Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Автоматизированный электропривод на основе тиристорных преобразователей частоты в последнее десятилетие завоевал прочные позиции среди всех видов электроприводов. Трудами многих коллективов, среди которых необходимо отметить кафедры автоматизированного электропривода МЭИ и УПИ им. С.М. Кирова, НИИ ХЭМЗ, ВНИИЭ, БНИИпреобразователь, разработаны и внедрены в промышленность регулируемые электроприводы переменного тока на основе тиристорных преобразователей частоты различных типов: с автономным инвертором тока, автономным инвертором напряжения и непосредственными преобразователями частоты (НПЧ). Эти электроприводы оснащены системами автоматического регулирования (САР), отвечающими современному техническому уровню.

Традиционный подход к синтезу САР, как правило, основывался на анализе статических характеристик и режимов работы машин переменного тока. Наиболее совершенные САР в рамках такого подхода, среди которых следует выделить частотно-токовые, обеспечивают заданные статические характеристики и лишь приемлемые динамические. С совершенствованием средств регулирования и удешевлением тиристорных преобразователей частоты наметилась тенденция к расширению области применения электроприводов переменного тока для механизмов с высокими требованиями к динамическим характеристикам. При этом нередко тиристорные электроприводы переменного тока применяются там, где традиционно применялись электроприводы постоянного тока. Этому способствуют многие факторы, среди которых в первую очередь следует выделить более высокие динамические показатели регулируемых машин переменного тока, их высокую перегрузочную способность, практически ничем не ограничиваемую единичную мощность и более высокий КПД.

Высокие динамические показатели электроприводов переменного тока с тиристорными преобразователями частоты могут быть достигнуты при синтезе их САР на основе принципов подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Эти САР получили широкое применение в электроприводах постоянного тока.

Применение методов теории систем подчиненного регулирования для синтеза САР электроприводов переменного тока позволяет унифицировать их аппаратную основу с САР электроприводов постоянного тока.

В данной курсовой работе мы произведем расчет двухконтурной системы тиристорный преобразователь-двигатель с подчиненным контуром тока и внешним контуром скорости.

Задание

Таблица 1 - Исходные данные

Таблица 2 - Технические данные двигателя

Рисунок 1 - Система тиристорный преобразователь-двигатель по структуре подчиненного регулирования

Преобразователь представляет собой реверсивный тиристорный преобразователь, соединенный по трехфазной мостовой перекрестной схеме.

Использование мостовой схемы позволяет реализовать бестрансформаторную схему с номинальным выпрямленным напряжением на двигателе 440 В при питании от сети 380 В.

Вместо преобразовательного трансформатора используются токоограничивающие реакторы.

При раздельном управлении группами преобразователя уравнительные дроссели не требуются, но сглаживающие дроссели для уменьшения пульсации необходимы и выбираются из условия допустимых пульсаций тока двигателя.

1. Расчет и выбор элементов главной цепи

1.1 Выбор тиристоров

Выбор тиристоров для реверсивного преобразователя определяется нагрузкой электродвигателя, которую он обеспечивает при одном и другом направлении вращения. Среднее значение тока, протекающего через тиристор при номинальном моменте электродвигателя [1]:

где - число фаз.

Предварительно выбираем тиристор типа Т100, который с воздушным охлаждением со скоростью 6 м/с позволяет пропускать ток А. При токе =50 А классификационное падение напряжения .

При этих условиях величина потерь в тиристоре, Вт:

где - пороговое напряжение, В, равное

- кэффициент формы тока схемы преобразователя

- динамическое сопротивление, Ом

Допустимые потери в тиристоре при прохождении через него тока в классификационной схеме, В:

где - кэффициент формы тока для классификационной схемы выпрямителя, равный 1,57.

Так как потери в тиристоре рассчитываемой схемы меньше допустимых, то предварительно выбранный тиристор способен длительно пропускать ток .

Класс вентиля определяется обратным напряжением

где - коэффициенты, учитывающие повторяющееся и кратковременные перенапряжения на вентилях, равные 1,25 и 1,045 соотвественно.

