Управление тиристорным электроприводом

51

Содержание

Задание

1. Введение

2. Выбор электродвигателя

3. Выбор структуры и системы управления электроприводом

4. Выбор комплектного тиристорного электропривода

5. Составление электрической принципиальной схемы управления электроприводом

6. Определение элементов силового электрооборудования и выбор силового оборудования

7. Синтез регуляторов

8. Выбор защит электропривода и расчет их установок

9. Построение статических характеристик разомкнутой и замкнутой системы ЭП

10. Исследования качества переходных процессов в проектируемой системе ЭП с применением ЭВМ

Список использованной литературы

Задание

Исходные данные для проектирования:

1. Диапазон мощностей, в пределах которого будет выбран двигатель: 10-50 кВт.

2. Момент инерции механизма в долях по отношению к моменту инерции двигателя : 0,5.

3. Изменение момента статической нагрузки : 1,0

4. Допустимые колебания напряжения сети

: =0,15

5. Диапазон регулирования скорости вниз от номинальной:

D₁==15

6. Диапазон регулирования скорости вверх от номинальной:

D₂==1,5

7. Допустимая статическая погрешность поддержания скорости при минимальной уставке: =0,13

8. Величина токоограничения при упоре:=2,5

9. Ускорение электропривода при пуске: =0,8

1. Введение

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат, состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса. Необходимо хорошо знать назначение отдельных элементов, составляющих машинное устройство, иначе невозможно обслуживать ее в эксплуатации.

Различают регулируемый ЭП, параметры движения которого могут различаться по внешним командам, и нерегулируемый. Наиболее совершенным видом регулируемого ЭП является электропривод постоянного тока, в котором регулирование осуществляется изменением среднего значения напряжения, приложенного к якорю электродвигателя постоянного тока. В последнее время в качестве источника регулируемого напряжения постоянного тока используют, как правило, тиристорные преобразователи. Такие электроприводы называют тиристорными.

Электропривод, разработанный в данном проекте, может быть использован в различных производственных механизмах, где требуется автоматическое регулирование скорости, большая жесткость механической характеристики и широкий диапазон регулирования.

2. Выбор электродвигателя

Ориентируясь на исходные данные, принимаем для электропривода двигатель серии 4П.

Тип двигателя: 4ПФ250LУХЛ4.

Номинальные данные:

Мощность: Р=250 кВт;

Напряжение: U=440B;

Номинальный ток: 614 А;

Частота вращения: номинальная n_ном=1500 об/мин;

максимальная n_макс=3000 об/мин;

КПД=91 %;

Сопротивление обмотки якоря (при 15⁰С): R_я=0,013 Ом ;

Сопротивление добавочных полюсов (при 15⁰С): R_д=0,0081 Ом;

Сопротивление обмотки возбуждения (при 15⁰С): R_в=14,8 Ом;

Момент инерции: J=3,86 кг·м² ;

Исполнение двигателя: IM1003.

Запись типа двигателя означает:

1. 4П - название серии;

2. Н - исполнение по способу защиты и вентиляции ( защищенное с самовентиляцией);

3. 250 - высота оси вращения, мм;

4. L - длина сердечника якоря - большая;

5. УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Техническая характеристика машин серии 4П.

Условия эксплуатации:

1. Высота над уровнем моря - до 1000 м,

2. Температура окружающего воздуха от 5 до 40 ⁰С,

3. Относительная влажность воздуха до 80% при температуре от 25 до 40 ⁰С и при более низких температурах без конденсации влаги.

4. Окружающая среда не взрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров, в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию.

5. Режим работы двигателя - продолжительный S1.

6. Превышение температуры обмоток при установившемся тепловом состоянии двигателей типа 2ПН соответствует классу F(150⁰С).

3. Выбор структуры системы управления электропривода

Выбор структуры системы управления электропривода производиться с учетом требований задания на электропривод. Основными требованиями к электроприводу являются:

- поддержание заданной скорости вращения ЭП (с учетом требуемого диапазона регулирования скорости),

- величина токоограничения при упоре,

- ускорение ЭП при пуске.

Для управления ЭП используются два типа систем управления - разомкнутая и замкнутая. Разомкнутая система управления имеет низкую точность и ограниченный диапазон регулирования. Для расширения диапазона регулирования и повышения точности используются замкнутые системы регулирования. Идея замкнутых систем сводится к тому, что в системе автоматически компенсируются воздействие возмущающих факторов и угловая скорость или момент двигателя могут с большей точностью поддерживаться на требуемом уровне.

Для осуществления автоматического регулирования необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напряжения сравнить с заданным в виде напряжения с значением регулируемой величины и направить результат сравнения регулируемому объекту. Обычно энергии регулируемого органа бывает недостаточно для воздействия на регулирующий орган, поэтому возникает необходимость в применение усилительного устройства. Перечисленные элементы (измерительный орган, усилитель и регулирующий орган) входят в устройство регулятора, осуществляющего процесс регулирования.

Таким образом, система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и регулятора, реагирующего на изменение регулируемой величины. Ограничение момента, развиваемого приводом, до требуемого значения с определенной точностью может произойти, например, при снижение ЭДС преобразователя, питающего якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Автоматически это выполняется при соответствующей обратной связи. В данном случае целесообразно применить отрицательную обратную связь по току, которая вступает в действии при достижении током (или моментом при Ф=const) заданного значения. Для управления электроприводом принимаем двухконтурную схему с внешним контуром регулирования скорости и внутренним подчиненным контуром регулирования тока якоря двигателя.

