Исследование системы тиристорный преобразователь-двигатель

ЗАДАНИЕ

Тема: Расчет системы ТП-Д

Цель работы: Исследование системы ТП-Д Исходные данные:

Момент максимальный при движении «вперед» Мв — 3900 Нм Момент максимальный при движении «назад» Мн — 2800 Нм Время паузы после движения «вперед» t01 — 20 с Время паузы после движения «назад» t02 — 30 с Частота вращения механизма мех — 45 рад/с Значения моментов в процентах от Мв и Мн:

Время работы при соответствующем моменте, с:

1. Предварительный выбор мощности двигателя

Для приводов, работающих в продолжительном номинальном режиме с постоянной нагрузкой, значение мощности двигателя выбирается ближайшим большим к расчетной мощности нагрузки: Рс=Мсм. Этот выбор является окончательным.

При повторно-кратковременном номинальном режиме в период работы входит время его пуска и время торможения. Так как длительность этих процессов зависит от данных двигателя (его момента инерции, пускового и тормозного моментов), то точно определить необходимую мощность двигателя сразу невозможно. Вначале ее можно найти приближенно, пренебрегая временем переходных процессов, представив график работы Мс=f (t) в виде, показанном на рисунке 1.

Пользуясь обобщенным методом эквивалентного момента, находим эквивалентный момент Мэ:

где =0,8 — отношение постоянных потерь к переменным;

0=0,9 — коэффициент ухудшения охлаждения для двигателей с принудительной вентиляцией;

р=0,95 — КПД редуктора;

М1М6 — момент нагрузки (см. рис.1), Нм.

Предварительно найдем время работы вперед и назад

Находим эквивалентную мощность Рэ:

Рэ=Мэм=211 845=95312.6 Вт95 кВт По эквивалентной мощности двигателя выбираем предварительно из каталога ближайший по мощности двигатель, такой чтобы выполнялось условие Pэ

2. Выбор электродвигателя по угловой скорости

тиристорный преобразователь электродвигатель трансформатор Для приводов с длительным режимом работы при выборе передаточного числа не имеет значения длительность переходных процессов, и выбор двигателя по скорости определяется его весогабаритными показателями, стоимостью и коэффициентом полезного действия.

При частых пусках и торможениях, как известно, оптимальное передаточное число i будет определено выбором такого электродвигателя, найденной ранее мощности, при котором произведение Jд i2 будет наименьшим (или, что-то же, запас кинетической энергии Jдн2/2 будет наименьшим). Поэтому для выбора двигателя по скорости выписывают из каталога все двигатели данной серии с мощностью, ближайшей большей по отношению к расчетной; указывают момент инерции и значения Jд i2 (или Jдн2/2), а затем выбирают двигатель.

Находим кинетическую энергию по формуле:

Wk= Jдн2/2

Для двигателя 4ПФ250L из таблицы 1:

Wk=4,86*78,542/2=14 434.3 Дж где: Jдв=4,86 — момент инерции двигателя, кгм2

Для двигателя 4ПФ200L из таблицы 1:

Wk=1,75*1572/2=21 589.8 Дж Я выбираю электродвигатель 4ПФ250L.

— передаточное число между двигателем и механизмом.

Из ряда стандартных передаточных чисел выбираю передаточное число редуктора iр=2.5

3. РАСЧЕТ УТОЧНЕННОГО ГРАФИКА НАГРУЗКИ И ПРОВЕРКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ВЫБРАННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Так как моменты двигателя пропорциональны соответствующим токам, то в периоды пуска и торможения момент двигателя будет:

гдеkiкоэффициент заполнения графика тока (ki=0,85);

kmкоэффициент максимального тока (kм=1,9);

Мп — момент пуска, Н*м;

Мт — момент торможения, Н*м;

Мн — момент номинальный, Н*м.

Расчет времени пуска и торможения.

Время пуска и торможения определяется по следующим формулам:

Время пуска:

Время торможения:

где J — суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя при пуске и торможении, кг*м2;

tп — время пуска, с;

tт — время торможения, с;

где: — момент инерции двигателя кгм2;

Jм — момент инерции механизма, кгм2.

Найдем полное сопротивление якорной цепи Найдем конструктивную постоянную двигателя Найдем скорость двигателя на холостом ходу:

Определим коэффициент жесткости:

Рассчитаем момент сопротивления приведенный к валу двигателя.

Приведенный момент сопротивления:

где iпередаточное число МС1 МС3 — приведенные моменты сопротивления при движении «вперед», Н*м;

МС4 МС6 — приведенные моменты сопротивления при движении «назад», Н*м.

Угловые скорости при расчетных моментах сопротивления:

Время пуска при движении вперед:

Время пуска при движении назад:

Время торможения при движении вперед:

Время торможения при движении назад:

Время работы с установившейся угловой скоростью:

вперед:

назад:

Эквивалентный момент на валу электродвигателя определяется по формуле:

где Кф — коэффициент формы (Кф= 1,05)

1=0,9

Расчетная эквивалентная мощность:

— двигатель выбран верно.

Проверка электродвигателя на перегрузочную способность.

Рисунок 1 — График перегрузочной способности двигателя

tmax=30 c

— по графику (рис.2).

— выбранный двигатель проходит по перегрузке.

4. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ

Выбор комплектного тиристорного преобразователя производится по следующим данным:

а) напряжению сети переменного тока;

б) напряжению двигателя;

в) номинальному току якоря.

Номинальный ток преобразователя должен быть не менее номинального тока двигателя, а максимальный ток не менее максимального тока при пуске и торможении двигателя.

По напряжению питающей сети Uc=380 В, напряжению двигателя UД =440 В и номинальному току якоря IH=284А выбираю преобразователь серии

КТЭ — 320/440−0121 -37А2 -00 -04

где 320 — номинальный ток, А;

440 — номинальное выходное напряжение, В;

01 — исполнение по схеме питания двигателей: однодвигательный;

2 — исполнение по режиму работы: реверсивный с реверсом тока в якорной цепи;

1 — исполнение по способу связи с питающей сетью: трансформаторный;

3 — исполнение по наличию К (контактора или магнитного пускателя), Д (устройства для аварийного динамического торможения): с КД;

7 — исполнение с наличием устройства питания ОВД, устройством питания ЭМ тормоза, устройством питания ОВ тахогенератора;

А — исполнение средств управления: с аналоговыми средствами управления;

2 — исполнение по виду основного регулируемого параметра: с двухзонным регулированием скорости;

00 — модификация средств управления: базовые;

04 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15 150–69 (УХЛ4.04);

Iном = 320 А;

Uном = 460 В;

Sном=147.2 кВА.

Проверка по перегрузке:

КТП=1,9 — перегрузочный коэффициент тиристорного преобразователя (определяется из рисунка 3)

Рисунок 2 — График перегрузочной способности ТП

Imax np= Iном *КТП = 320 * 1.9=608 A

где М’max — максимальный приведенный момент

Iном — номинальный ток ТП Должно выполняться условие:

Imax np? Imax

608 A?321.96 A

Условие выполняется, следовательно, данный тиристорный преобразователь подходит.

5. Выбор силового трансформатора

Вначале определяется необходимое вторичное напряжение при заданном напряжении сети (первичной обмотки). При этом также надо учитывать некоторые коэффициенты запаса:

Кu — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий допускаемое по ПУЭ снижение напряжения сети, Кu=1,05;

К — коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентиля при максимальном управляющем сигнале (для нереверсивных преобразователей принимают К=1, для реверсивных К=1,2);

КR — коэффициент, учитывающий падение напряжения при нагрузке в вентилях и обмотках трансформатора, а также наличие угла коммутации (можно принимать КR=1,05);

Км — коэффициент схемы, Км=1,05; Ki — коэффициент, учитывающий отклонение тока от прямоугольной формы (кi=1,05−1,1), принимаем Ki=1.05;

Расчет типовой мощности трансформатора:

Рассчитаем ток в обоих обмотках трансформатора:

Выбираем трансформатор типа ТСЗП-250/0,7 — УЗ (исполнение 3)

Таблица 2 — Паспортные данные трансформатора

Схема соединения обмоток: Y/? для мостовой схемы выпрямления.

6. ВЫБОР И ПРОВЕРКА СГЛАЖИВАЮЩЕГО ДРОССЕЛЯ

Сглаживающие реакторы выполняют две функции: ограничивают пульсации тока в якорной цепи и обеспечивают работу в зоне непрерывных токов.

Примем величину относительных пульсаций I е*=0,02.

Индуктивность якорной цепи находится по формуле:

где коэффициент СХ=0,25 для скомпенсированных машин;

р — число пар полюсов (р=2).

Найдем угловую частоту пульсаций 0 для 3х фазной системы, если число фаз m=6, частота сети f=50 Гц:

Из уравнения равновесия напряжений определим минимальное напряжение (Umin) для диапазона регулирования двигателя D=10:

Определим активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора:

где Ркз потери трансформатора при к.з., Вт.

Определим индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора:

где UВ — напряжение на вентильной обмотке трансформатора, В.

Динамическое сопротивление тиристора определяется так же, как и сопротивление диодов:

Величину коммутационного сопротивления найдём по формуле:

Эквивалентное внутреннее сопротивление будет равно:

По найденным выше величинам найдём cos? max т. е. максимальный угол открывания тиристоров:

Из графика зависимости изменения ее* от угла открывания (??max) следует, что ее*=0,23

Найдём индуктивность трансформатора по формуле:

Определим индуктивность дросселя, если величина относительных пульсаций I*е=0,02:

Выбираем два реактора:

ФРОС — 250/0,5 У3 номинальный ток Iн= 320 А, номинальная индуктивность Lн=4,2 мГн,

ФРОС — 250/0,5 УЗ номинальный ток Iн= 320 А, номинальная индуктивность Lн=4,2 мГн Проверка:

Проверим выбранный реактор на обеспечение непрерывности якорного тока по кривым зависимости: i *гр f (1 / Tя).

Найдём постоянную времени якоря двигателя Тя

1/с где RЭ — эквивалентное сопротивление якорной цепи.

По рисунку определим: i *гр ??=0.778

i*гр — относительное значение граничного тока Iгр Определяем значение тока на самой малонагруженной ступени:

Должно выполняться условие:

Imin Iгр

24,7 А > 17A

Условие соблюдается, следовательно, индуктивность реактора достаточна.

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ

7.1 Расчет параметров структурной схемы системы ТП-Д

Моделирование осуществляем используя структурную схему (рисунок 4):

Где 1 звено — безинерционный усилитель: Кзи = 1000;

2 звено — интегратор: Tзи подбираем в процессе моделирования с целью уменьшения бросков тока до 1.9Мн (Тзи=1,1с);

3 звено — апериодическое: — передаточная функция ТП где ТТП=0,0067 с постоянная ТП;

4 звено — апериодическое, является передаточной функцией электромагнитной составляющей двигателя

где ТЭ — электрическая постоянная двигателя

5 звено — безинерционный усилитель: kФ = 5,1;

6 звено — интегратор:

7 звено — безинерционный усилитель, его передаточная функция:

7.2 Имитационное моделирование

Моделирование производим в два этапа. Первый этап включает в себя пуск двигателя «вперед», приложение нагрузки и торможение. Второй этап включает в себя пуск двигателя «назад», приложение нагрузки и торможение.

При движении «вперед»:

Число режимов 4, данные режимов заносим в таблицу 3

Таблица 3

При движении «назад»:

Число режимов 4, данные режимов заносим в таблицу 4

Таблица 4

Задание прикладываем к 1 звену, нагрузку к 6 звену. Значения момента сопротивления снимаем с 5 звена, значения угловой скорости снимаем с 6 звена.

В передаточной функции ТП устанавливаем ограничение по напряжению ±594.6 В.

В процессе моделирования устанавливаем коэффициент усиления передаточной функции ТП КТП =46. Графики угловой скорости и момента сопротивления при движении «вперед» и «назад» представлены на рисунках в приложении.

Рисунок 3 — Характеристики двигателя при движении «Вперед»

Рисунок 4 — Характеристики двигателя при движении «Назад»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы был произведен расчет электропривода двигателя постоянного тока, были выбраны силовые элементы привода: выбран двигатель, тиристорный преобразователь, трансформатор, сглаживающие реакторы. Имитационное моделирование проводили с целью проверки результатов расчета.

Данные, полученные при моделировании и при расчете, сведены в таблицу 5.

Таблица 5 — Результаты расчетов и моделирования

Значения пусковых и тормозных моментов заметно отличаются. Видно, что смоделированные пусковые и тормозные моменты гораздо меньше расчетных. Объясняется это тем, что в нашей схеме поставлен задатчик интенсивности с коэффициентом Тзи=1.1 поэтому бросок моментов меньше, но и время разгона больше.

1. Каталог-справочник Электрические машины постоянного тока единой серии П-1 22-го габаритов и двигатель-генераторы. ВНИЭМ, 1964.

2. Отраслевой каталог 08.30.05 — 92 Электроприводы серии КТЭ. Информэлектро, 1993

3. Теория электропривода. Методические указания по курсовому проектированию. — Л.: СЗПИ, 1983. — 56 с., 15 ил. Библиогр.9.

4. Чиликин М. Г., Соколов М. М., Терехов В. М., Шинянский А. В. Основы автоматизированного электропривода. — М.: Энергия, 1974.

Приложение

Функциональная схема системы