- ЭДС холостого хода преобразователя, В

Так как [2], то

Максимальное обратное напряжение на вентилях, В:

Выбираем тиристор Т100 [3], его параметры указаны в таблице 3:

Таблица 3 - Параметры тиристора

Для данного типа тиристора выбираем охладитель О171-80[3] его параметры представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры охладителя

1.2 Расчет и выбор токоограничивающего реактора

Выбираем токоограничивающий реактор [4], представленный в таблице 5.

Таблица 5 - Параметры токоограничивающего реактора

Проверим выполнение условия:

где - коэффициент запаса, равный 1,2

- линейное напряжение питающей сети;

- количество параллельно включенных тиристоров в блоке выпрямителя.

- скорость изменения тока, равная 5 А/мкс

Следовательно, индуктивности для ограничения величины достаточно.

1.3 Расчет и выбор сглаживающего дросселя

Необходимая индуктивность сглаживающего дросселя [1]:

где - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного напряжения;

- относительная величина эффективного значения пульсаций первой гармоники выпрямленного тока, равный 0,02;

- угловая частота первой гармоники выпрямленного напряжения, 1/с, равная

- ток нагрузки преобразователя;

- индуктивность двигателя;

-индуктивность токоограничивающего реактора.

Индуктивность якоря двигателя, мГн:

где , , - соответственно номинальные значения напряжения, тока и скорости вращения двигателя,

- число пар полюсов двигателя,

k - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции электродвигателя, равный 0,5.

Для определения воспользуемся зависимостью для мостовой трехфазной схемы выпрямления в функции угла регулирования [1].

Предельный угол регулирования .

где СФ - конструктивная постоянная двигателя, Вс:

где - соответственно номинальное напряжение и ток двигателя,

полное сопротивление якорной цепи системы ТП-Д, Ом:

где - сопротивление якоря двигателя, Ом

где - номинальный КПД двигателя, равный

- номинальная угловая скорость вращения, 1/с:

- активное сопротивление щеточного контакта, Ом:

Где - напряжение щеточного контакта,

- коммутационное сопротивление, Ом

где - индуктивное сопротивление реактора, Ом:

,

m - пульсность,

- минимальная частота вращения, 1/с:

где - номинальная скорость вращения двигателя,

D - диапазон регулирования,

Тогда предельный угол регулированияє:

.

Индуктивность сглаживающего дросселя, Гн:

По справочнику [4] выбираем токоограничивающий реактор с параметрами, указанными в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры сглаживающего дросселя

1.4 Расчет регулировочной характеристики преобразователя

Регулировочная характеристика в зоне непрерывного тока может быть построена на основании соотношения:

Зависимость напряжения на якоре двигателя в функции угла регулирования при неизменном моменте на валу (равном реальному) может быть определена из уравнения:

где - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ом:

Регулировочная характеристика и график выпрямленного напряжения на якоре двигателя изображены на рисунке 2.

Начальный угол управления преобразователем, определенный графически, составляет 30 эл. град.

Рисунок 2 - Регулировочная характеристика и график вы прямленного напряжения на якоре двигателя .

1.5 Расчет коэффициентов и постоянных времени системы

Коэффициент тиристорного преобразователя рассчитывается с помощью регулировочной характеристики:

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи, с:

где, - соответственно индуктивность и активное сопротивление якорной цепи.

Индуктивность якорной цепи равна, мГн:

Электромеханическая постоянная времени, с:

где - суммарный момент инерции механизма, кг^.м²:

Коэффициент обратной связи по скорости:

где - максимальное напряжение задания скорости, В,

Передаточный коэффициент ОС по току:

где - максимальное напряжение задания тока, В.

1.6 Выбор датчиков обратных связей

Выбор типа тахогенератора для систем регулирования с обратной связью по скорости производится исходя из условия, что номинальная частота вращения должна быть не меньше максимальной частоты вращения электродвигателя. На основании этого выбираем тахогенератор типа ПТ-32 [5]

Таблица 7 - Параметры тахогенератора

Для того чтобы напряжение обратной связи по скорости не превышало 10 В, на выход тахогенератора ставится потенциометр.