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. В структурную схему входят: двигатель постоянного тока, тиристорный преобразователь, регуляторы тока и скорости, датчики обратных связей тока и скорости.

Рис. Структурная схема двухзонного регулирования.

4. Выбор комплектного тиристорного электропривода

Основными техническими данными являются номинальные ток I_нтп и напряжение U_нтп. номинальный ток комплектного электропривода должен быть больше номинального тока двигателя:

I_нтп I_ндв.

Номинальное напряжение электропривода должно быть меньше номинального напряжения комплектного привода на 5-10%, что обеспечивает запас на регулирование скорости и на безопасное инвертирование при снижении напряжения питающей сети.

Выбор комплектного тиристорного электропривода производим по току, напряжению и регулируемой координате (в данном случае - скорости).

ОАО «Уралэлектротяжмаш» выпускает комплектные ТП серии КТЭ. Обозначение ТП имеет следующий вид:

КТЭ-Х1/Х2ХЗ-Х4Х5Х6-Х7-Х8-Х9УХЛ4, ХГ

где X1 --номинальный ток, А:

Х2 -- номинальное напряжение, В;

ХЗ -- исполнение:

М-- модернизированный (до 1000 А, 750 В),

Е -- с усиленной изоляцией, с естественным охлаждением,

В -- с усиленной изоляцией, со встроенным вентилятором;

Х4 -- исполнение КТЭ по числу питаемых двигателей:

-- возбудитель,

-- однодвигательный,

-- двухдвигательный;

Х5 -- режим работы:

1 -- нереверсивный,

2 -- реверсивный;

Х6 -- связь с питающей сетью:

Р -- реакторная,

Т -- трансформаторная (Т2 -- для 12 -пульсной схемы),

Н -- непосредственная;

Х7 -- обозначение примененной системы автоматического регулирования:

04 -- однозонная система регулирования скорости,

05 -- однозонная система регулирования положения,

08 -- двухзонная система регулирована скорости;

Х8 -- встроенные устройства:

К -- контактор линейный,

Д -- устройство динамического торможения,

М -- устройство питания электромагнита механического тормоза,

Т -- устройство питания обмотки возбуждения тахогенератора;

Х9 -- количество КТЭ в одном шкафу;

УХЛ4--климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ15150--79.(УХЛ4-исполнение для районов с холодным и умеренным климатом.)

Обозначения Х4--Х9 не влияют на параметры силовой части ТП, они требуются при заказе комплектного ЭП.

Принимаем комплектный тиристорный электропривод серии КТЭ:

КТЭ-800/440В-12Т-08-Д-1УХЛ4. - для якорной цепи

КТЭ-25/440Е-01Т-08-Т-1УХЛ4. - для цепи возбуждения

В состав КТЭ входят:

- электродвигатель с тахогенератором;

- ТП для питания якоря электродвигателя, состоящий из силовых тиристоров с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных и защитных RLC-цепей, СИФУ, устройств выделения аварийного режима, контроля предохранителей и защиты от перенапряжений;

- ТП для питания обмотки возбуждения;

- силовой трансформатор;

- коммутационная и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного тока;

- сглаживающий реактор в цепи постоянного тока;

- устройство динамического торможения;

- система управления электроприводом;

- комплект аппаратов, приборов и устройств, обеспечивающих оперативное управление, контроль состояния и сигнализацию электропривода.

Основной схемой преобразования в комплектных тиристорных электроприводах является трехфазная мостовая. Увеличение номинального тока ТП достигается параллельным включением тиристоров в плече. В реверсивных электроприводах используется противопараллельное включение выпрямительных мостов. Для устранения уравнительных токов предусматривается раздельное управление выпрямительными мостами.

Состав преобразовательной части ЭП. Преобразовательная часть ЭП состоит из силовых тиристоров, системы их охлаждения, защитных RC-цепей, системы гальванического разделения и преобразователя уровня управляющих импульсов, СИФУ, системы защит и сигнализации. К преобразовательной части относят также сетевой трансформатор, автоматические выключатели на стороне постоянного и переменного тока, сглаживающий реактор.

Сетевые трансформаторы по своим номинальным параметрам - напряжению и току - согласуются с номинальными параметрами электропривода. Автоматические выключатели применяют для защиты ТП и электродвигателя в аварийных режимах. В основном используются автоматические выключатели серии А3700 и ВАТ-42.

Назначение сглаживающих реакторов - уменьшать пульсации тока якоря электродвигателя, ухудшающие его коммутацию, зону прерывистых токов и скорость нарастания аварийного тока.

Силовая часть ТП. Основной схемой преобразования в комплектных тиристорных электроприводах является трехфазная мостовая. Увеличение номинального тока ТП достигается параллельным включением тиристоров в плече. Защита тиристоров осуществляется предохранителями типа ПП57.

Для выравнивания токов в параллельно включенных тиристорах применяют индуктивные делители тока. В вентильных однофазных блоках (БВО) индуктивность делителя равна 4-5мкГн. Для снятия перенапряжений при коммутации тиристоров используют RC-цепи, включенные параллельно тиристорам. Для потенциального отделения цепей формирования управляющих импульсов тиристоров от высокопотенциальных цепей управляющих электродов устанавливают импульсные трансформаторы.

В реверсивных электроприводах используется противопараллельное включение выпрямительных мостов. Для устранения уравнительных токов предусматривается раздельное управление выпрямительными мостами. Силовая часть ТП состоит из тиристоров Т9-250, по2 тиристора в плече. Вентиляция тиристоров принудительная. Предохранители для тиристоров не предусмотрены.

