Система управления электроприводом БТУ 3601

Введение

Основная цель данного курсового проекта это разработка тиристорного электропривода на базе комплектного электропривода БТУ 3601, в процессе выполнения будет необходимо: рассчитать и выбрать элементы силовой части электропривода, построить статические характеристики разомкнутого электропривода, синтезировать и рассчитать параметры регуляторов и смоделировать переходных процессов скорости и тока электропривода с помощью программного пакета MATLAB 6.5. Это позволит приобрести навыки самостоятельного принятия инженерных решений на базе современной полупроводниковой техники при расчете и проектирование систем автоматического управления.

Система электропривода и его функциональная схема

По заданию на курсовой проект был выбрана система электропривода по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» которая, реализована комплектным тиристорным электроприводом БТУ-3601

Расчет и выбор элементов силовой части электропривода

Выбор силового трансформатора тиристорного преобразователя

Приведем сопротивление обмоток двигателя к нагретому состоянию учтя, что максимальная рабочая температура для изоляции класс B = 90 C:

Сопротивление обмотки возбуждения:

Сопротивление якорной цепи:

Рассчитаем номинальную скорость двигателя:

Трансформатор в управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжения сети с напряжением двигателя [1].

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора определяется выражением:

где – коэффициент запаса по напряжению сети, – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале, – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в вентиле, в обмотках трансформатора, – коэффициент пропорциональности между средневыпрямленным напряжением и действующим значением фазного напряжения вторичной обмотки для трехфазной мостовой схемы выпрямления, – номинальное напряжение двигателя

Коэффициент трансформации трансформатора:

Так, как коэффициент трансформации равен единице воспользуемся бестрансформаторным варианте схемы, где силовые цепи преобразователя тиристорного электропривода подключаются к сети через анодный реактор. Анодный реактор выбирают по действующему значению номинального тока фазы преобразователя , 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 мощность двигателя, – номинальное напряжение обмотки возбуждения, – номинальный КПД двигателя, – сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии.

Ток фазы первичной обмотки трансформатора:

Ток фазы вторичной обмотки трансформатора:

Выбираем анодный реактор типа РС 40/1,4 [2]. Его параметры, взятые из справочных данных:

.

Проверка и выбор тиристоров

Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производятся, по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значении напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания [2].

Среднее значение тока, протекающего через тиристор:

где: – допустимый ток двигателя, для общепромышленной серии машин – = , для серии двигателей 2ПФ; – для трехфазной мостовой схемы.

Значение тока, приведенное к классификационным параметрам тиристоров:

где – коэффициент запаса по току, – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, угла проводимости и от формы тока, – коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

Найденный ток должен быть меньше действующего значения прямого тока:

Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре:

где – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможность перенапряжений на тиристорах; – линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, . должно быть меньше повторяющегося напряжения тиристора.

Для нахождения ударного тока внутреннего короткого замыкания (КЗ на стороне постоянного тока, якорная цепь двигателя и реактора вне цепи) определяется амплитуда базового тока:

где - амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Ударный ток внутреннего короткого замыкания находится по формуле:

где , определяется по кривым [3, рис. 1.128, с. 106] в зависимости от в зависимости от при .

Тиристор будет удовлетворять требованиям, если ток внутреннего короткого замыкания в преобразователе будет меньше ударного тока тиристора, то есть:

По выше найденным соотношениям выбираем тип тиристора [2], типа Т171–200 с техническими данными представленными в табл. 1.

Таблица 1

Тип	Uпор, В	Umax, В	Imax cp, A	Iyд, kA	I2tтир, A2c	(du/dt), мкс
Т171–200	1,15	500…1200	200	5,2	135000	160

Выбор катодного дросселя

Так, как пульсации выпрямленного тока существенно ухудшают режим коммутации в двигателе и увеличивают его нагрев, для их сглаживания в схему добавляют катодный дроссель. Для этого необходимо найти амплитудные значения выпрямленного напряжения основной гармоники:

где – средневыпрямленное напряжение при угле регулирования, равном нулю; р = 6 – для трехфазной мостовой; k = 1 – кратность гармоники, т.е. отношение порядкового номера гармоники к числу пульсации. В симметричной мостовой и нулевых схемах наибольшую амплитуду имеет основная гармоника k = 1. Гармоники более высокой кратности 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 действующему значению основной гармоники тока н1 (1)% необходимая величина индуктивности цепи выпрямленного тока рассчитывается по формуле:

где – для машин без компенсационной обмотки; – номинальный ток двигателя.

Индуктивность сглаживающего ректора:

где – индуктивность анодного реактора,

Так, как по расчету получилась отрицательная величина , то это свидетельствует о том, что при принятом уровне пульсации тока катодный дроссель не нужен. Тогда действительный уровень пульсации тока первой гармоники с учетом приведенной индуктивности трансформатора или анодного реактора можно определить по формуле:

Значение гранично-непрерывного тока якоря двигателя в этом случае можно найти, используя соотношение:

где – граничное значение коэффициента:

Рассчитаем максимальный угол регулирования :

где – конструктивная постоянная на номинальный поток:

Рассчитаем скорость двигателя при максимальном угле управления:

При угле регулирования значение гранично-непрерывного тока больше, чем , значит влиянием прерывистого режима тока электроприводе нельзя пренебречь.

