Министерствообщего и профессионального образования
РоссийскойФедерации.
Кафедра:Электропривод и автоматизация промышленных процессов.
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту
по курсусистем управления электроприводом.
Руководитель:
“-----“-----------200г
Автор проекта
Студент группы
“-----“-----------200г
Проект защищен
с оценкой
-----------------------
-------------------------
“------“---------200г
200
Содержание
1. Введение
2. Выбор электродвигателя
3. Выбор структуры системы управления электроприводом
4. Выбор комплектного тиристорного электропривода
5. Выбор элементов силового электорооборудования вкомплектном электроприводе
6. Функциональная и структурная схемы электропривода. Переходк относительным единицам.
7. Определение параметров силового электрооборудования
8. Выбор типа регуляторов и расчет их параметров
9. Построение статических характеристик замкнутой системыэлектропривода
10. Защиты в электроприводе и расчет их уставок
11. Исследование качества процессов в проектируемой системеэлектропривода
12. Вывод
Литература
Введение
В данном курсовом проектенеобходимо спроектировать комплектный тиристорный электропривод постоянноготока на основании технических требований представленных в таблице №1. Дляэтого, выбран двигатель из указанного диапазона мощностей, определена структурасистемы управления, выбран тиристорный преобразователь и силовое оборудование кнему, произведен синтез регуляторов. На основании знаний полученных в курсе ТАУпроизведена настройка системы управления на оптимальное быстродействие иустойчивость. Исследованы качества процессов в спроектированной системе.
Таблица 1.1
Исходные данные ккурсовому проекту.Наименование Обозначение Величина Диапазон мощностей, в пределах которого следует выбирать двигатель. КВт От 50до99 Момент инерции механизма в долях от момента инерции двигателя.
Jм /Jд 2.0
Изменение момента статической нагрузки Мс в долях от номинального Мн
Мс/Мн 0.8 Колебания напряжения сети.
êUс=êUс/Uс 0.25 Диапазон регулирования скорости вниз от номинальной
D1=nн/nmin 5 Диапазон регулирования скорости вверх от номинальной.
D2=nmax/nн 1 Допустимая статическая ошибка поддержания скорости при минимальной уставке.
ênдин=ênс/nmin 0.12 Величина токоограничения при упоре
m=Imax/Iн 2.0 Ускорение электропривода при пуске
l=Iдин/Iн 1.4
2. Выборэлектродвигателя
Из указанного диапазонамощностей выбираю двигатель постоянного тока продолжительного режима работы типаП92, 220 В, защищенный, независимого возбуждения.
Таблица 2.1
Параметры двигателя типаП92.Наименование Размерность Значение Мощность, Рн КВт 75 Угловая скорость вала – номинальная, Nн Об/мин 1500 Угловая скорость вала – максимальная, Nмакс Об/мин 2250 Ток якоря – номинальный, Iн А 381 Ток возбуждения – номинальный, Iвн А 4,94
Сопротивление обмоток (Rя+Rдп) Ом 0,016836 Сопротивление обмотки возбуждения, Rов Ом 38,796 Число полюсов 2р 4 Число параллельных ветвей 2а 2 Момент инерции якоря, Jя
Кг*м2 7 Масса Кг 705 Напряжение на якоре, Uя В 220 Поток одного полюса, Ф МВб 20.1
3. Выборструктуры системы управления электроприводом
Выбор структуры системыуправления электропривода произведем с учетом требований технического заданияна электропривод. В качестве внутреннего контура регулирования применяем контуррегулирования тока якоря. Это обеспечит ограничение тока якоря допустимымзначением при возможных перегрузках электропривода. Проверяем возможностьприменения в качестве внешнего контура регулирования, контур регулированиянапряжения. Для проверки посмотрим, удовлетворяет ли данный выбор величинестатической погрешности поддержания скорости.
Δnc=Δnc1+Δnc2 (3.1)
Δnc= 2,5%
Где Δnc1 и Δnc2-составляющие статической погрешности, вызванные приложением статическойнагрузки и нестабильного потока возбуждения двигателя.