Система импульсно-фазового управления. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для преобразования выходного напряжения системы управления u_у в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол , зависящий от значения u_у.

В современных электроприводах СИФУ выполняют как синхронные многоканальные, т.е. в них выполняется отсчет угла от моментов естественного отпирания для каждого плеча моста (или для каждой пары противофазных плеч). СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления u_у. и опорные напряжения u_оп узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла и выходных усилителей. В реверсивных электроприводах СИФУ дополняется узлом выбора выпрямительного моста АВ.

СИФУ имеет следующие данные:

- Максимальное входное напряжение: не более 8-10 В;

- Входной ток: не более 5 мА;

- Напряжение синхронизации с питающей трехфазной сетью: 380В;

- Допустимые коммутационные провалы: 400% град;

- Температурный дрейф при изменение температуры от 1 до 40⁰С: не более 4;

- Диапазон изменения угла управления: 5-170 град;

- Ассиметрия импульсов отдельных каналов: не более 3 град.

Система защит преобразовательной части.Преобразовательная часть тиристорных ЭП снабжается быстродействующей системой защиты, обнаружить аварию и локализовать ее, уменьшить ее вредные последствия. Большая часть аварий влечет появление значительных токов в тех или иных элементах силовой цепи. Некоторые виды аварий могут вызвать выход из строя элементов схемы без увеличения тока; например, отключение принудительной вентиляции вызовет перегрев тиристоров даже при номинальном токе; некоторые элементы выходят из строя при появлений перенапряжений, в частности, приходящей из питающей сети.

ЭП имеют следующие виды защит:

- от выхода из строя тиристоров от внешних и внутренних коротких замыканий, открывания тиристора в неработающей группе, опрокидывания инвертора;

- от перенапряжений на тиристорах;

- от аварийной перегрузки на тиристорах;

- от аварийных процессов при исчезновении напряжения собственных нужд и силового напряжения;

- от недопустимой продолжительности работы при исчезновении принудительной вентиляции;

- от снижения тока возбуждения двигателя ниже допустимого;

- от превышения допустимого тока возбуждения;

- от перенапряжения на якоре двигателя;

- от превышение скорости двигателя;

- от неправильного порядка сборки схем;

- от перегрузки двигателя, превышающей заданную в течение определенного времени (до 20с) или защиту по среднеквадратичному току;

- от аварийных режимах маслонаполненного трансформатора;

- от включения ТП на вращающейся двигатель или при напряжение на выходе ТП, не равном нулю;

- от нарушения изоляции элементов силовой цепи.

При всех видах защит обеспечивается определенная селективность защит, недопускающая перегорания предохранителя или тиристора, если данная авария может быть отключена автоматическим выключателем или сеточной защитой ТП, переводящей импульсы управления в инвертор. Для облегчения эксплуатации и поиска неисправностей ЭП снабжены аварийной и предупреждающей сигнализацией. Аварийные и предупреждающие сигналы запоминаются с выдачей их на световую индикацию и во внешней цепи.

Также предусмотрена система контроля состояния предохранителей и вентиляции.

Система управления ЭП. Системы управления обеспечивают требуемые характеристики ЭП. Они состоят из аналоговых или цифровых регуляторов, изменяющих с необходимой точностью по заданному закону основную координату ЭП и ограничивающих допустимые значения промежуточных координат, логических систем, служащих для управления режимами ЭП, сигнализации и защиты.

В зависимости от использования элементной базы системы управления выполняются аналоговыми, цифровыми и аналого-цифровыми. Наибольшее распространение получили аналоговые системы. Преимущественное значение получили системы, построенных на принципах подчиненного регулирования параметров с последовательной коррекцией.

Системы управления данного ЭП строятся на аналоговых элементах, которые объединяются в функциональные узлы, решающие определенные задачи, многие из которых повторяются в различных по своему назначению системах управления.

Срок службы электропривода составляет 10-15 лет, наработка на отказ в течение времени двухлетней гарантийной работы - 4000-6500 ч. Электропривод сохраняет свои номинальные параметры при изменение напряжения питающей сети 380В на +10 или 15%. КПД электропривода без учета потерь в двигателе составляет в зависимости от мощности 0,9-0,97. Коэффициент мощности составляет 0,82-0,85.

В системе управления регуляторы выполняем на операционных усилителях серии К140.

Выбираем микросхему серии К1УТ402А

Рис. Схема соединения выводов микросхемы К1УТ402А.

Технические характеристики микросхемы:

U_ип1 (вывод 7)=+12,6 В;

U_ип2 (вывод 1)=-12,6 В;

I_пот не более 12 мА;

K_у=20000-200000;

I_вх не более 1,5 мкА;

U_см не более ±10 мВ;

ДI_вх не более ±0,5 мкА;

U_вых=±10 В;

U_{сф.макс} не более ±6 В;

U_вх не более ±4 В

R_н не менее 1кОм.

Допускаемое отклонение значения напряжения питания микросхемы не более ±5%.

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала не менее 1 кОм.

5. Определение параметров и выбор элементов силового электрооборудования

Рис. Схема силовой части ТП - Д.

Параметры электродвигателя.

Мощность, потребляемая двигателем из сети:

где Р₂ - номинальная мощность двигателя;

з - КПД двигателя;

.

