Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА»

(НГТУ)

Кафедра «Электрооборудование, электропривод и автоматика»

Курсовая работа

дисциплина: "Системы управления электромеханическими объектами"

тема: "Однозонный реверсивный тиристорный электропривод постоянного тока с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя"

Федоров К.Р.

Нижний Новгород

2022 г.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

1. Выбрать основное электрооборудование (тиристорный преобразователь для якорной цепи и обмотки возбуждения, трансформаторно-реакторное оборудование, сглаживающий дроссель, вводной автоматический выключатель, тахогенератор, шунты, задатчик скорости).

2. Разработать и описать функциональную схему электропривода (состав блоков и узлов, краткое описание работы схемы при пуске вхолостую до номинальной скорости и при приложении номинального момента нагрузки).

3. Произвести расчет параметров силовой цепи электропривода (при определении индуктивности цепи обмотки возбуждения построить кривую намагничивания двигателя, провести касательную при номинальном потоке, построить расчетный треугольник в электронном виде).

4. Рассчитать запас по напряжению тиристорного преобразователя якоря двигателя (необходимый и фактический) и предельную ЕДС двигателя при номинальном напряжении питающей сети и сниженном на 10%.

5. Оптимизировать контура регулирования тока якоря, скорости и тока возбуждения двигателя. Определить тип регуляторов и рассчитать параметры решающих цепей (параметры регулятора тока рассчитать с датчиком тока на базе шунта и с реальным датчиком на базе трансформаторов переменного тока Кдтя =1,7 В/Idян, Idян: 25А, 50А, 100А, 200А, 400А, 630А; резистор задания на номинальный ток возбуждения определить при ПИ и П регуляторах возбуждения с датчиком тока на базе шунта и с реальным датчиком на базе трансформаторов переменного тока Кдтв = 5,0 В/Idвн, Idвн: 5А, 10А, 20А;).

6. Оценить влияние внутренней обратной связи по ЭДС на процессы в контуре тока якоря двигателя (использовать аппарат передаточных функций и моделирование в ПО SamSim и MatLab Simulik; построить осциллограммы тока якоря при отработке скачка задающего сигнала Uзт, соответствующего Iн при заторможенном двигателе и при разгоне).

7. Рассчитать и построить в электронном виде скоростные характеристики и их статизм в замкнутой и разомкнутой системах электропривода при Uзс1=10 В (?о1= ?о) и Uзс2 = (см. задание на к/р) (?о2).

8. Рассчитать динамическое падение скорости двигателя и построить осциллограмму скорости при приложении номинального момента нагрузки (использовать аппарат передаточных функций и моделирование в ПО SamSim и MatLab Simulik).

9. Исследовать динамические процессы на цифровых моделях в ПО SamSim и MatLab Simulik:

1). В контуре тока якоря (а - настройка РТ с Uзт, при котором Iу= Iн; б - исследование контура тока при отработке меандра знакопеременного задающего сигнала с Uзт, при котором Iу = Iмакс.)

2). В контуре скорости (а - с ЗИ, б - без ЗИ при отработке заданий скорости Uзс и возмущений Iс по алгоритму: пуск на ХХ с Uзс1, приложение нагрузки Iс, реверс с - Uзс2, снятие нагрузки, останов; полный цикл не должен превышать 6-8 с., интервалы д.б. такими, чтобы изменения задающих и возмущающих воздействий приходились на установившийся режим работы привода).

10. Приложить принципиальные электрические схемы: системы управления, регулирования, защит; внутренних и межплатных соединений для однозонного тиристорного электропривода.

11. Разработать схему подключения электропривода и составить спецификацию ее элементов.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Схема подключения (А4), схема внутренних соединений (А3), схема блока межплатных соединений (А4).

2. Схема блока №1 (А1), схема блока №2 (А1 +А1).



Исходные данные

Рн, кВт	Uн, В	Iн, А	nн, об/мин	Кр	Jм, кг?м2
55	220	287	600	5	30

Тип двигателя - П111.

Тип электропривода - реверсивный.

Регулятор ЭДС П - типа.

Цифровое модулирование:

?^*₀₁ = 1;

?^*₀₂ = 0,8;

I^*_c = 0,7;

I^*_d = 0,5.



Содержание

1. Выбор основного электрооборудования

1.1 Выбор электродвигателя

1.2 Выбор тиристорного преобразователя

1.3 Выбор согласующего силового трансформатора

1.4 Выбор сглаживающего дросселя

1.5 Выбор шунта в цепи якоря

1.6 Выбор шунта в цепи возбуждения

1.7 Выбор вводного автоматического выключателя

1.8 Выбор задатчика скорости

2. Функциональная схема электропривода и ее описание

3. Расчет параметров объекта регулирования

4. Расчет запаса по напряжению тиристорного преобразователя якоря двигателя

5. Оптимизация контуров регулирования

5.1 Оптимизация контура тока

5.2 Оптимизация контура скорости

5.3 Оптимизация контура возбуждения

6. Оценка влияния внутренней ООС по ЭДС на процессы в контуре тока

7. Расчет и построение скоростных характеристик

8. Расчет динамического падения и осциллограммы скорости

9. Исследование динамических процессов

9.1 Настройка контура тока

9.2 Исследование контура

9.3 Исследование внешнего контура

Список литературы

Приложения

1. Выбор основного электрооборудования

1.1 Выбор электродвигателя

В данной курсовой работе предполагается, что электродвигатель уже выбран, проверен по нагреву и перегрузочной способности применительно к конкретному механизму. В таблице 1 приведены параметры исполнительного двигателя, необходимые для последующего расчета [4].

