Cистемы двухконтурного правления двигателем постоянного тока

1 Заданные параметры Исходные данные курсового проекта представлены в таблице 1 Таблица 1 Исходные данные для проектирования ВВЕДЕНИЕ Целью данного курсового проекта изучение литературы по курсу систем правления электроприводов, систематизация знаний и изучение системы двухконтурного правления двигателем постоянного тока. В системе правления применяются пропорционально-интегральные задатчики интенсивности, так как они обеспечивают наибольшую точность правления двигателем. Настройка двухконтурной системы состоит из нескольких этапов. Сначала проверяют функционирование систем правления тиристорного преобразователя для якорной цепи и цепи возбуждения, затем работу преобразователя и двигателя на холостом ходу, далее следует настройка контура тока, подбор параметров регулятора тока, настройка блока ограничения, настройка контура скорости и параметров регулятора скорости. Данная система широко распространена на промышленных предприятиях, поэтому ее достоинства и недостатки обязан знать каждый будущий инженер. 2. Подбор электродвигателя Выбираю двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа П151-5к. Двигатель следует выбирать по мощности, то есть из диапазона 200-300 Вт. Таблица 2. - Основные данные для двигателя П151-5к Нм. 3. Структурная схема системы правления По техническому заданию выбираем двухконтурную систему регулирования.. Для правления 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. 3. Комплексный тиристорный электропривод Выбор преобразователя осуществляется по значениям напряжения и тока [1]. Номинальное напряжение двигателя 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 комплектного тиристорного электропривода производим по току, напряжению и регулируемой координате (в данном случае - скорости). По заданию ограничение по току составляет 2 Iн = 124А. Возьмем тиристорный электропривод КТЭУ 800/440-532-ВМТД-УХЛ4. Его параметры приведены ниже. 800 - Номинальный ток на выходе; 440 - Номинальное напряжение на выходе; 5- привод с линейным контактором однодвигательный; 3-привод реверсивный с изменением полярности напряжения на якоре; 2- по способу связи с питающей сетью - через трансформатор. 1-системы автоматического регулирования (САР) - по скорости однозонная. Другие стройства- В- Питание обмотки возбуждения двигателя. М- Питание электромагнитного тормоза. Т- Питание обмотки возбуждения тахогенератора. Д- Динамического торможения электропривода. В состав КТЭУ входят: электродвигатель постоянного тока с тахогенератором; ТП для питания якоря электродвигателя, состоящий из силовых тиристоров с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных и защитных RLC-цепей, СИФУ, стройств выделения аварийного режима, контроля предохранителей и защиты от перенапряжений; ТП для питания обмотки возбуждения; силовой трансформатор; коммутационная и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного тока; сглаживающий реактор в цепи постоянного тока; устройство динамического торможения; система правления электроприводом; комплект аппаратов, приборов и стройств, обеспечивающих оперативное правление, контроль состояния и сигнализацию электропривода; узлы питания электромагнитного тормоза; контрольно-испытательные стенды. Состав преобразовательной части ЭП. Преобразовательная часть электропривода состоит из силовых тиристоров, системы их охлаждения, защитных RC-цепей, системы гальванического разделения и преобразования ровня правляющих импульсов, СИФУ, системы защит и сигнализации. К преобразовательной части относят также сетевой трансформатор, автоматические выключатели на стороне постоянного и переменного тока, сглаживающий реактор. Сетевые трансформаторы по своим номинальным параметрам - напряжению и току - согласуются с номинальными параметрами электропривода. Автоматические выключатели применяют для защиты ТП и электродвигателя в аварийных режимах. В основном используются автоматические выключатели серий А3700 и ВАТ-42. Назначение сглаживающих реакторов - меньшать пульсации тока якоря электродвигателя, худшающие его коммутацию, зону прерывистых токов и скорость нарастания аварийного