Тиристорный электропривод постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тиристорный электропривод постоянного тока

электропривод постоянный ток тиристорный

Исходные данные для проектирования

тип электропривода - реверсивный

тип электродвигателя -2ПФ-180М

мощность	напряжение якоря	к.п.д.	номинальная частота вращения
4500	110	0.81	3150
индуктивность якоря	сопротивление якоря	момент инерции
	0.075	0.038

тип преобразователя -трехфазный двухполупериодный

момент инерции механизма, в долях от момента инерции якоря электродвигателя = 0.75

точность поддержания скорости, в процентах от номинальной скорости вращения электродвигателя = 5%

кратность максимального тока электродвигателя = 1.8

наибольшее значение гранично-непрерывного тока, в процентах от номинального = 15%



коэффициент пульсаций выпрямленного тока = 10%

четыре значения скорости вращения, задаваемые командоаппаратом, в долях от номинальной скорости -

значение скорости, с которой электродвигатель работает наибольшее время, в долях от номинальной скорости -

1. Расчет силовой части электропривода постоянного тока

1.1 Состав электрооборудования электропривода постоянного тока

Электропривод постоянного тока состоит из силовой части, системы управления и датчиков. Силовая часть электропривода состоит из электродвигателя постоянного тока, тиристорного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение с согласующим трансформатором, механического преобразователя - редуктора, к валу которого присоединен исполнительный механизм. Согласующий трансформатор предназначен для согласования напряжения сети 230/133 Вольт с напряжением якоря электродвигателя. В электроприводе используется электродвигатель независимого возбуждения. Якорь электродвигателя подключается к выводам постоянного тока тиристорного преобразователя.

В электроприводе используются датчики тока и скорости, сигналы с которых поступают в систему управления электропривода.

Система управления электропривода (СУЭП) воздействует на систему импульсно-фазового управления (СИФУ) реверсивного тиристорного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение. Система управления электропривода и система импульсно-фазового управления должны быть выполнены на аналоговой микроэлектронной технике. Входной информацией для системы управления электропривода являются сигналы с датчиков тока и скорости и командоконтроллера. Командоконтроллер предназначен для задания скорости вращения электродвигателя и имеет четыре положения.

Выбор силового согласующего трансформатора для тиристорного электропривода

Перед выбором мощности трансформатора необходимо выбрать тип тиристорного преобразователя:

Тип выпрямителя				m	N
Трехфазный двухполупериодный	1.23	0.9	1.11	2	2	0.5	1.57

- коэффициент, равный отношению полной мощности трансформатора, питающего выпрямитель, к мощности выпрямителя;

- коэффициент схемы по напряжению, равный отношению среднего выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения;

- коэффициент схемы по току, равный отношению действующего значения линейного тока, потребляемого преобразователем из сети, к среднему значению выпрямленного тока;

m - число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения сети;

N - число вентилей преобразователя, обтекаемых током в каждый момент времени;

- коэффициент загрузки вентиля по току;

- коэффициент, равный отношению максимального напряжения на тиристоре к максимальной э.д.с. преобразователя.

Силовой согласующий трансформатор выбирается таким образом, чтобы:

· Мощность трансформатора была больше или равна мощности электродвигателя;

· Напряжение на первичной обмотке было равно напряжению сети , а напряжение на вторичной обмотке трансформатора было больше или равно напряжению на фазных выводах тиристорного моста.

1.1.1 Рассчитывается среднее значение напряжения на выводах постоянного тока тиристорного преобразователя при угле управления :

где - коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения сети;

- номинальное напряжение на якоре электродвигателя.

1.1.2 Рассчитывается мощность тиристорного преобразователя

где выпрямленный ток преобразователя, равный току якоря электродвигателя:

1.1.3 Рассчитывается коэффициент полезного действия тиристорного преобразователя:

где - число вентилей преобразователя, обтекаемых током в каждый момент времени;

- падение напряжения на вентиле в прямом направлении.

Рассчитывается мощность трансформатора для питания тиристорного преобразователя:

где - коэффициент использования трансформатора, равный отношению мощности трансформатора к мощности тиристорного преобразователя.