Таблица 1.1. Параметры двигателя П111

Мощность , кВт	55
Напряжение , В	220
Ток , А	287
Частота вращения номинальная , об/мин	600
Частота вращения максимальная , об/мин	1800
Относительное значение максимального тока	2
Маховый момент GD2, кгм2	20,4
Число полюсов 2 р	4
Число витков обмотки якоря	123
Сопротивление обмотки якоря при 20С , Ом	0,024
Число параллельных ветвей 2а	2
Сопротивление добавочных полюсов при 20С , Ом	0,011
Сопротивление последовательной обмотки , Ом	0,002
Число витков на главный полюс	850
Сопротивление главных полюсов, , Ом	27,9
Напряжение возбуждения , В	220



1.2 Выбор тиристорного преобразователя

По номинальным параметрам электродвигателя выбираем тиристорный преобразователь ЭПУ-1-М-2-462-7-E-УХЛ4 [5]

Данный преобразователь имеет в своем составе трехфазный реверсивный мостовой преобразователь с раздельным управлением вентильными группами для питания цепи обмотки якоря и однофазный нереверсивный мостовой преобразователь для питания цепи обмотки возбуждения.

Данные на тиристорный преобразователь:

тип преобразователя - ЭПУ-1-М-2-462-7-E-УХЛ4;

исполнение по реверсу - реверсивный;

схема выпрямления - трехфазнаяфазная мостовая;

номинальный выпрямленный ток I_dн = 400 А;

номинальное выпрямленное напряжение U_dн = 230 В;

напряжение питающей сети U_c =380 В;

номинальный ток для цепи возбуждения I_dв = 10 А;

опорное напряжения в каналах СИФУ - пилообразное;

амплитуда опорного напряжения в СИФУ U_оп = 10 В.

1.3 Выбор силового согласующего трансформатора

Для согласования питающего напряжения с номинальным напряжением двигателя на входе тиристорного преобразователя необходимо поставить силовой согласующий трансформатор [6]:

тип трансформатора - ТСП-100/0,7;

напряжение сетевой обмотки ;

вторичное фазное напряжение U_2ф = 115 В;

напряжение короткого замыкания трансформатора U_кз =0,053;

потери трансформатора при коротком замыкании ;

1.4 Выбор сглаживающего дросселя

Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в силовую цепь согласно рекомендациям [7] следует включить сглаживающий дроссель:

тип дросселя - ФРОС-65/0,5;

индуктивность мГн;

потери при номинальном выпрямленном токе Вт.

1.5 Выбор шунта в цепи якоря

Шунт в цепи якоря необходимо выбирать из условия, чтобы его номинальный ток был не меньше номинального тока двигателя. Номинальный ток якоря двигателя А. Ближайший подходящий ток 300 А. Выбираем шунт 75ШСМ с А, падение напряжения на котором при номинальном токе равно 75 мВ [8].

1.6 Выбор шунта в цепи возбуждения

Шунт в цепи возбуждения необходимо выбирать из условия, чтобы его номинальный ток был не меньше номинального тока возбуждения электродвигателя. С учетом рассчитанного позднее в разделе 3 номинального тока возбуждения (I_вн = 6,3 А) выбираем шунт 75ШСМ с А, падение напряжения на котором при номинальном токе равно 75 мВ по [8].

1.7 Выбор вводного автоматического выключателя

В цепь переменного тока перед трансформатором или токоограничивающим реактором необходимо поставить вводной автоматический выключатель, номинальный ток которого должен быть не меньше входного тока при номинальном токе двигателя.

Номинальный тока автоматического выключателя выбирается исходя из следующего условия

где - фазный ток в сетевой обмотке трансформатора (или реактора) при протекании в цепи якоря двигателя номинального тока.

где - коэффициент трансформации;

- коэффициент перехода от выпрямленного тока к фазному.

Тогда по формуле (1.7.2) определяем входной фазный ток

.

Выбираем автоматический выключатель типа ВА-51-33 160/125 3Р на номинальный ток 125 А [9].

Плавкие вставки предохранителей выбираем на номинальный ток возбудителя. Выбираем предохранители НПН-15 [9] с номинальным током плавкой вставки 10 А.

1.8 Выбор задатчика скорости

Рисунок 1. Схема задатчика регулируемой величины на основе потенциометра ППБ-15-100

В качестве задатчика скорости выбираем потенциометр типа ППБ - 15 - 1000 Ом. Т.к. В, а В [10], то последовательно необходимо включить добавочный резистор, Ом, на котором будет погашено излишнее напряжение. В качестве подстроечного выберем резистор ПП3-11, 680 Ом [11].



2. Функциональная схема электропривода и ее описание

Рисунок 2.1. 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 Їтоковой 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.



3. Расчет параметров объекта регулирования

Сопротивление якорной цепи электродвигателя

где - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления при нагреве на 60.

Сопротивление трансформатора

Максимальная ЭДС якорного преобразователя

где k_cх1=2,34 - коэффициент схемы, для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Сопротивление, обусловленное перекрытием токов в фазах преобразователя при коммутации вентилей

Сопротивление сглаживающего дросселя



Эквивалентное сопротивление якорной цепи

где - сопротивление шин, принятое равным

Индуктивность якоря электродвигателя некомпенсированных машин

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

где - номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора;

= 0,815 для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Индуктивность рассеяния трансформатора

где .



Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигателя

Электромагнитная постоянная времени якоря двигателя

Эквивалентная электромагнитная постоянная времени якоря двигателя

Сопротивление цепи возбуждения

Остальными сопротивлениями в этой цепи можно пренебречь.

Номинальный ток возбуждения

Номинальная намагничивающая сила



По кривой намагничивания рис. 3.1 находим соответствующий номинальный поток возбуждения Фн = 4Вб.

Коэффициент наклона кривой намагничивания (рис. 3.1) при номинальном потоке

Рисунок 3.1. Кривая намагничивания электродвигателя П111.

Индуктивность возбуждения

Остальными индуктивностями в цепи возбуждения можно пренебречь.

Электромагнитная постоянные времени цепи возбуждения



Постоянная времени контура вихревых токов

Номинальная ЭДС двигателя

Коэффициент электродвигателя

Момент инерции электропривода

,

Тогда

Электромеханическая постоянная времени



Номинальный момент двигателя

Коэффициент передачи датчика тока якоря, построенного на базе шунта, должен быть выбран так, чтобы при максимальной рабочей перегрузке двигателя Iя(макс) напряжение датчика было равно 10 В

Коэффициент передачи датчика тока возбуждения должен быть выбран так, чтобы при номинальном токе возбуждения напряжение датчика было равно 5 В

Передаточные коэффициенты шунтов

Коэффициенты датчиков тока якоря и возбуждения определяются произведением коэффициентов шунта, потенциального разделителя и усилителя .

Таким образом, значение коэффициентов усиления усилителей датчика тока якоря и возбуждения соответственно равно

В расчётах полагаем

Для реверсивных электроприводов контур тока оптимизируется на модульный оптиум при максимальном значении :

Так как коэффициент усиления тиристорного преобразователя цепи возбуждения с пилообразным опорным напряжением в СИФУ, то расчет производится для рабочей точки преобразователя, равной номинальному напряжению возбуждения:

Некомпенсированная малая постоянная времени контуров тока якоря и тока возбуждения принимается



4. Расчет запаса по напряжению тиристорного преобразователя якоря двигателя

Максимальное значение напряжения преобразователя должно быть таким, чтобы при номинальной ЭДС двигателя и возможных снижениях напряжения в питающей сети обеспечить запас на статику (протекание максимального тока) и динамику (выход тока на максимальное значение согласно настройке контура тока на модульный оптимум).

Необходимое значение ЭДС преобразователя, В

где

- запас по ЭДС в статике, В;

- запас по ЭДС в динамике, В.

Определим ЭДС двигателя при номинальной скорости вращения и статический и динамический запасы по напряжению

Превышение ЭДС преобразователя, обеспечивающее запас как на статику, так и на динамику



Расчетное значение максимальной ЭДС преобразователя

Определим расчетный запас по напряжению по следующей формуле

Определим фактический запас по напряжению.

где

Фактический запас по напряжению составляет 22%.

Определим предельную ЭДС двигателя при номинальном напряжении питающей сети:

Из выражения (4.8) следует, что в диапазоне 00,64 от номинальной скорости не будут проявляться ограничения ни в статике, ни в динамике. При скорости выше 0,19 от номинального переходного процесса выхода тока на максимальное значение будет протекать медленнее из-за недостаточного уровня форсировки, так как выходное напряжение преобразователя уже достигло максимально возможного значения.

При снижении напряжения питающей сети на 10% максимальное выходное напряжение преобразователя так же снизится на 10%.

В.

Фактический коэффициент запаса при снижении напряжения сети на 10%

Предельное значение ЭДС при снижении напряжения сети на 10%

Предельное значение ЭДС в относительных единицах при снижении напряжения сети на 10%

При снижении напряжения питающей сети на 10% ограничения на динамику не будут проявляться при скорости двигателя в диапазоне до 00,51 от номинальной скорости.



5. Оптимизация контуров регулирования

Рисунок 5.1. Структурная схема электропривода

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

5.1 Оптимизация контура тока

Рисунок 5.2. Структурная схема контура тока

На рисунке 5.2 представлена структурная схема контура тока. Её составляющие:

- РТ - регулятор тока;

- ТП - тиристорный преобразователь тока якоря;

- ЯЦ - якорная цепь;

- ДТ - датчик тока.

Для расчета необходимо сделать следующие допущения:

- датчик тока считаем безынерционным;

- все малые постоянные времени включены в тиристорный преобразователь: ;

- двигатель заторможен (E = 0), а значит отсутствует ОС по ЭДС.

Структурная схема (рисунок 5.2) приведена для случая, когда двигатель заторможен, то есть отсутствует обратная связь по ЭДС.

Проводим оптимизацию на модульный оптимум.

При настройке на модульный оптимум передаточная функция разомкнутого контура тока будет иметь вид

Тогда передаточная функция регулятора тока будет иметь вид

коэффициент регулятора тока

Полученной передаточной функции соответствует регулятор тока

ПИ-типа.

С этим регулятором система астатична по заданию и по возмущению.

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид



где - передаточная функция прямого канала.

Так как величина мала, то слагаемым можно пренебречь, тогда считая , получаем

где - эквивалентная постоянная времени настроенного на модульный оптимум контура тока.

1) Произведем расчет решающих цепей регулятора тока на базе шунта. Схема контура тока на базе шунта представлена на рисунке 5.3.

