Автоматизированный электропривод грузового лифта

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В Г.ОЗЕРСКЕ

Кафедра «Информатика»

Автоматизированный электропривод грузового лифта

ПОЯНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине «Электрический привод»

ЮУрГУ- 140400.2014.500. ПЗ КР

Автор проекта

студент группы 336-Озз

А. С. Федоров

Озерск 2014

АННОТАЦИЯ

Федоров А.С. - Автоматизированный электропривод грузового лифта. - Озерск: ЮУрГУ, 2014, 66 с., ил., библиогр. список - 5 наим.

В данной курсовой работе рассмотрены следующие задачи: выбор типа электропривода, выбор и проверка электродвигателя, выбор силового преобразовательного устройства для питания двигателя, выбор комплектующего оборудования и разработка принципиальной электрической схемы силовой части электропривода, выбор силового трансформатора, расчет параметров трансформатора, выбор сглаживающего реактора.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Выбор типа электропривода

2. Выбор и проверка электродвигателя

2.1 Расчет нагрузочной диаграммы механизма

2.2 Предварительный выбор двигателя

2.3 Расчет нагрузочной диаграммы двигателя

2.4 Проверка двигателя по нагреву

3. Выбор силового преобразовательного устройства для питания двигателя, выбор комплектующего оборудования и разработка принципиальной электрической схемы силовой части электропривода

3.1 Выбор комплектного тиристорного электропривода

3.2 Выбор силового трансформатора

3.3 Расчет параметров трансформатора

3.4. Выбор сглаживающего реактора

3.5 Принципиальная электрическая схема силовой части

4. Математическая модель силовой части электропривода

4.1 Расчет параметров силовой части электропривода в абсолютных единицах

4.2 Выбор базисных величин системы относительных единиц

4.3 Расчет параметров силовой части электропривода в относительных единицах

4.4 Расчет коэффициентов передачи датчиков

5. Выбор типа системы управления электроприводом

6. Расчет регулирующей части контура тока якоря

6.1 Расчет параметров математической модели контура тока

6.2 Конструктивный расчет датчика ЭДС и звена компенсации

6.3 Конструктивный расчет регулятора тока

7. Расчет регулирующей части контура скорости

7.1 Расчет параметров математической модели контура скорости

7.2 Конструктивный расчет регулирующей части контура скорости

8. Расчет датчика интенсивности

8.1 Расчет параметров математической модели датчика интенсивности

8.2 Конструктивный расчет датчика интенсивности

Библиографический список

Введение

Современный электрифицированный механизм рассматривается как электромеханическая автоматизированная (или в целом автоматическая) система, замкнутая обратными связями (через оператора или специальное техническое устройство) по контролю основополагающих технических параметров.

В главном (силовом) канале обязательно присутствует электродвигатель, а также могут быть представлены преобразователи электрической и механической энергии. С их помощью и реализуются конкретные законы электромеханического энергообразования. Каналы управляющих воздействий на различные функциональные элементы силовой цепи, а также каналы обратной связи входят в состав системы автоматического управления (САУ) электропривода.

Новое производственное оборудование для современного механизированного производства создается совместными усилиями технологов-машиностроителей, специалистов по электрическим машинам, электроприводу и автоматизации. Одновременно с разработкой технологии и конструктивного состава механического оборудования разрабатывается его электрическое оборудование.

Конструктивные и кинематические особенности исполнительного органа механизма во многом предопределяются типом привода, на который ориентируется при разработке механической части.

Имеет место и обратное - в зависимости от конструктивных решений механической части значительные изменение претерпевает электропривод. Конструктивные решения отражаются на параметрах механической и электрической цепей единой электромеханической системы. Соотношения последних сказываются не только на статических и динамических качествах, но и на потреблении электроэнергии, экономичности работы электрифицированного механизма.

1. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

электропривод двигатель силовой оборудование

При выборе системы электропривода и рода тока, прежде всего, учитывается условие работы производственного механизма. Высокая производительность и качество выпускаемой продукции могут быть обеспечены лишь при правильном учете статических и динамических характеристик привода и рабочей машины. Кинематика, и даже конструкция рабочей машины в значительной мере определяются типом применяемой ЭП, и, наоборот, в зависимости от конструктивных особенностей исполнительного механизма привод претерпевает значительные изменения.

При выборе типа ЭП должны быть учтены: характер статического момента; необходимые пределы регулирования скорости; плавности регулирования требуемых механических характеристик, условий пуска и торможения, числа включений в час, качество окружающей среды и т.д.

Первоначально решается вопрос о выборе регулируемого или нерегулируемого типа ЭП. В последнем случае задача значительно упрощается. Все сводится к выбору двигателя переменного тока (асинхронные двигатели). В случае с регулированием по скорости решается вопрос привода на переменном или постоянном токе.

Применение постоянного тока может быть оправдано лишь в тех случаях, когда привод должен обеспечивать повышенные требования в плавности регулирования характера переходных процессов. Приводы постоянного тока используются в механизмах, работающих в повторно-кратковременных режимах: краны, подъемные механизмы, вспомогательные механизмы металлургической промышленности (шлепперы, рольганги, сталкиватели, нажимные устройства) и, в частности, продольно-строгальные станки.

В случае приводов повторно-кратковременного режима определяется из условий получения минимальной длительности переходного процесса, минимальных динамических моментов. С этой целью либо используют специальные двигатели с минимальным моментом инерции, либо переходят к двухдвигательному приводу (суммарный момент инерции двух двигателей той же мощности, что и однодвигательный привод меньше на 20-40%).

