Uном. авт. =Uсети, (1.30)

Где Uном. авт.--номинальное напряжение аппарата;

Uсети--номинальное напряжение сети (220 В).

Iном..>=Iном.нагр., (1.31)

где Iном..--номинальный ток аппарата;

Iном.нагр.--номинальный ток нагрузки (длительный расчетный ток линии).

Uном.конт.>=Uсети, (1.32)

Где Uном.конт.--номинальное напряжение контактов аппарата;

Uсети -- напряжение силовой сети (380 В).

Пример выбора магнитного пускателя КМ1:

Uном. авт. -- номинальное напряжение аппарата (220 В);

Iном..--номинальный ток аппарата(Iном..>=2,71 А);

Uном.конт.--номинальное напряжение контактов аппарата (Uном.конт.>=380 В);

Выбираем магнитный пускатель КМ1 /4/: ПМЛ 2210 ТУ 16-523.554-82.

Параметры магнитного пускателя ПМЛ 2210:

Uном. авт=220 В;

Iном=16 А;

Uном.конт=380 В;

Номинальный ток вспомогательной цепи: 10А;

Номинальное напряжение по изоляции: 660 В;

Мощность включения катушки: 200 ВА;

Мощность удержания катушки: 20 ВА;

Механическая износостойкость: 16 млн. циклов при 3600 вкл/ч:

Коммутационная износостойкость: 1 млн. циклов при 1200 вкл/ч.

1.4.8 Расчет и выбор автоматических выключателей

Условия выбора :

Uном. авт. >=Uсети, (1.33)

Где Uном. авт.--номинальное напряжение автомата;

Uсети--номинальное напряжение сети (380 В).

Iном. авт.>=Iном. нагр, (1.34)

Где Iном. авт.--номинальный ток автомата;

Iном. нагр--номинальный ток нагрузки (длительный расчетный ток линии).

Iуст. макс. расц.>=(1.5..1.8)*(Iпуск. дв.), (1.35)

Где Iуст. макс. расц.--ток установки электромагнитного расцепителя (защита от КЗ). Это условие выбора справедливо так как максимальный ток через автоматический выключатель QF1 будет именно в момент включения двигателя ;

Iном. тепл. расцепителя>=(1.1..1.5)*Iном. нагр., (1.36)

Где Iном. тепл. расцепителя--номинальный ток теплового расцепителя;

Iном. нагр.--номинальный ток нагрузки (длительный ток линии).

Пример выбора автомата QF1.Расчет параметров двигателя

Iном.нагр.=2,71 А

Iпуск. дв=4* Iном. дв, (1.37)

Iпуск. дв.=4*2,71=10,84 А;

Итак, мы имеем следующие необходимые условия работы автоматического выключателя QF1:

Uном. авт.>=380(B);

Iном. авт.>=2,71 A-ток первичной обмотки трансформатора;

Iуст. макс. расц.>=1,65*10,84=17,9 A;

Iном. тепл. расцепителя>=1,3*2,71=3,51 A ;

Выбираем автоматический выключатель QF1: АЕ2026--100 (ТУ 16-522.064-82 ) со следующими характеристиками:

Uном. авт.=380(B), (50 Гц);

Iном. авт.=16 A;

Количество максимальных тепловых расцепителей тока--3;

Количество максимальных электромагнитных расцепителей тока--3;

Износостойкость: общее количество циклов включения и отключения в том числе без тока--100000;

Износостойкость: общее количество циклов включения и отключения при токе расцепителей и напряжении 380 В--63000;

Выбираем автоматический выключатель QF2:АЕ2026--100 (ТУ 16-522.064-82 ) с такими же характеристиками.

1.4.9 Выбор кнопочных выключателей SB1 и SB2

Условия выбора .

Uном.. >=Uсети, (1.38)

где Uном.--номинальное напряжение аппарата;

Uсети--номинальное напряжение сети (220 В).

Iном..>=Iдлит.., (1.39)

где Iном..--номинальный ток аппарата;

Iдлит.--длительный расчетный ток линии.

Пример выбора кнопочного контакта SB1:

, (1.40)

Где РКМ1--мощность удержания катушки КМ1;

Uном.=220 В;

Iном..>=0,02 А.

Выбираем выключатель кнопочный SB1 ВК 43-21-1011054 УХЛ2, а SB2 ВК 43-21-1011054 УХЛ2 .

Параметры выключателя SB1:

Iмакс=10 А;

Uмакс=660 В;

Частота включений: 1200 циклов в час;

Коммутационная износостойкость: не менее 2,5 млн. циклов ВО;

Механическая износостойкость: не менее 10 млн. циклов ВО.