электродвигатель тиристорный дроссель силовой

Рисунок 5.3. Контур тока якоря с датчиком тока на базе шунта



Коэффициент передачи регулятора тока, определяется по формуле

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи регулятора тока

Сопротивление резистора в цепи обратной связи регулятора тока, кОм, определяется по формуле

Определяем сопротивление в цепи датчика тока , кОм

Сопротивление в цепи задания тока якоря, кОм, находим из условий установившегося режима

где .

Принимаем .



Рисунок 5.4. Контура тока якоря с датчиком тока на базе трансформатора переменного тока

2) Поскольку у преобразователя ЭПУ1М датчик тока построен на базе трансформатора переменного тока, а не на базе шунта, как было рассчитано, то необходимо сделать перерасчет. Однако, пересчитать необходимо только одно сопротивление , остальные параметры не меняются.

где А.

где .



Передаточная функция замкнутого контура тока якоря с датчиком тока на базе трансформатора переменного тока будет иметь следующий вид

где

5.2 Оптимизация контура ЭДС

Структурная схема контура ЭДС представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5. Структурная схема контура ЭДС

На рисунке 5.5 представлена схема контура ЭДС. Её составляющие:

- РЭ - регулятор ЭДС;

- ЗКТ - замкнутый контур тока;

- ЭМ - электромеханическая часть;

- ДС - датчик скорости.

Для оптимизации контура ЭДС необходимо выполнить его настройку на МО:



Здесь необходимо учесть следующее:

Учитывая, что

Поэтому

Из этого выражения находим передаточную функцию регулятора ЭДС:

Видно, что передаточная функция разомкнутой системы - П-типа.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Форсировка, вызванная наличием фильтра в цепи обратной связи, неблагоприятно сказывается на качестве переходного процесса, вызывая перерегулирование, поэтому на входе системы регулирования необходимо поставить инерционный фильтр с постоянной времени :



В итоге, с учетом фильтра на входе, получаем передаточную функцию замкнутого контура ЭДС:

Передаточная функция замкнутого контура скорости с обратной связью по ЭДС имеет вид:

Принципиальная схема регулятора ЭДС представлена на рисунке 5.6:

Рисунок 5.6. Принципиальная схема регулятора ЭДС



Из принципиальной схемы видно, что сигнал пропорциональный ЭДС двигателя формируется алгебраическим суммированием сигналов датчиков напряжения и тока.

Расчет решающих цепей проводится в следующей последовательности:

1. Находим численное значение коэффициента усиления регулятора ЭДС:

2. Задаёмся R_оэ = 100 кОм

3. Рассчитываем резистор цепи датчика напряжения

4. Находим емкость фильтра в цепи датчика напряжения C_дн

(5.2.12)

5. Далее рассчитываем параметры резистора в цепи задания ЭДС (скорости). Расчет ведем исходя из условия установившегося режима:



откуда

6. Рассчитываем необходимую ёмкость фильтрового конденсатора:

7. Находим сопротивление токовой компенсации R_тк. Его величина рассчитывается из условия равенства токов датчиков тока и напряжения при ЭДС двигателя равной нулю, то есть когда двигатель заторможен и сигнал обратной связи отсутствует.

Здесь:

Отсюда

8. Расчет сопротивлений делителя напряжения ведут из условия:



9. Принимая R₃ = 1 кОм, находят и величину R₄

10. Расчет напряжения стабилизации стабилитронов:

где В-максимальное напряжение на выходе регулятора ЭДС;

В-падение напряжения на стабилитроне, при протекании тока в прямом направлении.

В данной курсовой работе суммарное сопротивление задатчика скорости принято равным кОм. Так как В, а напряжение питанияВ, то необходимо поставить подстроечный резистор на котором будет падение напряжения в 5 В.

5.3 Оптимизация контура возбуждения

Задачей оптимизации является стабилизация тока возбуждения на номинальном уровне независимо от действия возмущений и возможных изменений параметров.



Рисунок 5.7. Структурная схема контура тока возбуждения

В контур тока возбуждения входят:

- РТВ - регулятор тока возбуждения;

- ТПВ - тиристорный преобразователь обмотки возбуждения;

- ОВ - электрическая цепь обмотки возбуждения;

- МЦ - магнитная цепь обмотки возбуждения;

- ДТВ - датчик тока возбуждения;

- Ф - фильтр.

1) Оптимизацию проводим на модульный оптимум.

Передаточная функция разомкнутого контура возбуждения

Из данного уравнения находим передаточную функцию регулятора тока возбуждения

где .

Полученной передаточной функции соответствует регулятор тока возбуждения ПИ - типа.

Получим выражение для передаточной функции замкнутого контура тока возбуждения с фильтром

Произведем расчет решающих цепей регулятора тока возбуждения

Рисунок 5.8. Контур возбуждения с регулятором ПИ - типа и датчиком тока на базе шунта

Коэффициент передачи регулятора тока возбуждения

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи регулятора тока возбуждения

Сопротивление резистора в цепи обратной связи регулятора тока возбуждения , кОм, определяется по формуле

Сопротивление резистора в цепи датчика тока возбуждения , кОм

Емкость конденсатора фильтра в цепи датчика тока возбуждения , мкФ, определяется по формуле

Сопротивление в цепи задания тока возбуждения, кОм, находим из условия установившегося режима

где В;

В.

