Разработка системы автоматического управления электроприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ЭАПУ

Контрольная работа

Разработка системы автоматического управления электроприводом

Выполнил: Поздяйкин Д. М.

Группа: ЗФ-015

Преподаватель: Симаков Г.М.

Новосибирск 2015



Исходные данные

Мощность двигателя - 13кВт

Номинальное напряжение - 380 В

Номинальная скорость вращения - 1500 об/мин

Полоса пропускания систем - 75 Гц

Примечание - ЭП переменного тока



1. Выбор системы электропривода и его функциональная схема

1.1 Выбор электродвигателя

Основываясь на исходных данных выбираем электродвигатель серии 4А:

Тип: 4А160S4УЗ

Технические данные:

Номинальное напряжение U_н - 380 В

Номинальная мощность Р_н - 13 кВт

Синхронная частота вращения n_s -1500 об\мин

Номинальное скольжение s_ном - 2,3 %

Отношение критического момента к номинальному m_k - 2,3

Динамический момент инерции ротора J_др - 0,1

Электромагнитные нагрузки

В_д - 0,72 Тл

А - 314 А\см

J - 5,7 А\мм²

Энергетические показатели

КПД з, %, при Р₂ \ Р_2ном , %

25 - 86

50 - 89,5

75 - 89,5

100 - 68,5

125 - 86,5

Электромагнитные нагрузки

cos ц, при Р₂ \ Р_2ном , %

25 - 0,63

50 - 0,81

75 - 0,87

100 - 0,88

125 - 0,88

Параметры Г-образной схемы замещения в относительных единицах

X_м = 4

в номинальном режиме

= 0,047

= 0,08

= 0,025

= 0,13

при коротком замыкании

= 0,038

= 0,08

= 0,18

1.2 Выбор системы электропривода

Электроприводы серии «ИРБИ-8» предназначены для общепромышленного применения и обеспечивают регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей серии 4А, АИР или других АД мощностью до 315 кВт в диапазоне частот от 1 до 100 Гц.

Электроприводы могут работать в режиме стабилизации частоты вращения при изменении нагрузки или стабилизации нагрузки путем изменения частоты вращения.

Преобразователи обеспечивают четырехквадрантную двухзонную область работы электропривода

Рис. 1 Области работы электропривода

Работа в первом и третьем квадранте - длительная (S1), во втором и в четвертом - повторно-кратковременная (S2). Первая зона характеристик (от 1 до 50 Гц) формируется с постоянством момента, вторая зона (от 50 до 100 Гц) - с постоянством мощности.

Исходя из мощности электропривода и условий эксплуатации выбираем следующую модель ИРБИ83-15, конструктивное исполнение 3: корпус IP-54, питание 3Ч380 В, 50 Гц, УХЛ3, 1(У2). Рис. 2.

Рис. 2 ИРБИ83-15

Технические данные ИРБИ83-15

Рекомендованная номинальная мощность двигателя - 15 кВт

Номинальный ток нагрузки - 32 А

Коэффициент датчика тока - 1\20 В\А

Резистор балластный встроенный - 19\0,4 Ом\кВт

Габаритные размеры СУ (охлаждение) - 56Ч880Ч220 (с вентил.)

Масса СУ не более - 34,7 кг.

Кратность перегрузки по току - 1,5 I_н в течении 40…60с.

Сигнал управления, соответствующей максимальной частоте вращения ротора (100 Гц или 50 Гц) двигателя или нагрузки 100% - 10 ± 0,1 В

ИРБИ83-15 имеет следующие виды защит:

-мгновенно-токовую (при коротком замыкании выходных шин "фаза-фаза" и "фаза-ноль питающей сети");

-от перегрева охладителя СУ (более чем +70°С);

-от перегрева двигателя при заклинивании механизма, перегрузки или обрыва фазы двигателя(через 40...60 с);

-от обрыва фазы питающей сети;

-от повышения напряжения питающей сети более чем на 20 %;

-от повышения напряжения в звене постоянного тока (на клеммах +L, - L) более чем 700В;

-от понижения напряжения питающей сети более чем на 30 %;

-от понижения напряжения питания системы управления электропривода;

-от перегрева балластного резистора при рекуперации;

-от короткого замыкания в цепи подключения выносного балластного резистора (клеммы +L,K).