Температурный коэффициент обмоток двигателя:

k_t=1+

где t - превышение температуры обмоток, соответствующее классу F;

t₀ - первоначальная температура обмотки;

- температурный коэффициент меди;

k_t=

Сопротивление якорной цепи двигателя:

R_яд=k_t

Где R_я - сопротивление якоря;

R_дп - сопротивление дополнительных полюсов;

R_яд=

Сопротивление обмотки возбуждения с учетом температуры:

R_в=k_t• R_в?=1,53·14,8=22,64 Ом.

Номинальный ток возбуждения:



Конструктивный коэффициент двигателя:

c= ,

где - угловая частота вращения двигателя;

здесь - частота вращения ротора двигателя

c=

Обмотка возбуждения:

Число параллельных ветвей обмотки якоря:

Выбираем исходя из условия что ток в ветви не превышал 250 - 350 А

2а=2 (исходя из номинального тока двигателя)

2р=4 (так как h>112 мм) /4 стр. 222/

Ток в параллельной ветви:

Число проводников обмотки якоря:

где D_a=25,8 см - диаметр якоря; /4 стр223/

А= 380 ^А/_см - линейная электромагнитная нагрузка; /9 стр. 225/

Конструктивный коэффициент двигателя:

Номинальный поток двигателя:

Момент инерции привода:

,

где - момент инерции рабочей машины;

- по условию

Скорость холостого хода:



.

Номинальный момент двигателя:

Индуктивность якорной цепи

где k=0,6 - коэффициент, учитывающий наличие компенсационной обмотки.

Индуктивность обмотки возбуждения:

Принимаем, что постоянная времени обмотки возбуждения равна 1,3 с тогда:

Выбор трансформатора.

Необходимый ток трансформатора:

Ток трансформатора выбираем с учетом коэффициента схемы по току для трехфазной мостовой схемы, который равен 0,82:



и тогда ток трансформатора равен:

Принимаем трансформатор ТСЗП-630/10 -УХЛ3 со следующими номинальными данными:

Мощность: S=580 кВА;

Номинальное напряжение:

Силовой обмотки: U₁=10 кВ;

Вентильной обмотки: U₂=410 В;

Преобразователя: U₂=460 В;

Номинальный ток:

Вентильной обмотки: 816 А;

Преобразователя: 1000 А.

Потери:

холостого хода: P_хх=2100 Вт;

короткого замыкания: P_кз=6000 Bт;

Ток холостого хода: I_хх=2,2 %;

Напряжение короткого замыкания: U_кз=5,9 %;

Схема соединения обмоток: Д-Y-0

Структура условного обозначения трансформатора:

Х1 Х2 Х3 Х4- Х5 / Х6 - Х7

Х1 - число фаз (Т - трехфазный);

Х2 - вид охлаждения (СЗ - естественное воздушное при защищенном исполнении)

Х3 - количество вторичных обмоток (Т - для трехобмоточных; для духобмоточных не указываются)

Х4 - тип преобразователя ( П - для полупроводниковых выпрямителей);

Х5 - типовая мощность в кВА;

Х6 - класс напряжения сетевой обмотки в кВ;

Х7 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ15150--79.(УХЛ4-исполнение для районов с холодным и умеренным климатом.)

Климатическое исполнение по ГОСТ15150--79 имеет следующее обозначение:

УХЛ - умеренно-холодный климат;

Категория размещения по ГОСТ15150--79:

2 - трансформаторы с масленым охлаждением;

3 - трансформаторы с воздушным охлаждением мощности 160 кВА и выше;

4 - трансформаторы с воздушным охлаждением мощностью до 100 кВА и совтоловым охлаждением

В соответствии с ГОСТ 16772 - 77 трансформаторы и реакторы для электропривода должны выдерживать следующие перегрузки:

75% - 1 мин

100% - 15 с

150% - 10 с

Активное, полное и индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, приведенные ко вторичной стороне:

Индуктивность фазы вторичной обмотки трансформатора:

Выбор тиристоров.

Так как схема соединения тиристоров трехфазная мостовая, то угол проводимости каждого тиристора , то есть каждый тиристор находится во включенном состояние третью часть периода.

Максимально-допустимый средний ток через тиристоры:

Принимаем параллельное соединение тиристоров, для уменьшения габаритов охладителя и соответственно габаритов ТП. Для выравнивания параметров тиристоров, последовательно подключаем плавкие предохранители.

Рис. Схема соединения тиристоров.

Где FU - плавкие предохранители.

Так как в плече включено параллельно 2 тиристора, то ток в каждом тиристоре будет равен половине тока в плеча моста:

I_т=0,5•I_пт=0,5•512=256 А.

Выбираем тиристоры Т171 - 320 - 10 - УХЛ4.

Структура условного обозначения тиристора:

Т Х1 Х2 Х3 Х4 - Х5 - Х6 - Х7 - Х8 - Х9 - Х10 - Х11 - Х12

Т - тиристор;

Х1 - вид тиристора;

Х2 - номер модификации;

Х3 Х4 - конструктивное исполнение;

Х5 - средний ток;

Х6 - класс;

Х7 Х8 Х9 Х10 - группа по динамическим параметрам;

Х11 - пределы импульсного напряжения;

Х12 - климатическое исполнение и категория размещения.

Тиристоры Т171 - 320 - 10 - УХЛ4, используемые в КТЭ, имеют следующие данные:

Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии: I_пр=320А;

Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии: 300-1600В;

Пороговое напряжение: U_т=1,05 В;

Ударный повторяющийся ток в открытом состоянии: 7 кА;

Сопротивление тиристора: не более 0,55 мОм.

Выбор реактора.

Сглаживающий реактор выполняет три функции:

- сглаживает пульсации выпрямленного тока;

- уменьшает зону прерывистых токов;

- ограничивает скорость нарастания аварийного тока через тиристоры при коротком замыкании на стороне выпрямленного тока.