Для расчета усилителя датчика тока возбуждения принимаем кОм, тогда

2) Для расчета резистора задания на номинальный ток возбуждения с П-регулятором тока возбуждения необходимо учесть увеличение сигнала задания на ошибку регулирования. При равных сопротивлениях и напряжение задания на ток, при котором ток возбуждения двигателя равен номинальному находят из выражения

Рисунок 5.9. Контур возбуждения с регулятором П - типа

Рисунок 5.10. Структурная схема контура тока в установившемся режиме при номинальном токе возбуждения

Резистор в цепи задания тока возбуждения , Ом



Расчет параметров цепи ПИ-регулятора тока возбуждения с регулятором на базе трансформатора тока.

Рисунок 5.11. Контур тока возбуждения с датчиком тока на базе трансформатора тока

На практике в современных тиристорных преобразователях сигнал датчика тока возбуждения при номинальном токе возбудителя (А), тогда коэффициент датчика тока возбуждения на базе трансформатора тока:

где номинальный ток обмотки возбуждения,

коэффициент, согласно заданию на КП.

Напряжение датчика тока возбуждения при номинальном токе:



Сопротивление в цепи задания на ток:

Емкость конденсатора фильтра в канале датчика тока возбуждения



6. Оценка влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС на процессы в контуре тока

Рисунок 6.1. Структурная схема контура тока с учетом обратной связи по ЭДС

Максимальное влияние ЭДС будет на холостом ходу, поэтому .

Рисунок 6.2. Структурная схема контура тока с учетом обратной связи по ЭДС при холостом ходу

Определим передаточную функцию якорной цепи с учетом влияния ЭДС

С учетом влияния внутренней ООС по ЭДС получили якорную цепь как колебательное звено второго порядка с дифференцирующими свойствами, которые скомпенсируют интегральные свойства регулятора и контур тока станет статическим.

Определим передаточную функцию замкнутого контура тока с учетом влияния внутренней ООС по ЭДС.

В установившемся режиме:

Рисунок 6.3. Замкнутый контур тока с учетом ООС по ЭДС



Вычислим установившееся значение тока двигателя с учетом действия внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС при отработке скачка задания номинального тока

Из выражения видно, что установившийся ток двигателя с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС составляет 71% от установившегося тока при заторможенном двигателе.

Используя аппарат передаточных функций получим аналитические выражения и построим осциллограммы сигналов при отработке скачка задания на номинальный ток двигателя для двух случаев: ЭД - заторможен и с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС.

При заторможенном двигателе (:

Рисунок 6.4. Осциллограмма тока якоря при отработке скачка задания номинального тока при заторможенном двигателе и c учетом действия внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС

Установившееся значение тока при заторможенном двигателе равно заданному номинальному значению в 287 А, а с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС - только 204 А, что составляет 71% от номинального уровня и соответствует ранее полученному результату

Оценим влияние внутренней обратной связи по ЭДС на процессы в контуре тока двигателя, используя моделирование в пакете программного продукта SamSim. Схемы моделей контура тока заторможенного двигателя и с учетом внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС приведены на рис. 6.5.

а)

б)

Рисунок 6.5. Схемы моделей контура тока при заторможенном двигателе (а) и с учетом действия внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС (б):

1 - источник ступенчатого сигнала; 2,3 - регулятор тока; 4 - тиристорный преобразователь якорной цепи двигателя; 5 - якорная цепь электродвигателя; 6 - датчик тока якоря; 7,8 - электромеханическая часть

Параметры звеньев:

1. Источник ступенчатого сигнала. Высота ступеньки определяется в соответствии с коэффициентом перегрузки двигателя ();

2. Интегрирующее звено

c

3. Пропорциональное звено;

4. Апериодическое звено первого порядка

;

k = k_тпя = 84,54; T = Т_м = 0,01 с;

5. Апериодическое звено первого порядка

;

; T = Т_э = 0,056 с;

6. Пропорциональное звено ;

7. Пропорциональное звено ;

8. Интегрирующее звено

;



Результаты моделирования приведены на рис. 6.6.

Рисунок 6.6. Осциллограмы тока якоря при отработке скачка задания номинального тока при заторможенном двигателе и с учетом действия внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС

Установившееся значение тока при заторможенном двигателе равно заданному номинальному значению 287 А, а с учетом влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС - 203,9 А.

Вывод: Результаты моделирования в программном пакете SamSim совпали с теоретическими расчетами с использованием аппарата передаточных функций и преобразования Лапласа.



7. Расчет и построение скоростных характеристик в замкнутой и разомкнутой системах электропривода

Скоростные характеристики однозонного тиристорного электропривода постоянного тока представляют собой прямые линии, выходящие из точки, соответствующей холостому ходу при данном сигнале задания.

Скорость идеального холостого хода, соответствующая в замкнутой системе сигналу задания в 10 В:

=(7.1)

Падение скорости на естественной скоростной характеристике при номинальном токе:

Падение скорости в разомкнутой системе при номинальном токе:

Падение скорости в замкнутой системе с П регулятором скорости при номинальном токе:



Статизм скоростных характеристик

(7.7)

Сигнал задания, соответствующий в замкнутой системе скорости идеального

(7.8)

Скорость идеального холостого при сигнале = 8 В:

(7.9)

Рисунок 7.1. Скоростные характеристики



На рис 7.1 построены скоростные характеристики. Из полученных характеристик можно сказать, что естественная характеристика самая жесткая, характеристика замкнутой системы более мягкая, чем естественная, а характеристика разомкнутой 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 (8,4T) быстродействием.