Δnc1 — составляющая, вызванная приложением статическойнагрузки в схеме с интегральным регулятором напряжения, когда можно принять Uя=const.
/> (3.2)
где кяд — кратность тока короткого замыкания якорной цепи двигателя.
/> (3.3)
Составляющую Δnc2 на стадии предварительных расчетов предсказать неудается из-за незнания величин разброса магнитного сопротивления машины инестабильности тока возбуждения из-за нагрева обмотки, поэтому Δnс2 не учитываю.
Проверим, удовлетворяетли полученная величина статической погрешности заданной.
Заданная величина
/>
Рассчитанная величина
/>/>
Таким образом, применениев качестве внешнего контура регулирования контур регулирования напряженияневозможно. Поэтому буду применять в качестве внешнего контура регулированияконтур регулирования скорости двигателя.
4. Выборкомплектного тиристорного электропривода
На основании выбранногоэлектродвигателя произведем выбор промышленного комплектного тиристорногоэлектропривода постоянного тока серии КТЭУ.
Выбираем тиристорныйэлектропривод КТЭУ 500/220-532-1ВМТД-УХЛ4.
800- Номинальный выходнойток
220- Номинальное выходноенапряжение.
5- Однодвигательныйэлектропривод с линейным контактором.
3- По режиму работыэлектропривод реверсивный с реверсом тока в якорной цепи.
2- Исполнение по способусвязи с питающей сетью — реакторный.
1- С устройствомаварийного динамического торможения.
1- Исполнение системыавтоматического регулирования (САР) – САР скорости однозонная.
Наличие устройств:
В- Питания обмоткивозбуждения двигателя.
М- Питанияэлектромагнитного тормоза.
Т- Питания обмоткивозбуждения тахогенератора.
Д- Динамическоготорможения электропривода.
УХЛ4- Климатическоеисполнение.
Таблица 4.1
Параметры электроприводаКТЭУ 500/220-532-1ВМТД-УХЛ4Номинальное напряжение, В Номинальный ток, А Электропривода Выпрямителя 220 230 381
Данный электропривод былвыбран на напряжение больше номинального напряжения двигателя.
5. Выборэлементов силового электрооборудования в комплектном электроприводе
Для тиристорногоэлектропривода выбираю трансформатор ТСЭП – 160/0,7У3.
Таблица 5.1
Параметры трансформатораТСЭП – 160/0,7У3.Наименование Размерность Значение Линейное напряжение сетевой обмотки,U1л В 380 Линейное напряжение вентильной обмотки,U2л В 202 Напряжение короткого замыкания,Uкз % 4,5 Потери короткого замыкания,DРкз Вт 2400 Потери холостого хода, DРхх Вт 795 Ток холостого хода,Iхх % 5.2 Ток вентильной обмотки, I2н А 408 Полная мощность,Sт КВ*А 160
/>
Расчет сопротивленийтрансформатора
/>
/>
Где, rтр – активное сопротивление обмотки;
zтр — полное сопротивление обмотки;
хтр – индуктивноесопротивление обмотки.
Рассчитаем индуктивностьтрансформатора
/>
Проверим в выбранномтиристорном преобразователе величину запаса по выпрямленному напряжению длястатических режимов поддержания скорости.
/> (5.1)
272,2
Где Еd0 — ЭДС идеально холостого хода преобразователя.
Ед — ЭДСдвигателя при максимальной скорости
ΔU1 — снижение напряжения преобразователя, вызванноеколебаниями напряжения сети.
Iм — максимальный рабочий ток нагрузки
Rяц — суммарное сопротивление силовойцепи преобразователь-двигатель.
Сопротивление якорнойцепи
/>=0.016836+0.011+0.0095=0.037 Ом (5.2)
где Rя — сопротивление якоря двигателя и добавочных полюсов
Rтр — эквивалентное активноесопротивление обмоток трансформатора приведенное к вторичной цепи.
