Принципиальная схема выбирается по [4]. Для номинального тока Iном = 320 А выбираем схему, приведенную на рис. 1.3 [4]:

Рисунок 5. Силовая часть однодвигательного электропривода серии КТЭУ, I_ном = 320 А.

Главную цепь системы «тиристорный преобразователь - двигатель» можно представить в виде схемы замещения (рис.6.). В главной цепи действуют ЭДС преобразователя Ed и ЭДС якоря двигателя ЕЯ. На схеме замещения показаны:

Rя,- активные сопротивления якорной цепи двигателя;

2RT - активные сопротивления двух фаз трансформатора;

Rg - фик-тивное сопротивление обусловленное коммутацией тиристоров;

LЯ - индуктивность якорной цепи двигателя;

2LT - индуктивность двух фаз трансформатора.

Направления тока и ЭДС соответствуют двигательному режиму электропривода (см. рис.6.).

От полной схемы можно перейти к эквивалентной схеме, где все индуктивности объединяются в одну эквивалентную индуктивность LЭ, а все активные сопротивления в одно эквивалентное сопротивление RЭ.

Определим параметры силовой части в абсолютных (т.е. физических) единицах

Рисунок 7. Эквивалентная расчетная схема системы ТП-Д.

При рассмотрении модели силовой части электропривода как объекта управления параметры и переменные электропривода удобно перевести в систему относительных единиц. Переход к относительным единицам осуществляется по формуле:

,

Где, y - значение величины в системе относительных единиц; Y - значение физической величины в исходной системе единиц; Yб - базисное значение, выраженное в той же системе единиц, что и величина Y.

Принимаем следующие основные базисные величины силовой части электропривода: базисное напряжение для силовой части:

Базисный ток для силовой части:

Базисная скорость:

Базисный момент:

Базисный магнитный поток:

Фб=ФN=3,58

Базисное напряжение для системы регулирования (принято):

Базисный ток для системы регулирования (принято):

=0,5мА

Базисное сопротивление для системы регулирования:

3.3 Расчет параметров силовой части электропривода в относительных единицах

На рис. 8. показана структурная схема модели силовой части элек-тропривода как объекта управления. Переменные модели выражены в от-носительных единицах. В модель входят следующие звенья:

- тиристорный преобразователь (ТП) - пропорциональное звено с коэффициентом передачи kП;

- главная цепь (ГЦ) - апериодическое звено с электромагнитной по-стоянной времени Т3 и коэффициентом передачи, равным , т.е. эквива-лентной проводимости главной цепи в относительных единицах;

- механическая часть (МЧ) - интегрирующее звено с механической постоянной времени Tj;

- звенья умножения на магнитный поток (поток рассматривается в модели как постоянный параметр).

Входные величины модели представляют собой управляющее воз-действие UУ (сигнал управления на входе преобразователя) и возмущающее воздействие mC (момент статического сопротивления на валу двигателя).

Переменными модели являются:

- ЭДС преобразователя ed;

- ЭДС якоря двигателя ея;

- ток якоря двигателя iя;

- электромагнитный момент двигателя m;

- угловая скорость двигателя .

Рис.8. Структурная схема объекта управления

Далее используем следующие переменные в относительных единицах (о.е.):

Напряжение управления преобразователя в о.е.:

ЭДС преобразователя в о.е.:

ЭДС якоря двигателя в о.е.:

Ток якоря в о.е.:

Момент статического сопротивления в о.е.:

Скорость двигателя в о.е.:

Определим параметры объекта управления в относительных единицах:

Эквивалентное сопротивление якорной цепи в о.е.:

Коэффициент передачи преобразователя в о.е.:

Сопротивление цепи якоря двигателя:

Магнитный поток двигателя:

,

где

ц - магнитный поток в о.е. (при однозонном регулировании скорости ц = 1).

3.4 Расчет коэффициентов передачи датчиков

Рассчитаем коэффициенты передачи датчиков в абсолютных единицах так, чтобы при максимальном значении величины, измеряемой датчиком, напряжение на выходе датчика было равно базисному напряжению регулирующей части.

Коэффициент передачи датчика тока:

IЯ(max) - максимальный ток якоря по перегрузочной способности двигателя. Максимальный ток определяется по формуле

Коэффициент передачи датчика напряжения:

4. Выбор типа системы управления электроприводом

В курсовом проекте проектируется аналоговая система управления электроприводом. Система управления строится по принципу подчиненного регулирования координат.

Каждый электропривод снабжается системой автоматического регулирования (САР), предназначенной для изменения по заданному закону основной координаты электропривода, регулирования и ограничения промежуточных координат. В системе регулирования скорости основной координатой является скорость двигателя, а промежуточной -- ток якоря. В САР основной координатой является положение исполнительного органа механизма, а скорость и ток -- промежуточными.

Система регулирования замкнутая (с обратной связью), т.е. заданное значение координаты сравнивается с фактическим и их разность, усиленная и преобразованная в регуляторе, в конечном счете воздействует на вход СИФУ тиристорного преобразователя якоря или возбуждения электродвигателя. Системы построены по принципу подчиненного регулирования, в соответствии с которым САР разбивается на несколько контуров, один из этих контуров является внешним, на его входе сравниваются задание и фактическое значение основной координаты. Выход внешнего контура является задающим сигналом для промежуточного контура, на входе которого сравниваются выходной сигнал внешнего контура и фактическое значение промежуточной координаты, и т.д., а выход внутреннего контура воздействует на вход СИФУ.

Выбор структуры системы управления электропривода производится с учетом требований технического задания на электропривод. Основными требованиями к электроприводу являются: поддержание заданной скорости вращения электропривода (с учетом требуемых диапазона регулирования скорости, допустимой статической погрешности поддержания скорости), величина токоограничения при упоре, ускорение электропривода при пуске.

