Создание системы регулирования параметров электропривода постоянного тока

 

Величина Е_dmax преобразователя определяется схемой включения тиристоров и напряжением питающей сети U_c

 

E_dmax=k_cx E_2л=1,35∙380=513 В

 

где      k_cx - коэффициент схемы (табличное значение, для трёхфазной мостовой схемы k_cx =1,35);

E_2л - линейное напряжение, подводимое к преобразователю (при питании через реакторы Е_2л=U_c=380 В).

Номинальный угол управления тиристорами a_н определяется путём подстановки значений  a=a_н, U_d=U_н, I_d= I_н, тогда

 

a_н=arccos

 

 Максимальный угол управления тиристорами a_max, соответствующий наименьшей скорости w_min определяется из выражения

 

 

 

где  D - заданный диапазон регулирования скорости.

 

2.2.3. Тиристоры.

Тиристоры преобразователя  выбираются по среднему току вентиля I_ср и наибольшему обратному напряжению U_обр.max при номинальной нагрузке двигателя I_d= I_н . Для трёхфазной симметричной мостовой схемы

 

I_cp=0,33∙I_н=0,33∙11,5=3,795 А

U_обр.max=1,05∙E_dmax=1,05∙513=538,65 В

 

Тип тиристора  определяется в соответствии с выбранной серией электропривода и типом преобразователя [5: §2.2, c.59-63]. Основные данные по выбранному тиристору свести в таблицу.

Тиристор типа Т122-20

Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии, А	Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии, А	Динамическое сопротивление, Ом	Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, В	Максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В
20	300	0,0172	100-1200	0,6Uобр.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Реакторное  оборудование

2.3.1 Токоограничивающие (анодные) реакторы [6, c.133].

Такие реакторы выбираются на напряжение питающей сети U_с =380 В и ток вторичной цепи I_2н. Серии реакторов приведены в [5, c.303-305; 8]. При этом номинальное питающее напряжение реактора U_н.р. и номинальный фазный ток I_н.р. должны удовлетворять условию:

 

U_нр ³ U_с  и  I_нр ³ I_2н,

 

 

Выбираем реактор типа РТСТ-20,5-2,02

Параметры выбранного реактора (с указанием значений R_р и L_р) свести в таблицу.

 

Тип реактора	Номинальное линейное напряжение питающей  сети, В	Номинальный фазный ток, А	Номинальная индуктивность  фазы, мГн	Активное сопротивление  обмотки, Ом
РТСТ-20,5-0,02УЗ	410	20,5	2,02	0,233

 

2.3.2 Реактор  для ограничения зоны прерывистых  токов.

Такие реакторы предназначены  для получения гранично-прерывистого режима работы преобразователя при заданном угле регулирования a_н  [6: §1-34, c.130-131]. Такой режим обеспечивается включением в цепь выпрямленного тока индуктивности L_д1, величина которой определяется выражением

 

 

Так как в цепи выпрямленного тока уже имеется индуктивность якорной обмотки двигателя L_я, то необходимая индуктивность реактора

 

L_др1= L_д1 - L_я=0,00911- 0,042=- 0,032 Гн

 

Если L_др1 < 0, то ограничивающий дроссель не нужен.

 

2.3.3 Реактор  для сглаживания пульсаций выпрямленного  тока [6: §1- 34, c. 131- 132].

Необходимая индуктивность  цепи выпрямленного тока L_д2 определяется по формуле

 

 Гн

где    k - кратность  гармоник (для симметричной мостовой схемы k=1);

р₍₁₎ - допустимое действующее значение основной гармоники тока (принимается в диапазоне 2-15% от I_н, задаёмся р₍₁₎ =2%), %;

U_д.п.m - амплитудное значение основной составляющей выпрямленного напряжения, В.

 

 В

 

Необходимая индуктивность  сглаживающего реактора

 

L_др2=L_д2 - L_я=0,284 - 0,042=0,242 Гн

 

Если L_др2 < 0, то реактор не нужен.

