателя типа П92.

Наименование

Размерность

Значение

Мощность, Рн

КВт

75

Угловая скорость вала – номинальная, Nн

Об/мин

1500

Угловая скорость вала – максимальная, Nмакс

Об/мин

2250

Ток якоря – номинальный, Iн

А

381

Ток возбуждения – номинальный, Iвн

А

4,94

Сопротивление обмоток (Rя+Rдп)

Ом

0,016836

Сопротивление обмотки возбуждения, Rов

Ом

38,796

Число полюсов

4

Число параллельных ветвей

2

Момент инерции якоря, Jя

Кг*м2

7

Масса

Кг

705

Напряжение на якоре, Uя

В

220

Поток одного полюса, Ф

МВб

20.1

3. Выбор структуры системы управления электроприводом

Выбор структуры системы управления электропривода произведем с учетом требований технического задания на электропривод. В качестве внутреннего контура регулирования применяем контур регулирования тока якоря. Это обеспечит ограничение тока якоря допустимым значением при возможных перегрузках электропривода. Проверяем возможность применения в качестве внешнего контура регулирования, контур регулирования напряжения. Для проверки посмотрим, удовлетворяет ли данный выбор величине статической погрешности поддержания скорости.

Δnc=Δnc1+Δnc2(3.1)

Δnc= 2,5%

Где Δnc1и Δnc2- составляющие статической погрешности, вызванные приложением статической нагрузки и нестабильного потока возбуждения двигателя.

Δnc1- составляющая, вызванная приложением статической нагрузки в схеме с интегральным регулятором напряжения, когда можно принять Uя=const.

(3.2)

где кяд- кратность тока короткого замыкания якорной цепи двигателя.

(3.3)

Составляющую Δnc2на стадии предварительных расчетов предсказать не удается из-за незнания величин разброса магнитного сопротивления машины и нестабильности тока возбуждения из-за нагрева обмотки, поэтому Δnс2не учитываю.

Проверим, удовлетворяет ли полученная величина статической погрешности заданной.

Заданная величина

Рассчитанная величина

Таким образом, применение в качестве внешнего контура регулирования контур регулирования напряжения невозможно. Поэтому буду применять в качестве внешнего контура регулирования контур регулирования скорости двигателя.

4. Выбор комплектного тиристорного электропривода

На основании выбранного электродвигателя произведем выбор промышленного комплектного тиристорного электропривода постоянного тока серии КТЭУ.

Выбираем тиристорный электропривод КТЭУ 500/220-532-1ВМТД-УХЛ4.

800- Номинальный выходной ток

220- Номинальное выходное напряжение.

5- Однодвигательный электропривод с линейным контактором.

3- По режиму работы электропривод реверсивный с реверсом тока в якорной цепи.

2- Исполнение по способу связи с питающей сетью - реакторный.

1- С устройством аварийного динамического торможения.

1- Исполнение системы автоматического регулирования (САР) – САР скорости однозонная.

Наличие устройств:

В- Питания обмотки возбуждения двигателя.

М- Питания электромагнитного тормоза.

Т- Питания обмотки возбуждения тахогенератора.

Д- Динамического торможения электропривода.

УХЛ4- Климатическое исполнение.

Таблица 4.1

Параметры электропривода КТЭУ 500/220-532-1ВМТД-УХЛ4

Номинальное напряжение , В

Номинальный ток, А

Электропривода

Выпрямителя

220

230

381

Данный электропривод был выбран на напряжение больше номинального напряжения двигателя.

5. Выбор элементов силового электрооборудования в комплектном электроприводе

Для тиристорного электропривода выбираю трансформатор ТСЭП – 160/0,7У3.

Таблица 5.1

Параметры трансформатора ТСЭП – 160/0,7У3.

Наименование

Размерность

Значение

Линейное напряжение сетевой обмотки,U1л

В

380

Линейное напряжение вентильной обмотки,U2л

В

202

Напряжение короткого замыкания,Uкз

%

4,5

Потери короткого замыкания,DРкз

Вт

2400

Потери холостого хода, DРхх

Вт

795

Ток холостого хода,Iхх

%

5.2

Ток вентильной обмотки, I2н

А

408

Полная мощность,Sт

КВ*А

160

Расчет сопротивлений трансформатора

Где, rтр – активное сопротивление обмотки;

zтр - полное сопротивление обмотки;

хтр – индуктивное сопротивление обмотки.