По защите от воздействия окружающей среды различают открытые, защищенные, закрытие и герметичные двигатели (JP44) предохраняют от попадания внутри брызг любого направления. Пыль, влага и газы имеют доступ в такие двигатели. При выборе двигателей необходимо учитывать то, что при одной и той же мощности и скорости наибольшие массы, габариты и стоимость имеют закрытые двигатели.

Для электропривода грузового лифта возможно использование следующих ЭП:

- «ТПЧ-АД» (тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель),

- «Г-Д» (генератор - двигатель),

- «ТП-Д» (тиристорный преобразователь - двигатель).

Система «ТПЧ-АД» в принципе позволяет получить характеристики, аналогичные «ТП-Д», но стоимость тиристорного преобразователя частоты гораздо выше управляемого выпрямителя.

К недостаткам системы «Г-Д» относят:

- необходимость в двухкратном преобразовании энергии (на электрической энергии переменного тока в механическую, и из механической вновь в электрическую постоянного тока, регулируемого напряжения), что приводит к значительному снижению КПД;

- наличие двух машин в преобразовательном агрегате, установленная мощность каждой, если пренебречь потерям в машине, равна установленной мощности регулируемого движения;

- значительные габариты и масса установки. Необходимость в фундаменте для преобразовательного агрегата;

- высокие капитальные и эксплуатационные расходы;

- с целью форсировки переходных процессов возникает необходимость использования повышенного (в несколько раз = 2,5 - 4) напряжение.

Для ЭП грузового лифта принимаем систему «ТП-Д» с реверсированием напряжения на якоре двигателя, возможно изменения вращения двигателя в реверсивном приводе также за счет изменения направления тока в цепи возбуждения двигателя, когда в цепи якоря используется нереверсивный управляемый выпрямитель. Эта схема проще и дешевле двухкомплектного преобразователя на якоре, но уступает по динамическим показателям из-за сравнительно большой постоянной времени обмоток возбуждения.

2. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

2.1 Расчет нагрузочной диаграммы механизма

Для предварительного выбора двигателя рассчитаем массу противовеса и построим нагрузочную диаграмму механизма (график статических нагрузок механизма). Расчет времени участков цикла на этапе предварительного выбора двигателя выполняем приблизительно, т.к. пока нельзя определить время разгонов и замедлений (суммарный момент инерции привода до выбора двигателя неизвестен).

Масса противовеса:

3700 кг

Активные составляющие момента статического сопротивления на канатоведущем шкиве:

11282 Нм

0 Нм

6769 Нм

-7897 Нм

Реактивные составляющие момента статического сопротивления на канатоведущем шкиве:

-2234 Нм

1670 Нм

2008 Нм

1275 Нм

Моменты статического сопротивления на канатоведущем шкиве:

9048 Нм (тормозной режим)

1670 Нм (двигательный режим)

8777 Нм (двигательный режим)

-6622 Нм (тормозной режим)

Угловая скорость канатоведущего шкива:

0,652 1/с

Расстояние между этажами:

6,667 м

Время движения при перемещении на 3 этажа (приблизительно):

67 с

Время движения при перемещении на 1 этаж (приблизительно):

22 с

Время работы в цикле (приблизительно):

133 с

Время стоянки на этаже (приблизительно):

81 с

Рис.1. Вид нагрузочной диаграммы механизма.

2.2 Предварительный выбор двигателя

Ориентируемся на выбор двигателя серии , рассчитанного на номинальный повторно-кратковременный режим работы с 40%.

Эквивалентный статический момент на канатоведущем шкиве за время работы в цикле (с учетом потерь в передачах):



7357,7 Нм

Учет влияния потерь в передачах выполняется подстановкой значений:

- в тормозном режиме (знаки момента и скорости различны);

- в двигательном режиме (знаки момента и скорости одинаковы).

5428,8 Нм

2783,3 Нм

14628,3 Нм

-3973,2 Нм

Расчетная мощность двигателя:

4899 Вт,

где - коэффициент запаса (принимаем 1,2).

Выбираем двигатель серии . Номинальные данные эквивалентного двигателя приводим в табл.2.

Таблица 2

Данные выбранного двигателя Д21

Принимаем параллельное соединение якорей двух двигателей.

Определим эквивалентные данные:

Мощность номинальная:

P_N=2 P_N

P_N=23,6=7,2 кВт

Момент инерции:

J_д=2J_д

J_д=20,125=0,25 кгм²

Номинальная частота вращения:

n_N= n_N=1080

Максимально допустимый момент:

M_max=2 M_max

M_max=290=180 Нм

Максимально допустимый коэффициент пульсаций тока якоря:

k1(доп)= k1(доп)=0,15

Обмотки двух двигателей соединим параллельно тогда, номинальное напряжение якоря:

U_яN= U_яN=220В

Номинальный ток якоря:

I_яN=2 I_яN

I_яN=221=42А

Сопротивление обмотки якоря:

R_яо=0,50,66=0,33Ом

Сопротивление обмотки добавочных полюсов:

R_д.п=0,5R_д.п

R_д.п=0,50,28=0,14Ом

Составим таблицу полученных эквивалентных параметров.

Таблица 3

Данные выбранного двигателя (2*Д21)

Двигатель серии - некомпенсированный, с естественным охлаждением и изоляцией класса .

Для дальнейших расчетов потребуются ряд данных, которые не приведены в справочнике. Выполним расчет недостающих данных двигателя.

Сопротивление цепи якоря двигателя, приведенное к рабочей температуре:

0,65 Ом,

где - коэффициент увеличения сопротивления при нагреве до рабочей температуры (= 1,38 для изоляции класса при пересчете от 20^оС).