1.4.10 Выбор быстродействующих предохранителей

Предохранители, выбираются из следующих условий:

; (1.41)

; (для FU4 и FU5) (1.42)

; (для FU1…FU3) (1.43)

;

(для FU4 и FU5)

(для FU1…FU3)

Амплитуда базоивого тока КЗ:

(1.44)

Ударный ток глухого КЗ:

(1.45)

Где для по рисунку 1-127 а /3/.

Интеграл предельной нагрузки:

(1.46)

Где для по рисунку 1-127 б /3/.

Допустимая мощность срабатывания:

(1.47)

где n--количество параллельно работающих вентилей;

К--коэффициент загрузки вентилей К=1,1.

(1.48)

Где Wплавк.вст--мощность срабатывания плавкой вставки.

Выбираем быстродействующие предохранители FU1…FU5/Информэлектро/: ПБВ-2 (ток плавкой вставки 10 А).

1.4.11 Выбор С фильтра на входе силовой части ШИП

В связи с тем, что для получения постоянного напряжения используется трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель, амплитуда колебаний первой гармоники которого составляет 5,7% от действующего значения, второй--1,3%, а третьей менее четверти процента, следовательно условие максимальной пульсности в 5…7% выполняется. Таким образом нет необходимости в применении С фильтра.

1.4.12 Расчет элементов силовой части ШИП

Пользуясь семейством универсальных угловых характеристик /4/ при определяем для данного случая максимальный относительный ток нагрузки, исходя из условия минимума потерь мощности: . Далее рассчитываем волновое сопротивление контура перезарядки конденсатора:

(1.49)

Где IM=2*IН=2*15,5=31(А) (так как КЗ=2);

UП=UК=110(В)--напряжение питания.

После рассчитываем относительный ток нагрузки в квазиустановившемся режиме:

(1.50)

Выбираем декременты затухания D1=D2=0,1, и по номограммам /4/ для и КU=1 определяем:

Зададимся временем восстановления запирающих свойств тиристоров . Таким образом:

(1.51)

Определим индуктивность зарядного дросселя L1

электромагнитный тиристор силовой преобразователь

 (1.52)

Определим активное сопротивление дросселя L1:

(1.53)

Определим время возрастания тока нагрузки силового тиристора VS1 от 0 до IН:

(1.54)

Определим минимальное время паузы (тиристор VS1-заперт):

(1.55)

Определим частоту и период следования управляющих сигналов, а следовательно и частоту коммутаций тиристоров:

(1.56)

Принимаем частоту коммутации тиристоров равной f=1000 Гц исходя из коммутационных потерь и оптимальности частоты коммутации.

(1.57)

(1.58)

Определим потери мощности в коммутирующем контуре:

(1.59)

(1.60)

Определим активное сопротивление и индуктивность зарядного дросселя L2. Для зтого зададимся соотношением L1/L2=1/7, тогда:

L2=L1*7=,

(1.61)

(1.62)

Волновое сопротивление второго контура :

(1.63)

Далее производим расчет непосредственно элементов силовой части преобразователя.

1.4.12.1 Силовой тиристор VS1

Средний ток Iср:

Максимальный ток Iмакс:

Максимальное прямое напряжение Uпр.макс:

Максимальное обратное напряжение Uобр.макс:

Установленная мощность S:

1.4.12.2 Вспомогательный коммутирующий тиристор VS2

Средний ток Iср:

Максимальный ток Iмакс:

Максимальное прямое напряжение Uпр.макс:

Максимальное обратное напряжение Uобр.макс:

Установленная мощность S:

1.4.12.3 Обратный диод VD1

Средний ток Iср:

Максимальный ток Iмакс:

Максимальное обратное напряжение Uобр.макс:

Установленная мощность S:

1.4.12.4 Тиристор в цепи заряда VS3

Средний ток Iср:

Максимальный ток Iмакс:

Максимальное прямое напряжение Uпр.макс:

Максимальное обратное напряжение Uобр.макс:

Установленная мощность S:

1.4.12.5 Коммутирующий дроссель L1

Средний ток Iср:

Эффективный ток Iэф:

Максимальное напряжение Uмакс:

Максимальный ток Iмакс:

Габаритная энергия WГ:

1.4.12.6 Зарядный дроссель L2

Средний ток Iср:

Эффективный ток Iэф:

Максимальный ток Iмакс:

Максимальное напряжение Uмакс:

Габаритная энергия WГ:

1.4.12.7 Коммутирующий конденсатор

Максимальный ток зарядаIмз:

Максимальный ток разряда Iмр:

Максимальное напряжение заряда Uмз:

Максимальное напряжение разряда Uмр:

Эффективный ток Iэф:

,

Где

Эффективное напряжение Uэф:

,

Где ,

Где ;

,

где

,

Габаритная энергия WГ:

,

Где

;

Габаритный заряд QСн:

Выбираем из «Информэлектро» коммутирующие конденсаторы: С7 МБГП-0,75 мкФ-1000В.