Рабочее положение СУ - вертикальное. Допускается отклонение от вертикального положения до 5° в любую сторону.

Степень защиты СУ электроприводов от воздействия окружающей среды IP54 по ГОСТ14254-80.

1.3 Функциональная схема системы управления электроприводом

Рис. 3 Функциональная схема системы управления

Блок охлаждения (БО) предназначен для предотвращения перегрева охладителя силовых элементов выпрямителя и транзисторного инвертора. Питание блока охлаждения - от сетевого напряжения.

Блок выпрямителя с устройством предзаряда силового фильтра (ВУП) предназначен для выпрямления трех фаз сетевого напряжения и первоначального ограничения тока заряда силового L-C-фильтра при включении электропривода. Цепь предзаряда шунтируется по сигналу U_упр1 блокировки режима предзаряда, который формируется в блоке источника питания (ИП).

Элементы управления выпрямителем расположены на плате УВЗ-1, схема которой здесь не приведена. Кроме того, на плате УВЗ-1 расположено устройство контроля сетевого напряжения, которое формирует сигнал блокировки U_бл1 по следующим признакам:

· повышение сети более чем на 10 %;

· понижение сети более чем на 15 %;

· обрыв фазы.

Сигнал блокировки U_бл1 передается в блок управления инвертора (БУИ) через оптопару, выключенное состояние которой определяет аварийную ситуацию.

Блок силового фильтра предназначен для компенсации индуктивности подводящей сети и фильтрации напряжения звена постоянного тока шин +L, -L, что необходимо для нормальной работы блоков ИП и И.

Трехфазный транзисторный инвертор напряжения (И) предназначен для преобразования напряжения звена постоянного тока (шин +L, -L) в трехфазную систему синусоидальных напряжений, сдвинутых на 120 эл. град между собой, регулируемых по амплитуде и частоте огибающей. Преобразование производится методом широтно-импульсной модуляции на несущей частоте 2…5 кГц. Блок состоит из шести транзисторных ключей, которые управляются по шине управления от блока управления инвертором (БУИ) сигналами U_упр3.

Вторичный источник питания (ИП) предназначен для создания стабилизированного по амплитуде высокочастотного напряжения (30 В/ 50кГц) и формирования сигнала блокировки U_бл1 (для блока ВУП). Источник питается от нестабильного напряжения звена постоянного тока (шины +L, -L). Работоспособность

источника сохраняется при изменении питающего напряжения от 450 до 750 В. Высокочастотное напряжение необходимо для питания гальванически развязанных между собой источников постоянного напряжения, расположенных в блоках систем управления инвертором и электроприводом. Устройство регенерации (УР) предназначено для гашения энергии рекуперации электродвигателя в балластных резисторах при превышении напряжением звена постоянного тока установленного рабочего значения (750 В).

По сигналу U_упр2 с выхода БУИ открывается транзисторный ключ и излишки энергии, запасенные в конденсаторах силового фильтра, гасятся в балластных резисторах R_б. Элементы управления ключом расположены в блоке БУИ.

Блок управления инвертором (БУИ) предназначен для формирования сигналов управления U_упр3 шестью транзисторами инвертора блока И и U_упр2 транзистором блока УР.

На вход блока БУИ, по шине U_упр4, из блока управления электропривода (БУЭ) приходят три синусоидальных сигнала заданной амплитуды и частоты, которые, поступая на трехфазный ШИМ, преобразуются в широтно-импульсную последовательность управления транзисторами инвертора И.