В качестве датчика тока используем датчик ДТ-ЗАИ. Его параметры указаны в таблице 8.

Таблица 8 - Параметры датчика тока

Датчик подключается к шунту в цепи постоянного тока.

2. Расчет системы регулирования

2.1 Описание системы подчиненного регулирования

Схема системы управления скорость двигателя за счет регулирования напряжения на якоре при наличии подчиненного токового контура (рисунок 3) находит сегодня самое широкое распространение [6]. Токовый контур включает в себя регулятор тока (РТ), с передаточной функцией.

Рисунок 3 - Структурная схема системы подчиненного регулирования

На его вход подаются сигналы задания тока якоря с регулятора внешнего контура скорости и датчика тока (ДТ). Назначением ДТ, включенного на шунт, является преобразование тока якоря в пропорциональное ему напряжение, соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления, а также гальваническая развязка якорной цепи двигателя и цепей управления.

Выходное напряжение РТ подано на систему управления тиристорного преобразователя ТП. На РС устанавливается блок ограничения, благодаря которому достигается ограничение тока якоря на заданном уровне.

При описании настройки автоматической системы управления будем считать, что ток якоря непрерывный, а входные воздействия достаточно малы, благодаря чему при рассмотрении структурной схемы можно воспользоваться линеаризованным описанием двигателя и считать, что выходное напряжение регулятора скорости, а следовательно и ток якоря не ограничиваются.

Тиристорный преобразователь и датчик тока представлены апериодическими звеньями с соответствующими коэффициентами передачи и постоянными времени. Тахогенератор можно считать безинерционным и математически описать пропорциональным звеном. В качестве объекта регулирования выступает якорная цепь двигателя.

Анализ частотных характеристик при различных соотношениях позволяет утверждать, что выполнение неравенства является достаточным условием для пренебрежения обратной связью по ЭДС двигателя, где - некомпенсируемая малая постоянная времени контура тока, с :

Постоянная времени тиристорного преобразователя, с:

где - среднестатистическое запаздывание преобразователя, связанное с частотой питающей сети.

Постоянная времени датчика тока, с:

Проверим условие :

Следовательно, обратной связью по ЭДС можно пренебречь.

2.2 Настройка внутреннего контура тока

Рисунок 4 - Замкнутый контур тока

Анализ всех возможных ситуаций настройки контура тока для различных типов математического описания объекта регулирования показал, что наиболее приемлемой настройкой данного контура является настройка на модульный оптимум, это обусловлено высоким быстродействием и отсутствием перерегулирования.

Передаточная функция разомкнутого контура тока:

Пренебрегаем вторым порядком малости и вводим некомпенсированную малую постоянную времени :

Передаточная функция разомкнутого контура тока настроенного на модульный оптимум

Передаточная функция регулятора тока может быть получена:

Умножим и поделим на

где постоянная времени регулятора тока, с:

коэффициент регулятора тока:

В качестве регулятора скорости выступает ПИ-регулятор, который можно реализовать при помощи операционного усилителя: (рисунок 5):

Рисунок 5 - Схема ПИ-регулятора тока

Зададимся С1=10 мкФ. Тогда сопротивления, кОм:

Выбираем сопротивления по справочнику [7] : - МЛТ-0,25 величиной 10,2 кОм, и - МЛТ-0,25 величиной 17,8 кОм. Конденсатор выбираем по [8] типа БМТ-2 емкостью 10 мкФ.

2.3 Настройка контура скорости

Рисунок 6 - Замкнутый контур скорости

Настройку контура скорости будем осуществлять на модульный оптимум, так как режим работы системы отвечает программному управлению, то есть отработке управляющих воздействий. Так как контур тока настроен на модульный оптимум, то его можно записать одной передаточной функцией с учетом того, что обратная связь не единична:

малая постоянная времени контура скорости, равная

Видно, что регулятор скорости описывается пропорциональным звеном. Аппаратная реализация регулятора представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема П-регулятора скорости

Задавшись сопротивлением обратной связи кОМ, найдем , кОм:

Выбираем сопротивления по справочнику [7] : - МЛТ-0,25 величиной 100 кОм, и - МЛТ-0,25 величиной 1,3 кОм.