Выбираем из «Информэлектро» тиристоры VS1--VS3: ТБ 133-200

(УДК 621.382.253.026) со следующими основными параметрами:

Номинальный ток до 200(А);

Время включения tвкл= =4 мкс.

Для обеспечения требуемого напряжения на двигателе принимаем активное сопротивление дросселя L1 равным R1=0,448Ом.

Найдем напряжение на входе самого ШИП:

Где --противо-ЭДС двигателя

;

Дроссели L1 и L2 являются уникальными изделиями и изготавливаются с вычисленными выше параметрами.

Активное сопротивление дросселя L2 оставим прежним: R2=6,35 Ом.

2. Математическое моделирование силовой части преобразователя

Для начала найдем активное сопротивление якоря и его индуктивность.

Ом (43)

где --температурный коэффициент:

(44)

где Q1--паспортная температура();

Q2--рабочая температура ().

RЯ.Д.--сопротивление обмотки якоря двигателя;

RД.П.--сопротивление добавочных полюсов;

RЩ.--сопротивление щеточных контактов:

Ом (45)

RК.О. -- сопротивление компенсационной обмотки, т.к. компенсационные обмотки отсутствуют равно 0.

Индуктивность якоря:

 (46)

Где - коэффициент, учитывающий исполнение двигателя (для двигателей без компенсационной обмотки равен 0.6);

Р--число пар полюсов.

(47)

2.1 Разработка эквивалентной схемы замещения силовой части преобразователя

Эквивалентная схема замещения силовой части преобразователя имеет следующий вид представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема замещения силовой части преобразователя.

На рисунке 6:

-напряжение на выходе ШИП;

- индуктивность источника питания;

- активное сопротивление источника питания

;

- противо-ЭДС двигателя;

- индуктивность якорной цепи двигателя;

- активное сопротивление якорной цепи двигателя;

-падение напряжения на вентиле в отрытом состоянии ;

- индуктивность дросселя L1 ;

- активное сопротивление дросселя L1 ;

- индуктивность дросселя L2 ;

- aктивное сопротивление дросселя L2 R2=6,86 Ом;

- емкость коммутирующего конденсатора.

2.2 Разработка математического описания силовой части преобразователя

Для математического описания процессов в ШИП обобщенную схему, представленную на рисунке 6 можно изобразить в виде нескольких контуров, по которым протекает ток в течение различных интервалов работы преобразователя.

Контур №1, который формируется на интервале времени tk0 можно представлен на рисунке 7. На этом интервале ток якоря замыкается через обратный диод. Этот интервал продолжается до момента времени, когда ток в дросселе станет равным току нагрузки и диод VD8 перестанет проводить.

Противоэдс в данном контуре принимаем равной нулю.

Процессы, протекающие в первом контуре можно описать следующим уравнением

(48)

Начальные условия: .

Контур №2 можно представить в следующем виде (рисунок 7):

Рисунок 7 - Контур №2

В течение этого интервала ток нагрузки замыкается через силовой тиристор VS1 и дроссель L2. Процессы, протекающие во втором контуре можно описать следующим уравнением:

(49)

Следующий контур (рисунок 9) формируется после запирания силового тиристора, когда образуется колебательный контур разряда конденсатора C-VS2-L2.

Рисунок 8 - Контур №3

Процессы, протекающие в четвертом контуре можно описать следующими уравнениями

(50)

Начальные условия следующие: .

Начиная с момента открытия тиристора VS3, формируется контур заряда коммутирующего конденсатора (рисунок 9).

Рисунок 9 - Контур №4

Процессы, протекающие в третьем контуре можно описать следующим уравнением

(51)

Начальные условия следующие: , кроме случая первого включения, когда. Уравнение (51) описывает заряд коммутирующего конденсатора.

2.3 Разработка математического моделирования силовой части и расчет электромагнитных процессов

Для математического моделирования воспользуемся математическим пакетом MATLAB R2012b. Модель преобразователя в среде MATLAB представлена в приложении А. Результаты моделирования представлены в графической части проекта.

При построении модели преобразователя использованы следующие стандартные блоки среды MATLAB:

- DC Voltage Source -источник постоянного тока.

- Diode - модель диода. Параметры блока - падение напряжения в открытом состоянии (по умолчанию 0.8) , сопротивление и индуктивность во включенном состоянии (при построении модели не учитывались).

- Series RLC Branch - последовательно включённые сопротивление, индуктивность и ёмкость.

- Thyristor - модель тиристора. Задаются те же параметры, что и в модели диода.