Рассчитаем индуктивность трансформатора

Проверим в выбранном тиристорном преобразователе величину запаса по выпрямленному напряжению для статических режимов поддержания скорости.

(5.1)

272,2 < 220+272,2*0.25+13.47=301,645

Где Еd0- ЭДС идеально холостого хода преобразователя.

Ед- ЭДС двигателя при максимальной скорости

ΔU1- снижение напряжения преобразователя, вызванное колебаниями напряжения сети.

Iм- максимальный рабочий ток нагрузки

Rяц- суммарное сопротивление силовой цепи преобразователь-двигатель.

Сопротивление якорной цепи

=0.016836+0.011+0.0095=0.037 Ом (5.2)

где Rя- сопротивление якоря двигателя и добавочных полюсов

Rтр- эквивалентное активное сопротивление обмоток трансформатора приведенное к вторичной цепи.

Rэ- снижение выпрямленной ЭДС за счет коммутационных провалов.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления дополнительное сопротивление от обмоток трансформатора составляет:

Rтр=2rтр=2*0.0055=0.011 Ом (5.3)

Потери ЭДС за счет коммутационных провалов.

(5.4)

ЭДС двигателя при максимальной скорости вращения.

В (5.5)

В*с (5.6)

Максимальный ток нагрузки

А (5.7)

ЭДС идеально холостого хода преобразователя.

В (5.8)

Из формулы (5.1) видно, что величина запаса по выпрямленному напряжению меньше, чем желаемая величина. Это может привести к насыщению тиристорного преобразователя, а это в свою очередь вызывает чрезмерную, неконтролируемую системой регулирования посадку скорости вращения двигателя при колебаниях напряжения сети или при перегрузке привода.

Рассчитаем требуемую индуктивность якорной цепи:

мГн (5.9)

где UнIн– номинальные напряжение и ток якоря.

К - эмпирический коэффициент.

Рассчитаем индуктивность якоря двигателя:

мГн (5.10)

где k – эмпирический коэффициент

pп– число пар полюсов двигателя

(5.11)

Получили, что Lтреб>Lяц, т.е. индуктивности якорной цепи не достаточно для ограничения пульсаций тока, т.е. нужен сглаживающий реактор.

Реактор буду выбирать из условий Lp > Lтр - Lяц, Iрн > Iндв.

Выбираю сглаживающий реактор ФРОС – 125/0,543

Таблица 5.2

Параметры реактора ФРОС – 125/0,543

Номинальный ток Iн, А

Индуктивность Lр, мГн

Сопротивление R, Ом

500

0,75

0.003

Выберем тахогенератор. Будем выбирать тахогенератор по величине скорости вращения двигателя таким образом, чтоб при максимальной скорости вращения якоря двигателя у тахогенератора оставался запас по механической прочности (скорости вращения). Выбираю тахогенератор типа ПТ-22/1.

Таблица 5.3

Параметры тахогенератора типа ПТ-22/1.

Технические данные тахогенератора

Характеристика тока возбуждения

Nн; об/мин

Iя; А

iв; А

Тип ячейки

Uв; В

Iв; А

2400

0.5

0.35

БФХ-0545

35

0.75

Принципиальная схема силовых, а так же релейно-контакторных цепей и цепи возбуждения комплектного электропривода представлены в графической части проекта.

6. Функциональная и структурная схемы электропривода

Переход к относительным единицам.

Для выполнения расчётов, связанных с выбором типа и параметров регуляторов, оценкой

статических и динамических показателей процессов в электроприводе, полезно составить для

выбранного варианта комплектного электропривода упрощенную принципиальную

(функциональную) (см.рис.6.2 ) и структурную(см.рис.6.3) схемы.

Структурная схема составлена на основании уравнений звеньев, записанных в относительных

единицах, что позволяет значительно упростить запись самих уравнений и последующие

расчёты. В качестве базовых величин принимаю[1]:

для напряжения и тока якоря – их номинальные значения

для момента на валу и электромагнитного момента двигателя – величину электромагнитного момента при номинальных токе якоря и напряжении на якоре

для скорости вращения двигателя – скорость его идеального холостого хода при номинальных магнитном потоке и напряжении на якоре

для напряжений на входе тиристорного преобразователя – то приращение входного напряжения, которое для преобразователя с линеаризованной статической характеристикой создают изменение выходного напряжения, равное базовому напряжению на нагрузке

для напряжений на входах датчиков обратных связей – показания датчиков при базовом значении измеряемой координаты. При этом величины коэффициентов усиления датчиков обратных связей (в абсолютных единицах) должны быть подобраны так, чтобы во всём возможном диапазоне измеряемой координаты выходное напряжение датчика соответствовало работе его на линейном участке статической характеристики.

для задающих напряжений (как во внешних так и во внутренних контурах регулирования ), сравниваем на входах регуляторов с напряжениями датчиков обратных связей ,- их значения, эквивалентные базовым величинам сигналов обратных связей, т.е. найденные на основании выражения:

Uзб=Uдб*Rвхз/Rвх ос(6.1)

Здесь, Uзб, Uдб–базовые напряжения задания и датчика обратной связи, Rвхз,Rвх ос– сопротивления входных резисторов по каналам задания и обратной связи.

Таблица 6.1

Базовые значения переменных в электроприводе

N№

Наименование переменной

Обозначение

Расчетная формула

Численное значение

Размерность

2

3

4

5

6

1

Напряжение на якоре, ЭДС преобразователя ТП и двигателя

Uя, Еп, Ед

220

В

2

Ток якорной цепи ЯЦ

381

А

3

Момент двигателя

М

Iн*кФн

518.16

Нм

4

Скорость вращения двигателя

N

Uн/кФн

217

Рад/с

5

Коэффициент пропорциональности между ЭДС и скоростью двигателя

кФ

КФн

1.36

В*с/рад

6

Ток возбуждения двигателя

4.94

А

7

Напряжение на обмотке возбуждения, ЭДС тиристорного возбудителя

Uв, Етв

Iвн*Rв

220

В

8

Напряжение на выходе регулятора тока якоря

Uртя

F(Еп)

10

В

Напряжение на выходах датчика тока якоря ДТЯ и регулятора скорости РС

Uдтя, Uрс

Кдтя*Iн

5

В

10

Напряжение на выходах датчика скорости ДС и задатчика интенсивности ЗИ

Uдс, Uзи

Кдс*nб

10

В

7. Определение параметров силового электрооборудования

Tд–механическая постоянная времени звена Д, учитывающего на структурной схеме механическую инерцию вращающихся масс двигателя и механизма

Тд=(Jд+Jм)nб/Mн=1.8*7*217/518.16=3.94 с (7.1)

Здесь Jд,Jм– моменты инерции двигателя и рабочего механизма.

- Rяц– суммарное сопротивление силовой цепи преобразователь – двигатель.

Rяц= Rя+Rдп+Rко+2Rтр+Rэ=0.04 Ом (7.2)

- Lяц - суммарная индуктивность якорной цепи

(7.3)

Тяц – электромагнитная постоянная времени якорной цепи.

Тяц=Lяц/ Rяц= 0,04 с (7.4)

Кяц – кратность тока короткого замыкания силовой цепи преобразователь – двигатель

Кяц = Uн / Iн*Rяц = 14.4

t - постоянная времени чистого запаздывания преобразователя

t =Т/m=1/(50*6)= 0.003 с (7.5)

Тп - постоянная времени фильтра преобразователя

Тп = 0,002 с (7.6)

8. Выбор типа регуляторов и расчёт их параметров

Вид передаточной функции и параметры регуляторов буду выбирать таким образом, чтобы выполнить заданные требования к настраиваемому контуру регулирования. Точный расчёт ведется с помощью логарифмических амплитудных частотных характеристик по методике, изложенной в курсе ТАУ.

Предварительный выбор параметров регуляторов (метод технического оптимума).