Rэ — снижение выпрямленной ЭДС за счет коммутационныхпровалов.
Для трехфазной мостовойсхемы выпрямления дополнительное сопротивление от обмоток трансформаторасоставляет:
Rтр=2rтр=2*0.0055=0.011 Ом (5.3)
Потери ЭДС за счеткоммутационных провалов.
/> (5.4)
ЭДС двигателя примаксимальной скорости вращения.
/> В (5.5)
/> В*с (5.6)
Максимальный ток нагрузки
/> А (5.7)
ЭДС идеально холостогохода преобразователя.
/> В (5.8)
Из формулы (5.1) видно,что величина запаса по выпрямленному напряжению меньше, чем желаемая величина.Это может привести к насыщению тиристорного преобразователя, а это в своюочередь вызывает чрезмерную, неконтролируемую системой регулирования посадкускорости вращения двигателя при колебаниях напряжения сети или при перегрузкепривода.
Рассчитаем требуемуюиндуктивность якорной цепи:
/> мГн (5.9)
где Uн Iн– номинальныенапряжение и ток якоря.
К — эмпирическийкоэффициент.
Рассчитаем индуктивностьякоря двигателя:
/> мГн (5.10)
где k – эмпирический коэффициент
pп – число пар полюсов двигателя
/> (5.11)
Получили, что Lтреб>Lяц, т.е. индуктивности якорной цепи не достаточно дляограничения пульсаций тока, т.е. нужен сглаживающий реактор.
Реактор буду выбирать изусловий Lp > Lтр — Lяц, Iрн > Iндв.
Выбираю сглаживающий реакторФРОС – 125/0,543
Таблица 5.2
Параметры реактора ФРОС –125/0,543Номинальный ток Iн, А Индуктивность Lр, мГн Сопротивление R, Ом 500 0,75 0.003
Выберем тахогенератор.Будем выбирать тахогенератор по величине скорости вращения двигателя такимобразом, чтоб при максимальной скорости вращения якоря двигателя утахогенератора оставался запас по механической прочности (скорости вращения).Выбираю тахогенератор типа ПТ-22/1.
Таблица 5.3
Параметры тахогенераторатипа ПТ-22/1.Технические данные тахогенератора Характеристика тока возбуждения
Nн; об/мин
Iя; А
iв; А Тип ячейки
Uв; В
Iв; А 2400 0.5 0.35 БФХ-0545 35 0.75
Принципиальная схемасиловых, а так же релейно-контакторных цепей и цепи возбуждения комплектногоэлектропривода представлены в графической части проекта.
6. Функциональнаяи структурная схемы электропривода
Переход к относительнымединицам.
Для выполнения расчётов,связанных с выбором типа и параметров регуляторов, оценкой
статических и динамическихпоказателей процессов в электроприводе, полезно составить для
выбранного вариантакомплектного электропривода упрощенную принципиальную
(функциональную)(см.рис.6.2 ) и структурную(см.рис.6.3) схемы.
Структурная схемасоставлена на основании уравнений звеньев, записанных в относительных
единицах, что позволяетзначительно упростить запись самих уравнений и последующие
расчёты. В качествебазовых величин принимаю[1]:
для напряжения и токаякоря – их номинальные значения
для момента на валу и электромагнитногомомента двигателя – величину электромагнитного момента при номинальных токеякоря и напряжении на якоре
для скорости вращениядвигателя – скорость его идеального холостого хода при номинальных магнитномпотоке и напряжении на якоре
для напряжений на входетиристорного преобразователя – то приращение входного напряжения, которое дляпреобразователя с линеаризованной статической характеристикой создают изменениевыходного напряжения, равное базовому напряжению на нагрузке
для напряжений на входахдатчиков обратных связей – показания датчиков при базовом значении измеряемойкоординаты. При этом величины коэффициентов усиления датчиков обратных связей(в абсолютных единицах) должны быть подобраны так, чтобы во всём возможномдиапазоне измеряемой координаты выходное напряжение датчика соответствовалоработе его на линейном участке статической характеристики.
