Электропривод и автоматика промышленных становок

СОДЕРЖАНИЕ: 1. Аннотация 2. Введение Задание 3. Выбор электродвигателя 4. Выбор структуры системы правления электропривода 5. Выбор комплектного тиристорного преобразователя 6. Выбор элементов силового электрооборудования 7. Функциональная и структурная схема ЭП. Переход к относитель-ным единицам 8. Определение постоянных времени силового оборудования 9. Выбор типа регулятора 10. Построение статических характеристик замкнутой системы ЭП 11. Защиты в ЭП и расчет их ставок 12. Исследование качеств процессов в проектируемой системе ЭП ЗАКЛЮЧЕНИЕ Список использованной литературы 2 ВВЕДЕНИЕ По данным, выбран электродвигатель Д - 810 на номинальное напряжение 22В и номинальный ток 28А. Исходя из величины допустимого значения статической ошибки, выбрали внешний контур регулирования с обратной связью по скорости. Определили комплектный тиристорный электропривод. В качестве РТ взяли пропорционально- интегральный регулятор, по-скольку наличие И-канала позволяет получить вертикальный наклон механической характеристики при работе привода на пор. П-канал даёт возможность величить быстродействие контура регулирования тока, что облегчает словие настройки последующего контура регулирования скорости и при резких перегрузках привода исключает в переходных режимах выбросы тока якоря сверх допустимых значений. В качестве РС взяли также ПИ - регулятор, так как он обеспечивает высокое быстродействие и минимум статической ошибки. В курсовом проекте были построены статические характеристики за-мкнутой системы электропривода, также переходные процессы контура регулирования скорости. Был сделан анализ влияния значения сопротивления R4 на показатели переходной функции контура регулирования скорости. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Таблица 1 № Обозначение Наименование показателя Размерность Вариант - 3 1 ----- Диапазон мощностей, в преде-лах которого следует выбрать двигатель кВт От 51 до 100 2 JМ/JД Момент инерции механизма JМ в долях от момента инерции двигателя JД ------ 0.6 3 МС/МН Изменение момента статиче-ской нагрузки МС в долях от номинального момента МН ----- 1.1 4 UC=UC/UC Колебания напряжения сети ----- 0.1 5 D1=nН/nМИН Диапазон регулирования ско-рости вниз от номинала ----- 10 6 D2=nМАСК/nН То же вверх от номинала ----- 1 7 nД=nC/nМИН Допустимая статическая по-грешность поддержания скорости при минимальной ставке ----- 0.1 8 М=IМАКС/IН Величина токоограничения при поре ----- 2.3 9 =IДИН/IН Ускорение электропривода при пуске ----- 1.2 3 ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Выбирается двигатель постоянного тока независимого возбуждения на мощность из казанного в задании диапазона мощностей. Выбор электродвигателя произведем по каталогу двигателей. Таблица 2 - Данные электродвигателя Д810 № Обозначения Наименования показа-теля Размерность Данные 1 РН Мощность двигателя кВт 55 2 nН Частот вращения р/с 53.4 3 IН Ток А 280 4 rЯ Сопротивление обмотки якоря Ом 0.0234 5 IНВ Номинальный ток обмот-ки возбуждения А 3.9 6 MК Максимальный момент Нм 2600 7 J Момент инерции кгм2 3.625 Вычислим номинальный момент MН Нм, (3.1) где кН - коэффициент, вычисляемый по формуле: . (3.2) 4 ВЫБОР СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Выберем схему с обратной связью по скорости. Так как в схеме с инте-гральным регулятором напряжения статическое падение скорости при приложении момента определяется выражением , (4.1) где (4.2) КЯД - кратность тока короткого замыкания якорной цепи двигателя (без чета сопротивления силовой цепи). Допустимая статическая ошибка при минимальной скорости (4.3) Схему источник тока двигатель не применяем, так как эта схема с ме-ренным быстродействием. Схема с обратной связью по скорости подходит, но возьмем схему обратной связью по скорости, чтобы обеспечить заданную точность по скорости. 5 ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Выберем комплектный тиристорный электропривод КТЭ - 500/220 - 532 - ВМТД - ХЛ(04), с четом максимального тока якоря. 6 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Номинальный ток комплектного электропривода соответствует номи-нальному току его тиристорного преобразователя и должен быть не меньше номинального тока двигателя При выборе электропривода было чтено, что IМАКС = 2.3. IН = 2.3. 280 = 644 А (6.1) Номинальное напряжение выбирается из словия UНТП > UНД, где UНТП - номинальное напряжение тиристорного преобразователя; UНД - номинальное напряжение двигателя. Выбираем тиристоры Т143-500, основные данные представлены в таблице 3. Таблица 3 - Основные параметры тиристора Тип тиристора ITAVm, А UDDr, В UT(TO), В rT, мОм Т143-500 500 400 1.1 0.57 Выберем трансформатор согласно П5 [1]. Данные представлены в таблице 4 Таблица 4 - Паспортные данные для трансформатора ТСЭП - 160/07 - 7У3 Тип SH, кВА UЛ, В UЛ, В I2, А Ud, В Id, А Pxx, Вт Pкз, Вт Uk,% Ix, % ТСЭП - 160/07 - 7У3 143 380 202 408 230 500 795 2400 4.5 5.2 Вычислим активное и индуктивное сопротивление трансформатора: Активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора: (6.2) Полное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторич-ной стороне: (6.3) Индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора: (6.4) Тогда эквивалентное сопротивление, которое учитывает снижение вы-прямленного напряжения, вызванное коммутацией тока между вентилями: (6.5) где m=6 - число пульсаций за период выпрямленного напряжения. Индуктивность цепи якоря рассчитываем на основании эмпирической формулы: (6.6) где k - коэффициент равный 0.8 2р=4 - число полюсов двигателя IН - номинальный ток двигателя Индуктивность рассеяния фазной обмотки трансформатора (6.7) где f=5Гц - стандартная промышленная частота Рассчитаем требуемую индуктивность по формуле (6.8) Так как , то становка дросселя не нужна. Тогда суммарная индуктивность якорной цепи (6.9) Суммарное сопротивление силовой цепи (6.10) Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная силовых цепей комплектного ЭП при токе якоря до 80А 7 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА. ПЕРЕХОД К ОТНОСИТЕЛЬНЫМ ЕДИНИЦАМ Рисунок 2 - Функциональная схема электропривода Выберем базовые значения и занесем их в таблицу 5. В качестве базо-вых величин переменных принимаем: - для напряжения и тока якоря, магнитного потока возбуждения - их номинальные значения; - для момента на валу, электромагнитного момента двигателя - вели-чину электромагнитного момента при номинальных значениях тока якоря и магнитном потоке двигателя. - для скорости вращения двигателя - скорость его идеального холостого хода при номинальных значениях магнитного потока и напряжении на якоре; - для напряжений на выходах тиристорных преобразователей - те приращения входных напряжений, которые для преобразователя с линеаризованной статической характеристикой создают изменение выходного напряжения, равное базовому напряжению на нагрузке; - для напряжений на входах датчиков обратных связей - показания датчиков при базовом значении измеряемой координаты. При этом величины коэффициентов силения датчиков обратных связей должны быть подобраны так, чтобы во всем возможном диапазоне изменение измеряемой координаты выходное напряжение датчика соответствовало работе его на линейном частке статической характеристики. Так для базового значения напряжения на выходе датчика тока якоря принято UДТЯ=4.