В качестве внутреннего контура принимаем контур регулирования тока якоря. Он применяется, если требуется обеспечить:

-ограничение тока якоря допустимым значением при перегрузках электропривода;

- пуск или торможение электропривода с максимально возможным темпом;

- дополнительную коррекцию во внешнем контуре регулирования скорости.

В качестве внешнего контура принимаем контур регулирования скорости.

Рассмотрим функциональную схему системы управления электроприводом (рис 9). Система управления электроприводом представляет собой двухконтурную систему автоматического регулирования (САР) скорости. Внутренним контуром системы является контур регулирования тока якоря, внешним и главным контуром - контур регулирования скорости.

Для проектируемого электропривода выбираем однократную систему регулирования скорости. Однократная САР скорости по сравнению с двукратной не обладает астатизмом по возмущающему воздействию (мо-менту сопротивления), однако для проектируемой системы обеспечение такого астатизма не требуется. Однократная САР скорости обладает луч-шими динамическими свойствами по сравнению с двукратной САР. Для контуров регулирования тока якоря и скорости применяется настройка на модульный оптимум. Данную настройку обеспечивают пропорционально-интегральный регулятор тока (РТ) и пропорциональный регулятор скорости (PC). Плавное ускорение и замедление привода обеспечиваются с помощью задатчика интенсивности (ЗИ). Для разгона или торможения привода задатчик интенсивности формирует линейно изменяющийся во времени сигнал задания на скорость.

Сигналы обратных связей поступают в систему регулирования от датчиков тока якоря (ДТ), напряжения якоря (ДН) и скорости (ДС). Датчики состоят из измерительного элемента и устройства согласования. Измерительным элементом для датчика тока якоря является шунт в цепи якоря Rш, для датчика напряжения - делитель напряжения Rд, для датчика скорости - тахогенератор (ТГ). Устройство согласования обеспечивает необходимый коэффициент передачи датчика и гальваническую развязку силовых цепей от цепей управления. Косвенный датчик ЭДС (ДЭ) вычисляет ЭДС якоря по сигналам датчиков тока и напряжения. Сигнал ЭДС через звено компенсации (ЗК) подается на вход регулятора тока, что требуется для компенсации отрицательного влияния ЭДС якоря на процессы в контуре тока.

Рис. 9 .Функциональная схема системы управления электроприводом

5. Расчет регулируемой части контура тока якоря

5.1 Расчет параметров математической модели контура тока

Рассмотрим структуру и выполним расчет параметров модели контура тока, используя систему относительных единиц. Структурная схема контура тока представлена на рис.10. В контуре тока находятся звенья регулятора тока (РТ), фильтра (Ф), тиристорного преобразователя (ТП) и главной цепи (ГЦ). На структурной схеме фильтр показан внутри контура, что эквивалентно наличию фильтра в цепи задания и обратной связи (см. рис.9). Обратная связь по току при рассмотрении относительных величин принимается единичной. На процессы в контуре тока влияет ЭДС якоря двигателя, которую можно считать возмущающим воздействием. При отсутствии ЭДС якоря (якорь неподвижен) в контуре тока можно рассматривать одно звено объекта управления с передаточной функцией:

В реальных САУ с подчиненным регулированием параметров величина Тм лежит в пределах 0,004-0,01 с.

Для нашей системы выберем Тм = 0,007 с.

Рис.10 . Структурная схема контура регулирования тока якоря.

При синтезе регулятора тока влияние ЭДС якоря не учитывается. Передаточная функция регулятора тока находится по условию настройки контура на модульный оптимум:

,

где

Получаем передаточную функцию ПИ-регулятора. Параметры регулятора тока находятся по следующим формулам:

Тi1 = Tэ = 0,04 с;

При выборе данной передаточной функции регулятора тока замкнутый контур тока будет описываться передаточной функцией фильтра Баттерворта II порядка:

Влияние ЭДС якоря приводит к появлению статической ошибки по току, что ухудшает качество системы. Для компенсации данного влияния вводится положительная обратная связь по ЭДС якоря. Структурная схема контура тока с компенсацией ЭДС представлена на рис. 11. При выносе фильтра из контура он должен оказаться в цепи задания на ток (Ф1), в цепи обратной связи по току (Ф2) и в цепи обратной связи по ЭДС, где его удобно объединить с датчиком ЭДС. Таким образом, датчик ЭДС имеет небольшую инерционность, что является необходимым, т.к. безынерционный датчик ЭДС реализовать невозможно.

Рис.11.Структурная схема контура тока с компенсацией ЭДС.

Компенсирующий сигнал Uк подается на вход регулятора тока, а не непосредственно в точку действия ЭДС якоря (между звеньями ТП и ГЦ). Поэтому влияние звеньев регулятора тока и преобразователя на прохождение компенсирующего сигнала необходимо устранить. Это достигается за счет включения в цепь обратной связи по ЭДС звена компенсации. Передаточная функция звена компенсации определяется по формуле:

, где

В результате компенсации ЭДС статическая ошибка по току устраняется.

ЭДС якоря двигателя недоступна для прямого измерения. Косвенный датчик ЭДС якоря использует сигналы тока и напряжения якоря. Связь меж-ду током, напряжением и ЭДС якоря следует из уравнения электрического равновесия для якорной цепи. В области изображений по Лапласу это уравнение имеет вид:

Реализовать датчик ЭДС в полном соответствии с данным уравнением невозможно, т.к. требуется идеальное форсирующее звено. Поэтому внесем в датчик инерционное звено с постоянной времени Тµ. В результате уравнение датчика ЭДС принимает вид:

5.2 Реализация датчика ЭДС