Определяется в относительных единицах величина сопротивления, учитывающая снижение выпрямленного напряжения из-за угла коммутации вентилей. Его величина зависит от параметров трансформатора и принимается приближенно равной:

где - число пульсаций выпрямленного напряжения на периоде напряжения сети;

- величина индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора, в относительных единицах равная

- величина активного сопротивления короткого замыкания трансформатора, в относительных единицах равная

Рассчитывается максимальное значение э.д.с. тиристорного преобразователя, соответствующее углу управления :

где - коэффициент схемы тиристорного преобразователя по напряжению, равный отношению среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора;

- коэффициент схемы тиристорного преобразователя по току, равный отношению среднего значения выпрямленного тока к действующему значению фазного тока.

Рассчитывается действующее значение фазного напряжения на фазных выводах тиристорного преобразователя, которое соответственно равно фазному напряжению вторичной обмотки трансформатора:

где - коэффициент, учитывающий запас по углу управления.

По расчетной мощности и напряжению выбирается силовой согласующий трансформатор для питания преобразователя:

Тип трансформатора	Номинальная мощность	Фазное напряжение первичной обмотки	Фазное напряжение вторичной обмотки	Схема соединений
ТС3 - 7.5		230	133	зв./зв.

1.2 Выбор сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель выбирается таким образом, чтобы обеспечить заданную амплитуду пульсаций выпрямленного тока, а также заданную зону гранично-непрерывного выпрямленного тока преобразователя.

1.2.1 Рассчитывается постоянная электродвигателя

где - номинальное напряжение якоря электродвигателя;

- активное сопротивление цепи якоря электродвигателя;

- номинальная угловая скорость вращения якоря электродвигателя.

- номинальный ток якоря электродвигателя.

1.2.2 Индуктивность якоря электродвигателя

- задана в задании на курсовой проект.

1.2.3 Индуктивность, вносимая в цепь якоря со стороны переменного тока

- индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора в относительных единицах;

- фазное напряжение трансформатора;

- фазный ток трансформатора;

- угловая частота сетевого напряжения.

1.2.4 Активное сопротивление, вносимое в цепь якоря со стороны переменного тока

Индуктивность цепи якоря:

Активное сопротивление цепи якоря:

По значению угловой скорости вращения якоря , с которой преобразователь работает наибольшее время, рассчитывается напряжение на якоре:

Рассчитывается угол управления преобразователя, соответствующий напряжению , с которым преобразователь работает наибольшее время:

Рассчитывается амплитуда гармоники выпрямленного напряжения, имеющей низший порядок:

где m - число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения сети.

Рассчитывается амплитуда пульсаций выпрямленного тока для гармоники m-го порядка:

где - активное сопротивление цепи якоря электродвигателя;

- угловая частота напряжения сети;

- индуктивность цепи якоря электродвигателя.

Рассчитывается коэффициент пульсаций выпрямленного тока (отношение амплитудного значения гармоники m-го порядка выпрямленного тока к среднему значению выпрямленного тока):

Вывод: - значение коэффициента пульсаций выпрямленного тока превышает заданную величину, т.е. от номинального значения.

Рассчитывается максимальное значение гранично-непрерывного выпрямленного тока, которое достигается при угле управления с учетом дросселя:

Вывод: - значение максимального гранично-непрерывного тока превышает заданную величину, т.е. от номинального значения. Для уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного тока нужно увеличить индуктивность цепи якоря, включив в нее дроссель, имеющий соответствующую индуктивность.

Индуктивность дросселя:



Индуктивность цепи якоря с учетом дросселя:

Рассчитывается амплитуда пульсаций выпрямленного тока для гармоники m-го порядка с учетом дросселя:

Рассчитывается коэффициент пульсаций выпрямленного тока (отношение амплитудного значения гармоники m-го порядка выпрямленного тока к среднему значению выпрямленного тока) с учетом дросселя:

Вывод: - значение коэффициента пульсаций выпрямленного тока не превышает заданную величину.

Рассчитывается максимальное значение гранично-непрерывного выпрямленного тока, которое достигается при угле управления с учетом дросселя:



Вывод: - значение максимального гранично-непрерывного тока не превышает заданную величину, т.е. от номинального значения.

