Введение
Основная цельданного курсового проекта это разработка тиристорного электропривода на базекомплектного электропривода БТУ 3601, в процессе выполнения будет необходимо:рассчитать и выбрать элементы силовой части электропривода, построитьстатические характеристики разомкнутого электропривода, синтезировать ирассчитать параметры регуляторов и смоделировать переходных процессов скоростии тока электропривода с помощью программного пакета MATLAB 6.5. Это позволитприобрести навыки самостоятельного принятия инженерных решений на базесовременной полупроводниковой техники при расчете и проектирование системавтоматического управления.
1. Системаэлектропривода и его функциональная схема
По заданию на курсовой проект был выбрана системаэлектропривода по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» которая,реализована комплектным тиристорным электроприводом БТУ-3601
2. Расчети выбор элементов силовой части электропривода
2.1 Выборсилового трансформатора тиристорного преобразователя
Приведем сопротивлениеобмоток двигателя к нагретому состоянию учтя, что максимальная рабочаятемпература для изоляции класс B = 90 C:
Сопротивлениеобмотки возбуждения:
/>
Сопротивлениеякорной цепи:
Рассчитаем номинальную скорость двигателя:
/>
Трансформаторв управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжениясети с напряжением двигателя [1].
Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора определяетсявыражением:
/>
где /> – коэффициентзапаса по напряжению сети, /> – коэффициентзапаса по напряжению, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальномуправляющем сигнале, /> – коэффициентзапаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в вентиле, в обмоткахтрансформатора, /> – коэффициентпропорциональности между средневыпрямленным напряжением и действующим значениемфазного напряжения вторичной обмотки для трехфазной мостовой схемы выпрямления,/> – номинальное напряжениедвигателя
Коэффициент трансформации трансформатора:
/>
Так, как коэффициент трансформации равен единице воспользуемсябестрансформаторным варианте схемы, где силовые цепи преобразователятиристорного электропривода подключаются к сети через анодный реактор. Анодныйреактор выбирают по действующему значению номинального тока фазыпреобразователя />, где коэффициент b схемы выпрямления (b=0,817 для мостовой схемы), и номинальному напряжению сети.
Номинальный ток двигателя равен:
/>
электропривод силовой регулятор matlab
где /> – номинальная мощностьдвигателя, /> – номинальное напряжениеобмотки возбуждения, /> – номинальныйКПД двигателя, /> – сопротивлениеобмотки возбуждения в нагретом состоянии.
Ток фазыпервичной обмотки трансформатора:
/>
Ток фазывторичной обмотки трансформатора:
/>
Выбираеманодный реактор типа РС 40/1,4 [2]. Его параметры, взятые из справочныхданных:
/>
/>.
2.2 Проверкаи выбор тиристоров
Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке впреобразователе, производятся, по трем параметрам: по среднему току,максимальному амплитудному значении напряжения на тиристоре и ударному токувнутреннего короткого замыкания [2].
Среднее значение тока, протекающего через тиристор:
/>
где: /> – допустимый токдвигателя, для общепромышленной серии машин – /> = />, для серии двигателей2ПФ; /> – для трехфазной мостовой схемы.
Значениетока, приведенное к классификационным параметрам тиристоров:
/>
где /> – коэффициент запаса потоку, /> – коэффициент, зависящийот схемы выпрямления, угла проводимости и от формы тока, /> – коэффициент, учитывающийусловия охлаждения.
Найденный ток/> должен быть меньшедействующего значения прямого тока:
/>
Максимальноеамплитудное напряжение на тиристоре:
/>
где /> – коэффициент запаса понапряжению, учитывающий возможность перенапряжений на тиристорах; /> – линейное действующеезначение напряжения вторичной обмотки трансформатора, />./> должно быть меньшеповторяющегося напряжения тиристора.
Длянахождения ударного тока внутреннего короткого замыкания (КЗ на сторонепостоянного тока, якорная цепь двигателя и реактора вне цепи) определяетсяамплитуда базового тока:
/>
где /> — амплитуда фазногонапряжения вторичной обмотки трансформатора.
Ударный токвнутреннего короткого замыкания находится по формуле:
/>
где />, определяется по кривым[3, рис. 1.128, с. 106] в зависимости от в зависимости от /> при />.
/>
Тиристорбудет удовлетворять требованиям, если ток внутреннего короткого замыкания впреобразователе будет меньше /> ударноготока тиристора, то есть:
/>
По вышенайденным соотношениям выбираем тип тиристора [2], типа Т171–200 с техническимиданными представленными в табл. 1.