1. 

8. Расчёт динамического падения скорости и построение осциллограммы скорости

На рис. 8.1 приведена структурная схема контура ЭДС.

Рисунок 8.1. Структурная схема контура ЭДС с П - регулятором

Рассчитаем динамическое падение скорости двигателя при приложении момента нагрузки с использованием аппарата передаточных функций и обратного преобразования Лапласа.

На основании структурной схемы астатического контура скорости передаточная функция по возмущению имеет вид

Переходный процесс динамического падения скорости при набросе номинальной нагрузки I_c = I_н можно по формулам:



Результаты расчета приведены на рис 8.2.

Рисунок 8.2. Осциллограмма динамического падения скорости при приложении номинальной нагрузки

Схема модели контура скорости в ПО SamSim приведена рис. 8.3.

Рисунок 8.3. Схема модели контура скорости в ПО SamSim:

1 - нулевой сигнал задания на скорость; 2 - регулятор ЭДС; 3 - замкнутый контур тока; 4 - сигнал нагрузки (I_с); 5,6,7 - электромеханическая часть; 7 - датчик скорости

Параметры звеньев:

1. Нулевой сигнал задания;

2. Пропорциональное звено регулятора скорости



3. Апериодическое звено первого порядка

4. Возмущающее воздействие, равное номинальному току

А = I_c = I_н =287 A.

5. Пропорциональное звено

6. Интегрирующее звено электромеханической части двигателя

;

7. Пропорциональное звено электромеханической части двигателя

8. Апериодическое звено первого порядка



Результаты моделирования приведены на рис. 8.4.

Рисунок 8.4. Осциллограмма скорости двигателя при приложении номинальной нагрузки к валу двигателя, построенная в ПО SamSim

Вывод: из сравнения осциллограмм, приведенных на рис 8.2 и рис. 8.4 видно, что результаты теоретического расчета и моделирования совпали.



9. Исследование динамических процессов

9.1 Настройка контура тока при заторможенном двигателе

Настройку контура тока необходимо проводить, задавая скачек задания, соответствующий номинальному току и изменяя коэффициент передачи регулятора тока и его изодромной части в два раза в сторону увеличения и уменьшения.

Сигнал задания, соответствующий номинальному току двигателя, определяется из выражения:

Таблица 9.1. Параметры контура тока

Параметр	Значение, величина
Сопротивление якоря двигателя, Ом	0,0459
Электромагнитная постоянная времени двигателя, Ta, с	0,08
Эквивалентное сопротивление якорной цепи, Ом	0,0852
Эквивалентная электромагнитная постоянная времени, с	0,056
Коэффициент передачи тиристорного преобразователя	84,54
Коэффициент датчика тока, Ом	0,0174
Коэффициент пропорционального усиления регулятора тока	0,1
Постоянная времени изодромной части регулятора тока	0,056
Малая некомпенсируемая постоянная времени якорной цепи, с	0,01
Номинальный ток двигателя, А	287
Кратность максимального тока двигателя	2
Сигнал задания, соответствующий номинальному току, В	5

Для удобства обработки результатов моделирования на рис. 9.1 приведены три модели контура тока в ПО SamSim с разными предустановленными значениями постоянных времени изодромной части регулятора тока. Регулятор тока для удобства варьирования параметрами представлен последовательным соединением интегрирующего звена и упреждающего (форсирующего).

Таблица 9.2. Параметры звеньев регулятора тока

Коэффициент усиления регулятора тока	Постоянная времени изодромной части регулятора тока
	Tиз = 0.5•Tэ	Tиз = Tэ	Tиз = 2•Tэ
kрт = kрт (мо)	T=0,028 k=0,1	T=0,056 k=0,1	T=0,112 k=0,1
kрт = 2•kрт (мо)	T=0,028 k=0,2	T=0,056 k=0,2	T=0,112 k=0,2
kрт =0.5•kрт (мо)	T=0,028 k=0,05	T=0,56 k=0,05	T=0,112 k=0,05

Рисунок 9.1. Схемы трех моделей контура тока с разными предустановленными значениями изодромной постоянной времени

Параметры звеньев модели

ЗТ: А=5, Т=0;

РТ:



. (9.1.2)

ТП:

(9.1.3)

ЯЦ:

(9.1.4)

ДТ:

(9.1.5)

При каждом моделировании в регуляторе тока меняем только коэффициент пропорционального усиления

Результаты моделирования

Рисунок 9.2. Осциллограммы тока при k_рт = k_{рт (мо)}:

1 - T_из = 0.5•T_э; 2 - T_из = T_э; 3 - T_из = 2•T_э.

Рисунок 9.3. Осциллограммы тока при k_рт = 2•k_{рт (мо)}:

1 - T_из = 0.5•T_э; 2 - T_из = T_э; 3 - T_из = 2•T_э

Рисунок 9.4 - Осциллограммы тока при k_рт = 0.5•k_{рт (мо)}:

1 - T_из = 0.5•T_э; 2 - T_из = T_э; 3 - T_из = 2•T_э.

Из осциллограмм видно, что при увеличении коэффициента регулятора тока уменьшается время регулирования, однако колебательность переходного процесса увеличивается. При увеличении изодромной постоянной времени регулятора тока уменьшается перерегулирование, однако время переходного процесса увеличивается. При настройке на модульный оптимум имеем оптимальные параметры переходного процесса с перерегулированием в 4.3% (рисунок 9.2, 2).