Рассчитываем величину сопротивления реактора:

Максимальное значение выпрямленного напряжения

где =1,4 - коэффициент учитывающий 5% повышение напряжения сети и падения напряжения на всех элементах силовой цепи

Угол управления тиристорами:

Амплитудное значение первой выпрямленной гармоники:

где m=6 - число пульсаций выпрямленного напряжения.

Необходимая индуктивность цепи выпрямленного тока:

где w =314 ^рад/_с - угловая частота питающей сети;

q=0,02 - коэффициент пульсаций;

Расчетная индуктивность сглаживающего реактора:

.

Принимаем реактор ФРОСЗ-1000/0,5 со следующими номинальными параметрами:

Постоянный ток: I_н=800А;

Индуктивность: L_др=4,6 мГн;

Активное сопротивление: R_др=9,4 мОм. (при t=40⁰С).

Структура условного обозначения реактора:

Х1 Х2 Х3 Х4 - Х5 / Х6

Х1 - назначение ( Ф - фильтровой, С - сглаживающий);

Х2 - вид изделия (Р - реактор);

Х3 - число фаз (О - однофазный);

Х4 - охлаждение (СЗ - естественное воздушное при защищенном исполнении);

Х5 - типовая мощность (условная), кВА;

Х6 - класс напряжения, кВ.

Выбор плавкого предохранителя.

Плавкий предохранитель выбираем по току, проходящему через тиристоры

Принимаем предохранитель типа ПП57 - 3937

Структура условного обозначения предохранителя:

ПП 57 - Х1 Х2 Х3

ПП - предохранитель плавкий;

57 - номер серии;

Х1 - номинальный ток основания;

Х2 - номинальное напряжение основания предохранителя

(2 - 220 В, 3 - 380 В);

Х3 - конструктивное исполнение.

Номинальные параметры предохранителя:

Ток предохранителя: 400 А;

Ток плавкой вставки: 315 А;

Наибольшее допустимое напряжение постоянного тока: 440 В.

Параметры силового электрооборудования.

Активное сопротивление якорной цепи:

R_яц=R_яд+2·R_тр+R_др+R_п.в,

Где R_яд - собственное сопротивление якорной цепи двигателя;

R_тр - активное сопротивление трансформатора;

R_др - активное сопротивление сглаживающего дросселя;

R_{п. в,}- сопротивление, учитывающее коммутационные потери в тиристорном преобразователе.

R_п.в=

здесь m - число пульсаций в кривой выходного напряжения;

m=6 - для мостовой схемы.

R_п.в=Ом

R_яц=0,0322+2•0,003+9,4·10^-3+0,028=0,0756 Ом.

Индуктивность якорной цепи:

L_яц=2•L_тр+L_др+L_я;

где L_тр - индуктивность фазы вторичной обмотки трансформатора;

L_др - индуктивность дросселя;

L_дв - индуктивность якоря двигателя;

L_яц=2•9,363·10^-2+4,6+1,37=6,15 мГн.

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:

T_я=с.

Электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения:

T_в=1,3 с. (по условию)

Жесткость естественной характеристики электропривода:

.

Механическая постоянная времени электропривода:

T_м=с.

Максимальный ток якорной цепи двигателя (ток упора):

I_{я макс}=2,5•I_н=2,5•614=1535 А.

Коэффициенты передачи электропривода.

При этом будем считать, что рабочие области передаточных характеристик линейны, а максимальный сигнал обратной связи равен 10 В.

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя:

K_тп=,

где U_ном- максимальное напряжение на выходе тиристорного преобразователя;

U_СИФУ - максимальное входное напряжение СИФУ.

Коэффициент передачи обратной связи по скорости:

к_ос=,

где - скорость холостого хода двигателя (принимаем ее как максимальную).

U_о.с - максимальное напряжение в цепи обратной связи.

к_ос=,

Коэффициент передачи обратной связи по току якоря:

k_от=;

Коэффициент передачи обратной связи по току возбуждения:

k_ов=;

Коэффициент передачи обратной связи по току ЭДС:

k_оэ=;

Универсальная характеристика намагничивания для двигателей постоянного тока:

Iв *,о.е.	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,9	1
Ф *,о.е.	0	0,2	0,36	0,5	0,6	0,72	0,8	0,95	1

Коэффициент передачи магнитной цепи:

6. Синтез регуляторов

Якорная цепь

Синтез контура тока

Контур тока является внутренним и выполнен с отрицательной обратной связью по току. Настройку контура тока осуществляет регулятор тока. При этом один регулятор тока воздействует на оба вентильных преобразователя.

Регулятор тока якоря на вход получает сигнал задания u_зт с выхода регулятора скорости и сигнал обратной связи u_дт с выхода датчика тока. На выходе он формирует напряжение управления u_у в СИФУ ТП, определяющие угол управления . Параметры регулятора выбираются по соотношениям:

R₂·C=T_я;

R₁·C=T_и;

Сигнал обратной связи по току снимается с шунта, установленного в главной цепи; датчик тока осуществляет гальваническое разделение цепей управления от главных цепей и усилению по напряжению. Возможно также использования датчика тока на основе трансформаторов тока, установленных на стороне переменного тока ТП, и ключей, изменяющих полярность обратных связей при переключение мостов.

На регулятор возлагаются также другие функции: ограничение скорости нарастания тока di/dt, улучшение динамики тока в зоне прерывистого тока, компенсация влияния ЭДС двигателя на характеристики контура, обеспечение режима стоянки двигателя, управление переключением выпрямительных мостов реверсивного ТП.