Номинальная ЭДС якоря:

192,7 В

Номинальная угловая скорость:

113,04 1/с

Конструктивная постоянная двигателя, умноженная на номинальный магнитный поток:

1,7 Вб

Номинальный момент двигателя:

71,4 Нм

Момент холостого хода двигателя:

7,7 Нм

Индуктивность цепи якоря двигателя:

0,014 Гн,

где коэффициент равен 0,2 для компенсированного двигателя и 0,6 для некомпенсированного.

2.3 Расчет нагрузочной диаграммы двигателя

Для проверки выбранного двигателя по нагреву выполним построение упрощенной нагрузочной диаграммы двигателя (без учета электромагнитных переходных процессов). Для построения нагрузочной диаграммы произведем расчет передаточного числа редуктора, приведение моментов статического сопротивления и рабочих скоростей к валу двигателя, примем динамический момент и ускорение электропривода с учетом перегрузочной способности двигателя и заданного допустимого ускорения.

Передаточное число редуктора:

173,4

Моменты статического сопротивления, приведенные к валу двигателя:

, для XY = 41, 12, 23, 34,

где - функция знака скорости:

= 1 - при подъеме;

= -1 - при спуске.

23,6 Нм

23,7 Нм

92 Нм

-15,2 Нм

Суммарный момент инерции привода:



0,37 кг · м² ,

где - коэффициент, учитывающий моменты инерции полумуфт и редуктора (принимаем равным 1,2).

Примечание: считаем, что момент инерции не зависит от массы груза в кабине, поэтому подставляем в формулу массу номинального груза.

Модуль динамического момента двигателя по условию максимального использования двигателя по перегрузочной способности:

83,6 Нм

где = 0,95 - коэффициент, учитывающий перерегулирование момента на уточненной нагрузочной диаграмме (построенной с учетом электромагнитной инерции цепи якоря);

- максимальный по модулю статический момент, приведенный к валу двигателя.

Ускорение вала двигателя в переходных режимах:

225,9 1/с²

Ускорение кабины лифта:

0,6 м/с²

Ускорение кабины лифта менее максимально-допустимого.

Разбиваем нагрузочную диаграмму на 16 интервалов: 4, 8, 12, 16 - интервалы пауз; 1, 5, 9, 13 - интервалы разгона; 3, 7, 11, 15 - интервалы замедления; 2, 6, 10, 14 - интервалы работы с установившейся скоростью.

Продолжительность интервалов разгона-замедления:

0,44 с

Путь кабины при разгоне-замедлении:

0,066 м

Путь кабины при перемещении на 3 этажа, пройденный на постоянной скорости:

19,87 м

Путь кабины при перемещении на 1 этаж, пройденный на постоянной скорости:

6,538 м

Время движения с постоянной скоростью при перемещении на 3 этажа:

66,23 с

Время движения с постоянной скоростью при перемещении на 1 этаж:

21,79 с

Время работы в цикле:

135,13 c

Время стоянки на этаже:

82,7 с

Моменты двигателя на интервалах разгона:

- 60

107,3

175,6 68,4

Моменты двигателя на интервалах замедления:

107,2

-59,9

8,4

-98,8

Моменты двигателя на интервалах движения с постоянной скоростью:

23,6

23,7

92

-15,2

По результатам расчета строится нагрузочная диаграмма и тахограмма двигателя (см. рис.2).

Рис.2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма электропривода грузового лифта.

2.4 Проверка двигателя по нагреву

Для проверки выбранного двигателя по нагреву используем метод эквивалентного момента. Используя нагрузочную диаграмму, находим эквивалентный по нагреву момент за время работы в цикле. Затем приводим эквивалентный момент к номинальной продолжительности включения двигателя. Для нормального теплового состояния двигателя необходимо, чтобы приведенный к номинальной ПВ эквивалентный момент был не больше номинального момента двигателя.

Эквивалентный момент за время работы в цикле (по нагрузочной диаграмме):

44,85 Нм

Приведенный к номинальной ПВ эквивалентный момент:

38,17 Нм

Так как условие выполняется (71,4 Нм), то выбранный двигатель проходит по нагреву.

Запас по нагреву:

46 %

Запас более 5%.

3. ВЫБОР СИЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ, ВЫБОР КОМПЛЕКТУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Для обеспечения необходимого режима работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения, рассмотренного выше, используется двухкомплектный тиристорный преобразователь. Каждый комплект ТП собран по трехфазной мостовой схеме и связь между комплектами осуществлена по встречно-параллельной схеме.

Двухкомплектные преобразователи могут выполняться с совместным и раздельным управлением комплектами. При раздельном управлении комплектами работает всегда только один комплект преобразователя, а на тиристоры второго комплекта импульсы управления не подаются. Механические характеристики электродвигателя, питаемого от такого преобразователя, имеют нелинейные участки, что объясняется работой преобразователя в режиме прерывистых токов. Режим прерывистых токов имеет место при относительно малых значениях тока нагрузки, поэтому при работе электродвигателя с большим диапазоном изменения момента нагрузки и при частых реверсах использовать двухкомплектный тиристорный преобразователь с раздельным управлением нецелесообразно. Однако величину зоны прерывистых токов можно значительно уменьшить включением сглаживающего дросселя, но это увеличит инерционность электропривода, и в замкнутой системе ЭП для обеспечения заданного быстродействия необходимо будет выбирать некомпенсированную постоянную времени меньшей, чем в случае отсутствия сглаживающего фильтра. Величина может получиться нереализуемой. Кроме этого, при раздельном управлении необходима бестоковая пауза 5-10 мс. Поэтому на переключение комплектов при реверсе тока преобразователи с раздельным управлением используются для питания тех механизмов, где по условиям технологического процесса эта пауза допустима. В преобразователях с совместным управлением комплектами работают одновременно оба комплекта: один - в выпрямительном, другой - в инверторном режиме. Между комплектами протекает уравнительный ток. Для уменьшения его величины в состав преобразователя необходимо ввести уравнительные дроссели. Принимаем для ЭП раздельное управление комплектами тиристорного преобразователя. Схема силовой части ТП-Д приведена на рис.3.