 

2.3.4 Реактор  для ограничения тока через  тиристоры при коротком замыкании на стороне постоянного тока [6: §1-34, c.132].

Реактор ограничивает скорость нарастания аварийного тока, чтобы  он не превысил опасного для вентилей значения в течение времени срабатывания защитных устройств.

Для мостовой схемы требуемая  индуктивность реактора определяется по формуле

 

, Гн

 

где     I_доп - максимально допустимый в течение одного полупериода ток через тиристоры (справочные данные), А.

При L_др3<0 реактор не нужен.

 

2.3.5 Выбор сглаживающего  реактора на стороне выпрямленного  тока.

Сглаживающий реактор выбирается по результатам вычислений в п.п. 2.3.2 - 2.3.4. Его индуктивность L_др должна быть больше или равна наибольшему из значений L_др1, L_др2, L_др3 , т. е.

L_др ³ max (L_др1, L_др2, L_др3),

 

Тип реактора выбирается по данным [5: §8.5 c.299-303; 8]. При этом

 

I_н.ср ³ I_н, А

 

где     I_н.ср - номинальный ток сглаживающего реактора.

Данные выбранного реактора свести в таблицу.

Тип реактора	Номинальное линейное напряжение питающей сети, В	Номинальный ток, А	Номинальная индуктивность, Гн	Активное сопротивление  обмотки, Ом
СРОС-200/6УХЛ4	410	50	0,25	0,58

 

 

2.4. Шунт измерительный.

Шунт устанавливается  в якорной цепи двигателя и  предназначен для получения сигнала, пропорционального току двигателя.

Шунт выбирается по номинальному току двигателя по данным прилож. 1.

При этом I_нRS I_H, где I_нRS - номинальный ток шунта.

Выбираем шунт и данные сводим в таблицу

 

Тип шунта	Ток, А	Напряжение DURS,В	Активное сопротивление, мкОм
75 ШС	20	0,075	3700

 

Активное сопротивление  шунта R_RS и его коэффициент передачи К_RS определяются из выражения:

 Ом

где      DU_RS - падение напряжение на шунте при токе I_нRS (паспортные данные), В.

 

2.5. Автоматический  выключатель.  

Автоматические выключатели  выбираются по току в соответствующей  цепи.

QF1: при питании через анодные реакторы

Выбираем автоматический выключатель АК-50, данные которого сводим в таблицу:

 

Тип выключателя	АК-50
Номинальный ток выключателя, А	50
Номинальное напряжение, В	380
Ток уставки, А	2-50
Время отключения, с	0,04

 

Для QF2:

Выбираем автоматический выключатель АК-50, данные которого сводим в таблицу:

 

Тип выключателя	АП-50
Номинальный ток выключателя, А	50
Номинальное напряжение, В	220-500
Ток уставки, А	1,6-50
Время отключения, с	0,03

 

 

2.6. Тахогенератор.

Тахогенератор предназначен для получения сигнала в виде напряжения постоянного тока, пропорционального скорости двигателя.

Тахогенератор может  быть встроенным в электродвигатель или выбирается отдельно по данным [5, c.180-181; 7; 8], исходя из заданной скорости двигателя, при чём w_н  ³ w_BR , где w_BR - номинальная частота вращения тахогенератора.

Коэффициент передачи (усиления) тахогенератора K_BR характеризует крутизну его характеристик. Он приводится в паспортных данных или может быть определён из выражения:

 

,

 

где     U_BR - выходное напряжение тахогенератора при скорости w_BR.

Электродвигатель снабжен  встроенным тахогенератором типа ТС1.

Согласно паспортным данным крутизна напряжения тахогенератора 0,033 В/(об/мин ). Возбуждение тахогенератора от постоянных магнитов.

 

U_BR=1500×0,033=49,5 В

 

 

 

2.7. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами.

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Структурная схема ТП.

 

CИФУ предназначена  для изменения угла управления a тиристоров вентильного моста ВМ преобразователя ТП. При этом, в зависимости от сигнала управления U_у на входе СИФУ, изменяется значение выпрямленной э.д.с. Е_d преобразователя. Зависимость Е_d=f(U_у) называется регулировочной характеристикой тиристорного преобразователя, а зависимость a= f(U_у) называется регулировочной характеристикой СИФУ.

Если в качестве опорного напряжения в СИФУ используется косинусоида  с амплитудой U_{оп max},  проходящей через нуль при a=90^о, то угол управления определяется выражением

 

,

где     , a_нач - начальный угол управления, когда U_у=0;

U_cм - напряжения смещения, В.

При U_см=U_оп.max начальный угол a_нач=0, а при U_см=0 начальный угол a_нач=90^о. Для a_нач=90^о регулировочная характеристика СИФУ имеет вид

 

,

 

Если угол управления тиристорами изменяется согласно выражению то регулировочная характеристика тиристорного преобразователя получается линейной, т. е.

, 

 

Передаточный коэффициент  тиристорного преобразователя для  номинального режима можно определить из выражения:

 К_тп=      

где    U_ун=10 В - принимается на практике исходя из того, что в качестве элементной базы СИФУ и системы управлением электроприводом используются операционные усилители, имеющие линейную характеристику в диапазоне до 10 В.

 

 

3. Синтез  и расчёт параметров двухконтурной  системы подчинённого регулирования.

 

3.1 Общая функциональная  схема системы ТП-Д.

 

 

Рис.3 Общая функциональная схема системы ТП-Д.

 

СКА (SA) - сельсинный командоаппарат;

ЗУ (AI) - задающее устройство (задатчик интенсивности);

РС (AR) - регулятор скорости;

РТ (AA) - регулятор тока;

ТП (U) - тиристорный преобразователь;

Д (M) - электродвигатель;

ШИ (RS) - шунт измерительный;

ТГ (BR)- тахогенератор;

ДТ (UA) - датчик тока;

ДС (UR) - датчик скорости.

 

3.2. Структурная  схема системы ТП-Д.

Принцип подчинённого регулирования - наличие последовательных контуров регулирования, при чём внутренний контур является объектом регулирования внешнего. Идея заключается в компенсации больших постоянных времени (инерционности) объекта. При этом остаётся малая некомпенсируемая постоянная времени Т_m .

Так как тиристорный  преобразователь с полупроводниковой  СИФУ имеет малую постоянную времени (инерционность) Т_тп»0,01с, то её и принимают как некомпенсируемую, т. е. Т_m=Т_тп .

На практике при синтезе  регуляторов обычно пренебрегают влиянием обратной связью по эдс двигателя Е вследствие медленного изменения эдс по сравнению со скоростью изменения тока. Это справедливо при Т_м ³Т_m.

 

Рис.4 Структурная схема системы ТП-Д. W_рс(р) - передаточная функция регулятора скорости; W_рт(р) - передаточная функция регулятора тока; K_тп(р) - коэффициент передачи (усиления) преобразователя; T_тп - постоянная времени преобразователя; R - суммарное сопротивление якорной цепи двигателя; T_я - электромагнитная постоянная времени двигателя; C_д - конструктивный коэффициент машины (с_д= , Ф=соnst); T_М - электромеханическая постоянная времени двигателя; K_т - общий коэффициент усиления цепи обратной связи по току (К_т= К_UAK_RS); K_RS - коэффициент передачи шунта; K_UA - коэффициент усиления датчика тока; K_c - общий коэффициент усиления цепи обратной связи по скорости (K_т=K_UAK_BR); K_BR - коэффициент передачи тахогенератор; K_UR - коэффициент усиления датчика скорости; U_зс - сигнал заданной скорости; U_ос - сигнал обратной связи по скорости; U_зт - сигнал заданного тока; U_от - сигнал обратной связи по току; U_у - сигнал управления тиристорным преобразователем; U_RS - выходной сигнал шунта измерительного; U_BR - выходной сигнал тахогенератора; U_я -напряжение, подводимое к якорю двигателя; E - противоэдс двигателя; I_я - ток якорной цепи двигателя; I_с - ток нагрузки (статический ток); w - угловая частота вращения двигателя.