2. Расчет параметров и выбор элементов системы электропривода

2.1 Расчет параметров асинхронного электродвигателя

В справочной литературе по асинхронным двигателям (АД) приведены параметры для Г - образной схемы замещения

Рис. 4. Г-образная схема замещения АД

Перейдем к Т-образной схеме замещения используя формулы:

индуктивное сопротивление Т-образной схемы замещения:

активное сопротивление Т-образной схемы замещения:

индуктивное сопротивление ротора Т-образной схемы замещения

активное сопротивление ротора Т-образной схемы замещения

Для упрощения расчета характеристик параметры асинхронной машины выражают в относительных единицах, принимая за базисное значения номинальное фазное напряжение и номинальный фазный ток статора.

Перейдем от относительных единиц к действительным параметрам.

Коэффициент, для перехода от относительных единиц к действительным параметрам:

где

Найдем эквивалентное сопротивление обмотки ротора:

Эквивалентное активное сопротивление обмотки статора:

Найдем эквивалентную индуктивность намагничивания:

Определим индуктивности рассеяния статора и ротора:

Гн

Полные индуктивности статора и ротора:

Эквивалентная индуктивность рассеивания двигателя:

Постоянная времени роторной цепи:

Рассчитаем абсолютные значения остальных параметров:

2.2 Механические и скоростные характеристики

Построение механических характеристик электродвигателя

Номинальный момент электродвигателя:

Где

Определим критическое скольжение о формуле:

Критический момент электродвигатель инвертор ротор статор

Механическую характеристику строим согласно выражению:

Рис. 5. Механическая характеристика электродвигателя

Скоростные характеристики электродвигателя

Скоростную характеристику строим следующим образом:

Где

Ток намагничивания составляет небольшую часть от номинального тока статора, а именно:

Рис. 6. Скоростные характеристики



2.3 Расчет силовой части электропривода

Рис. 7. Силовая часть схемы частотно-регулируемого электропривода

Расчет и выбор диодов

Максимальное амплитудное напряжение на диоде:

Средний ток через диод для трехфазной мостовой схемы:

Средний ток, приведенный к классификационным параметрам диода:

Исходя из условия

выбираем диоды Д151-125

Емкость конденсатора сглаживающего фильтра

Где

Т.к. рассчитанное значение емкости конденсатора получилось слишком большим, используем Г-образный индуктивно-емкостной фильтр.

Индуктивность дросселя

Емкость фильтрующего конденсатора

Используем два параллельно включенных конденсатора емкостью

Расчет балластного резистора устройства регенерации

Расчёт балластного резистора произведём из условия равенства энергии запасаемой в конденсаторе, энергии электропривода и энергии используемой на нагрев балластного сопротивления:

Где

12.15 Ом

Максимально допустимый ток якоря из условий эксплуатации:

Максимальный ток якоря, приведенный к классификационным параметрам транзистора:

Максимальное напряжение, которое прикладывается к транзистору во время его запирания:

Исходя из условий:

Выбираем гибридный модуль на основе IGBT производство компании SIMENS AG BSM400GA120DN2. Исходя из условий:

Выбираю диоды Д161-400 с характеристикой ,

Защита транзисторов от перенапряжений

Предельное значение производной напряжения при включении силового транзистора:

Активное сопротивление RC - цепи:

Емкость конденсатора:

Используем конденсатор С = 1*10^-6 Ф

Выбор схемы управления силовыми ключами

Для управления силовыми ключами используем драйверную микросхему Mitsubishi electric M57915L

Рис. 8. Функциональная схема драйвера M57915L

Литература

1. Алиев И.И. Электротехнический справочник.- 4-е изд., испр.-М.: ИП РадиоСофт, 2001.-384с.

2. Асинхронные двигателя серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. - М.: Энергоиздат, 1982.

3. Автоматические выключатели серии АЕ-25: Каталог 07.00.06-86. - М.: Информэлектро, 1986.

Размещено на Allbest.ru