Разомкнутый контур регулирования тока, настроенный на модульный оптимум с учетом неединичной обратной связи имеет передаточную функцию:

;

Где: - постоянная времени тиристорного преобразователя;

а=2- коэффициент настройки при настройки на модульный оптимум.

Регулятор тока при настройки на модульный оптимум должен быть пропорционально-интегральным. Наличие интегрального канала позволяет получить вертикальный наклон механической характеристики.

Пропорциональный канал позволяет увеличить быстродействие. Передаточная функция регулятора тока имеет вид:

.

Постоянная времени ПИ-регулятора:

T_и=;

где к_от=- коэффициент обратной связи по току.

T_и= с.

Определим пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора тока:

к_рт=.

По определенной передаточной функции для ПИ-регулятора рассчитываются элементы регулятора тока.

Для регулятора тока, реализуемого на операционном усилителе передаточная функция записывается:

;

где: k_рт=;T_и=R_вх·C_ос.

Усилители должны иметь входное сопротивление R_вх в пределах от 10 до 200кОм. Поэтому сначала выбирается значение емкости в пределах от 0,1 до 1мкФ. Принимаем значение емкости в цепи обратной связи операционного усилителя: С_ос=0,5 мкФ.

Значение сопротивления входа ОУ определим из соотношения:

кОм.

Значение сопротивления обратной связи ОУ определим из соотношения:

Синтез контура скорости.

Контур регулирования скорости является внешним по отношение к контуру регулирования тока, т.е. система является с подчиненным регулированием координат. Для реализации регулирования скорости принимаем ПИ-регулятор.

В системах подчиненного регулирования выходной сигнал регулятора скорости является сигналом задания тока u _зт для регулятора тока. На регулятор скорости и связанные с ним узлы возлагаются дополнительные задачи: ограничение сигнала u _зт допустимым значением, которое может зависеть от порока двигателя Ф, ограничение скорости изменения тока di/dt, формирование требуемой жесткости механических характеристик ЭП, прием сигналов задания скорости двигателя обеспечения изменения с определенным ускорением и др.

В КТЭ предусмотрена возможность использования двух задатчиков скорости: сельсинов командоаппарата UR и ступенчатого задатчика AQ на 3 ступени “вперед” или “назад”. Выходы соединяются вместе и подаются на вход задатчика интенсивности. В каждый момент задает скорость тот задатчик, который выбран (разрешен) внешним сигналом. Имеется вход для общего запрета задания, а конечные ограничения для хода “вперед” или “назад”. При нуле нуль-орган AU выдает сигнал, разрешающий сборку схемы.

Замкнутый контур, настроенный на симметричный оптимум имеет передаточную функцию:

.

Определим пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора тока:

к_рс=

Постоянная времени ПИ-регулятора:

T_рс=;

Принимаем значение емкости в цепи обратной связи операционного усилителя: С_ос=0,5 мкФ.

Значение сопротивления входа ОУ определим из соотношения:

кОм.

Значение сопротивления обратной связи ОУ определим из соотношения:

Так как при настройке контура скорости на СО система астатична по возмущающемуся воздействию, т.е. статическая ошибка равна нулю, но перерегулирование составляет более 43%, поэтому для уменьшения величины перерегулирования на вход системы устанавливаем фильтр с передаточной функцией:

Синтез контура тока возбуждения:

Разомкнутый контур регулирования тока, настроенный на модульный оптимум с учетом неединичной обратной связи имеет передаточную функцию:

;

Где: - постоянная времени тиристорного преобразователя;

а=2- коэффициент настройки при настройки на модульный оптимум.

Пропорциональный канал позволяет увеличить быстродействие. Передаточная функция регулятора тока имеет вид:

.

Постоянная времени ПИ-регулятора:

T_ив=;

T_ив= с.

Определим пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора тока:

к_ртв=.

По определенной передаточной функции для ПИ-регулятора рассчитываются элементы регулятора тока.

Для регулятора тока, реализуемого на операционном усилителе передаточная функция записывается:

;

где: k_ртв=;

T_ив=R_вх·C_ос.

Усилители должны иметь входное сопротивление R_вх в пределах от 10 до 200кОм. Поэтому сначала выбирается значение емкости в пределах от 0,1 до 1мкФ. Принимаем значение емкости в цепи обратной связи операционного усилителя: С_ос=0,5 мкФ.

Значение сопротивления входа ОУ определим из соотношения:

кОм.

Значение сопротивления обратной связи ОУ определим из соотношения:

Синтез контура ЭДС.

Передаточная функция контура ЭДС имеет вид:

;

где Т_и.э. - постоянная времени интегрирования регулятора ЭДС

7. Защиты в электроприводе и расчет их уставок

В релейно-контакторной части комплексного тиристорного электропривода КТЭ выполнен ряд защит, исключающих аварийные режимы при сборке силовой схемы и обеспечивающих отключение двигателя при возникновение аварийных режимов при работе. Защита реализована на реле серии РЭВ и контактах серии КН.

Реле электромагнитные РЭВ800 применяют в схемах автоматического управления в качестве электромагнитных реле времени, контроля тока, контроля напряжения и промежуточных, они пригодны для работы в прерывисто-продолжительном и повторно-кратковременном режимах.

Реле контроля напряжения и промежуточные РЭВ821 , РЭВ822, РЭВ825, РЭВ826 изготавливают с вытягивающими катушками на номинальные напряжения 24,48,110 и 220В. Масса реле не более 5 кг.