Для управления тиристором используется блок Pulse Generator - вырабатывает последовательность импульсов заданной амплитуды, частоты и скважности.

- DC Machine - модель двигателя постоянного тока. Параметры: активное сопротивление и индуктивность якорной обмотки, активное сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения.

- Current Measurment и Voltage Measurment - измерение тока и напряжения.

- Scope - модель осциллографа.

Рисунок 10 - Математическая модель ШИП

Результаты моделирования представлены в Приложении.

С помощью ЭВМ рассчитаем электромагнитные процессы (в качестве исследуемых выбираем заряд и разряд коммутирующего конденсатора).

Данное моделирование выполнено в среде MATHCAD.

Время интегрирования изменяем до половины периода коммутации (т.к. на этом интервале происходит процесс перезаряда конденсатора), причем начальная точка отсчета t=0.

Определим относительное время интегрирования и начальные условия, соответствующие процессу разряда конденсатора:

Промоделируем процессы и построим графики по соответствующим уравнениям для разряда конденсатора:

Рисунок 11 - График напряжения разряда конденсатора

Рисунок 12 - График тока разряда конденсатора

Промоделируем процессы и построим графики по соответствующим уравнениям для заряда конденсатора:

Рисунок 13 - График напряжения заряда конденсатора

Рисунок 14 - График тока заряда конденсатора

3. Расчет регулировочных и внешних характеристик

Выражения для расчета регулировочной и внешней характеристики имеют один вид:

Ud=г•еп -Iн•(Rя+Rп )-2•ДUв (52)

где еп=

3.1 Расчет регулировочной характеристики

Регулировочную характеристику будем рассматривать как зависимость выходного напряжения от управляющего воздействия при номинальном токе двигателя.

Регулировочная характеристика идеального холостого хода:

Udхх(г)=еп•г (53)

Udхх(0)=0,

Udхх(1)= еп=133,513 В.

Но гмакс=0,93 - максимальная продолжительность включения для тиристоров. Тогда получаем ограничение напряжения:

Udхх(0.93)=133,513•0.93=124,17 В.

Далее определим регулировочную характеристику для режима номинального тока нагрузки Iн=15,5 А:

Ud(0)=0•133,513-15,5•(0.337+0.9598)-2•1,5=-17В;

Ud(0.93)=124,17-15,5•(0.337+0.9598)-2•1.5=107.07В;

гмin=17/107.07=0,158.

Рисунок15 - Регулировочная характеристика полученная в пакете Mathcad14.

3.2 Расчет внешних характеристик

Для расчета и построения внешних характеристик фиксируется управляющее воздействие и рассматривается допустимый диапазон изменения тока нагрузки. Согласно принятого диапазона существования характеристик будут рассматриваться лишь две крайние внешние характеристики при управляющих воздействиях гмакс и гмин , т.к. остальные внешние характеристики располагаются между этими двумя, параллельно им.

Рассмотрим оба граничных случая для режима холостого хода и номинального тока нагрузки:

Пусть г= гмакс =0,93:

Ud(0)=133,513-3=130.513В;

Ud(15,5)=130,513-15,5•(0.337+0.9598)-3=113,413В.

Пусть г= гмин =0,155:

Ud(0)=133,513•0,13-3=14.4В;

Ud(15,5)=133,513•0,13-15,5•(0.337+0,9598)-3=-3,8В.

Таким образом мы получаем регулирование напряжения от 113,413В до 10,6В, следовательно диапазон регулирования можно определить по формуле:

D=113.413/10,6=10,5.

Требуемый диапазон регулирования D=10 достигнут.

Рисунок16 - Внешние хапактеристики полученные в пакете Mathcad14.

Построим внешние характеристики в реальном режиме работы.

Построим область граничных токов

Рисунок17 - Область граничных токов

Тогда реальные внешние характеристики будут иметь вид:

Рисунок 18 - Реальные внешние хапактеристики полученные в пакете Mathcad14

Данные расчёты выполнены при помощи программы

Рисунок 19- Ток нагрузки при номинальной нагрузке

Рисунок 20 - Напряжение двигателя

Список литературы

1. Катков В. Проектирование и расчет систем автоматизированных вентильных электроприводов.

2. Справочник по полупроводниковым приборам под ред. Шульгин О.А, Шульгина И.Б., Воробьев А.Б.: Laser Art, version 1.1, 1997-компакт-диск.

3. Выбор низковольтных электрических аппаратов: Методические указания. - Могилев: ММИ. 1992. - 28 с.

4. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводе. М.: Энергия 1973.

5. Промышленный каталог №29. Часть 1.

6. Промышленный каталог №17.

7. Конденсаторы. Справочник.

8. Промышленный каталог №8.

Приложение