Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Выбор структуры системы управления ЭП

2.Выбор электродвигателя.

2.1. Ориентируясь на исходные данные принимаем для электропривода двигатель 4ПФ250L. [1,363]

таблица2.- параметры двигателя 4ПФ250L.

Мощность Рном, кВт	250
Напряжение Uном, В	440
Ток Iном, А	614
КПД, %	91
Скорость nном, об/мин	1500
Максимальная скорость nmax, об/мин	3000
Момент инерции J, кг/м2	4,86

Двигатели серии 4ПФ предназначены для приводов механизмов главного движения станков с ЧПУ, гибких производственных систем и роботизированных промышленных комплексов. Исполнение по степени защиты IP23, по способу охлаждения – IC06 (с независимой вентиляцией) климатическое исполнение и категория размещения – УХЛ4.

В условном обозначении ДПТ после названия типа(4ПФ) указывается последовательно высота оси вращения,мм, условная длина сердечника(L), наличие воздушного фильтра- буква В (при его отсутствии буква опускается)

Двигатели поставляются со встроенным тахогенератором типа ТП80-20-0,2 и датчиком тепловой защиты – терморезистором типа СТ14-1Б. Возбуждение ДПТ независимое, при последовательном соединении катушек – 220В, при параллельном – 110В. Класс нагревостойкости F. Режим эксплуатации S1. Двигатели допускают регулирование частоты вращения напряжением U=0¸460В при М=const. Допускаются перегрузки: при n=n_ном I_max=1,6×I_ном в течение 1 мин и I_max=2×I_ном в течение 15 сек. При n=n_max I_max=1,5×I_ном в течение 10 сек. Способ исполнения IM1001.

2.2 Используя паспортные данные рассчитаем параметры двигателя.

2.2.1 Потребляемая мощность:

. [2]

2.2.2 Сопротивление обмоток якоря:

[2]

2.2.3 Температурный коэффициент обмоток двигателя:

k_t=1+,[2]

где t – превышение температуры обмоток, соответствующее классу F;

- температурный коэффициент меди;[1]

2.2.4 Сопротивление двигателя:

R_дв=k_t

т.к. значение очень мало, то им пренебрегаем

2.2.5. Определение индуктивности якорной цепи.

Индуктивность якорной цепи определим из выражения для двигателя без компенсационной обмотки:

2.2.6 Определение конструктивного коэффициента двигателя.

Конструктивный коэффициент двигателя приближенно можно определить из:

[2]

2.2.7 Скорость холостого хода:

.[2]

2.2.8 Известно, что тогда по закону сохранения энергии приведенный момент определится:

где J_дв – момент инерции двигателя;

J_дв = 4,86 кг·м²;

J_М – момент инерции механизма;

2.2.9 Статический момент, действующий на вал двигателя.

Статический момент, действующий на вал двигателя примем равным номинальному, который определим из выражения .

где P_Н – номинальная мощность двигателя;

P_Н = 250 кВт;

2.2.10 Электромагнитная постоянная времени якоря двигателя.

3. Выбор структуры системы управления ЭП

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.

Рисунок 1.- Структурная двухконтурная схема с внешним контуром регулирования скорости и внутренним подчиненным контуром регулирования тока якоря двигателя.

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. [3]

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

Принимаем комплектный тиристорный электропривод унифицированной серии КТЭУ мощностью до 2000кВт [3] :

КТЭУ-800/440-132-12-УХЛ4.

Цифры преобразователя имеют следующие значения:

800- номинальный ток электропривода;

440- номинальное напряжение электропривода;

1- электропривод однодвигательный;

3- режим работы: реверсивный с изменением полярности напряжения на якоре;

2 – исполнение ТП по способу связи с сетью: с трансформатором;

1-основной регулируемый параметр: скорость, однозонное регулирование;

2 – состав коммутационной аппаратуры силовой цепи: c линейным контактом и динамическим торможением;

УХЛ4-исполнение для районов с холодным и умеренным климатом

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_уи 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.

Параметры СИФУ приведены в таблице 3

Таблица 3 – Параметры СИФУ

Наименование параметра	Числовое значение
Максимальное входное напряжение , В, не более	8-10
Входной ток , мА, не более	5
Напряжение синхронизации с питающей сетью трехфазное, В	380
Допустимые коммутационные провалы, % град	400
Температурный дрейф при изменение температуры от 1 до 40⁰С, не более	4
Диапазон изменения угла управления , град	5-170
Ассиметрия импульсов отдельных каналов, град, не более	3

СИФУ гальванически отделена от силовой части электропривода. В реверсивных ЭП СИФУ дополняется узлом выбора выпрямительного моста АВ. Устройство раздельного управления АВ обеспечивает бестоковую паузу 5-7 мс с возможностью ее регулировки. СИФУ электроприводов серии КТЭУ выполняется с широким использованием операционных усилителей серии К553УД2, логических интегральных микросхем серии К511.