тока. Силовая часть ТП. Основной схемой преобразования в комплектных тиристорных электроприводах является трехфазная мостовая. величение номинального тока ТП достигается параллельным включением тиристоров в плече. Защита тиристоров осуществляется предохранителями типа ПП57. Для выравнивания токов в параллельно включенных тиристорах применяют индуктивные делители тока. В вентильных однофазных блоках (БВО) индуктивность делителя равна 4 - 5 мкГн. Для снятия перенапряжений при коммутации тиристоров используют RC-цепи, включенные параллельно тиристорам. Для потенциального отделения цепей формирования правляющих импульсов тиристоров от высокопотенциальных цепей правляющих электродов станавливают импульсные трансформаторы. В реверсивных электроприводах используется противопараллельное включение выпрямительных мостов. Для странения равнительных токов предусматривается раздельное правление выпрямительными мостами. Силовая часть ТП состоит из тиристоров Т9-250, по 3 тиристора в плече. Вентиляция тиристоров принудительная. Предохранители для тиристоров не предусмотрены Тиристорный выпрямитель выдерживает протекание тока I = 124А (составляющего 1,6Iпр.н) в течении одной минуты. На рисунке 3.1 изображена статическая характеристика тиристорного выпрямителя и трансформатора. На рисунке изображено UD0 - максимальное выпрямленное напряжение преобразователя, UУ - напряжение правления. Рисунок 3.1 - Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя 4. Выбор элементов силового электрооборудования в комплектном электроприводе Привод в данном курсовом проекте обладает большой мощностью. Поэтому станавливаем трансформатор, питающийся от сети 6кВ. По справочной литературе [1] определяем подходящий по параметрам трансформатор ТСЗП - 630/1УЗ. Таблица 5.1 Параметры силового трансформатора ТСЗП-630/1У3 Наименование Размерность Значение Линейное напряжение сетевой обмотки,U1л кВ 6 (10) Линейное напряжение вентильной обмотки,U2л В 410 Напряжение короткого замыкания,Uкз % 5,9 Потери короткого замыкания,Ркз Вт 6 Потери холостого хода, Рхх Вт 2100 Ток холостого хода,Iхх % 2 Ток вентильной обмотки, I2н А 816 Полная мощность,Sт кВА 580 В якорной цепи следует становить дроссель. Он нужен для сглаживания пульсаций. Индуктивность определим по приближенной формуле мГн, (5.1) где к принимаем 1,4. Индуктивность якоря двигателя , (5.2) здесь k - коэффициент, применяемый в случае наличия компенсационной обмотки; н - номинальная гловая скорость двигателя; pп - число пар полюсов двигателя. н = nн/9,55, н = 400/9,55 = 42рад/с, (5.3) . Из выражений 5.2 и 5.3 видно, что индуктивность якорной цепи достаточна для сглаживания пульсаций и дополнительный дроссель не нужен. Выбор тахогенератора Тахогенератор- это стройство для определения скорости двигателя. Используется для создания сигнала обратной связи в контуре скорости. При максимальной скорости двигателя у тахогенератора должен оставаться запас по скорости вращения. Поэтому выбираем тахогенератор ПТ-32. Таблица 5.2-параметры тахогенератора ПТ-32 Технические данные тахогенератора Характеристика блока возбуждения nн; об/мин Iя; А iв; А Тип ячейки Uв; В Iв; А 600 0.5 0.52 БФХ-0545 35 0.75 6. Определение параметров силового электрооборудования Сопротивления обмоток трансформатора: Ц активное , ; (6.1) - полное , ; (6.2) Ц индуктивное , . (6.3) Индуктивность трансформатора , . (6.4) где f - частот питающей сети. Полное сопротивление якорной цепи Rяц = Rя +Rдп +Rко+2rтр+ Rэ , (6.5) где Rэ - фиктивное значение сопротивления, учитывающее снижение выпрямленной ЭДС за счет коммутационных провалов. , , (6.6) здесь m - пульсность схемы ( в трёхфазной мостовой схеме m = 6). Тогда Rяц = 0,0181+0,0033+0,0125+Х0,003+0,015=0,055 Ом. Условие обеспечения заданного напряжения , (6.7) где Еd0 - ЭДС идеально холостого хода преобразователя; Ед - ЭДС двигателя при максимальной скорости, Ед = Uн; U1- снижение напряжения преобразователя, вызванное колебаниями напряжения сети. Imаx - максимальный рабочий ток нагрузки. , , (6.8) Еd0= 1,35 U2н, Еd0= 1,3Х410 = В. Тогда по выражению (6.7) получим: В < 440 + Х0,1+0.05Х1244 = 56В. Очевидно запаса выпрямленного напряжения не хватит для питания привода при просадке напряжения сети. Тиристорный выпрямитель в таком случае насытится, следовательно произойдет просадка скорости..