для задающих напряжений(как во внешних так и во внутренних контурах регулирования ), сравниваем навходах регуляторов с напряжениями датчиков обратных связей ,- их значения,эквивалентные базовым величинам сигналов обратных связей, т.е. найденные наосновании выражения:
Uзб=Uдб*Rвхз/Rвх ос (6.1)
Здесь, Uзб, Uдб –базовые напряжения задания и датчика обратной связи, Rвхз,Rвх ос – сопротивления входных резисторов по каналам задания иобратной связи.
Таблица 6.1
Базовые значенияпеременных в электроприводеN№ Наименование переменной Обозначение Расчетная формула Численное значение Размерность 2 3 4 5 6 1 Напряжение на якоре, ЭДС преобразователя ТП и двигателя Uя, Еп, Ед Uн 220 В 2 Ток якорной цепи ЯЦ Iя Iн 381 А 3 Момент двигателя М Iн*кФн 518.16 Нм 4 Скорость вращения двигателя N Uн/кФн 217 Рад/с 5 Коэффициент пропорциональности между ЭДС и скоростью двигателя кФ КФн 1.36 В*с/рад 6 Ток возбуждения двигателя Iв Iв 4.94 А 7 Напряжение на обмотке возбуждения, ЭДС тиристорного возбудителя Uв, Етв Iвн*Rв 220 В 8 Напряжение на выходе регулятора тока якоря Uртя F(Еп) 10 В Напряжение на выходах датчика тока якоря ДТЯ и регулятора скорости РС Uдтя, Uрс Кдтя*Iн 5 В 10 Напряжение на выходах датчика скорости ДС и задатчика интенсивности ЗИ Uдс, Uзи Кдс*nб 10 В
7. Определениепараметров силового электрооборудования
Tд –механическая постоянная времени звена Д,учитывающего на структурной схеме механическую инерцию вращающихся массдвигателя и механизма
Тд=(Jд+Jм)nб/Mн=1.8*7*217/518.16=3.94 с (7.1)
Здесь Jд ,Jм – моменты инерции двигателя ирабочего механизма.
— Rяц – суммарное сопротивление силовойцепи преобразователь – двигатель.
Rяц= Rя+Rдп+Rко+2Rтр+Rэ=0.04 Ом (7.2)
— Lяц — суммарная индуктивность якорнойцепи
/> (7.3)
Тяц – электромагнитнаяпостоянная времени якорной цепи.
Тяц=Lяц/ Rяц = 0,04 с (7.4)
Кяц – кратность токакороткого замыкания силовой цепи преобразователь – двигатель
Кяц = Uн / Iн*Rяц = 14.4
t — постоянная времени чистогозапаздывания преобразователя
t =Т/m=1/(50*6)= 0.003 с (7.5)
Тп — постоянная временифильтра преобразователя
Тп = 0,002 с (7.6)
8. Выбортипа регуляторов и расчёт их параметров
Вид передаточной функциии параметры регуляторов буду выбирать таким образом, чтобы выполнить заданныетребования к настраиваемому контуру регулирования. Точный расчёт ведется спомощью логарифмических амплитудных частотных характеристик по методике,изложенной в курсе ТАУ.
Предварительный выборпараметров регуляторов (метод технического оптимума).
Настройка контурарегулирования тока якоря (КРТЯ)
При настройке КРТЯ нужностремиться к достижению максимально высокого быстродействия, чтобы не допуститьв переходном процессе опасных бросков тока якоря при резком приложениичрезмерной статической нагрузки. Т.е. регулятор тока должен содержатьпропорциональный (П) канал. Однако П — регулятор тока, сообщая контурурегулирования высокое быстродействие, оставляет большую статическую погрешностьрегулирования. Это препятствует максимальному использованию двигателя по токуво всём диапазоне скоростей. Поэтому применяют пропорционально – интегральный(ПИ) регулятор тока.