3. Статический расчет системы

Рисунок 8 - Принципиальная схема ТП-Д

Поскольку РТ содержит интегральную составляющую , то в установившемся режиме результирующий сигнал на входе РТ должен быть равен нулю. Следовательно выполняется условие:

где - сигнал на выходе регулятора скорости, который является задающим сигналом контура тока.

- сигнал обратной связи по току.

где - коэффициент усиления регулятора скорости,

напряжение задания скорости,

напряжение обратной связи по скорости:

где - передаточный коэффициент обратной связи по скорости.

где - передаточный коэффициент обратной связи по току.

Выражая скорость получим:

Уравнение статической характеристики системы в режиме стабилизации скорости:

Диапазон регулирования равен:

На рисунке 9 представлено семейство статических характеристик для различных значений

Рисунок 9 - Статическая характеристика системы

4. Исследование динамических характеристик

1) Пуск двигателя с номинальной нагрузкой на валу при

Рисунок 10 - Зависимость при номинальной нагрузке

Рисунок 11 - Зависимость при номинальной нагрузке

2) Пуск двигателя и наброс нагрузки в момент времени 2 c,

Рисунок 12 - Зависимость при набросе нагрузки

Рисунок 13 - Зависимость при набросе нагрузки

3) Построим характеристики при учете внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС при пуске с номинальной нагрузкой

Рисунок 14 - Зависимость при номинальной нагрузке и учете обратной связи по ЭДС

Рисунок 15 - Зависимость при номинальной нагрузке и учете обратной связи по ЭДС

4) Построим характеристики при учете внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС при набросе нагрузки,

Рисунок 16 - Зависимость при набросе нагрузки и учете обратной связи по ЭДС

Рисунок 15 - Зависимость при набросе нагрузки и учете обратной связи по ЭДС

Заключение

тиристор преобразователь регулирование электропривод

Проверка расчетных параметров регуляторов с помощью программы PSM показала, что получена устойчивая система с качественными переходными процессами, удовлетворяющими техническому заданию. Время переходного процесса под нагрузкой не превышает 0,5 с, перерегулирование скорости 5 %, статическая ошибка скорости практически отсутствует.

Данная система подчиненного регулирования имеет два контура. Внутренний контур - контур тока - осуществляет контроль и регулирование тока ротора двигателя. Внешний контур - контур скорости - осуществляет регулирование скорости двигателя.

Настройка внешнего контура скорости и внутреннего контура тока была произведена на модульный оптимум. При настройке контура тока на модульный оптимум, система получается статической по возмущающему воздействию.

При моделировании была учтена обратная связь по ЭДС. Как показал анализ, эта связь незначительно влияет на систему, но наблюдается снижение пускового тока.

Список использованных источников

1 Башарин А.В. Примеры расчетов автоматизированного электропривода / А.В. Башарин, Ф.Н. Голубев, В.Г. Кепперман. - Ленинград: Энергия, 1972. - 440 с.

2 Дерюжкова Н.Е. Расчет тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока / Н.Е. Дерюжкова, С.А. Васильченко. - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре Государственный Технический Университет, 2004. - 35 с.

3 Чебовский Г.Д. Силовые полупроводниковые приборы / Г.Д. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин. - Москва: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.

4 Евзеров И.Х. Комплектные тиристорные электроприводы / И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, А.И. Мокшовин и др. под ред. к.т.н. В.М. Перельмутера. - Москва: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

5 Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под обще радакцией И.П. Копылова и Б.К. Клюкова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с. - Т.1.

6 Башарин А.В. Управление электроприводами / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. - Ленинград: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

7 Гендин Г.С. Все о резисторах. Справочное издание / Гендин Г.С. Москва: МРБ, 2000. - 200 с.

8 Горячева Г.А. Конденсаторы: Справочник / Г.А. Горячева, Е.Р. Добромыслов. - М.: Радио и связь, 1984. - 88 с.

Размещено на Allbest.ru