Таблица 1Тип
Uпор, В
Umax, В
Imaxcp, A
Iyд, kA
I2tтир, A2c (du/dt), мкс Т171–200 1,15 500…1200 200 5,2 135000 160
2.3 Выборкатодного дросселя
Так, какпульсации выпрямленного тока существенно ухудшают режим коммутации в двигателеи увеличивают его нагрев, для их сглаживания в схему добавляют катодныйдроссель. Для этого необходимо найти амплитудные значения выпрямленногонапряжения основной гармоники:
/>
/>
где />– средневыпрямленноенапряжение при угле регулирования, равном нулю; р = 6 – для трехфазноймостовой; k = 1 – кратность гармоники, т.е. отношение порядкового номерагармоники к числу пульсации. В симметричной мостовой и нулевых схемахнаибольшую амплитуду имеет основная гармоника k = 1. Гармоники более высокойкратности имеют малую амплитуду, и действие дросселя на них эффективнее,поэтому расчет индуктивности дросселя ведется только по первой гармонике.
По известной амплитуде переменной составляющей /> и допустимому действующемузначению основной гармоники тока н1 (1)% необходимая величинаиндуктивности цепи выпрямленного тока рассчитывается по формуле:
/>
где /> – для машин безкомпенсационной обмотки; /> – номинальный ток двигателя.
Индуктивностьсглаживающего ректора:
/>
/>
где /> – индуктивность анодногореактора,
/>
Так, как по расчету получилась отрицательная величина />, то это свидетельствует отом, что при принятом уровне пульсации тока катодный дроссель не нужен. Тогдадействительный уровень пульсации тока первой гармоники с учетом приведеннойиндуктивности трансформатора или анодного реактора можно определить по формуле:
/>
/>
Значение гранично-непрерывного тока якоря двигателя в этом случаеможно найти, используя соотношение:
/>
где /> – граничное значениекоэффициента:
/>
/>
Рассчитаеммаксимальный угол регулирования />:
/>
/>
где /> – конструктивная постоянная на номинальный поток:
/>
Рассчитаем скорость двигателя при максимальном углеуправления:
/>
При угле регулирования /> значениегранично-непрерывного тока /> больше, чем />,значит влиянием прерывистого режима тока электроприводе нельзя пренебречь.
3. Расчетпараметров силовой цепи электропривода/>/>/>Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель – преобразователь:
/>Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигатель –преобразователь:/>
d – Коэффициент из табл. 1[2].
Напряжение преобразователя при работеэлектропривода в номинальном режиме
/>
Угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы:
/>
Минимальный угол регулирования должен превышать />для надежного включениявентиля, значит запас напряжения доступный преобразователю равен отношению: />
Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигатель –преобразователь:
/>
Электромеханическая постоянная времени электропривода:
/>
где:/>–приведенноезначение момента инерция привода;
4. Построениестатических характеристик разомкнутого электропривода
4.1 Естественныехарактеристики двигателя
Найдем номинальное значение момента двигателя:
/>
Естественнаямеханическая характеристика двигателя постоянного тока описывается выражением[3]:
/>
Естественнуюхарактеристику построим по двум точкам:
1. Точкаидеального холостого хода /> при />:
/>
2. Точкаработы при номинальной частоте вращения />.
4.2 Основныехарактеристики электропривода
Основнаямеханическая характеристика электропривода описывается уравнением:
/>
Основную характеристику построим по двум точкам:
1. Точкаидеального холостого хода /> при />:
/>
2. Точкаработы при номинальной частоте вращения />.
4.3 Характеристики,обеспечивающие минимальную скорость работы электропривода
Минимальную скорость работы электропривода будет обеспечивать
напряжение преобразователя равное:
/>
/>
/>
1. Точкаидеального холостого хода /> при />:
/>
2. Точкаработы при минимальной частоте вращения />.
4.4 Характеристикиаварийного динамического торможения
Механическая характеристика динамического торможенияописывается выражением:
/>
где /> – добавочное сопротивление якорядвигателя при динамическом торможении.
/>
Все полученные характеристики построены на рис. 2 и рис. 3.
/>
Рис. 2
/>
Рис. 3
5. Синтези расчет параметров регуляторов в линеализованных системах управления частотойвращения электропривода
5.1 Структурнаясхема автоматизированного электропривода
Припроектировании электропривода двухконтурной схемой с контурами регулированияскорости и тока, линеаризованная структурная схема двухконтурного автоматизированногоэлектропривода регулирования частоты вращения представлена на рис. 4.
/>
Рис. 4
Где передаточныефункции звеньев двигателя:W1(р), W2(р), W3(р); преобразователяWП(p) и передаточные функциифильтров WОС(p), WОТ(p), положительная обратнаясвязь с передаточной функцией W4(р) служит для компенсациявнутренней обратной связи по ЭДС двигателя, передаточные функции регуляторов WРС(p), WРТ(p) и их параметры будутопределен в процессе синтеза методом подчиненного регулирования.