Нужно выбирать трансформатор с большей величиной вторичного напряжения. Рисунок 6.1-Схема электрическая принципиальная силовых цепей комплектного электропривода при токе якоря свыше 80А. Рисунок 6.2 - Схема подключения обмотки возбуждения 7. Функциональная и структурная схемы электропривода Следует выбрать параметры и тип регуляторов скорости и тока, поэтому нужно составить прощенную функциональную и структурные схемы. Для прощения расчетов и равнений звеньев структурной схемы перейдем к относительным единицам. Рисунок 7.1- прощенная функциональная схема двухконтурной системы регулирования Рисунок 7.2 Структурная схема системы Для базового значения напряжения на выходе датчика тока якоря принято UДТБ = 5 В с четом того, что при максимально допустимом токе якоря IМАКС = ХIН напряжение на выходе ДТЯ составит UДТ =Х5 = 10 В. Номинальные напряжения для операционных силителей возьмем 1В. Абсолютные значения коэффициентов датчиков обратных связей ; (7.1) . (7.2) При подстановке значений в формулы (7.1) и (7.2) получаем: ; . Таблица 7.1 Базовые значения переменных электропривода 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Посчитаем механическую постоянную времени ТД двигателя , (8.1) Подставляем численные значения из технического задания в формулу (8.1): с. Электромагнитная постоянная времени силовой цепи ; (8.2) ; Ом; ; Ом; ; Ом; ; Гн; LЯЦ = LЯД + ХLТР; LЯЦ=4+0,9=4,009 мГн. с. Кратность тока короткого замыкания ; (8.3). Свойства тиристорного выпрямителя задаются звеном , (8.4) где ТП = 0,002 с - постоянная времени фильтра. - время чистого запаздывания. Время определяется по формуле , (8.5) где f - частот сети, Гц. Получаем с. При частотах звено чистого запаздывания можно заменить апериодическим звеном: . Для прощения расчетов можно пренебречь перекрестной обратной связью по ЭДС. На практике частот среза Т лежит в диапазоне (8Е150) рад/с, Э в диапазоне (2Е40) рад/с. Это свойство системы с двухконтурным регулированием было проверено автором на практике в ходе выполнения лабораторной работы. Тогда получится структурная схема, представленная на рисунке 8.1. Рисунок 8.1 - Преобразованная структурная схема электропривода 9. ВЫБОР ТИПА РЕГУЛЯТОРОВ И РАСЧЕТ ИХ ПАРАМЕТРОВ 9.1 Настройка контура регулирования тока якоря (КРТЯ) Контур тока должен обеспечивать максимальное быстродействие для предотвращения бросков тока при приложении чрезмерной нагрузки. Поэтому выбираем пропорционально-интегральный регулятор тока. Передаточная функция регулятора тока имеет следующий вид . (9.1) Структурная схема КРТЯ представлена на рисунке 9.1. Рисунок 9.1 - Структурная схема КРТЯ Определим параметры регулятора тока по правилу технического оптимума. Так как обычно ТЯЦ > ТП >, то выберем постоянную времени Т2 Т2 = ТМАХ = ТЯЦ = 0,07 с. Введем расчетную постоянную времени ТРТ . (9.2) Величина расчетной постоянной времени ТРТ = (Е4)Х(ТП + ); (9.3) ТРТ = Х(0,002 + 0,003) = 0,01 с. Тогда постоянная времени Т1 Т1 = ТРТХКЯЦ, Т1 = 0,0Х12,8 = 0,128 с. Регулятор тока реализуется на операционных силителях , (9.4) где , - базовые значения напряжения на выходе и входе регулятора тока якоря. Т2 = RХC2. (9.5) Примем емкость конденсатора равной C2 = 1 мк, тогда R6 = Т2/C2; R4 = R5 = (ТХUРТ)/(UРТЯХC2). После подсчета R6 = 0,07/10-6 = Х104 = 70 кОм; R4 = R5 = (0,12Х5)/(1Х10-6) = 64 кОм. . На рисунке 9.2 построены ЛАЧХ КРТЯ. [4]. Рисунок 9.2-ЛАЧХ КРТЯ Определим частоту среза разомкнутого КРТЯ Т = 1/ ТРТ; (9.6) Т = 1/0,01 = 100 рад/с. 9.2 Настройка контура регулирования скорости В ходе настройки контура регулирования скорости необходимо помнить, что необходимо обеспечить поддержание заданного значения скорости в независимости от возмущений и поддержание качественных процессов пуска и торможения. Исходя из данных соображений выберем интегрально-пропорциональный регулятор скорости. Передаточная функция регулятора скорости . (9.7) Структурная схема КРС изображена на рисунке 9.2. Рисунок 9.3 - Структурная схема КРС Введем расчетную постоянную времени ТРС . (9.7) Величину расчетной постоянной времени определим согласно правилам технического оптимума ТРС = (Е4)Х( ТРТ +ТП + ); (9.8) ТРС = Х(0,01 + 0,002 + 0,003) = 0,03 с. ЛАЧХ КРС изображена на рисунке 9.3. Рисунок 9.3-ЛАЧХ КРС В районе частоты среза С работает пропорциональный канал регулятора, интегральный, в свою очередь, должен работать в районе низких частот. . (9.9) Частот среза разомкнутого КРС равна С = 1/ ТРС; (9.10) С = 1/0,03 = 33 рад/с. коэффициент силения ; . Тогда постоянная времени Т4 ; Постоянную времени Т3 определим по нижеследующей формуле ; Регулятор скорости реализуется на операционных силителях , (9.11) Т4 = RХC1. (9.12) Возьмем, например, емкость конденсатора C1 = 1 мк, тогда получим R3 = Т4/C1; R1 = R2 = (ТХUЗИ)/(UРСХC1). Подставляя численные значения в формулы R3 = 0,12/10-6 = 1Х104 = 120 кОм; R1 = R2 = (0,00Х10)/(Х10-6) = 8 кОм. 10. ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Для построения статических характеристик воспользуемся передаточными функциями электропривода по контурам U** и Мс**: Построение естественной характеристики двигателя будем вести по двум точкам - при работе двигателя на холостом ходу и в номинальном режиме. При работе двигателя на холостом ходу отсутствует воздействие по каналу возмущения, поэтому расчет ведем только по каналу задания. В статическом режиме оператор p=0. Тогда структурная схема имеет вид, представленный на рисунке 10.1. Рисунок 10.1 - Структурная схема электропривода для статических режимов 10.1 Построение внешней характеристики Внешнюю характеристику электропривода UЯ = f(IЯ) строим по известной электромеханической характеристике UЯ = ЕД + IЯХrЯД, (10.2) В точке идеального холостого хода UЯ = ЕД = 440 В. В режиме пора: UЯ = ЕД + IЯМАКСХrЯД; UЯ = 440 + 140Х0,018 = 465 В; UЯ = IЯМАКСХrЯД; UЯ = 140Х0,018 = 25 В. Внешняя характеристика электропривода показана на рисунке 10.4. 10.2 Построение электромеханической и механической характеристик Строим электромеханическую характеристику электропривода на рисунке 10.2, механическую на рисунке 10.3. Характеристики можно построить по двум точкам. Точка идеального холостого хода Н = 43 рад/с, IЯ = 0; точка режима работы на пор Iм = 1400 А, Мм = 14244 Нм. 10.3 Построение регуляторных характеристик UРТ = f(IЯ) необходимо построить зависимость ЭДС преобразователя Еп от тока якоря ЕП = ЕД + IЯХrЯЦ, где rЯЦ - суммарное сопротивление силовой цепи преобразователя. В точке идеального холостого хода ЕП = ЕД = 440 B. В режиме пора ЕП = ЕД + IЯМАКСХrЯЦ; ЕП = 440 + 140Х0,055 = 517 В. Характеристика показана на рисунке 10.5. При построении регуляторной характеристики UРН = f(IЯ) в схеме с ПИ - регулятором тока нужно учитывать . (10.3) где КДН коэффициент силения датчика тока, определяемый по формуле: ; (10.4) В точке идеального холостого хода UРН = 0. В режиме пора UРС = 0,00Х1400 = 11,В. По этим точкам на рисунке 10,7 построена регуляторная характеристика UРН = f(IЯ). 11. ЗАЩИТЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ И РАСЧЕТ ИХ СТАВОК 11.1. Защита от перенапряжения Предназначена для отключения двигателя от преобразователя при подаче на него высокого напряжения. Уставка реле KV2 рассчитывается так UBT = (1,Е1,15)ХUНД, (11.1) где UBT напряжение втягивания KV2; UНД номинальное напряжение двигателя. UBT = 1,Х440 = 484 В. 11.2 Нулевая защита Защита выполняется с помощью контактора KFV. Контактор KFV полностью исключает возможность самозапуска двигателя после исчезновения оперативного напряжения и его повторной подачи. Напряжение втягивания контактора KFV примем 145 В при напряжении оперативной сети 220 В. 11.3 Максимальная защита цепи возбуждения Защита выполняется с помощью реле КА2 и предназначается для отключения двигателя при возникновении короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения. Рассчитаем ставку реле IBT = 1,ХIВ РАСЧ (11.3) где IBT ток втягивания КА2; IВ РАСЧ значение тока возбуждения двигателя при нерегулируемом потоке двигателя. Оно принимается номинальному току возбуждения. Подставляем численные значения в формулу (11.3) IBT = 1,Х44 = 48,4 А. 11.4. Максимальнотоковая защита Реализуется с помощью реле FА1. Предназначается для отключения двигателя при технологической перегрузке. Установку реле IBT = (1,Е1,25)ХKMХIH, (11.2) где IBT ток втягивания реле FА1; KM перегрузочная способность двигателя; IH номинальный ток двигателя. Получим IBT = 1,Х1,Х622 = 1343,52 А. 11.5 Защита от обрыва поля Защита реализуется на реле КА1 Она предназначается для отключения двигателя при обрыве цепи обмотки возбуждения. При постоянном потоке возбуждения IBT = (0,Е0,7)ХIВ РАСЧ (11.6) где IBT ток втягивания КА1; IВ РАСЧ значение тока возбуждения двигателя. Примем при нерегулируемом потоке двигателя равным номинальному току возбуждения. Тогда по формуле (11.6), получается IBT = 0,Х44 = 22 А. 11.6 Защита от аварийных режимов при сборке схемы Защита от аварийных режимов предназначена для запрета включения линейного контактора, ежели на выпрямители или двигателе существует напряжение, превышающее пороговое срабатывание реле. Из соображений снижения порога срабатывания катушки реле KV1 и KV3 следует настроить на напряжение вдвое меньше напряжения двигателя. Также настраиваются на минимальное напряжение втягивания. Для двигателей на напряжение 440 В UBT = 0,3Х220 = 80 B. 12 ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСВА ПРОЦЕССОВ В ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Динамические расчеты проводятся с целью проверки регуляторов тока и скорости.. В программе Mаtlаb строим переходную характеристику контура регулирования скорости и контура регулирования тока. Рисунок 12.1 - Вид переходных процессов при I = f(t) и n = f(t) при исходном сочетании параметров системы J=1, Tд=0,8с.. По техническому заданию необходимо проверить влияние на систему изменения момента инерции J( для исходного состояния системы примем J=1), следовательно механической постоянной времени ТД, в исходной схеме ТД =0,8 с. На рисунке 7.2.2 приведена ЛАЧХ контура регулирования скорости, на которой проиллюстрированы изменения в системе, вызванные изменением ТД. Изменяя ТД, мы изменяем ТРС. На рисунках 12.2 - 12.5 показаны кривые переходных процессов n = f(t) и I = f(t) в зависимости от значения ТД. Пронализируем характер этого влияния Рисунок 12.2 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=2, ТД = 1,6 с Рисунок 12.3 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=0,8, ТД = 0,64 с Рисунок 12.4 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=0,5, ТД = 0,4 с Рисунок 12.5 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=0,2, ТД = 0,16 с Рисунок 12.5 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=0,0125, ТД = 0,01 с Рисунок 12.6 - Вид переходных процессов при n = f(t) и I = f(t) при J=6,25, ТД = 5 с Рисунок 12.7 - ЛАЧХ при исходном состоянии системы Тд=0,8 с. Рисунок 12.8 - ЛАЧХ при Тд=0,01 с. Рисунок 12.9 - ЛАЧХ при Тд=5 с. . С меньшим моментом инерции двигатель быстрее разгоняется до номинальной скорости под действием номинального момента. Следовательно меньшается и время переходного процесса, и чем меньше J, тем меньше tпп. Если нагрузка на двигатель становится меньше, то и броски тока по амплитуде меньшаются - максимум тока якоря IМ становится меньше. меньшается время достижения максимума. Увеличение J приводит к величению ТД, следовательно разгон двигателя затрудняется, и растет время переходного процесса tпп,. Нагрузка на двигатель возрастает, броски тока величиваются, максимум тока якоря IМ растет. Растет время достижения максимума. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе произведено проектирование реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока со схемой правления на элементах БСР. Электропривод выполнен на основе двигателя П151-К, получающего питание от тиристорного преобразователя. По номинальному току и напряжению выбран тиристорный электропривод КТЭУ - 800/440 - 532 - ВМТД - ХЛ(04). Выбран трансформатор ТСЗП-630/1УЗ исполнения 5, тахогенератор ПТ-32, составлены принципиальная схема силовых цепей, электрическая принципиальная схема релейно-контакторных цепей и схема цепей возбуждения двигателя. Выбраны регуляторы тока и напряжения.. По равнениям электропривода построены статические характеристики. Произведен расчет реле защиты. Построены переходные процессы, пронализировано влияние на их качество момента инерции J.