1.3 Выбор тиристоров преобразователя

Тиристоры выбираются по среднему значению тока, протекающего по ним, и максимальному значению напряжения, прикладываемого к ним в обратном направлении.

1.3.1 Рассчитывается среднее значение тока, протекающего по тиристору

где - коэффициент загрузки по току (его величина зависит от типа преобразователя).

Определяется максимальное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в обратном направлении:

где - коэффициент, равный отношению максимального напряжения на тиристоре к максимальной э.д.с. преобразователя.

Тиристор, работающий с естественным охлаждением, выбирается на ток, в раза превосходящий ток :

Тиристор выбирается на напряжение, в раза превосходящее напряжение :

2. Расчет параметров подчиненной системы управления

Структурная схема системы подчиненного управления зависит от числа контролируемых координат объекта управления и имеет соответствующее число вложенных контуров. В данном электроприводе объектом управления является электродвигатель, а контролируемыми координатами - ток якоря и скорость вращения якоря. Соответственно, система управления имеет два контура регулирования. Контур тока является внутренним, а контур скорости - внешним. Выходной координатой системы управления является скорость.

РС - регулятор скорости;ОТ - ограничитель тока;

РТ - регулятор тока;ТП - тиристорный преобразователь;

ЭД - электродвигатель;ДТ - датчик тока;

ДС - датчик скорости.

Перед расчетом параметров системы управления необходимо задать базовое значение напряжения системы управления:

где - напряжение питания цепи управления.

2.1 Расчет параметров электродвигателя как звена структурной схемы

Электродвигатель содержит два звена, охваченных внутренней обратной связью. Первое звено электродвигателя представляет собой его электрическую часть; оно имеет апериодическую передаточную функцию:

где - статический коэффициент передачи;

- электрическая постоянная времени.

Второе звено электродвигателя представляет собой его механическую часть. Это звено имеет передаточную функцию следующего вида:

где - коэффициент интегрального звена.

- момент инерции электродвигателя;

- момент инерции механизма;

2.2 Расчет параметров тиристорного преобразователя как звена структурной схемы

Преобразователь можно представить в виде двух звеньев, соединенных последовательно: силовой части и системы импульсно-фазового управления. Полагается, что силовая часть преобразователя и система импульсно-фазового управления являются апериодическими звеньями первого порядка. Звенья тиристорного преобразователя соединены последовательно и аппроксимируются одним апериодическим звеном первого порядка. Данное апериодическое звено имеет постоянную времени, равную сумме постоянных времен силовой части преобразователя и системы импульсно-фазового управления.

Система управления преобразователя обладает инерционностью. Инерция системы управления преобразователем обусловлена наличием RC-фильтра, имеющего постоянную времени . Примем .

Силовая часть преобразователя имеет инерционность, обусловленную запаздыванием импульсов управления. Среднее значение времени запаздывания:

где - период напряжения сети.

Инерционность преобразователя может быть приближенно охарактеризована суммой постоянных времени силовой части преобразователя и его системы управления:

- постоянная времени преобразователя.

Статический коэффициент передачи преобразователя (коэффициент усиления):

· Входной величиной системы управления преобразователя является напряжение , а выходной величиной - угол фазового управления . При линейном опорном напряжении СИФУ угол управления должен быть связан с напряжением зависимостью:

· При синусоидальном опорном напряжении СИФУ угол управления должен быть связан с напряжением зависимостью:

· Входной величиной силовой части преобразователя является э.д.с. , а выходной величиной - угол . Зависимость э.д.с. преобразователя от напряжения системы управления определяется соотношением:



· Линейная аппроксимация этой зависимости имеет вид:

· Передаточная функция преобразователя может быть представлена апериодическим звеном первого порядка:

2.3 Расчет параметров контура тока

Коэффициент обратной связи по току вычисляется по формуле:

где - коэффициент кратности пускового тока, показывающий, во сколько раз пусковой ток превышает номинальный.