9.2 Исследование контура тока при заторможенном двигателе

При исследовании контура тока на его вход следует подать знакопеременный сигнал (меандр), соответствующий максимальному току двигателя, построить осциллограммы тока и напряжения на двигателе и проанализировать полученные результаты

Рисунок 9.5. Схема модели в ПО SamSim при исследовании контура тока

Параметры входных сигналов и звеньев модели

ЗТ1: А=10; Т=0.

ЗС2: А=-20; Т=0.1.

РТ:

. (9.2.1)

ТП:

(9.2.2)

ЯЦ:

(9.2.3)

ДТ:

(9.2.4)

Рисунок 9.6. Осциллограмма тока двигателя при отработке максимального знакопеременного сигнала задания (меандра)

Рисунок 9.7. Осциллограмма напряжения двигателя при отработке максимального знакопеременного сигнала задания (меандра)

Из осциллограммы тока видно, что абсолютное значение перерегулирования при реверсе задающего сигнала вдвое больше. Однако его относительное значение по отношению к изменению выходного сигнала осталось прежним, т.е. на уровне 4,3%.

Из осциллограммы напряжения можно оценить запасы тиристорного преобразователя по напряжению на статику и динамику.

9.3 Исследование внешнего контура скорости

Задание на цифровое моделирование.

Смоделировать работу системы электропривода с задатчиком интенсивности на входе и без задатчика по следующему алгоритму: пуск привода на холостом ходу до скорости , работа на холостом ходу, приложение статической нагрузки , работа под нагрузкой, реверс до скорости , работа на новой скорости под нагрузкой, снятие нагрузки, работа на холостом ходу, останов.

Интервалы времени должны быть такими, чтобы изменения задающих и возмущающих сигналов приходились на установившийся режим работы привода. Сначала следует смоделировать работу привода с ЗИ на входе и установить такие интервалы времени, при которых установившиеся режимы не превышают (0,5 - 1) с. Затем с этими же интервалами смоделировать работу без задатчика интенсивности.

Относительные значения задающих сигналов для скоростей , возмущающего воздействия и динамического тока приведены в табл. 9.3.

Таблица 9.3. Задающие и возмущающие воздействия

Параметр	Относительное значение	Абсолютная величина
	1
	-0,8
	0,7
	0,5

Исходные данные для цифрового моделирования внешнего контура однозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров.

Таблица 9.4. Значения параметров на каждом интервале

№ интервала	Длительность интервала	Окончание интервала	Задание на скорость	Статическая нагрузка
1	2 с	2 с	10 В	=0
2	0,5 с	2,5 с	10 В	200,9 A
3	2,5 с	5 с	-8 В	200,9 A
4	1 с	6 с	-8 В	0
5	1 с	7 с	0 В	0

а)

б)

Рисунок 9.8. Схемы моделей в ПО SamSim однозонного АЭП с подчиненным регулированием параметров с П - регулятором скорости с задатчиком интенсивности (а) и без задатчика интенсивности (б).

Параметры звеньев модели:

1 - ступенчатое воздействие: (А1=10, tз=0 сек.; =6 сек.)

2 - ступенчатое воздействие: (А1=+ 14, tз=2,5 сек; = 3,5 сек.);

3 - датчик ЭДС:



;

4 - ограничение регулятора скорости (ограничение задания на ток):

А = 10; B = -10; k=1;

5 замкнутый контур тока (W1=

k = = ; ;

6 - электромеханическая часть 1 электродвигателя:

W=

7 - электромеханическая часть 2 электродвигателя:

8 - ступенчатое воздействие: (А1= Iс = 0,6•Iн=287•0,6=172,2; tз=2 сек; =3 сек.);

9 - ограничитель: А=1; B=-1; k=1;

10 - усилитель сигнала: k=100;

11 - «развязывающее» пропорциональное звено: k=0,1;

12 - звено усиления скорости, k=10;

13 пропорциональное звено регулятора ЭДС:

14,15, 16 - звенья задатчика интенсивности

- пропорциональное звено (нуль орган): k=100;

- ограничитель сигнала нуль органа: А=10; B=-10; k=1;

-интегрирующее звено задатчика интенсивности:

W = T= = 0,884 сек.,

где = - относительное значение динамического тока в долях от номинального тока двигателя ;

= - относительное сопротивление якорной цепи двигателя в долях от номинального сопротивления двигателя ;

- номинальное сопротивление двигателя (;

= = = 0,111).

Рисунок 9.9. Осциллограммы сигналов скорости 1 и тока 2 при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки и останове с задатчиком интенсивности на входе



Анализ осциллограмм

При наличии задатчика интенсивности на входе контура ЭДС интенсивности процессов разгона и торможения остаются неизменными и не зависят от нагрузки на валу. Длительности переходных процессов увеличиваются, но регулятор скорости не выходит на ограничение, а ток двигателя не достигает максимальных значений.

При пуске с задатчиком интенсивности на входе ток двигателя определяется (равен) сумме статического и динамического, а при торможении - равен их разности. При торможении под нагрузкой привод может продолжать работать в двигательном режиме, если статический ток превышает динамический.

