Создание системы регулирования параметров электропривода постоянного тока

Содержание

Цель работы, задание. стр.

Введение    4

1. Состав и функциональная схема ЭП  6
2. Выбор силовой части ЭП  8
1. Электродвигатель  8
2. Тиристорный преобразователь  9
3. Реакторное оборудование  11
4. Шунт измерительный  14
5. Автоматический выключатель   14
6. Тахогенератор  15
7. Система импульсно - фазового управления тиристорами  15

3. Синтез и расчёт параметров двухконтурной системы подчинённого 
регулирования  17

1. Общая функциональная схема системы ТП-Д  17
2. Структурная схема системы ТП-Д  18
3. Определение параметров (коэффициентов передачи и постоянных времени) 
   электродвигателя и тиристорного преобразователя  19
4. Расчёт параметров контура тока (настройка на модульный оптимум)  19
5. Расчёт параметров контура скорости (настройка на модульный оптимум)  22

4. Анализ характеристик спроектированного электропривода  26

1. Расчёт электромеханических характеристик  26
2. Расчёт и построение динамических характеристик системы ТП-Д с подчинённым 
   регулированием при подаче на вход задающего воздействия скачком  28
3. Расчёт и построение динамических характеристик системы ТП-Д с подчинённым 
   регулированием при подаче на вход линейно нарастающего задающего 
   воздействия  29

 

Литература 

 

Введение.

В данном проекте предлагается вариант создания системы регулирования параметров электропривода постоянного тока.

Существует два основных варианта систем регулируемого электропривода постоянного тока:

1) Система генератор - двигатель.

2) Система тиристорный преобразователь - двигатель.

          Система одного и другого типа осуществляет регулирование скорости привода путем изменения напряжения на выводах источника питания. В системе ТП-Д регулирование осуществляется управляемым вентильным преобразователем, причем скорость меняется вниз от основной за счет снижения напряжения на выходе преобразователя.

          Уравнение электромеханической характеристики двигателя постоянного тока имеет вид;

где : - скорость, рад/с;

         U -напряжение подводимое к якорю двигателя. В; Iя -ток якоря, А;

         Сд -конструктивный коэффициент двигателя;

         R -сопротивление якорной цепи, Ом;

        -ток якоря, А

Часть уравнения - имеет физический смысл скорости идеального холостого хода ( ) ,т.е. скорости двигателя без момента сопротивления к валу двигателя.

           Таким образом ,очевидно, что при постоянстве момента сопротивления при изменении приложенного напряжения скорость привода будет регулироваться за счет изменения скорости идеального холостого хода без изменения жесткости характеристики.

           На базе спроектированной системы разработана система подчиненного регулирования. Эта система поддерживает жесткость характеристики в пределах установленных регулированием параметров при настройке системы. Такой вариант осуществляется за счет того, что система изменяет скорость автоматически в зависимости от других показателей (ток якоря, напряжение якоря). В данном случае система двухконтурная и кроме контура тока содержит контур скорости .

           Основным недостатком такой системы является относительно сложная техническая реализация (в настоящее время система подчиненного регулирования получает развитие). Все препятствия технической реализации имеют гораздо меньший вес по сравнению с преимуществами системы:

-   качество переходных процессов;

-   необходимая жесткость характеристик (способность системы четко и           оперативно отрабатывать изменения нагрузочного момента);

-   приемлемая степень сложности настройки параметров регуляторов в системе.

Системы управления обеспечивают требуемые характеристики электропривода. Они состоят из аналоговых или цифровых регуляторов, изменяющих с необходимой точностью по заданному закону основную координату электропривода и ограничивающих допустимые значения промежуточных координат, логических систем, служащих для управления режимами электропривода, сигнализации и защиты. Системы управления по сигналам заданного значения основной координаты, сигналам состояния защит электропривода и оперативным, характеризующим требуемые режимы работы, формируют входные сигналы в ТП и в силовую схему электропривода: напряжение управления СИФУ, сигнал, определяющий работающий выпрямительный мост для реверсивных электроприводов, и сигналы о включенном или отключенном состоянии силовых аппаратов главной цепи.