2.4 Выбор передаточной функции регулятора и расчет ее параметров

Объектом регулирования контура тока является тиристорный преобразователь и электрическая часть электродвигателя. В контур тока входит также внутренняя обратная связь по скорости. Так как внутренняя обратная связь по скорости имеет существенно меньшее быстродействие по сравнению с быстродействием контура тока, то ее влиянием на динамические свойства данного контура можно пренебречь. Тогда, можно считать, что звенья структурной схемы, характеризующие тиристорный преобразователь и электрическую часть электродвигателя, имеют передаточную функцию следующего вида:

Передаточная функция является объектом регулирования токового контура, в которой постоянная является меньшей.

При настройке на технический оптимум передаточная функция определяется соотношением:

где коэффициент усиления пропорциональной части регулятора тока:

Постоянная времени интегральной части регулятора:

2.5 Расчет параметров звена ограничения тока

Для ограничения максимального значения тока на входе контура тока необходимо предусмотреть соответствующее нелинейное звено.

Уровень ограничения выходного сигнала определяется по формуле:

3. Расчет параметров контура скорости

Коэффициент обратной связи по скорости вычисляется по формуле:

где - пограничная угловая скорость вращения якоря электродвигателя при номинальном напряжении на якоре.

3.1 Выбор передаточной функции регулятора скорости и расчет ее параметров

Объектом регулирования контура скорости является контур тока, настроенный на технический оптимум, с передаточной функцией:

и механическая часть электродвигателя с передаточной функцией:

Звенья структурной схемы, характеризующие контур тока и механическую часть электродвигателя, соединены последовательно и имеют передаточную функцию следующего вида:



Передаточная функция является объектом регулирования контура скорости.

При настройке на технический оптимум передаточная функция регулятора скорости определяется соотношением:

где коэффициент усиления пропорционального регулятора скорости:

Относительная статическая ошибка по скорости для системы, настроенной на технический оптимум, определяется при номинальном токе якоря соотношением:

или 4%

Относительная статическая ошибка по скорости для системы, настроенной на технический оптимум не превышает заданную, т.е. менее 5%.

4. Расчет электромеханических характеристик электропривода

В случае использования пропорционального регулятора скорости электромеханическая характеристика электропривода определяется в зоне стабилизации скорости по выражению:

где - угловая скорость вращения якоря электродвигателя;

- величина задающего напряжения;

I - ток якоря электродвигателя изменяющийся в пределах: .

В зоне стабилизации тока электромеханическая характеристика электропривода определяется по выражению:

- максимальный ток двигателя.

Задающие воздействия находятся для заданных значений частот вращения по формуле:

Электромеханические характеристики строятся для заданных значений скоростей вращения. На электромеханической характеристике строим зону гранично-непрерывного тока, используя формулу:

,

где I изменяется в пределах .

5. Моделирование переходных процессов

Моделирование переходных процессов производится на ЭВМ с использованием программы SIAMM. Моделирование производим по структурной схеме, составленной с учетом стандартных блоков программы SIAMM.

По результатам моделирования строятся следующие графики:

1. Пуск без нагрузки.

·

·

2. Пуск под номинальной нагрузкой.

·

·

3. Наброс номинальной нагрузки.

·

·

6. Техническая реализация элементов системы подчиненного регулирования

Элементы системы подчиненного регулирования реализуются на базе операционных усилителей.

6.1 Расчет пропорционального регулятора скорости

Передаточная функция регулятора скорости имеет следующий вид:

где - коэффициент усиления регулятора скорости.

При выборе параметров регулятора скорости задаемся одним из параметров:

6.2 Расчет пропорционально-интегрального регулятора тока

Передаточная функция регулятора тока имеет следующий вид:

где - пропорциональная составляющая регулятора;

- постоянная времени интегральной составляющей.

При выборе параметров регулятора тока задаемся одним из параметров:

7. Расчет звена ограничения тока

В данной схеме сопротивления резисторов , а сопротивление

Литература

1. Методические указания к курсовому проекту тиристорного электропривода постоянного тока. 2000 г.

2. К. Т. Витюк «Судовые электроустановки и их автоматизация». 1967 г.

3. В. В. Москаленко «Электрический привод». 2000 г.

4. Л. С. Цейтлин «Электропривод, электрооборудование и основы управления». 1985 г.

5. И. Р. Фрейдзон «Судовые автоматизированные электроприводы и системы». 1967 г.

Размещено на Allbest.ru