В с четом того, что при максимально допустимом токе якоря IМ=2.3IН напряжение на выходе ДТЯ составит 1В. - для задающих напряжений, сравниваемых на входах регуляторов с напряжениями датчиками обратной связи - их значения, эквивалентные базовым величинам сигналов обратных связей. При равенстве входных сопротивлений базовые значения напряжений равны. Номинальные напряжения операционных силителей возьмем 1В. Тогда абсолютные значения коэффициентов датчиков обратных связей равны: (7.1) (7.2) Таблица 5 № Наименование переменной Обозначение Расчетная формула Численное значение Размер-ность 1 Напряжение на якоре, ЭДС пре-образователя и двигателя UЯ, ЕП, ЕД UН 220 В 2 Ток якорной цепи IЯ IН 280 А 3 Момент двигателя М IН.kФН 1092 Нм 4 Скорость вра-щения двигателя n0 56.4 р/c 5 Коэффициент пропорциональности между ЭДС и скоростью двига-теля kФ kФН 3.9 6 Напряжение на выходе регуля-тора тока якоря UРТ f(Eп) 10 В 7 Напряжение на выходе датчика тока якоря и регулятора скорости UРС, UДТ KДТЯ.IН 4.3 В 8 Напряжение на выходе датчика скорости и задат-чика интенсивно-сти UДС, UЗИ KДС.n0 10 В 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ СИЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Механическая постоянная времени ТД двигателя, учитывающего на структурной схеме механическую инерцию вращающихся масс двигателя и механизма. (8.1) где JД, JМ - момент инерции якоря двигателя и рабочего механизма. Электромагнитная постоянная времени ТЯЦ (8.2) Кратность тока короткого замыкания КЯЦ в относительных единицах: (8.3) Постоянная времени запаздывания вентилей, учитывающая полууправляемость вычисляется по формуле (8.4) где m = 6 - пульсность схемы f = 50 Гц - частот сети. При частотах < 1/ звено чистого запаздывания, можно заменить на апериодическое звено. Постоянную времени фильтра СИФУ возьмем равной ТП=2.10-3 Тогда структурная схема в относительных единицах представлена на рисунке 4. 9 ВЫБОР ТИПА РЕГУЛЯТОРА Для высокого быстродействия контура регулирования тока, чтобы не допустить в переходном процессе опасных выбросов тока якоря при резком приложении чрезмерной нагрузки, выберем ПИ регулятор. Найдем желаемые величину параметров регулятора тока из правила технического оптимума. Возьмем Т1=ТЯЦ=0.067с, так как ТЯЦ>>ТП Тогда Т2 = КЯЦ.3.(+ТП) = 17.86.3.(0.003+0.002) = 0.268с Реализуем регулятор тока на операционных силителе согласно связи параметров передаточной функции и принципиальной схемы регулятора: (9.1) (9.2) где UРТБ, UРСБ - базовые значения на выходе и входе регулятора тока; Возьмем С6 = 1мк. Тогда из приведенных равнений находим R6=67 кОм и R5 = R4 = 120 кОм. Возьмем ПИ - регулятор скорости, для поддержания заданной точности скорости. Тогда коэффициент пропорциональности ПИ регулятора скорости равен: (9.3) где ТРТ = 3.( + ТП) = 0.015 с - постоянная времени регулятора тока. Согласно правилу технического оптимума найдем величину Т4: (9.4) где ТРС = 3, ТРТ = 0.045с - постоянная времени регулятора скорости. Тогда Т4 = 3.ТРС = 3.0.045 = 0.135с Реализуем регулятор скорости на операционных силителе согласно связи параметров передаточной функции и принципиальной схемы регуля-тора: (9.5) (9.6) где UРСБ, UЗИБ - базовые значения на выходе и входе регулятора скоро-сти; Т3 = КРС. Т4 = 6.67. 0.135 = 0.9 с Возьмем С3 = 10мк. Тогда из приведенных равнений находим R3 = 90 кОм и R1 = R2 = 30 кОм. 10 ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕНИСТИК ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Построим статические характеристики электропривода с ПИ регулято-ром скорости и тока. На рисунке л6, построена зависимость n=f(IЯ), которая представляет собой прямоугольник. Напряжение на якоре (рисунок 6,б) которое вычисляется по формуле: UЯ = EД + IЯ.RЯД (10.1) где EД = кН.n - ЭДС двигателя; RЯД - сопротивление якоря двигателя; Регуляторная характеристика UРС = КДТЯ.IЯ представлена на рисунке л6,г. Для построения регуляторной характеристики UРТ = f(IЯ) построим зависимость ЭДС преобразователя ЕП, ЕП = ЕД + IЯ.RЯЦ (10.2) где RЯЦ - сопротивление всей якорной цепи. Эту характеристику построим на рисунке 7. Как видно из рисунка тиристор ненасыщен, т.к. для данной схемы Еd0 = 248.3 В. Тогда по рисунку 8 зависимость ЕП = f(UРТ) строим UРТ = f(IЯ) (Рисунок 6,в). Рисунок 8 - Регулировочная характеристика тиристорного преобразо-вателя При сравнении этих графиков получаем, что IЯ>0, ЕП всегда больше ЕД. Т.е. двигатель работает в двигательном режиме. Проведем проверку по запасу по напряжению: (10.3) Как видно по запасу напряжения ЭП не проходит. Следует выбрать трансформатор с большим напряжение вторичной стороны. В данном курсовом перерасчет делать не будем. 11 ЗАЩИТЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ И РАСЧЕТ ИХ СТАВОК В релейно-контакторной части электропривода выполнен ряд защит, исключающих аварийные режимы, обеспечивающих отключение двигателя при возникновении аварийных режимов в процессе работы (См. схему графической части). Защита от аварийных режимов при сборке схемы Защита выполнена на реле KV1, KV3 и предназначена для запрета сборки схемы, если на преобразователе или двигателе существует напряжение, превышающее порог срабатывания реле. С целью снижения порога срабатывания катушки реле KV1 и KV3 выбираются на напряжение вдвое меньшее рабочего напряжения двигателя. Последовательно с катушками реле включены добавочные резисторы, обеспечивающие номинальный режим работы катушек при полном напряжении преобразователя. Добавочные резисторы зашунтированы размыкающими контактами реле. Таким образом, до момента включения на катушку реле поступает полное напряжение преобразователя. Напряжение втягивания реле UВТ=0.35.UН=0.35.110=4В. Нулевая защита Защита выполнена на блокировочном контакте KFV, в цепь катушки которого включены все остальные защиты от аварийных режимов. Контактор KFV обеспечивает контроль наличия оперативного напряжения и исключает самозапуск двигателя после исчезновения оперативного напряжения и его повторной подачи. Напряжение втягивания контактора KFV примем 14В. Защита от перенапряжения Реализован на KV2 и предназначен для отключения двигателя при по-дачи на него недопустимо большого напряжения от преобразователя. Уставка реле KV2 рассчитывается по формуле: UВТ=1.1.Uрасч=48В где UВТ - напряжение втягивания KV2; Uрасч - допустимое расчетное повышение напряжения на двигате-ле. Для выбранного двигателя Uрасч=44В. Максимально токовая защита Реализована на реле FA1. Защита предназначена для отключения двигателя при недопустимой технологической перегрузке. Уставка реле рассчитываются по формуле: IВТ = 1.2. КМ. IН = 1.2. 2.38. 280 = 799.68 А (11.1) где IВТ - ток втягивания реле; КМ - перегрузочная способность двигателя; IН - номинальный ток двигателя. Максимальная защита цепи возбуждения Защита выполнена на КА2 и предназначена для отключения двигателя при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения. Уставка реле рассчитывается по формуле: IВТ = 1.1. IВН = 1.1. 3.9 = 4.29 А (11.2) где IВТ - ток втягивания КА2; IВН = 3.9 А - номинальному значение тока возбуждения двигателя. Защита от обрыва поля Защита реализована на реле КА1 и предназначена для отключения двигателя при обрыве в цепи обмотки возбуждения. Ток втягивания равен: IВТ = 0.7. IВН = 1.1. 3.9 = 2.73 А (11.3) В таблице 6 приведены значение ставок защиты комплектного тиристоного электропривода. Таблица 4 № Схемное обо-знач. реле Тип реле Ном. напряж. или катушки реле Уставка сра-бат. 1 KV1, KV3 РЭВ-825 110 В 40 В 2 KFV МК1-22 220 В 145 В 3 KV2 РЭВ-825 220 В 484 В 4 FA1 РЭВ-571 630 А 800 А 5 KA2 РЭВ-830 5 4.29 А 6 KA1 РЭВ-830 5 2.73 А 12 ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ В ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИВОДА Построим переходную характеристику скорости и тока якоря от времени с помощью программы MatLab 6.5. Используя структурную схему электропривода в относительных единицах. На рисунке 8 приведем эти зависимости. Зависимости построены Uвх = 0, IС = 0. Рисунок 9 - Зависимость n(t) и I(t) Рисунок 10 - Зависимость n(t) для различных значений R4 Рисунок 11 - Зависимость IЯ(t) для различных значений R3 Показатели переходных процессов для различных R3 занесем в таблицу5. Таблица 5 Зависимость n(t) Показат. KДТ=10 KДТ=2 KДТ=1 KДТ=0.5 KДТ=0.2 Время макс.,c 1.6 0.4 0.15 0.1 0.1 Перерег. % 0.25 0.1 0 0.25 0.75 Зависимость I(t) Время макс., c 0.005 0.025 0.03 0.04 0.05 Макс. 1.1 4 6 8 10 По данным таблицы 5 построим зависимости tm(R3) и hm на рис. 12, рис. 13 для скорости и на рис. 14, рис. 15 для тока якоря. Рисунок 12 - Зависимость времени достижения максимума от сопротивления R3 Рисунок 13 - Зависимость перерегулирования от сопротивления R3 Рисунок 14 - Зависимость времени достижения максимума тока от соп-ротивления R3 Рисунок 15 - Зависимость максимума тока от сопротивления R3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе курсового проектирования был спроектирован электропривод на основе заданных технологией параметров. Привод выполнен с применением двигателя постоянного тока, питающегося от тиристорного преобразователя. Был выбран двигатель Д810, Pн=55 кВт; nн=53.4 р/с; Iн=28А. Выбран комплектный тиристорный преобразователь по номинальному току и напряжению КТЭ -. Выбран трансформатор ТСЭПЦ160/07-7У3, по комплектному тиристорному преобразователю. Также выбраны типы тиристора Т143-500. В качестве РТ взяли пропорционально- интегральный регулятор, поскольку наличие И-канала позволяет получить вертикальный наклон механической характеристики при работе привода на пор. П-канал даёт возможность величить быстродействие контура регулирования тока, что облегчает словие настройки последующего контура регулирования скорости и при резких перегрузках привода исключает в переходных режимах выбросы тока якоря сверх допустимых значений. Рассчитаны необходимые сопротивления и емкости. Выбраны реле защиты в ЭП, также проведен расчет их ставок. Исследованы переходные процессы, и влияние на качество переходных процессов сопротивления R3. По результатам проделанного проекта можно заключить, что спроектированной электропривод не выполняет необходимые словия, запаса по напряжению и требует выбора другого трансформатора. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1) Драчев Г.И. Теория электропривода. учебное пособие к курсовому проектированию. Челябинск, 1998, 158 стр 2) Двигатели серии Д. Каталог 01.19.01 -78. 3) Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. -М. ЦЛ: Энергия, 1996. - 400с. 4) сынин Ю.С. Системы правления ЭП: учебное пособие к курсовому проектированию. - Челябинск, УрГУ, 1996, - 46с.