Рисунок 9.10. Осциллограммы сигналов скорости 1 и тока 2 при пуске, приложении нагрузки, реверсе, снятии нагрузки и останове без задатчика интенсивности на входе

Анализ осциллограмм

При подаче сигнала на вход регулятора ЭДС (, соответствующего скорости идеального холостого хода, регулятор ЭДС выходит на ограничение и задает максимальный сигнал задания на контур тока. Быстродействующий контур тока выводит ток двигателя на максимальный уровень (реально ток двигателя будет чуть меньше из-за влияния внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС). Двигатель разгоняется. При пуске на ХХ весь ток - динамический, поэтому интенсивность разгона - максимальная. При скорости близкой к заданной регулятор ЭДС «сходит» с ограничения, уменьшая сигнал задания на входе контура тока, что приводит к снижению тока двигателя (на ХХ ток уменьшается до нуля).

Приложение нагрузки (статического момента) к валу двигателя приводит с П регулятором ЭДС к существенному снижению скорости. Выходной сигнал регулятора ЭДС будет формировать такой сигнал задания на ток, при котором ток якоря будет равен статической нагрузке ( =).

Реверс сигнала задания приводит к выходу регулятора ЭДС на ограничение другого знака и формированию максимального сигнала задания тормозного тока, который быстро отрабатывается контуром тока. Начинается торможение двигателя, которое идет под действием тормозного момента, развиваемого двигателем и статического момента на валу.

При изменении направления вращения реактивный момент нагрузки меняет знак, поэтому интенсивность разгона в другом направлении с нагрузкой на валу будет меньше, чем на ХХ. При приближении к заданной скорости другого направления регулятор скорости «сойдет» с ограничения, уменьшая задание на ток. В установившемся режиме выходной сигнал регулятора скорости (сигнал задания на ток) будет соответствовать статической нагрузке на валу ( =).

Снятие нагрузки на валу двигателя с П регулятором ЭДС приведет к увеличению скорости до уровня, соответствующего скорости ХХ при . Ток двигателя на ХХ уменьшится до нуля.

Снятие сигнала задания на скорость приводит к выходу на ограничение сигнала регулятора ЭДС и задание максимального тормозного тока двигателя, под действием которого двигатель будет тормозиться. При скорости близкой к нулю выходной сигнал регулятора ЭДС «сойдет» с ограничения, задавая ток меньше максимального. При полном останове задание на ток и соответственно ток двигателя будут равны нулю.



Список литературы

1. Теория и расчет систем электропривода с подчиненным регулированием параметров: учеб. пособие / В.А. Тихомиров, В.Л. Мельников, В.В. Соколов; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2018. -107 с.

2. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Системы управления электромеханическими объектами» для студентов направления 13.03.02./В.В. Соколов - НГТУ. Нижний Новгород, 2019. -100 с.

3. СТП 1-У-НГТУ-2011. Стандарт организации. Общие требования к оформлению пояснительных записок дипломных и курсовых проектов/ - Н. Новгород: НГТУ, 2011. - 26 с.

4. Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т.; под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова // И.П. Копылов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. Т. 1. - 456 с.

5. Комплектные тиристорные электроприводы: справочник / И.Х. Евзеров [и др.]; под ред. В.М. Перельмутера. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

6. Трансформаторы ТСП. [Электронный ресурс]. URL: https://electro.mashinform.ru/transformatory-dlya-pitaniya-preobrazovatelnyh-agregatov-privoda/transformatory-serij-tsp-tszp-dlja-pitanija-komplektnyh-tiristornyh-preobrazovatelej-jelektroprivodov-postojannogo-toka-obj3353.html (дата обращения: 17.10.2022).

7. Реакторы ФРОС. [Электронный ресурс]. URL: http://www.elektrozavod.ru/production/9_6 (дата обращения: 17.10.2022).

8. Шунт 75ШС и 75ШСМ. [Электронный ресурс]. URL: www.electra-hvac.ru/shunt-75shsm.html (дата обращения: 17.10.2022).

9. Шеховцов, В.П. Справочное пособие по электрооборудованию и электроснабжению / В.П. Шеховцов. - 2-е изд. - М.: ФОРУМ, 2011. - 136 с.

10. Потенциометр ППБ - 15 - 1000 Ом. [Электронный ресурс]. URL: https://asenergi.com/catalog/rezistory-regulirovochnye/ppb.html (дата обращения: 17.10.2022).

11. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.: ил.



Приложения

Схема подключения электропривода



Схема внутренних соединений



Схема межплатных соединений

Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
	Двигатель
М	П111	1	Pн=55кВт, Uн =220 В,
			Iн =287 А, n=600 об/мин
	Тиристорный преобразователь
U1	ЭПУ1М-2-4627-М-УХЛ4	1	Udн=230 В, Idн=400 А
	Согласующий трансформатор
TV	ТСП-100/0,7		, U2ф = 115 В
	Автоматический выключатель
QF1	ВА-51-33 160/125 3Р	1	Uн=380 В, Iн.р=125 А
	Предохранители
FU1	НПН-15	2	Iпл.вст.н.=10 А
	Сглаживающий дроссель
L1	ФРОС-65/0,5	1	Lсгл=1 мГн
	Шунты
RS1	75ШСМ	1	Iш.н.=300 А
RS2	75ШСМ	1	Iш.н.=7,5 А
	Задатчик скорости
R1	Потенциометр ППБ - 15	1	R=1000 Ом
Rдоб	Резистор подстроечный ПП3-11	1	Rдоб = 680 Ом

Размещено на Allbest.ru