СИФУ серии КТЭУ имеют следующие особенности:

-косинусоидальное опорное напряжение;

- 6-канальное устройство фазосмещения;

-использование одного устройства фазосмещения для обоих выпрямительных мостов в реверсивных ЭП;

-высокочастотное заполнение узких отпирающих импульсов;

- использование сигналов с трансформаторов переменного тока для работы логического переключающего устройства.

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 превышения 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 режимов маслонаполненного трансформатора;

- от включения ТП на вращающийся 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.

В ЭП серии КТЭУ защита основана на изменении тока нагрузки датчиком тока, подключенном к шунту, и переменного тока на выходе выпрямителя с помощью трансформаторов тока. 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, построенные 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.

Системы управления КТЭУ строятся на типовых элементах унифицированной блочной системы регуляторов УБСР-АИ аналогового действия , объединенных по принципу единства конструкции, вида входных и выходных сигналов, напряжений питания. Элементы УБСР-АИ выполняются в виде двусторонним печатаньем плат с широким применением полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем и являются наименьшими сменными модулями системы управления.

Особенностью элементной базы ячеек серии ЯФУ , применяемой в КТЭУ, является применение операционных усилителей типа К553УД2, логических элементов серии К511, бесконтактных ключей типа К284КН1, оптронов типа К293ЛП1А. Ячейки серии N построены на ГИС типов Р1 и Р5, логических элементов серии К561, сборках полевых транзисторов типа К190КТ2П в качестве бесконтактных коммутаторов, оптронах типа АО101.

Питание ячеек осуществляется стабилизированным напряжением 15В. Уровни выходных напряжений – до 10В, сопротивление нагрузки – не менее 2кОм.

ОУ типа К553УД2 имеют следующие параметры.

Таблица 4 – Параметры операционных усилителей типа К553УД2

Коэффициент усиления по напряжению, не менее	2×10⁴
Выходное напряжение при R_н 2 кОм, В
Входной ток, мкА	1,5
Напряжение смещения нуля, приведенное ко входу, мВ, не более	7,5
Ток потребления , мА	6
Полоса пропускания в режиме с единичной отрицательной обратной связью, МГц, до	0,8

Логические элементы серии К511 имеют следующие параметры:

Таблица 5 – Параметры логических элементов серии К511

Входное напряжение логического 0, В не более	6
Выходное напряжение логического 0, В не более	1,5
Входное напряжение логической 1, В не менее	8
Выходное напряжение логической 1, В не менее	13,5
Выходной ток, мА, не более	12
Ток потребления, мА	15-35
Время задержки, мкс, не более	0,4
Напряжение питания, В	15

Микросхема типа К284КН1Б содержит 3 независимых ключа со схемами управления.

Таблица 6 – Основные параметры ключа

Сопротивление в проводящем состоянии, Ом	250
Ток утечки в непроводящем состоянии, мкА	0,01
Напряжение управления проводящего ключа,В	2,3-2,5
Напряжения управления непроводящего ключа, В	0-0,4
Ток управления, мА	3
Время переключения, мкс	3
Ток потребления от источника-15 В,мА	до 12

Микросхема К293ЛП1А оптронный переключатель-инвертор: входному току I_вх около 10мА соответствует логический 0 на выходе микросхемы при напряжение не более 0,4В. При I_вх=0 на выходе появляется логическая 1 с напряжением 2,4В.

Таблица 7 – Основные параметры оптронного переключателя

Падение напряжения на входном излучающем диоде, В	1,5
Потенциал разделяемых цепей, В	до 100
Время включения,мкс	0,5
Выходной ток, мА,	до 20
Напряжения питания, В	5

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 изменении 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.

5.Расчет и выбор элементов силовой части. Определение параметров силового электрооборудования.

5.1. Выбор трансформатора

5.1.1 Фазный ток во вторичной обмотке трансформатора

5.1.2 Фазное напряжение во вторичной обмотке

где = 1,05 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное

повышение напряжения на 5 %;

= 1,1 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение

напряжения в обмотках силового трансформатора;

= 1,1 – коэффициент запаса, учитывающий ограниченность угла

открывания тиристоров инвертора;

для шестипульсной схемы выпрямления;

= 1,1 – коэффициент запаса по напряжению при формировании

переходных процессов

5.1.3 Расчетная мощность трансформатора

Принимаем трансформатор ТСЗП-400/10УЗ. [3,стр.272]

Таблица 8 – Паспортные данные трансформатора.

Мощность, кВА	S	402
Сетевое напряжение, кВ	U_1л	6
Напряжение в вентильной обмотке, В	U_2л	569
Ток в вентильной обмотке, А	I₂	408
Напряжение в преобразовательной обмотке, В	U_в	660
Ток в преобразовательной обмотке, А	I_в	500
Потери холостого хода, Вт	P_хх	1600
Потери короткого замыкания, Вт	P_кз	5200
Напряжение короткого замыкания, %	U_к	5,8
Ток холостого хода, %	I_хх	2,5

5.2 Выбор реактора

Выбор сглаживающего дросселя в якорной цепи произведем по каталогу на комплектные тиристорные электроприводы по упрощенной формуле для минимального значения суммарной индуктивности якорной цепи двигателя и преобразователя, вызывающий снижение пульсаций тока до допустимых значений:

, мГн,

где k – эмпирический коэффициент. При выпрямленных токах от 50 до1600 А

k=1,4…1,5. принимаем k=1,5.