/> (8.1)
Введём расчётнуюпостоянную времени:
Трт = Т1 / Кяц (8.2)
Т2 = Тi max = Tяц =0,04 с (8.3)
/> (8.4)
Т1 = (0.144…0.288) с
Настройка контурарегулирования скорости (КРС).
При настройке КРС поддержаниезаданного значения скорости независимо от приложенных возмущений и достижениетребуемых по качеству процессов пуска и торможения электропривода решаютсяпроще и качественнее для быстродействующих КРС. Но предельное быстродействиеКРС ограничено условиями его устойчивости и влиянием оборотных пульсацийнапряжения тахогенератора. Для стандартных электроприводов принимают wс = (15…20) рад/с.
Введём расчётнуюпостоянную времени:
Трс = Тд / Крс (8.5)
Здесь Крс – коэффициентпропорционального регулятора скорости (РС).
Трс = 1/wс = (0.066…0,05) с (8.7)
Крс = (59...78.8)
Проверим величинустатической ошибки скорости ênс взамкнутой системе с П-РС
ênсзамкн = êМс/ Крс = (1.3…1.0)% (8.8)
ênсзамкн
Значит достаточно П – РС.
/> (8.9)
Уточнение параметроврегуляторов
Уточнение проведем спомощью логарифмических амплитудных частотных характеристик (см.рис.8.1 и 8.2).
Т1=0.09 с Т2=0.03 с Крс=40
Расчет значенийсопротивлений и емкостей РТ и РС.
Регулятор тока
wкрт = 100 рад/с
Kpт =Т2/Т1= 0.333
T1 = 0.09 c
R4 = R5= 63 кОм
/>
R6 =10 кОм
T2 = R4 * С4
С4 = 0.5 мкФ
Регулятор скорости.
wкрс = 20 рад/с Kpс = 40
/>
R3 = 400 кОм
R1=R2 =5 кОм
9. Построениестатических характеристик замкнутой системы электропривода
Строим следующиехарактеристики электропривода:
-электромеханическую n = f(Iя),
-внешнюю Uя = f(Iя),
-регуляторные Uрт = f(Iя). Uрс = f(Iя),
-механическую n = f(M),
1. Uя = Ед + Iя Rяд (9.1)
Ед = w = 1 – Δw = 1 – Iя / Kpc
Uя = 1 + Iя(1/ Крс + Rяц)
2. Uрс = Кдтя * Iя * R4/R5 (9.2)
3. Uрт = Еп / Кп (9.3)
Кп = Uн / Uун = 220 / 6.25 = 35,2
4. n = f(M) (9.4)
Iя = M
Зависимости представленына рисунке 9.1.
10. Защитыв электроприводе и расчет их уставок
В релейно-контакторнойчасти комплектного тиристорного электропривода выполнен ряд защит, исключающихаварийные режимы при сборке силовой схемы и обеспечивающих отключениеэлектропривода при возникновении аварийных режимов в процессе работы.
Защита от аварийныхрежимов при сборке схемы.
Защита выполнена на релеКVI, КV3 и предназначена для запрета сборки схемы (включениялинейного контактора), если на преобразователе или двигателе существуетнапряжение, превышающее порог срабатывания реле.
Настраиваются реле наминимальное напряжение втягивания. Для приводов 220 В – Uвт=0,35*220=80 В.
Нулевая защита.
Защита выполнена наблокировочном контакторе КFV, вцепь катушки которого включены все остальные защиты от аварийных режимовработающего двигателя, а также блок-контакты аппаратов, контролирующихнормальную работу тиристорного преобразователя, возбудителя и системырегулирования.
Контактор KFV обеспечивает контроль наличияоперативного напряжения и исключает самозапуск двигателя после исчезновенияоперативного напряжения и его повторной подачи.
Напряжение втягиванияконтактора KFV обычно принимается равным 145 В принапряжении оперативной сети 220 В.
Защита от перенапряжения.