Тиристорныйпреобразователь является звеном, передаточная функция которого:
/>
где – /> коэффициент усиления управляемоговентильного преобразователя, который определяется выбранной точкойлинеаризации; Тn = 0,009 с – постоянная времени системы управленияпреобразователем.
Коэффициентобратной связи по току:
/>
где /> – напряжение насыщениявыхода регулятора скорости.
Расчетное значение коэффициента обратной связи по скоростиопределяется выражением:
/>
где /> – максимальное значениенапряжения задания.
Синтезначинаем с внутреннего контура – контура тока.
5.2 Синтезконтура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя
Структурная схема контура тока представлена на рис. 5,на которой: kТ – коэффициент обратной связи по току; WРТ(р) – передаточная функциярегулятора тока, которая подлежит определению.
/>
Рис. 5
При синтезеприми следующие допущения:
· Пренебрежемвлиянием ЭДС вращения в контуре тока якоря.
· Неучитывается влияние внутренней обратной связи по ЭДС двигателя
Настройкурегулятора тока будем осуществлять на технический оптимум, следовательно, разомкнутыйконтур тока должен имеет передаточную функцию:
/>
Следовательно,передаточная функция регулятора тока по схеме рис 4 определится из условия:
/>
и при /> получимпередаточную функцию регулятора тока:
/>
где /> — коэффициент передачипропорциональной части регулятора тока, /> – постоянная времениинтегральной части регулятора тока.
5.3 Синтезконтура регулирования скорости (КРС) электропривода
Контур скорости будем настраивать на симметричный оптимум дляобеспечения астатизма САУ.
Контур скорости является внешним по отношению к контуру тока.Структурная схема контура скорости электропривода при тех же допущенияхпоказана на риc. 6.
/>
Рис. 6
Примем некомпенсируемую постоянную времени в контуре скорости:
/>
При настройкена симметричный оптимум, разомкнутый контур скорости должен имеет передаточнуюфункцию:
/>
Следовательно,передаточная функция регулятора скорости определится из условия:
/>
Следовательно,передаточная функция регулятора скорости при настройке контура скорости насимметричный оптимум:
/>
где /> – коэффициент передачипропорциональной части регулятора скорости при настройке контура скорости насимметричный оптимум, /> – постояннаявремени интегральной части регулятора скорости при настройке контура скоростина симметричный оптимум
/>
/>
При настройкена симметричный оптимум для уменьшения перерегулирования на вход системынеобходимо установить фильтр с передаточной функцией:
/>
Частотапропускания системы подчиненного регулирования скорости электропривода принастройке его на симметричный оптимум и наличии фильтра на входе равна />
6. Моделированиепереходных процессов скорости и тока электропривода на ЭВМ с помощью пакетаMATLAB
Для проверки расчетов регуляторов делаем моделированиесистемы электропривода в прикладном пакете программ MATLAB6.5.
Структурная схема электропривода представлена на рис. 7.
/>
Рис. 7
Переходные процессы по скорости и току при пуске вхолостую,разгоне до минимальной скорости, с последующим разгоном до номинальнойскорости, далее торможением до минимальной скорости и остановкой на рис. 8.
/>
Рис. 8
Переходные процессы по скорости и току при пуске вхолостую споследующим реверсом и остановкой на рис. 9.
/>
Рис. 9
Переходныепроцессы по скорости и току при разгоне до номинальной скорости с последующиминабросом и сбросом нагрузки на рис. 10.
/>
Рис. 10
7. Расчетпараметров регуляторов тока, скорости, и выбор их элементов
Расчёт параметров регуляторов тока, скорости в системеподчиненного регулирования выполняется по расчетной схеме рис. 11 ипередаточным функциям регуляторов. В расчётной схеме рис. 6.1 принятыследующие обозначения: ВА – датчик тока, (UВА=kВАI); BR – датчик скоростивращения (UBR=kBRщ); УП – управляемый преобразователь совместно ссистемой управления им; kВА, kBR – коэффициенты передачи датчиков тока искорости; R’зс– сопротивление в обратной связи усилителя при реализации на нем П-регулятораскорости.
/>
Рис. 11
Принимаявеличину сопротивления />, и kba =1 [2], находимостальные величины:
/>
/>
/>
Сопротивление/> по не инвертирующему входуусилителя выбирается из условия равенства нулю напряжения смещения на выходе отвходных токов усилителя [2]:
/>
/>
По расчетнымзначениям выбираем типовые резисторы и конденсаторы [4]. Выбираем резистор С5–42Всоответственно ряду Е96 на 4.99 кОм, 787 Ом, 69,8 кОм и 681 Ом. Выбираемконденсатор типа К73–1б емкостью 0.15 мкФ [5].