Расчет параметров силовой цепи электропривода

Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель – преобразователь:

Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигатель – преобразователь:

d – Коэффициент из табл. 1 [2].

Напряжение преобразователя при работе электропривода в номинальном режиме

Угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы:

Минимальный угол регулирования должен превышать для надежного включения вентиля, значит запас напряжения доступный преобразователю равен отношению:

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигатель – преобразователь:

Электромеханическая постоянная времени электропривода:

где:–приведенное значение момента инерция привода;

Построение статических характеристик разомкнутого электропривода

Естественные характеристики двигателя

Найдем номинальное значение момента двигателя:

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока описывается выражением [3]:

Естественную характеристику построим по двум точкам:

1. Точка идеального холостого хода при :

2. Точка работы при номинальной частоте вращения .

Основные характеристики электропривода

Основная механическая характеристика электропривода описывается уравнением:

Основную характеристику построим по двум точкам:

1. Точка идеального холостого хода при :

2. Точка работы при номинальной частоте вращения .

Характеристики, обеспечивающие минимальную скорость работы электропривода

Минимальную скорость работы электропривода будет обеспечивать

напряжение преобразователя равное:

1. Точка идеального холостого хода при :

2. Точка работы при минимальной частоте вращения .

Характеристики аварийного динамического торможения

Механическая характеристика динамического торможения описывается выражением:

где – добавочное сопротивление якоря двигателя при динамическом торможении.

Все полученные характеристики построены на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2

Рис. 3

Синтез и расчет параметров регуляторов в линеализованных системах управления частотой вращения электропривода

Структурная схема автоматизированного электропривода

При проектировании электропривода двухконтурной схемой с контурами регулирования скорости и тока, линеаризованная структурная схема двухконтурного автоматизированного электропривода регулирования частоты вращения представлена на рис. 4.

Рис. 4

Где передаточные функции звеньев двигателя: W1(р), W2(р), W3(р); преобразователя WП(p) и передаточные функции фильтров WОС(p), WОТ(p), положительная обратная связь с передаточной функцией W4(р) служит для компенсация внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, передаточные функции регуляторов WРС(p), WРТ(p) и их параметры будут определен в процессе синтеза методом подчиненного регулирования.

Тиристорный преобразователь является звеном, передаточная функция которого:

где – коэффициент усиления управляемого вентильного преобразователя, который определяется выбранной точкой линеаризации; Тn = 0,009 с – постоянная времени системы управления преобразователем.

Коэффициент обратной связи по току:

где – напряжение насыщения выхода регулятора скорости.

Расчетное значение коэффициента обратной связи по скорости определяется выражением:

где – максимальное значение напряжения задания.

Синтез начинаем с внутреннего контура – контура тока.

Синтез контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя

Структурная схема контура тока представлена на рис. 5, на которой: kТ – коэффициент обратной связи по току; WРТ(р) – передаточная функция регулятора тока, которая подлежит определению.

Рис. 5

При синтезе прими следующие допущения:

Пренебрежем влиянием ЭДС вращения в контуре тока якоря.

Не учитывается влияние внутренней обратной связи по ЭДС двигателя

Настройку регулятора тока будем осуществлять на технический оптимум, следовательно, разомкнутый контур тока должен имеет передаточную функцию:

Следовательно, передаточная функция регулятора тока по схеме рис 4 определится из условия:

и при получим передаточную функцию регулятора тока:

где - коэффициент передачи пропорциональной части регулятора тока, – постоянная времени интегральной части регулятора тока.

Синтез контура регулирования скорости (КРС) электропривода

Контур скорости будем настраивать на симметричный оптимум для обеспечения астатизма САУ.

Контур скорости является внешним по отношению к контуру тока. Структурная схема контура скорости электропривода при тех же допущениях показана на риc. 6.

Рис. 6

Примем некомпенсируемую постоянную времени в контуре скорости:

При настройке на симметричный оптимум, разомкнутый контур скорости должен имеет передаточную функцию:

Следовательно, передаточная функция регулятора скорости определится из условия:

Следовательно, передаточная функция регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум:

где – коэффициент передачи пропорциональной части регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум, – постоянная времени интегральной части регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум

При настройке на симметричный оптимум для уменьшения перерегулирования на вход системы необходимо установить фильтр с передаточной функцией:

Частота пропускания системы подчиненного регулирования скорости электропривода при настройке его на симметричный оптимум и наличии фильтра на входе равна

Моделирование переходных процессов скорости и тока электропривода на ЭВМ с помощью пакета MATLAB

Для проверки расчетов регуляторов делаем моделирование системы 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 номинальной скорости, далее торможением до минимальной скорости и остановкой на рис. 8.

Рис. 8

Переходные процессы по скорости и току при пуске вхолостую с последующим реверсом и остановкой на рис. 9.

Рис. 9

Переходные процессы по скорости и току при разгоне до