мГн;

Принимаем реактор ФРОС 250/0,5 [3,стр.300]

Таблица 9 – Паспортные данные реактора.

Номинальный ток, А	I_н	800
Номинальная индуктивность, мГн	L_н	0,6
Номинальное сопротивление, мОм	R_а	1,7

5.3 Расчет параметров силового оборудования.

5.3.1 Активное сопротивление якорной цепи

где - активное сопротивление двигателя;

- активное сопротивление трансформатора;

–активное сопротивление реактора; [см. 5.2]

–активное сопротивление перекрытия вентилей

Активное сопротивление трансформатора рассчитывается по формуле:

; [4]

где U_ка–активная составляющая напряжения короткого замыкания:

[4]

Находим активное сопротивление трансформатора:

Ом; [4]

Активное сопротивление перекрытия вентилей:

R_nв=; [4]

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения;

Х_тр – индуктивное сопротивление трансформатора

; [4]

где U_кр–реактивная составляющая напряжения короткого замыкания;

[4]

Находим реактивное сопротивление трансформатора:

Ом

Находим активное сопротивление якорной цепи:

5.3.2 Суммарная индуктивность якорной цепи

, [4]

где - индуктивность якоря двигателя;

;

- индуктивность обмотки трансформатора;

; [4]

- индуктивность дросселя;

5.3.3 Электромагнитная постоянная времени

[4]

5.3.4Жесткость естественной характеристики электропривода:

.[4]

5.3.5 Электромеханическая постоянная времени электропривода:

[4]

5.3.6 Максимальный ток якорной цепи двигателя(ток упора):

I_{я макс}=2,3×I_н=2,3×614=1412,2.

5.3.7Определим коэффициенты передачи электропривода. При этом будем считать, что рабочие области передаточных характеристик линейны, а сигнал управления , соответствующий максимальному значению управляемого параметра равен 10В, т.е. максимальному уровню напряжения системы управления.

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя:

Определим коэффициенты передачи электропривода.

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя:

[4]

где - максимальный сигнал управления на входе

СИФУ, соответствующий максимально выпрямленной ЭДС.

Коэффициент передачи обратной связи по скорости:

, [4]

где –скорость холостого хода двигателя.

Коэффициент передачи обратной связи по току:

[4]

с – некомпенсируемая постоянная времени.

5.3.8 Произведем проверку тиристоров по току. Тиристоры Т-800, используемые в КТЭУ, имеют следующие номинальные данные:

предельный ток I_пр=800А;

допустимый ток I_доп=800А;

повторяющееся напряжение 1600-2400В;

пороговое напряжение U₀=1,22В;

динамическое сопротивление R_д=0,35Ом.

так как схема соединения тиристоров трехфазная мостовая, то угол проводимости каждого тиристора , то есть каждый тиристор находится во включенном состояние третью часть периода. Соотношение между током в плече моста и током двигателя:

I_пт=I_дв/3

Проверку проводим по максимальному току двигателя(току упора).

I_пт=I_{дв
max}/3=1412,2/3=470,733А.

т.к. I_пт=470,733А, меньше 800А, то принимаем тиристоры меньшей мощности

Т-630

предельный ток I_пр=630А;

допустимый ток I_доп=630А;

повторяющееся напряжение 1600-2400В;

пороговое напряжение U₀=1,6В;

динамическое сопротивление R_д=0,35Ом.

I_пт=I_дв/3

Проверку проводим по максимальному току двигателя(току упора).

I_пт=I_{дв
max}/3=1412,2/3=470,733А.

Так как в плече включено по одному тиристору , то ток в каждом тиристоре будет равен току в плеча моста:

I_т=I_пт=470,733.

Тиристоры соответствуют предъявляемым запросам, так как выполняется условие I_т< I_доп.

6. Синтез регуляторов.

Регуляторы построены на операционных усилителях типа К553УД2. Параметры ОУ приведены в таблице. В качестве сопротивлений используются металлодиэлектрические сопротивления типа МЛТ.

Таблица 10 – Параметры К553УД2

Коэффициент усиления по напряжению, не менее	2×10⁴
Выходное напряжение при R_н 2 кОм, В
Входной ток, мкА	1,5
Напряжение смещения нуля, приведенное ко входу, мВ, не более	7,5
Ток потребления , мА	6
Полоса пропускания в режиме с единичной отрицательной обратной связью, МГц, до	0,8

Выбор структуры системы управления ЭП 📙 Реферат → 🆔 62682