В зависимости от выполняемых  функций основного регулятора эл. привода делят на электроприводы:

1. с регуляторами скорости двигателя;
2. с регуляторами ЭДС или напряжения электродвигателя;
3. с     регулятором     положения     исполнительного     органа     (или     вала электродвигателя);
4. с регулятором взаимного положения двух или нескольких исполнительных органов, приводимых отдельными электродвигателями;
5. с регуляторами тока;
6. с   регуляторами   мощности   (как   правило,   для   размоточно-намоточных механизмов).

По способу управления потоком возбуждения электродвигателя можно выделить электропривода с  постоянным потоком — однозонные и изменяющимся потоком - двухзонные.

В зависимости от использованной элементной базы системы управления выполняются аналоговыми, цифровыми и цифро-аналоговыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили аналоговые системы.

Для получения высокой  точности отработки задания используются цифро-аналоговые системы. На базе цифровой техники в этом случае выполняется регулятор основной координаты, а так же, возможно несколько промежуточных. Часто цифровые системы реализуются на основе микропроцессоров.

1.Состав  и функциональная схема электропривода.

1.1. В соответствии с исходными данными выбрать промышленную серию комплектного тиристорного электропривода [5, с.6].

 

Наименование серии  ЭП	Изготовитель	Номер ТУ	Номинальные данные		Основные регулируемые координаты
			Iном, А	Uн, В
Комплектные тиристорные  электроприводы унифицированные серии КТЭУ мощностью до 2000 кВт	ПО ХЭМЗ	ТУ 16-530.252-79	25, 50, 100, 200, 320, 500, 800, 1000, 1600	220, 440, 600, 750, 930	Скорость, ЭДС, положение, мощность, специальные системы

1.2.По выбранной  серии определить основные составные  элементы и привести упрощённую функциональную схему проектируемого электропривода [5: §1.3 с. 19-33].

В электропривод комплектного тиристорного электропривода входят:

ТП для питания якоря  электродвигателя, состоящий из силовых  тиристоров с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных и защитных RLC-цепей, СИФУ, устройств выделения аварийного режима, контроля предохранителей и защиты от перенапряжений; электродвигатель постоянного тока с тахогенератором и центробежным выключателем; ТП для питания обмотки возбуждения, анодный реактор; коммутационная и защитная аппаратура в цепях постоянного и переменного тока (автоматические выключатели, линейные контакторы, рубильники); сглаживающий реактор в цепи постоянного тока (при необходимости); устройство динамического торможения (при необходимости); шкаф высоковольтного ввода, используемый при подключении нескольких электроприводов к одному маслянному выключателю; система управления электроприводом (якорем и обмоткой возбуждения электродвигателя); комплект аппаратов, приборов и устройств, обеспечивающих оперативное управление, контроль состояния и сигнализацию электропривода; узлы питания обмотки возбуждения, тахогенератора и электромеханического тормоза; контрольно-испытательные стенды; датчики, устанавливаемые на механизме, которые как правило, не включаются в комплект поставки, т.к. их выбор и установка осуществляются предприятиями, изготавливающими механическую часть технологического агрегата, однако электропривод должен иметь возможность работы с этими датчиками; командные, сигнальные и управляющие устройства, монтируемые на пульте управления (также не входят в комплект электропривода вследствии того, что пульты при каждой поставке разрабатываются заново.

 

 

Рис.1 Упрощённая схема силовой части проектируемого электропривода.

 

U - тиристорный преобразователь; VSF - тиристоры; LF - анодный токоограничивающий реактор; L - сглаживающий реактор в якорной цепи двигателя; АU - система импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ); ВR - тахогенератор; RS1 - шунт измерительный тока якоря; QF1 - автоматический выключатель переменного тока (трех полюсной); QF2 - автоматический выключатель постоянного тока (двухполюсной); РU - прибор выпрямленного напряжения преобразователя; РА1 - прибор тока якоря двигателя; LМ - обмотка независимого возбуждения машины; V - выпрямительный мост на диодах в цепи возбуждения; Т1 - согласующий трансформатор; РА2 - прибор тока возбуждения; QF3 - двухполюсной автоматический выключатель переменного тока.

 

Назначение элементов системы:

ТП состоящий из 6 тиристоров VSF получает питание из сети 380 в через автоматический выключатель QF1 и анодный реактор LF.

Трансформатор Т1 и диодный  мост V служат для питания обмотки возбуждения двигателя LМ.

Система управления СУ по сигналам оператора с пульта управления ПУ получает сигналы о токе якоря двигателя и токе возбуждения, получаемые с шунтов RS1и RS2.

Сигнал о напряжении на якоре двигателя снимается  вольтметром рV.

Сигнал о скорости, формируемый тахогенератором ВR. выдает сигналы управления в СИФУ (АУ) и на пульт управления ПУ.

Узел управления коммутационной аппаратурой и сигнализации УУКиС  по командам оператора и сигналам от СУ включает или выключает аппараты QF1-3; а также осуществляет сигнализацию о состоянии этих и других защитных аппаратов.

 

2.   Выбор  силовой части электропривода.

 

2.1. Электродвигатель.

2.1.1. В соответствии с заданием, по мощности и скорости выбираем электродвигатель типа 2ПН132МГУХЛ4, имеющий следующие паспортные данные:

U_н=440 В - номинальное напряжение;

Р_н =4 кВт - номинальная мощность;

n_н=1500 об/мин - номинальная частота вращения ( рад/с)

h=79 % - номинальный к.п.д.;

J_дв=0,038 кг∙м² - момент инерции;

p=2 - число пар полюсов;

R_я=2,28 Ом - сопротивление обмотки якоря (при 15 ˚С);

R_доп=1,44 Ом-сопротивление обмотки дополнительных полюсов(при 15 ˚С);

R_ов=35 Ом - сопротивление обмотки возбуждения (при 15 ˚С).

 

 

Паспортные данные двигателя сводим в таблицу:

Uн, В	Рн, кВт	nн, об/мин	Iн, А	h, %	Jдв, кг м2	Lя, мГн	Rя, Ом	Rд,п,, Ом	Rов, Ом
440	4	1500	11,5	79	0,038	42	2,28	1,44	35

 

2. 1 .2 Определение  параметров электродвигателя.

Сопротивление щеточного  контакта R_щ определяется на основании того, что падение напряжения на щётках при номинальном токе приблизительно равно 2 В. Тогда:

 

 Ом

 

2.2. Тиристорный  преобразователь.

 

2.2.1. Выбираем тип преобразователя промышленного исполнения [5: §1.4.4 с.44-49].

Ток номинальный, А	Тип тиристора	Число тиристоров в плече	Вид вентиляции	Наличие предохранителей
100	Т9-250	3	принудительная	нет

Состав силовой части  электропривода серии КТЭУ

 

2.2.2. Расчёт параметров тиристорного преобразователя.

Принимается трёхфазная мостовая схема нереверсивного преобразователя. 
Примечание. Для двигателей с U_н=220 В тиристорный преобразователь подключается к питающей сети через трансформатор,  а для двигателей с U_н=440 В - через токоограничивающие реакторы.

Основные положения  следующие. Внешняя характеристика тиристорного преобразователя описывается  уравнением

 

,

где     U_d - выпрямленное напряжение, подводимое к двигателю, В;

Е_{d max} - максимальная э.д.с. преобразователя, В;

a - угол управления вентилями (тиристорами), град.;

I_d - ток нагрузки (ток якорной цепи двигателя), А;

R_RS - сопротивление измерительного шунта (см. п. 2.4), Ом;

R_{т. п.} - сопротивление тиристорного преобразователя, Ом.

 

 Ом

где    R_ф - активное сопротивление фазы, Ом;

L_ф - индуктивность фазы, Гн;

m - число пульсаций преобразователя (для трёхфазной мостовой схемы m=6);

w=2pf=314 - угловая частота питающей сети, с^-1;

f=50Гц - частота сети;

R_дин =0,0172 Ом - динамическое сопротивление тиристора, Ом.

 

При питании преобразователя  через токоограничивающие реакторы:

 

L_ф=L_р, R_ф=R_р,

 

где R_р и L_р - соответственно активное сопротивление и индуктивность одной фазы реактора (табличные значения, зависят от типа реактора, см. п. 2. 3.1). При питании преобразователя через трансформатор

 

L_ф=L_тр, R_ф=R_тр,

 

Индуктивность преобразователя L_т.п. определяется по формуле (для мостовой схемы):

L_т.п.=2∙L_ф=2∙0,00202=0,00404 Гн