Полностьюаналогично для регулятора скорости:
Принимаявеличину сопротивления />, и kbr =1 [2], находимостальные величины:
/>
/>
/>
Сопротивление/> по неинвертирующему входуусилителя выбирается из условия равенства нулю напряжения смещения на выходе отвходных токов усилителя [2]:
/>
/>
По расчетнымзначениям выбираем типовые резисторы и конденсаторы [4]. Выбираем резистор С5–42Всоответственно ряду Е96 на 4.99 кОм, 16,9 кОм, 78,7 кОм и 370 Ом. Выбираемконденсатор типа К73–1б емкостью 3,9 мкФ [5].
8. Описаниедатчика проводимости вентилей БТУ-3601
Поскольку вмостовой схеме выпрямления для протекания тока в проводящем состоянии должнынаходиться минимум два тиристора из разных групп (один из анодный и другой изкатодный), достаточно контролировать проводящее состояние тиристоров какой либогруппы. В преобразователе осуществляется контроль состояния тиристоров катоднойгруппы комплекта «Н» (соответственно – анодной группы комплекта «В»).Принципиальная схема ДПВ приведена на рис. 12.
/>
Рис. 12
Внепроводящем состоянии на переходах анод – катод тиристоров существуетпеременное напряжение, равное фазному напряжению вторичной обмотки силовоготрансформатора. Параллельно тиристорам подключены RC-цепочки, выполняющиефункцию защиты тиристоров от перенапряжений. Величина сопротивления RC-цепочки при указанных насхеме номиналах R и С составляет около 13 кОм на частоте сети, т.е. оказываетсявполне достаточной, чтобы обеспечить входной ток оптрону. Напряжение каждой RC-цепочки черезсогласующие резисторы подается на диодные мосты V4, V5, V6, нагруженные насветодиоды оптронов V7, V8, V9. непроводящее состояние тиристоров соответствует засвеченномусостоянию фотодиодов в оптронах, имеющих в этом случае малую величину сопротивления,достаточную для того, чтобы транзисторы V10, V11 находились в закрытомсостоянии, т.е. ДПВ вырабатывает логический сигнал единичного уровня Uб.а.=1.
Есликакой-либо из тиристоров находится в проводящем состоянии, падение напряженияна соответствующей RC-цепочке равно нулю, поэтому через светодиод одного из оптронов небудет проходить ток. Фотодиод этого оптрона будет иметь большую величинусопротивления, приводящую к открытию транзисторов V10 и V11. Таким образом, вовремя проводящего состояния какого-либо из тиристоров ДПВ формирует логическийсигнал нулевого уровня Uб.в.=0.
В зависимостиот номинального выпрямленного напряжения преобразователя (напряжения вторичнойобмотки силового трансформатора) на сопротивлениях, согласующих силовоенапряжение на тиристорах с входным токов оптронов, устанавливаются следующиеперемычки: для номинального выпрямленного напряжения 115 В 3–9, 4–10, 5–11; дляноминального выпрямленного напряжения 230 В 3–6, 4–7, 5–8.
ПрактическиДПВ имеет зону нечувствительности, проявляющуюся в виде провалов в сигнале Uб.в. в моменты перехода черезнуль напряжений на RC-цепочках. Поэтому в случае, если ни один тиристор моста непроводит, в сигнале Uб.в все равно имеются короткие импульсы нулевого уровня [1].
Заключение
В процесс выполнения курсового проекта был разработантиристорный электропривод на базе комплектного электропривода подачи БТУ-3601.Были рассчитаны и выбраны по справочной литературе силовые элементы привода.Осуществлен синтез регуляторов на основе метода подчиненного регулирования ивыполнено проверочное моделирование. Проверка показала, что система отвечаетзаданным требованиям по диапазону регулирования и относительной погрешностирегулирования на малой скорости. В заключении был описан процесс работы датчикапроводимости вентилей.
Литература
1) Чернов Е.А.,Кузьмин В, П., Синичкин С Г. Электроприводы подач станков с ЧПУ:Справочное пособие. – Горький: Волго-Вятское книжн. изд-во, 1986. – 234 с.
2) Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Системыуправления электроприводами: метод пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. –78 с
3) Справочник попроектированию автоматизированного электропривода и систем управлениятехнологическими процессами / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина,М.Л. Самовера. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1982 – 416 с.
4) Резисторы:Справочник / Ю.Н. Андреев. А.И, Антонян, Д.М. Иванов и др.; Под ред. И.И. Четверткова.– М.: Энергоиздат, 1981. –352 с.
5) Справочник поэлектрическим конденсаторам / М.Н. Дьяков, В.И. Каратанов, В.И. Приснякови др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.Ф, Смирнова. – М.: Радио и связь,1983. – 576 с.