Настройка контура регулирования тока якоря (КРТЯ)

При настройке КРТЯ нужно стремиться к достижению максимально высокого быстродействия, чтобы не допустить в переходном процессе опасных бросков тока якоря при резком приложении чрезмерной статической нагрузки. Т.е. регулятор тока должен содержать пропорциональный (П) канал. Однако П - регулятор тока, сообщая контуру регулирования высокое быстродействие, оставляет большую статическую погрешность регулирования. Это препятствует максимальному использованию двигателя по току во всём диапазоне скоростей. Поэтому применяют пропорционально – интегральный (ПИ) регулятор тока.

(8.1)

Введём расчётную постоянную времени:

Трт = Т1 / Кяц (8.2)

Т2 = Тi max = Tяц = 0,04 с (8.3)

(8.4)

Т1 = (0.144…0.288) с

Настройка контура регулирования скорости (КРС).

При настройке КРС поддержание заданного значения скорости независимо от приложенных возмущений и достижение требуемых по качеству процессов пуска и торможения электропривода решаются проще и качественнее для быстродействующих КРС. Но предельное быстродействие КРС ограничено условиями его устойчивости и влиянием оборотных пульсаций напряжения тахогенератора. Для стандартных электроприводов принимают wс = (15…20) рад/с.

Введём расчётную постоянную времени:

Трс = Тд / Крс (8.5)

Здесь Крс – коэффициент пропорционального регулятора скорости (РС).

Трс = 1/wс = (0.066…0,05) с (8.7)

Крс = (59...78.8)

Проверим величину статической ошибки скорости ênсв замкнутой системе с П-РС

ênсзамкн= êМс/ Крс = (1.3…1.0)% (8.8)

ênсзамкн< Δncзад,

Значит достаточно П – РС.

(8.9)

Уточнение параметров регуляторов

Уточнение проведем с помощью логарифмических амплитудных частотных характеристик (см.рис.8.1 и 8.2).

Т1=0.09 с Т2=0.03 с Крс=40

Расчет значений сопротивлений и емкостей РТ и РС.

Регулятор тока

wкрт =100 рад/с

Kpт =Т2/Т1= 0.333

T1 = 0.09 c

R4 = R5= 63 кОм

R6 =10 кОм

T2 = R4 * С4

С4 = 0.5 мкФ

Регулятор скорости.

wкрс= 20 рад/с Kpс = 40

R3 = 400 кОм

R1=R2 =5 кОм

9. Построение статических характеристик замкнутой системы электропривода

Строим следующие характеристики электропривода:

-электромеханическую n = f(Iя),

-внешнюю Uя = f(Iя),

-регуляторные Uрт = f(Iя). Uрс = f(Iя),

-механическую n = f(M),

1. Uя = Ед + Iя Rяд (9.1)

Ед = w = 1 – Δw = 1 – Iя / Kpc

Uя = 1 + Iя(1/ Крс + Rяц)

2. Uрс = Кдтя * Iя * R4/R5 (9.2)

3. Uрт = Еп / Кп (9.3)

Кп = Uн / Uун = 220 / 6.25 = 35,2

4. n = f(M) (9.4)

Iя = M

Зависимости представлены на рисунке 9.1.

10. Защиты в электроприводе и расчет их уставок

В релейно-контакторной части комплектного тиристорного электропривода выполнен ряд защит, исключающих аварийные режимы при сборке силовой схемы и обеспечивающих отключение электропривода при возникновении аварийных режимов в процессе работы.

Защита от аварийных режимов при сборке схемы.

Защита выполнена на реле КVI, КV3 и предназначена для запрета сборки схемы (включения линейного контактора), если на преобразователе или двигателе существует напряжение, превышающее порог срабатывания реле.

Настраиваются реле на минимальное напряжение втягивания. Для приводов 220 В – Uвт=0,35*220=80 В.

Нулевая защита.

Защита выполнена на блокировочном контакторе КFV, в цепь катушки которого включены все остальные защиты от аварийных режимов работающего двигателя, а также блок-контакты аппаратов, контролирующих нормальную работу тиристорного преобразователя, возбудителя и системы регулирования.