Реле минимального тока РЭВ830 изготавливают на номинальные токи 0,6;1;1,6;2,5;4;6;10;16;25;40;63;100;160;250;320;400 и 630А. конструкция реле допускает применение токоведущих катушек на большие значения номинальных при сохранение номинального значения МДС, равного 2400А. Реле регулируют на ток втягивания в пределах 30-80%. Коэффициент возврата не номинируется и составляет ориентировочно 0,3. Реле имеет один замыкающий и один замыкающий контакты. По условиям динамической устойчивости втягивающая катушка тока обеспечивает протекание 10 - кратного по отношению к номинальному тока в течение 0,5. Номинальный ток контактов 10А.

Контакты однополюсные постоянного тока типа КП207 предназначены для коммутирования силовых цепей генераторов и двигателей постоянного тока номинальном напряжение 600В. Они исполняются с замыкающими главными контактами. Контактор КП207 отличается от соответствующего исполнения контактора КП7 наличием отключающих пружин. Номинальный ток контактора КП2207УЗ 2500А, номинальное напряжение 600В. Контакторы рассчитаны на продолжительный режим работы при номинальном токе. Предельно допустимое число включений в час-30. собственное время срабатывания контактора КП207 (с учетом реле форсировки) замыкания-0,25с, размыкания-0,05-0,08с. Контакторы могут изготовляться со встроенным максимальным реле контактора КП207УЗ 1250, 1600,2500,3750,5000А. Контакторы имеют три замыкающих и три размыкающих вспомогательных контакта, из которых один размыкающий контакт задействован в цепи форсировки катушки.

Защита от аварийных режимов при сборке схемы.

Защита выполнена на реле РЭ1, РЭ2 (тип реле РЭВ-825, номинальное напряжение 440В, диапазон регулирования срабатывания реле (0,35-0,8)·U_н, коэффициент возврата 0,3-0,4) и предназначена для запрета сборки схемы (включение линейного контактора), если на преобразователе или двигателе существует напряжение, превышающего порог срабатывания реле.

С целью снижения порога срабатывания катушки реле РЭ1 и РЭ2 выбираются на напряжение вдвое меньше рабочего напряжения двигателя. В приводах на 440В - приняты катушки реле на 220В. Последовательно с катушками реле включены добавочные резисторы, обеспечивающий номинальный режим работы при полном напряжение преобразователя. Добавочные реле зашунтированы размыкающими контактами реле.

Таким образом, до момента включения на катушку реле поступает полное напряжение преобразователя. Напряжение втягивания реле регулируется в пределах (0,35-0,8)•U_н.

Реле настраиваются на минимальное напряжение втягивания. Для приводов 440В - U_вт=0,35•220=77 В.

Нулевая защита.

Защита выполнена на блокировочном контакторе КН (тип реле МК1-22, номинальное напряжение 440В, диапазон регулирования срабатывания реле (0,65-1,0)•U_н) в цепь катушки включены все остальные защиты от аварийных режимов работающего двигателя, а также блок-контакты аппаратов, контролирующих нормальную работу тиристорного преобразователя, возбудителя и системы регулирования.

Контактор КН обеспечивает контроль наличия оперативного напряжения, и исключает самозапуск двигателя после исчезновения оперативного напряжения и его повторной подачи.

Напряжение втягивания контактора КН обычно принимается 280 В, что составляет 65% от напряжения оперативной сети 440 В.

Защита от перенапряжения.

Защита реализована на реле РПН(тип реле РЭВ-825, номинальное напряжение 440В, диапазон регулирования срабатывания реле (0,35-0,8), коэффициент возврата 0,3-0,4) и предназначена для отключения двигателя при подаче на него недопустимо большого напряжения от преобразователя(например, вследствие аварии и полного его открытия).

Уставка реле РПН рассчитывается по формуле:

U_вт=(1,1-1,15)•U_нд,

где U_вт - напряжения втягивания РПН;

U_нд - номинальное напряжение двигателя .

Uвт=1,15•440=506 В,

Максимально-токовая защита.

Реализована на реле РМ(тип реле РЭВ-571, номинальный ток катушки реле 320А, диапазон регулирования срабатывания реле (0,7-3,0) ·I_н. Защита предназначена для отключения двигателя при недопустимой технологической перегрузке.

Установка реле РМ рассчитывается по формуле:

I_вт=(1,2-1,25)•k_м•I_н,

Где I_вт -ток втягивания реле РМ;

k_м -перегрузочная способность двигателя;

I_н -номинальный ток двигателя.

.

Максимальная защита цепи возбуждения.

Защита выполнена на реле РМВ(тип реле РЭВ-830, номинальный ток катушки реле 25 А, диапазон регулирования срабатывания реле (0,3-0,65) •I_н, коэффициент возврата 0,3-0,4) и предназначена для отключения двигателя при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения.

Уставка реле РМВ рассчитывается по формуле:

I_вт=1,1•I_{в расч},

Где I_вт -ток втягивания РМВ;

I_{в расч} -расчетное значение тока возбуждения двигателя;

при нерегулируемом потоке двигателя принимаем: I_{в расч}= I_вн

(I_вн- номинальный ток возбуждения двигателя [см.2.1])

I_вн=

I_вт=

Защита от обрыва поля.

Защита реализована на реле РОП(тип реле РЭВ-830,номинальный ток катушки реле 25 А, диапазон регулирования срабатывания реле (0,3-0,65) •I_н, коэффициент возврата 0,3-0,4) и предназначена для отключения электродвигателя при обрыве поля в цепи обмотки возбуждения. При постоянном потоке возбуждения ток втягивания реле РОП рассчитывается по формуле:

I_вт=(0,5-0,7) •I_{в расч},

где I_{в расч} -расчетное значение тока возбуждения двигателя,

I_вт=

Из-за низкого коэффициента возврата реле РОП, схема не гарантирует защиту от недопустимого снижения потока возбуждения (кроме полного обрыва), поэтому ток попадания реле не регулируется.

8. Построение статических характеристик замкнутой системы электропривода

Для построения статических характеристик воспользуемся передаточными функциями электропривода по контурам М и М_с:

;

;

Естественная характеристика

Построение будем вести по двум точкам - при работе на холостом ходу и номинальном режиме. При работе на холостом ходу отсутствует воздействие по каналу возмущения, поэтому расчет ведем только по каналу задания. В статическом режиме оператор р=0. передаточная функция по каналу будет иметь вид:

Значение скорости холостого хода при номинальном режиме определяется:

.

Падение скорости при номинальном моменте определяется сигналом по возмущающему воздействию:

,

где k_д -коэффициент якорной цепи;

k_д=

,

где: M_c=1,2·M_н Нм;

Значение скорости при номинальном моменте равно:

^рад/_сек

Построение основной характеристики ЭП.

Строим также по двум точкам - при моменте номинальном и при М=0. Скорость холостого хода остается неизменной , а падение скоростиизменится , так как увеличится сопротивление якорной цепи, что уменьшит жесткость характеристики.

;

Где к_яц-коэффициент якорной цепи:

к_яц=;

Падение скорости равно:

;

Значение скорости при номинальном моменте:

.

Статическую характеристику замкнутой системы.

Строим по двум точкам, используя значение номинальной скорости и скорости холостого хода замкнутой системы:

=157 рад/сек,

Скорость холостого хода замкнутой системы:

,

где -жесткость замкнутой системы,

,

к₀- коэффициент усиления замкнутой системы:

,

здесь D =15- диапазон регулирования скорости вниз от номинальной:

Экскаваторная характеристика.

Ток отсечки - ток, при котором наступает режим отсечки и скорость резко падает до нуля (при токе упора).

I_отс=2,5·I_н..

Статическая характеристика замкнутой системы описывается уравнением:

.

Скорость при токе отсечки:

.

Статическая характеристика замкнутой системы при минимальном напряжение задания.

Строим также по двум точкам - при скорости холостого хода и при номинальной скорости.

Минимальная скорость при номинальном моменте определяется:

.

Жесткость статической характеристики остается неизменной, поэтому скорость холостого хода замкнутой системы можно определить по формуле:

.

Минимальное напряжение задания на скорость:

.

где k_у-коэффициент усиления электропривода:

k_у=.

9. Исследование качества переходных процессов в проектируемой системе ЭП с применением ЭВМ

Для изучения качества переходных процессов смоделируем, при помощи программы “Мatlab”, пуск привода без нагрузки, наброс статического момента и сброс статического момента. Модель составляем для минимального напряжения задания , чтобы проверить, не произойдет ли останов двигателя при набросе момента.

Синтез контура тока:

Рис. Структурная схема контура тока якоря.

Рис. ЛАЧХ и ЛФЧХ контура тока

Рис. Переходная характеристика контура тока при единичном сигнале задания.

Перерегулирование: 4,31 %

Время переходного процесса: 0,054 с

Время нарастания: 0,0274 с

Время максимума: 0,0403 с

Синтез контура скорости:

Рис. Переходная характеристика контура скорости при минимальном задании

Рис. ЛАЧХ и ЛФЧХ контура скорости с фильтром



Рис. ЛАЧХ и ЛФЧХ контура скорости без фильтра

Рис. Переходная характеристика контура скорости при единичном сигнале задания с фильтром

Перерегулирование: 3,83 %

Время переходного процесса: 0,178 с

Время нарастания: 0,0955 с

Время максимума: 0,123 с



Рис. Переходная характеристика контура скорости при единичном сигнале задания без фильтра

Перерегулирование: 47,5 %

Время переходного процесса: 0,132 с

Время нарастания: 0,0374 с

Время максимума: 0,0656 с

Синтез контура тока возбуждения:

Рис. Структурная схема контура тока возбуждения.

Рис. Переходная характеристика контура тока возбуждения

Рис. ЛАЧХ и ЛФЧХ контура тока возбуждения

Рис. Переходная характеристика контура тока возбуждения при единичном сигнале задания

Перерегулирование: 4,23 %

Время переходного процесса: 0,0541 с

Время нарастания: 0,03 с

Время максимума: 0,0392 с

Синтез двухконтурной системы:



10. Составление принципиальной электрической схемы и спецификация электрооборудования

Список использованной литературы:

1. Копылов И.П. Клокова Б.К. Справочник по электрическим машинам. В 2 томах. М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

2. Гельман М.В. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока. Учебное пособие.

3. Ушурбакиев Х.Д. Курс лекций по СУЭП.

4. Проектирование электрических машин: Учеб. для втузов/ Под ред. О.Д.Гольдберга. - М.:Высш.шк.,2001. - 430 с.

5. Электрические машины: Учеб. для вузов/И.П. Копылов. - М.:Высш.шк.,2002 - 607 с.

6. Г.Б.Онищенко. Автоматизированный электропривод промышленных установок. - М.: РАСХН - 2001. - 520 с.

7. Башарин А.В.” Примеры расчета автоматизированного электропривода”. Л: Энергия,1997г.