Анализ и синтез системы управления вентильного электропривода

                 Содержание

 

 

Введение

 

В электроприводах с несколькими обратными связями и общим регулятором трудно обеспечить качественное протекание переходных процессов, даже с использованием корректирующих устройств. Поэтому широкое применение находят СУЭП подчиненного регулирования с раздельными регуляторами скорости РС и тока РТ.

 Т.к. тиристорные преобразователи требуют сравнительно маломощных управляющих сигналов, регуляторы РС и РТ легко реализуются на операционных усилителях, осуществляющих одновременно с усилением необходимые математические операции над входными электрическими сигналами.

В общем случае система подчиненного регулирования может содержать N контуров по числу регулируемых переменных, причем каждый внутренний контур обратной связи подчинен следующему по отношению к нему внешнему контуру.

Подчиненность выражается в том, что задающим воздействием для внутреннего контура является выходная величина регулятора ближайшего внешнего контура. Каждый контур реализует принцип регулирования по отклонению и имеет свой регулятор.

Курсовая работа посвящена разработке системы управления вентильного электропривода постоянного тока и предусматривает решение следующих основных задач: выбор по исходным данным электродвигателя и комплектного тиристорного электропривода; определение параметров управляемого объекта; расчет и предварительный выбор параметров регуляторов тока и угловой скорости; моделирование на ПЭВМ и оптимизация переходных процессов в электроприводе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор электродвигателя и преобразователя

 

1.1. Выбор электродвигателя

Выбираем электродвигатель постоянного тока серии 2ПН112М с номинальными данными:

номинальным напряжением - Uн=110 (В),

номинальной мощностью - Рн=2,5 (кВт),

номинальной частотой вращения - nн=2120 (об/мин),

          коэффициентом полезного действия – 76%,

          сопротивлением обмотки при 15ºС: якоря – 0,196 (Ом);

          добавочных полюсов – 1,134 (Ом);

          индуктивностью цепи якоря – 2,3 (мГн);

          моментом инерции: 0,015 (кг•м2).

При выборе электродвигателя основным требованием является его соответствие условиям технологического процесса. Выбранный электродвигатель должен обеспечивать заданный технологический цикл рабочей машины, соответствовать условиям окружающей среды, компоновки с рабочей машиной и при этом иметь нормативный (допустимый) нагрев.

Должны выполняться следующие условия:

Uн=Uзад;   Pн=Pзад;   nн=nзад,

где Uн , Pн , nн – номинальные напряжение, мощность и частота вращения электродвигателя, об/мин.

Если нет двигателя с заданными техническими характеристиками, то выбирают двигатель ближайшей большей мощности и скорости при соответствующем номинальном напряжении:

Uн= Uзад;    Pн> Pзад;   nн> nзад;

Выбор двигателя недостаточной мощности приводит к его повышенному нагреву и преждевременному выходу из строя из-за старения изоляции. Использование двигателя с завышенной мощностью увеличивает первоначальную стоимость электропривода и ухудшает его энергетические показатели.

 

 

 

                                                                                                              Таблица 1

 

Каталожные данные выбранного электродвигателя

Серия электродвигателя	Uн, В	Рн, кВт	nн, об/мин	КПД, %	Ra, Ом	Rдп, Ом	La, мГн	Ja, кг∙м2
2ПН112М	110	2,5	2120	76	0,196	1,134	2,3	0,015

 

 

 

 

1.2. Выбор преобразователя

В настоящее время промышленность выпускает комплектные тиристорные преобразователи и комплектные тиристорные электроприводы. При выборе типоразмера преобразователя необходимо, чтобы средний выпрямленный ток Id и среднее выпрямленное напряжение Ud преобразователя удовлетворяли следующим соотношениям:

где Id н , Ud н – номинальные значения среднего выпрямленного тока и напряжения тиристорного преобразователя.

Комплектные тиристорные электроприводы, кроме системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем (СИФУ), имеют встроенную систему управления электродвигателем. Выбирая комплектный электропривод необходимо, чтобы обеспечиваемый им диапазон регулирования скорости был не менее заданного.

        29А 29А;     115В 110В.

 

 2. Уравнения динамики  и структурная схема двигателя

 

2.1. Уравнения динамики

Электромеханические процессы в двигателе постоянного тока независимого возбуждения (в относительных значениях напряжения, тока и угловой скорости) описывает следующая система уравнений в операторной форме:

 

,

 

где   p – оператор дифференцирования;

u, w, i - относительные значения напряжения, угловой скорости и тока якоря:

 ,  ,   ,

где   Iн - номинальный ток двигателя, А;

СЕ - постоянная двигателя, В.с;

W0 - угловая скорость холостого хода двигателя, 1/с;

dн - относительное значение падения скорости двигателя при номинальной нагрузке (коэффициент статизма);

Та - электромагнитная постоянная времени цепи якоря при питании двигателя от сети, с.;

Тм - электромеханическая постоянная времени двигателя, с;

iс - относительное значение тока двигателя в установившемся режиме (ток нагрузки).

Параметры динамической модели двигателя вычисляют по его каталожным (справочным) данным.

 

 

2.2. Расчет параметров динамической модели двигателя

 

            2.2.1 Номинальная скорость двигателя, 1/с.

= = 221,89 рад/с

 

2.2.2 Постоянная двигателя

 

= = 0,307,

где   Rа - активное сопротивление цепи якоря, Ом;

Номинальный ток двигателя, если он не указан в справочнике, вычисляют по формуле

= = 29,904 А,

где   Pн - номинальная мощность двигателя, кВт;

  hн < 1 - номинальный коэффициент полезного действия двигателя.