Контактор KFV обеспечивает контроль наличия оперативного напряжения и исключает самозапуск двигателя после исчезновения оперативного напряжения и его повторной подачи.

Напряжение втягивания контактора KFV обычно принимается равным 145 В при напряжении оперативной сети 220 В.

Защита от перенапряжения.

Реализована на реле KV2 и предназначена для отключения двигателя при подаче на него недопустимо большого напряжения от преобразователя (например, вследствие аварии и полного его открытия).

Установка реле KV2 рассчитывается по формуле:

Uвт=(1,1…1,15) Uнд = (242...330) В

Где Uвт-напряжение втягивания KV2, Uнд -номинальное напряжение двигателя.

Максимально токовая защита.

Реализована на реле FAI. Защита предназначена для отключения двигателя при недопустимой технологической перегрузке.

Уставка реле рассчитывается по формуле:

Iвт = (1,1…1,25) Км*Iн = (1,2…1,25)*2,5*632 = (1896…1975) А

где Iвт - ток втягивания реле FAI,

Км – перегрузочная способность двигателя,

Iн – номинальный ток двигателя.

Максимальная защита цепи возбуждения.

Защита выполнена на реле КА2 и предназначена для отключения двигателя при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения.

Уставка реле рассчитывается по формуле:

Iвт = 1,1 Iвн =5,324 А,

Где Iвт-ток втягивания КА2, Iв.расч - расчетное значение тока возбуждения двигателя, которое принимается при нерегулируемом потоке двигателя равным номинальному току возбуждения, при постоянно ослабленном потоке- току возбуждения при этом потоке, при регулируемом потоке-максимальному току возбуждения.

Защита от обрыва поля.

Защита реализована на реле КА1 и предназначена для отключения двигателя при обрыве в цепи обмотки возбуждения. Расчет уставки втягивания реле КА1 выполняется в зависимости от способа управления потоком возбуждения.

При постоянном потоке возбуждения ток втягивания реле КА1

Iвт = (0,5…0,7) Iвн = 2,42… 3,388А,

Защита от недопустимого увеличения скорости двигателя.

Защита выполняется посредством механического центробежного реле SR.как правило, центробежная защита выполняется на именниковых двигателях мощностью от 100 кВт и выше при условии регулирования потока возбуждения. Уставка центробужного реле обычно задается заводом-изготовителем двигателя и лежит в пределах:

Nвт = (1,1…1,2) nмакс = 1650…1800 об/мин,

Где nвт-скорость срабатывания центробежного реле, nмакс-максимальная рабочая скорость вращения двигателя.

11. Исследование качества процессов в проектируемой системе электропривода

Исследование влияния изменения параметра Т4 на вид переходных процессов представлена на рисунке 11.1 .

1.Крс=40 с

Пере регулирование s=0

Время переходного процесса tпп=0,5 с

2. Крс=80 с

Пере регулирование s=0

Время переходного процесса tпп=0,2 с

Крс=160 с

Пере регулирование s=0

Время переходного процесса tпп=0,1 с

12. Вывод

В данном курсовом проекте был спроектирован комплектный тиристорный электропривод постоянного тока на основании технических требований представленных в таблице №1. Для этого, выбран двигатель П 102, определена структура системы управления, выбран тиристорный преобразователь КТЭУ 800/220-532-1ВМДТ-УХЛ4 и трансформатор ТСЭП – 250/0,7У3 к нему, произведен синтез регуляторов.

Литература

1.Усынин Ю. С. Управление замкнутыми электроприводами: Конспект лекций . Ч.1. –

2. Усынин Ю. С., Осипов О. И., Мацин В. П.. Системы управления электроприводов: Учебное пособие к курсовому проектированию.-

3. Лебедев Е. Д.. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. М.: Энергия 1970

4. Справочные данные по электрооборудованию. В 2 – х т. Т. 1. Электрические машины общего применения. – Л.: Энергия, 1964.

Спецификация

Рисунок 8.1 ЛАЧХ для уточнения параметров КРТ

Рисунок 8.2 ЛАЧХ для уточнения параметров КРС.
Рисунок 11.1. Влияние параметра Крс на показатели качества переходных процессов

superbotanik.net


Смотрите также