Главным преимуществом мостовой схемы по отношению к нулевой схеме включения тиристоров в преобразователе является то, что в ней в два раза выше пульсность схемы ( ), следовательно, меньше амплитуда переменной составляющей выходного напряжения. Это, в свою очередь, потребует значительно меньшую индуктивность сглаживающего дросселя (реактора). Кроме того, в нулевой схеме должен быть использован трансформатор, вторичная обмотка которого, соединенная в «звезду», обеспечит «0».



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.3. Принципиальная электрическая схема силовой части электропривода.

3.1 Выбор комплектного тиристорного электропривода

Выбираем стандартный преобразователь, входящий в состав комплектного электропривода КТЭУ.

220 В

42 А

Принимаем:

КТЭУ - - АБВГД - УХЛ4

230 В

50 А,

где А = 2 - количество двигателей;

В = 2 - трансформаторная связь с сетью;

Г = 1 - основной регулируемый параметр: ЭДС или скорость, однодольное регулирование;

Д = 2 - состав коммутационной аппаратуры: с линейным контактором, динамическим торможением.

КТЭУ - 230 / 50 - 23212 - УХЛ4

3.2 Выбор силового трансформатора

Номинальное линейное напряжение и номинальный линейный ток вентильных обмоток трансформатора:

200 В

40,8 А

Тип трансформатора - ТСП - 16 / 0,7-УХЛ4

Схема соединения первичных и вторичных обмоток -Y/?

Номинальная мощность - 14,6 кВА

Номинальное напряжение вентильных обмоток - 380 В

Номинальное линейное напряжение вентильных обмоток - 205В

Номинальный линейный ток вентильных обмоток - 41 А

Потери короткого замыкания - 550 Вт

Относительное значение напряжения короткого замыкания - 5,2%

3.3 Расчет параметров трансформатора

Коэффициент трансформации:

0,54

Номинальный линейный первичный ток:

22,2 А

Активное сопротивление фазы трансформатора:

0,108 Ом

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

3,77%

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

3,58%

Индуктивное сопротивление обмоток фазы трансформатора:

0,103 Ом

Примечание: Сопротивление и представляют собой сумму сопротивлений (соответственно активного и индуктивного) первичной обмотки, приведенного к вторичной цепи и вторичной обмотки в эквивалентной схеме (Y/?).

Индуктивность обмоток одной фазы трансформатора:

0,329 · 10^-3 Гн = 329 мГн,

где, при частоте питающей сети 50Гц, 314 1/с.

3.4 Выбор сглаживающего реактора

Индуктивность сглаживающего реактора выбирается из условия ограничения пульсаций тока якоря на допустимом уровне. Суммарная индуктивность якорной цепи должна быть:

,

где - ЭДС преобразователя при , 277 В

(К_е - коэффициент, зависящий от схемы преобразователя, для трехфазной мостовой схемы К_е=1,35);

- пульсность преобразователя для мостовой трехфазной схемы ТП;

- коэффициент пульсаций напряжения (для мостовой трехфазной схемы ТП);

- допустимый коэффициент пульсации тока якоря;

= 0,07 - для двигателей серии 4П.

= 0,15 - для двигателей серии Д.

- коэффициент выпрямленного напряжения (для трехфазной мостовой схемы).

0,0030 Гн = 3 мГн

Так как ,L_я=14 мГн, то нет необходимости в сглаживающем реакторе.

3.5 Принципиальная электрическая схема силовой части

В состав комплектного тиристорного ЭП входят:

- электродвигатель постоянного тока с тахогенератором и центробежным выключателем (при необходимости);

- ТП для питания якоря электродвигателя, состоящий из силовых тиристоров и 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 или анодный реактор;

- коммутационная и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного тока (автоматические выключатели, линейные контакторы, рубильники);

- сглаживающий реактор в цепи постоянного тока (при необходимости);

- устройство динамического торможения (при необходимости);

- система управления электроприводом;

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

На рис.3 приведена принципиальная схема реверсивного электропривода серии КТЭУ на ток до 200 А. Тиристорный преобразователь ТП, состоящий из двух встроенно-включенных мостов VSF, VSB, получает питание от сети 380 через автоматический выключатель QF1 и анодный реактор LF (или трансформатор ТМ). На стороне постоянного тока защита осуществляется автоматически выключателем QF1. Линейный контактор КМ служит для частой коммутации якорной цепи (при необходимости), динамическое торможение электродвигателя М осуществляется через контактор KV и резистор RV. Трансформатор Т1 и диодный мост V служат для питания обмотки возбуждения двигателя LМ. Тахогенератор BR возбуждается от отдельного узла А-BR; имеется также узел питания электромагнитного тормоза YB. Система управления СУ по сигналам оператора с пульта управления ПУ, сигналом о состоянии коммутационных и защитных аппаратов, получаемых из узлов управления этими аппаратами и сигнализации УУК и С, сигналом из общей схемы управления технологическим агрегатом СУТА, сигналом о токе якоря и токе возбуждения, получаемым с пунктов RS1, RS2, сигналом о напряжении на якоре электродвигателя, снимаемом с потенциометра RP1, сигналом о скорости, формируемым тахогенератором BR, выдает сигналы управления в СИФУ, УУК и С и на пульт управления ПУ. Узел управления коммутационной аппаратурой и сигнализации УУК и С по командам оператора и сигналом от СУ включает или выключает аппараты QF1-QF3, КМ, KV, а также осуществляет сигнализацию о состоянии этих и других защитных аппаратов.

Сигналы задания и обратных связей в СУ гальванически разделяются от внешних протяженных цепей или цепей с высоким потенциалом. Система управления СУ через гальванические разделители выдает в СУТА значения необходимых регулируемых параметров (скорости, тока и др.). Устройство УУК и С получает сигналы от ПУ, датчиков, СУТА через двухпозиционные гальванические разделители и преобразователи напряжения высокого уровня в напряжение низкого уровня, используемое в системе. Устройство УУК и С выдает на пульт управления и в СУТА двухпозиционные логические или контактные сигналы: о готовности электропривода к работе, состоянии аварийной и предупреждающей сигнализации, нулевой скорости или достижении некоторой заданной скорости и т.п.

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Расчет параметров силовой части электропривода в абсолютных единицах

Главную цепь системы «тиристорный преобразователь - двигатель» можно представить в виде схемы замещения (рис.4). В главной цепи действуют ЭДС преобразователя и ЭДС якоря двигателя . На схеме замещения показаны активные сопротивления якорной цепи двигателя , сглаживающего реактора , двух фаз трансформатора , а также фиктивное сопротивление , обусловленное коммутацией тиристоров. Кроме того, представлены индуктивности якорной цепи двигателя , сглаживающего реактора и двух фаз трансформатора . Направления тока и ЭДС соответствуют двигательному режиму электропривода (см. рис.4).

Рис.4. Схема замещения главной цепи.

От исходной схемы замещения переходим к эквивалентной схеме (рис.5), где все индуктивности объединяются в одну эквивалентную индуктивность , а все активные сопротивления - в одно эквивалентное сопротивление .

Рис.5. Эквивалентная схема замещения главной цепи.

Определим параметры силовой части в абсолютных (т.е. физических) единицах.

Фиктивное сопротивление преобразователя, обусловленное коммутацией тиристоров:

0,1 Ом

Эквивалентное сопротивление главной цепи:

0,96 Ом

Эквивалентная индуктивность главной цепи:

0,0146 Гн

Электромагнитная постоянная времени главной цепи:

0,0152 с

Электромагнитная постоянная времени цепи якоря двигателя:

0,0215

Коэффициент передачи преобразователя:

27,7

где - напряжение на входе системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя (напряжение управления), при котором угол управления равен нулю и ЭДС преобразователя в режиме непрерывного тока максимальна.

В проекте примем = 10 В.

4.2 Выбор базисных величин системы относительных единиц

При рассмотрении модели силовой части электропривода как объекта управления параметры и переменные электропривода удобно перевести в систему относительных единиц. Переход к относительным единицамосуществляется по формуле:

,

где - значение в абсолютных (физических) единицах; - базисное значение (также в абсолютных единицах); - значение в относительных единицах.

Принимаем следующие основные базисные величины силовой части электропривода:

- базисное напряжение:

192,7

- базисный ток:

42

- базисную скорость:

113,04

- базисный момент:

71,4

- базисный магнитный поток:

1,7

Базисный ток и базисное напряжение регулирующей части электропривода выбирают так, чтобы они были соизмеримы с реальными уровнями токов и напряжений в регулирующей части. В проекте рекомендуется принять:

- базисное напряжение системы регулирования:

10 В

- базисный ток системы регулирования:

0,5 мА.

Рассчитаем производные базисные величины:

- базисное сопротивление для силовых цепей:

4,588 Ом

- базисное сопротивление для системы регулирования:

20 кОм

Механическая постоянная времени электропривода зависит от суммарного момента инерции и принятых базисных значений скорости и момента:

0,585

4.3 Расчет параметров силовой части электропривода в относительных единицах

На рис.6 показана структурная схема модели силовой части электропривода как объекта управления. Переменные модели выражены в относительных единицах. В модель входят следующие звенья:

- тиристорный преобразователь (ТП) - пропорциональное звено с коэффициентом передачи ;

- главная цепь (ГЦ) - апериодическое звено с электромагнитной постоянной времени и коэффициентом передачи, равным , т.е. эквивалентной проводимости главной цепи в относительных единицах;

- механическая часть (МЧ) - интегрирующее звено с механической постоянной времени ;

Рис.6. Структурная схема объекта управления.

- звенья умножения на магнитный поток (поток рассматривается в модели как постоянный параметр).

Входные величины модели представляют собой управляющее воздействие (сигнал управления на входе преобразователя) и возмущающее воздействие (момент статического сопротивления на валу двигателя).

Переменными модели являются:

- ЭДС преобразователя ;

- ЭДС якоря двигателя ;

- ток якоря двигателя ;

- электромагнитный момент двигателя ;

- угловая скорость двигателя .

Определим параметры электропривода в относительных единицах:

- коэффициент передачи преобразователя:

1,44

- эквивалентное сопротивление главной цепи:

0,21

- сопротивление цепи якоря двигателя:

0,142

- магнитный поток двигателя:

1

4.4 Расчет коэффициентов передачи датчиков

Рассчитаем коэффициенты передачи датчиков в абсолютных единицах так, чтобы при максимальном значении величины, измеряемой датчиком, напряжение на выходе датчика было равно базисному напряжению регулирующей части.

Коэффициент передачи датчика тока:

0,09

где - максимальный ток якоря по перегрузочной способности двигателя.

Максимальный ток определяется по формуле:

106

Коэффициент передачи датчика напряжения:

0,036

Коэффициент передачи датчика скорости:

0,09

Рассчитаем коэффициенты датчиков в относительных единицах.

Коэффициент передачи датчика тока:

0,38

Коэффициент передачи датчика напряжения:

0,69

Коэффициент передачи датчика скорости:

1

5. ВЫБОР ТИПА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Рассмотрим функциональную схему системы управления электроприводом (рис.7). Система управления электроприводом представляет собой двухконтурную систему автоматического регулирования (САР) скорости. Внутренним контуром системы является контур регулирования тока якоря, внешним и главным контуром - контур регулирования скорости.

Для проектируемого электропривода выбираем однократную систему регулирования скорости. Однократная САР скорости по сравнению с двукратной не обладает астатизмом по возмущающему воздействию (моменту сопротивления), однако для проектируемой системы обеспечение такого астатизма не требуется. Однократная САР скорости обладает лучшими динамическими свойствами по сравнению с двукратной САР. Для контуров регулирования тока якоря и скорости применяется настройка на модульный оптимум. Данную настройку обеспечивают пропорционально-интегральный регулятор тока (РТ) и пропорциональный регулятор скорости (РС). Плавное ускорение и замедление привода обеспечиваются с помощью задатчика интенсивности (ЗИ). Для разгона или торможения привода задатчик интенсивности формирует линейно изменяющийся во времени сигнал задания на скорость.

Сигналы обратных связей поступают в систему регулирования от датчиков тока якоря (ДТ), напряжения якоря (ДН) и скорости (ДС). Датчики состоят из измерительного элемента и устройства согласования. Измерительным элементом для датчика тока якоря является шунт в цепи якоря , для датчика напряжения - делитель напряжения , для датчика скорости - тахогенератор (ТГ). Устройство согласования обеспечивает необходимый коэффициент передачи датчика и гальваническую развязку силовых цепей от цепей управления. Косвенный датчик ЭДС (ДЭ) вычисляет ЭДС якоря по сигналам датчиков тока и напряжения. Сигнал ЭДС через звено компенсации (ЗК) подается на вход регулятора тока, что требуется для компенсации отрицательного влияния ЭДС якоря на процессы в контуре тока.

Некомпенсируемая постоянная времени закладывается в фильтрах Ф1 и Ф2. Эти фильтры обеспечивают защиту объекта управления от высокочастотных помех. Величина , принятая при проектировании системы, определяет быстродействие контура регулирования тока и всей системы в целом.

Управляющим воздействием на объект управления (силовую часть электропривода) является напряжение управления . Напряжение управления подается на вход системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя, которая регулирует угол управления, т.е. фазу подачи управляющих импульсов на тиристоры.

Нелинейные элементы НЭ1 и НЭ2 предназначены для ограничения координат системы. Элемент НЭ1 ограничивает выходной сигнал регулятора тока, а следовательно, напряжение управления преобразователя и его выходную ЭДС. Элемент НЭ2 ограничивает выходной сигнал регулятора скорости, тем самым ограничивается сигнал задания тока и сам ток якоря.



Рис.7. Функциональная схема системы управления электроприводом.

6. РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЧАСТИ КОНТУРА ТОКА ЯКОРЯ

6.1 Расчет параметров математической модели контура тока

Система автоматического регулирования тока якоря, анализ ее свойств, методика синтеза регулятора тока подробно рассмотрены в учебном пособии Р.Т.Шрейнера «Системы подчиненного регулирования электроприводов» [5].

Рассмотрим структуру и выполним расчет параметров модели контура тока, используя систему относительных единиц. Структурная схема контура тока представлена на рис.8. В контуре тока находятся звенья регулятора тока (РТ), фильтра (Ф), тиристорного преобразователя (ТП) и главной цепи (ГЦ). На структурной схеме фильтр показан внутри контура, что эквивалентно наличию фильтра в цепи задания и обратной связи (см.рис.7). Обратная связь по току при рассмотрении относительных величин принимается единичной. На процессы в контуре тока влияет ЭДС якоря двигателя, которую можно считать возмущающим воздействием. При отсутствии ЭДС якоря (якорь неподвижен) в контуре тока можно рассматривать одно звено объекта управления с передаточной функцией:

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.8. Структурная схема контура регулирования тока якоря.

К выбору постоянной времени фильтра :

,

где - максимально допустимое значение статической ошибки в о.е.;

- максимальный статический момент в о.е.;

- согласно требованиям к электроприводу.

1,28

0,01

Некомпенсированную постоянную времени рекомендуется принять в пределах 0,004-0,01 с. Принимаем =0,01 с.

При синтезе регулятора тока влияние ЭДС якоря не учитывается. Передаточная функция регулятора тока находится по условию настройки контура на модульный оптимум:

Получаем передаточную функцию ПИ-регулятора. Таким образом, параметры регулятора тока находятся по следующим формулам:

0,0152

0,137

Контур регулирования тока при настройке на модульный оптимум описывается передаточной функцией фильтра Баттерворта 2-го порядка:

Влияние ЭДС якоря приводит к появлению статической ошибки по току, что ухудшает качество системы. Для компенсации данного влияния вводится положительная обратная связь по ЭДС якоря. Структурная схема контура тока с компенсацией ЭДС представлена на рис.9. При выносе фильтра из контура он должен оказаться в цепи задания на ток (Ф1), в цепи обратной связи по току (Ф2) и в цепи обратной связи по ЭДС, где его удобно объединить с датчиком ЭДС. Таким образом, датчик ЭДС имеет небольшую инерционность, что является необходимым, т.к. безынерционный датчик ЭДС реализовать невозможно.

Компенсирующий сигнал подается на вход регулятора тока, а не непосредственно в точку действия ЭДС якоря (между звеньями ТП и ГЦ). Поэтому влияние звеньев регулятора тока и преобразователя на прохождение компенсирующего сигнала необходимо устранить. Это достигается за счет включения в цепи обратной связи по ЭДС звена компенсации. Передаточная функция звена компенсации определяется по формуле:

.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.9. Структурная схема контура тока с компенсацией ЭДС

Таким образом, звено компенсации является реальным дифференцирующим звеном. Параметры звена компенсации находятся по следующим формулам:

0,095

0,0152

В результате компенсации ЭДС статическая ошибка по току устраняется.

ЭДС якоря двигателя недоступна для прямого измерения. Косвенный датчик ЭДС якоря использует сигналы тока и напряжения якоря. Связь между током, напряжением и ЭДС якоря следует из уравнения электрического равновесия для якорной цепи. В области изображений по Лапласу это уравнение имеет вид:

.

Реализовать датчик ЭДС в полном соответствии с приведенной выше формулой невозможно, т.к. требуется идеальное форсирующее звено. Поэтому внесем в датчик инерционное звено с постоянной времени . В результате уравнение датчика ЭДС принимает вид:

В статическом режиме приведенные выше формулы дают одинаковый результат. Уравнению датчика ЭДС соответствует структурная схема, показанная на рис.10. Также на рис. 10 показано звено компенсации.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.10. Структурная схема датчика ЭДС и звена компенсации.

6.2 Конструктивный расчет датчика ЭДС и звена компенсации

В аналоговых системах автоматического управления электроприводами реализация регуляторов и других преобразователей сигналов осуществляется на базе операционных усилителей.

Принципиальная схема датчика ЭДС и звена компенсации показана на рис.11. Фильтр в канале напряжения реализуется на элементах , , . Форсирующее звено в канале тока реализуется на элементах , , . Операционный усилитель DА3 предназначен для суммирования сигналов в датчике ЭДС, что осуществляется путем суммирования токов и . Звено компенсации выполнено на операционном усилителе DA2. Элементы входной цепи и цепи обратной связи усилителя DA2 , , обеспечивают реализацию свойств реального дифференциального звена.

Рис.11. Принципиальная схема датчика ЭДС и звена компенсации

На рис.12 представлена структурная схема для абсолютных величин токов и напряжений, которая соответствует принципиальной схеме, показанной на рис.11. При ее составлении было принято, что сопротивления и одинаковы.

Рис.12. Структурная схема датчика ЭДС и звена компенсации для абсолютных величин

От структурной схемы для абсолютных величин перейдем к структурной схеме для относительных величин (рис.13). На данной схеме показаны относительные коэффициенты датчиков напряжения и тока. При переходе от абсолютных величин к относительным величинам в передаточных функциях входных цепей операционных усилителей появляется сопротивление . В передаточных функциях цепей обратной связи операционных усилителей появляются обратные величины .

Рис.13. Структурная схема датчика ЭДС и звена компенсации для относительных величин

Сопоставляя структурные схемы, показанные на рис.10 и 13, получим соотношения между параметрами математической модели датчика ЭДС и звена компенсации в относительных единицах и параметрами элементов принципиальной схемы.

Необходимые коэффициенты передачи обеспечиваются при выполнении условий:

1

1

Требуемые значения постоянных времени обеспечиваются при выполнении условий:

;

;

;

.

Из этих соотношений выразим и рассчитаем параметры элементов принципиальной схемы (сопротивления и емкости).

6,9 кОм

53 кОм

20 кОм

46,1 кОм

0,2 мкФ

4,7 мкФ

3,23 кОм

6.3 Конструктивный расчет регулятора тока

На рис.14 показана принципиальная схема регулятора тока и его входных цепей. Регулятор тока выполнен на операционном усилителе DA1. Последовательное включение в цепь обратной связи усилителя DA1 сопротивления и емкости обеспечивает пропорционально-интегральный тип регулятора. На входе усилителя DA1 суммируются три сигнала, приходящие по каналам задания на ток, обратной связи по току и по каналу компенсации ЭДС, путем суммирования токов , и . В цепи задания на ток и в цепи обратной связи по току установлены фильтры на элементах , , и , , соответственно. Нелинейный элемент НЭ1 реализуется на стабилитронах VD1 и VD2.

Рис.14. Принципиальная схема регулятора тока и его входных цепей.



Рис.15. Структурная схема регулятора тока и его входных цепей для абсолютных величин.

На рис. 15 представлена структурная схема для абсолютных величин токов и напряжений, которая соответствует принципиальной схеме, показанной на рис.14. При составлении структурной схемы предполагалось, что сопротивления и , а также и одинаковы. От структурной схемы для абсолютных величин перейдем к структурной схеме для относительных величин (рис.16).

Рис.16. Структурная схема регулятора тока и его входных цепей для относительных величин.

Сопоставляя структурные схемы (см.рис.9 и 16), получим соотношения между параметрами математической модели регулирующей части контура тока в относительных единицах и параметрами принципиальной схемы.

Для обеспечения единичных коэффициентов передачи в каналах задания тока, обратной связи по току и компенсации эдс должны выполняться условия:

1

Требуемые значения постоянных времени обеспечиваются при выполнении условий:

Выразим и рассчитаем параметры элементов принципиальной схемы

20 кОм

10 кОм

3,8 кОм

2 мкФ

5,3 мкФ

6,8 мкФ

2,2 кОм

7. РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ЧАСТИ КОНТУРА СКОРОСТИ

7.1 Расчет параметров математической модели контура скорости

Однократная система автоматического регулирования скорости, анализ ее свойств, методика синтеза регулятора скорости подробно рассмотрены в учебном пособии [5].

Рассмотрим структуру и выполним расчет параметров модели контура скорости, используя систему относительных единиц. Структурная схема контура регулирования скорости представлена на рис.17. Контур регулирования тока якоря при его настройке на модульный оптимум рассматриваем как одно звено с передаточной функцией (10). Контур скорости включает в себя звено регулятора скорости (рс), звено контура тока якоря (кт), звено умножения на поток и звено механической части привода (мч). Обратная связь по скорости при рассмотрении относительных величин принимается единичной. На объект управления действует возмущающее воздействие - момент статического сопротивления, создаваемый нагрузкой на валу двигателя.

При синтезе регулятора скорости считаем, что момент статического сопротивления равен нулю (режим идеального холостого хода двигателя). При условии объект управления в контуре скорости представляется одним звеном:

Передаточная функция регулятора скорости находится по условию настройки контура на модельный оптимум:



Рис.17. Структурная схема контура регулирования скорости

Получаем передаточную функцию п-регулятора. Коэффициент передачи регулятора скорости, как видно из выше приведенных уравнений, находится по формуле:

14,62

Обратная сар скорости является статической по возмущающему воздействию, поэтому в результате появления нагрузки на валу двигателя появляется статическая ошибка по скорости. Определим величину максимальной статической ошибки по скорости:

0,082

Где - максимальный по модулю статический момент на валу двигателя в относительных единицах (см.нагрузочную диаграмму двигателя).

7.2 Конструктивный расчет регулирующей части контура скорости

Принципиальная схема регулирующей части контура скорости представлена на рис.18. Регулятор скорости выполнен на операционной усилителе da4. Суммирование сигнала задания на скорости и сигнала обратной связи по скорости осуществляется путем суммирования токов и . Включение в цепь обратной связи усилителя da4 сопротивления обеспечивает пропорциональный тип регулятора. Стабилитроны vd3, vd4 реализуют нелинейный элемент нэ2.

Рис.18. Принципиальная схема регулирующей части контура скорости.

На рис.19 показана структурная схема для абсолютных величин токов и напряжений, соответствующая принципиальной схеме на рис.18.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.19. Структурная схема регулирующей части контура скорости для абсолютных величин.

От структурной схемы для абсолютных величин перейдем к структурной схеме для относительных величин (рис.20).

Рис.20. Структурная схема регулирующей части контура скорости для относительных величин.

Сопоставляя структурные схемы (см. Рис.17 и рис.20), получим соотношения между параметрами математической модели регулирующей части контура скорости в относительных единицах и параметрами элементов принципиальной схемы.

Для обеспечения единичных коэффициентов передачи в каналах задания скорости и обратной связи по скорости должны выполняться условия:

1

Для обеспечения требуемого коэффициента передачи регулятора скорости должно выполняться условие:

Из записанных соотношений выразим сопротивления , и:

20 кОм

20 кОм

292,4 кОм

8. РАСЧЕТ ЗАДАТЧИКА ИНТЕНСИВНОСТИ

8.1 Расчет параметров математической модели задатчика интенсивности

Задатчик интенсивности предназначен для формирования линейно изменяющегося во времени сигнала задания на скорость с определенным темпом. Структурная схема задатчика представлена на рис.21. Темп изменения выходного сигнала задатчика определяется уровнем ограничения Q нелинейного элемента (НЭ) и постоянной времени интегратора (И).

Рис.21. Структурная схема задатчика интенсивности.

Определим параметры математической модели задатчика интенсивности в относительных единицах.

Темп задатчика:

1,99

Уровень ограничения нелинейного элемента (принимается): 0,9

Постоянная времени интегрирующего звена ЗИ:

0,45

Коэффициент передачи в линейной зоне нелинейного элемента (принимается): 100

8.2 Конструктивный расчет задатчика интенсивности

Принципиальная схема задатчика интенсивности представлена на рис.22. Нелинейный элемент реализуется на операционном усилителе DA7. Ограничение выходного сигнала обеспечивается за счет включения в цепь обратной связи усилителя DA7 стабилитронов VD5 и VD6. Интегратор реализуется на операционном усилителе DA6. Емкость в цепи обратной связи усилителя DA6 определяет постоянную времени интегратора. Усилитель DA5 предназначен для инвертирования сигнала, чтобы обеспечить отрицательную обратную связь, охватывающую нелинейный элемент и интегратор (см.рис.21).

Рис.22. Принципиальная схема задатчика интенсивности

На рис.23 показана структурная схема для абсолютных величин токов и напряжений, соответствующая принципиальной схеме на рис.22.

От структурной схемы задатчика интенсивности для абсолютных величин перейдем к структурной схеме для относительных величин (рис.24).

Из сравнения структурных схем задатчика интенсивности (см.рис.21 и 24) получим соотношение между параметрами математической модели и параметрами принципиальной схемы задатчика.

Для обеспечения требуемой постоянной времени интегратора должно выполняться условие:

Рис.23. Структурная схема задатчика интенсивности для абсолютных величин.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.24. Структурная схема задатчика интенсивности для относительных величин.

Для обеспечения требуемого коэффициента передачи в линейной зоне нелинейного элемента должно выполняться условие:

Остальные сопротивления в схеме задатчика должны быть таковы, чтобы обеспечить единичные коэффициенты передачи. Для этого должны выполняться следующие условия:

1

Отсюда:

22,5 мкФ

2000 кОм

20 кОм

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Евзеров И.Х. и др. Комплектные тиристорные электроприводы: Справ. под ред. В.М. Перельмутера - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

2. Томашевский Н.И. и др. Типовые задания к курсовому проекту по основам электропривода. - Свердловск: Изд-во Свердл. инж. пед.ин-та, 1989. - 48 с.

3. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справ. - 2-е изд. перераб. И доп. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 316 с.

4. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учеб. Для вузов. - 6-е изд. доп. И перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 576 с.

5. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Ч.1: Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат: Учеб.пособие для вузов. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. проф.- пед. ун-та, 1997. - 279 с.

Размещено на Allbest.ru