Реализована на реле KV2 и предназначена для отключениядвигателя при подаче на него недопустимо большого напряжения от преобразователя(например, вследствие аварии и полного его открытия).
Установка реле KV2 рассчитывается по формуле:
Uвт=(1,1…1,15) Uнд = (242...330) В
Где Uвт-напряжение втягивания KV2, Uнд -номинальное напряжение двигателя.
Максимально токоваязащита.
Реализована на реле FAI. Защита предназначена для отключениядвигателя при недопустимой технологической перегрузке.
Уставка релерассчитывается по формуле:
Iвт = (1,1…1,25) Км*Iн = (1,2…1,25)*2,5*632 = (1896…1975)А
где Iвт — ток втягивания реле FAI,
Км – перегрузочнаяспособность двигателя,
Iн – номинальный ток двигателя.
Максимальная защита цепивозбуждения.
Защита выполнена на релеКА2 и предназначена для отключения двигателя при коротком замыкании в цепиобмотки возбуждения.
Уставка реле рассчитываетсяпо формуле:
Iвт = 1,1 Iвн =5,324 А,
Где Iвт-ток втягивания КА2, Iв.расч — расчетное значение токавозбуждения двигателя, которое принимается при нерегулируемом потоке двигателяравным номинальному току возбуждения, при постоянно ослабленном потоке- токувозбуждения при этом потоке, при регулируемом потоке-максимальному токувозбуждения.
Защита от обрыва поля.
Защита реализована нареле КА1 и предназначена для отключения двигателя при обрыве в цепи обмоткивозбуждения. Расчет уставки втягивания реле КА1 выполняется в зависимости отспособа управления потоком возбуждения.
При постоянном потоке возбужденияток втягивания реле КА1
Iвт = (0,5…0,7) Iвн = 2,42… 3,388А,
Защита от недопустимогоувеличения скорости двигателя.
Защита выполняетсяпосредством механического центробежного реле SR.как правило, центробежная защита выполняется на именниковыхдвигателях мощностью от 100 кВт и выше при условии регулирования потокавозбуждения. Уставка центробужного реле обычно задается заводом-изготовителемдвигателя и лежит в пределах:
Nвт = (1,1…1,2) nмакс = 1650…1800 об/мин,
Где nвт-скорость срабатыванияцентробежного реле, nмакс-максимальнаярабочая скорость вращения двигателя.
11.Исследование качества процессов в проектируемой системе электропривода
Исследование влиянияизменения параметра Т4 на вид переходных процессов представлена на рисунке 11.1.
1.Крс=40 с
Пере регулирование s=0
Время переходного процессаtпп=0,5 с
2. Крс=80 с
Пере регулирование s=0
Время переходногопроцесса tпп=0,2 с
Крс=160 с
Пере регулирование s=0
Время переходногопроцесса tпп=0,1 с
12. Вывод
В данном курсовом проектебыл спроектирован комплектный тиристорный электропривод постоянного тока наосновании технических требований представленных в таблице №1. Для этого, выбрандвигатель П 102, определена структура системы управления, выбран тиристорныйпреобразователь КТЭУ 800/220-532-1ВМДТ-УХЛ4 и трансформатор ТСЭП – 250/0,7У3 кнему, произведен синтез регуляторов.
Литература
1.Усынин Ю. С. Управление замкнутыми электроприводами:Конспект лекций. Ч.1. –
2. Усынин Ю. С., Осипов О. И., Мацин В. П… Системыуправления электроприводов: Учебное пособие к курсовому проектированию.-
3. Лебедев Е. Д… Управление вентильными электроприводамипостоянного тока. М.: Энергия 1970
4. Справочные данные по электрооборудованию. В 2 – х т. Т. 1.Электрические машины общего применения. – Л.: Энергия, 1964.
Спецификация
/>
Рисунок 8.1 ЛАЧХ дляуточнения параметров КРТ/> />
Рисунок 8.2 ЛАЧХ для уточненияпараметров КРС.
/> />
Рисунок 11.1. Влияние параметраКрс на показатели качества переходных процессов