 

2.2.3 Активное сопротивление цепи якоря

 

= 0,196+1,134+0,067=1,397 Ом,

где   Rоя - сопротивление обмотки якоря;

Rдп - сопротивление дополнительных полюсов;

Rко - сопротивление компенсационной обмотки;

Rщ - сопротивление щеточного контакта.

Если двигатель не имеет добавочных полюсов и компенсационной обмотки, то соответствующие им сопротивления принимают равными нулю. Сопротивление щеточного контакта вычисляют по формуле

 

= = 0,067 Ом,

 

где   Uщ – потеря напряжения на щеточном контакте (ориентировочно принимают равной 2В).

2.2.4. Угловая скорость холостого хода двигателя

 

рад/с

 

 

2.2.5.  Коэффициент статизма (относительное значение падения угловой

     скорости двигателя при номинальной нагрузке)

 

 

2.2.6. Электромагнитная постоянная времени цепи якоря при питании двигателя от идеального источника напряжения

 с,

где  La - индуктивность цепи якоря, Гн.

 

2.2.7. Электромеханическая постоянная времени  двигателя

 

где   Jд - момент инерции двигателя, кг.м2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет параметров динамической модели привода при питании от тиристорного преобразователя (система «ТП – Д»)

 

3.1. Схема замещения цепи питания якоря системы «ТП – Д»

При питании электродвигателя от тиристорного преобразователя необходимо учитывать влияние электромагнитных процессов в силовых цепях преобразователя на динамику привода. Для этого активное и индуктивное сопротивления силовых цепей преобразователя приводят к цепи выпрямленного тока и вводят соответствующие элементы в цепь якоря двигателя. На рисунке 5 изображена схема замещения цепи при питании якоря двигателя от тиристорного преобразователя.

Рис. 1. Схема замещения силовой цепи системы «ТП – Д»

 

Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к цепи выпрямленного тока, сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов, и сопротивления сглаживающего и уравнительного дросселей учитывают введением в цепь якоря активного сопротивления RП.

Индуктивности обмоток трансформатора, сглаживающего и уравнительных дросселей учитывают введением в цепь якоря индуктивности LП.

 

3.2. Расчет активного сопротивления цепи якоря

3.2.1. Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, питающего тиристорный преобразователь

,

где   ku = 1,1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное

 снижение  напряжения сети;

kа = 1,1...1,2 - коэффициент запаса, учитывающий неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале;

kr = 1,05 - коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и в результате коммутации тока;

kсх – коэффициент схемы учитывающий, форму выпрямленного напряжения:

для однофазной мостовой схемы со средней точкой   kсх =1,11.

 

3.2.2. Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

, 
где   = 1,05...1,1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

kt - коэффициент учитывающий, схему выпрямления переменного тока:

для однофазной мостовой схемы со средней точкой   kt = 0,785.

 

3.2.3. Активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока, Ом.

где   ua , uр - активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания трансформатора в относительных единицах.

Если нет паспортных данных трансформатора, питающего тиристорный преобразователь, то можно принять ua ≈ 0,02...0,03;  uP ≈ 0,075.

 

3.2.4. Сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов, Ом.

,

где   m - число пульсаций выпрямленного напряжения за период:

для однофазной мостовой схемы со средней точкой    m = 2.

 

3.2.5. Сопротивления сглаживающего и уравнительного дросселей определяют по величине потерь в дросселе ∆PM.

где   Iдр.н - номинальный ток дросселя.

 

Если неизвестен тип дросселей установленных в приводе или в каталоге не приведены потери в дросселе, то ориентировочно принимают

 

 Ом

3.2.6. Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигателя:

 

= Ом,

где   k = 1 - для однофазной мостовой схемы со средней точкой.

 

 

 

3.3. Расчет индуктивности цепи якоря

3.3.1. Индуктивность фазы обмотки трансформатора, приведенная к цепи

    выпрямленного тока, Гн.

где   f - частота тока в сети, питающей преобразователь, Гц.

3.3.2. Индуктивность сглаживающего дросселя, Гн.

= ,

где   Id min = 0,1 Iн =0,1 =2,9904- минимальное значение тока нагрузки;

kур = 0,41 - для однофазной мостовой схемы со средней точкой.

 

3.3.3. Индуктивность уравнительных дросселей

Уравнительные дроссели применяют в реверсивном электроприводе для ограничения уравнительных токов, возникающих при совместном управлении вентильными группами преобразователя. Уравнительные дроссели отсутствуют в реверсивных электроприводах с раздельным управлением вентильными группами тиристорного преобразователя и в нереверсивных электроприводах. В этом случае, активное сопротивление и индуктивность уравнительных дросселей принимаем равными нулю:      Lуд= 0,     Rуд= 0.

 

3.3.4. Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигателя

 

3.4. Параметры динамической модели системы «ТП – Д»

3.4.1. Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя

 

3.4.2. Коэффициент статизма при питании двигателя от преобразователя

3.4.3. Электромеханическая постоянная времени привода

где   J - момент инерции привода, приведенный к валу двигателя, кг·м2;

Значение момента инерции привода ориентировочно можно принять равным

J = (1,1...1,6)·Jд =1,1 =0,0165

где Jд - момент инерции ротора двигателя, кг·м2;

1,1...1,6 - коэффициент, учитывающий момент инерции механизма.

 

3.4.4. Уравнение динамики системы импульсно-фазового управления

В режиме непрерывного тока тиристорный преобразователь с линеаризованной характеристикой системы импульсно-фазового управления (СИФУ) описывают операторным уравнением следующего вида:

где   uП – среднее выпрямленное напряжение;

kП – статический коэффициент передачи;

ТП - постоянная времени, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ;