Проектирование управляемого преобразователя энергии с датчиками координат автоматизированного электропривода

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов»

Дисциплина «Элементы автоматизированного электропривода»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

" Проектирование управляемого преобразователя энергии с датчиками координат автоматизированного электропривода"

Минск 2010

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЭП. РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ АЭП

2. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТИРИСТИК УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯМИ, ВЕНТИЛЬНОГО КОМПЛЕКТА, УПРАВЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5. РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТИ E_п=f (t) ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПО ЗАДАННОМУ ЗАКОНУ Uy=f (t)

6. РАСЧЕТ И ВЫБОР ДАТЧИКОВ КООРДИНАТ ЭП И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ

7. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА И СКОРОСТИ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АЭП

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АЭП. РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ АЭП

Рисунок 1.1 — Функциональная схема автоматизированного электропривода — управляемый преобразователь одноключевой ПШИУ.

М — двигатель постоянного тока;

ТГтахогенератор;

З — задающий элемент;

ДТдатчик тока;

ШИМширотно-импульсный модулятор;

РТПИ-регулятор тока;

РСПИ-регулятор скорости;

С_ф — конденсатор фильтра;

Для указанного в задании двигателя 2ПН160М из выпишем справочные данные:

Определяем номинальные значения двигателя:

Напряжение источника питания рассчитаем по формуле:

где n — количество транзисторов, n=1,

— падение напряжения на транзисторе, примем =2 В,

— максимальная скважность, =0,9.

Ток источника питания:

где

— кпд ПШИУ, =0,97.

Выбор трансформатора Определяем требуемое значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

где E₂ — э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

где К_с — коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения в сети: К_с =1,1

К_R — коэффициент, учитывающий падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора и падение напряжения в вентилях: К_R=1,05.

Потребляемая мощность двигателя:

Типовая мощность трансформатора:

где K_р— коэффициент, учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих, K_р=1,11- для однофазных мостовых схем.

Полная мощность трансформатора:

где К_i — коэффициент непрямоугольности тока, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной: К_i =1,05

Произведём конструктивный расчёт трансформатора.

Исходные данные:

Примем

Находим номинальные токи в обмотках:

В качестве сердечника трансформатора примем стальной сердечник с диаметром d_ст=0,05 м, тогда площадь поперечного сечения будет равна:

.

Определяем число витков в обмотках:

где B_cт — индукция в стержне, примем В_ст =1,6 Тл,

f — частота, f=50 Гц.

.

силовой цепь ток электропривод Примем диаметр медного провода: d_пр=0,003 м, тогда площадь поперечного сечения:

Средняя длина витка равна:

.

силовой цепь ток электропривод Определяем активное сопротивление трансформатора:

где с — удельное сопротивление меди, К_тр — коэффициент трансформации,

Ом.

Рассчитываем потери короткого замыкания (P_кз) и напряжение короткого замыкания (U_кз).

Плотности тока:

А/м²;

А/м².

Определим массу проводников:

кг;

кг, где с — плотность меди, кг/м³.

Потери короткого замыкания:

Напряжение короткого замыкания:

где U_а, U_р, соответственно, активная и реактивная составляющие, которые вычисляются следующим образом:

;

где в — постоянная, определяющая распределение материалов в трансформаторе: в=1,57;

а_р — ширина приведенного канала рассеяния: а_р=0,05;

u_в — напряжение одного витка (u_в=В),

.

Окончательно вычисляем:

.

Определяем полное сопротивление короткого замыкания:

Ом.

Определяем индуктивное сопротивление:

Ом.

Определяем индуктивность трансформатора:

мГн.

Определяем амплитудное значение тока короткого замыкания:

А.

Выбор вентилей однофазного мостового выпрямителя Среднее значение тока через вентиль:

Производим выбор вентилей по току:

— для диодов, где k_зрi — коэффициент запаса по току, принимаем k_зрi = 1.5

k_з.о — коэффициент запаса, учитывающий отклонение режима работы и условий охлаждения от номинальных, k_з.о=1

= 1•1,58,9 = 10,25 A.

Выбираем из диоды Д112−25 с охладителями 0111−60 с параметрами:

I_FAVm = 15 А;

I_пр.max = 25 А;

I_обр.max = 4 мА;

I_уд = 330 А.

Выбор СПП по напряжению осуществляется по формуле:

k_з.u U_M U_DRM

где k_з.u — коэффициент запаса по рабочему напряжению, k_з.u =1,652; принимаем k_з.u =1,8

U_M.H — номинальное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в схеме;

k_с -коэффициент, учитывающий возможность повышения напряжения в сети, k_с=1,15

U_M-максимальное значение рабочего напряжения, прикладываемого к вентилям в схеме, U_M=k_с*U_M.H =1,15•U_М.Н.

В;

В;

В.

Получили 1112,42 U_DRM т. е используем диоды 12-го класса по напряжению U_DRM=1200, значит берем диоды Д112−25−12.

Выбор транзистора преобразователя Выбор IGBT транзисторов осуществим по пусковому току двигателя:

Тогда получим:

А.

Выбираем из IGBT модуль BUP 314-TO-218 AB фирмы SIEMENS, для которого длительный ток коллектора при 25⁰С А.

Максимальное напряжение на переходе коллектор — эмиттер транзистора определим по формуле:

B.

Для выбранного транзистора, поэтому транзистор удовлетворяет требованиям по превышению питающего напряжения.

Расчет LC-фильтра Индуктивность фильтра определяется по формуле:

где — сопротивление источника питания:

— пульсность схемы, =2,

— частота выпрямленного напряжения, =50Гц.

Тогда:

Рассчитаем коэффициент фильтрации, необходимый для расчета емкости фильтра:

где — амплитуда пульсаций первой гармонической на выходе фильтра, =10…20 В, примем =15B,

— амплитуда пульсаций напряжения на входе фильтра, Расчет коэффициента фильтрации:

Емкость фильтра рассчитывается по следующей формуле:

2. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Электромеханическая характеристика — зависимость среднего значения скорости двигателя от среднего значения постоянной составляющей тока якоря.

где — сопротивление якорной цепи:

Ом.

Найдем коэффициент :

Из уравнения электромеханической характеристики найдем и в двигательном режиме:

;

Определяем гранично-непрерывный ток для найденных г:

где

Тогда:

Так как I_{я гр} получился очень маленьким, то зоны прерывистого тока не будем учитывать. Построим электромеханические и механические характеристики АЭП:

Таблица 2.1 — Расчет электромеханических характеристик АЭП:

Рисунок 2.1 — Электромеханические характеристики АЭП.

Таблица 2.2 — Расчет механических характеристик АЭП

Рисунок 2.2 — Механические характеристики АЭП.

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТИРИСТИК УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯМИ, ВЕНТИЛЬНОГО КОМПЛЕКТА, УПРАВЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Все характеристики строим в диапазоне от 0 до 0,9.

Расчет и построение характеристики управления вентильного комплекта.

Характеристики управления вентильным комплектом: .

Характеристика строится из выражения:

где — напряжение на входе преобразователя; В.

Составим следующую таблицу:

Таблица 3.1 — Расчет характеристик управления вентильным комплектом.

Рисунок 3.1 — Характеристика управления вентильным комплектом.

Расчет и построение характеристики управления системы управления вентилями. Характеристикой управления системы управления вентилями называется зависимость скважности импульсов управления силовыми транзисторами от напряжения управления.

Основным элементом ШИМ является компаратор, осуществляющий суммирование сигнала опорного напряжения с сигналом управления:

Данное положительное пилообразное опорное напряжение имеет вид:

Рисунок 3.2 — Опорное напряжение.

Составим следующую таблицу:

Таблица 3.2 — Расчет характеристик системы управления вентилями.

Рисунок 3.3 — Характеристики системы управления вентилями.

Расчет и построение характеристика управления управляемого преобразователя.

Для построения характеристики управления преобразователем необходимо в выражение характеристики управления вентильным комплектом подставить выражение характеристики управления системой управления вентилями.

Составим следующую таблицу:

Таблица 3.3 — Расчет характеристик управляемого преобразователя энергии.

Рисунок 3.4 — Характеристика управления преобразователем.

4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ В СРЕДЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ MATLAB. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ На основании произведенных расчетов, исходных данных к проекту и выбранных элементов силовой цепи разработаем имитационную модель в среде Matlab, которая наглядно демонстрирует процессы, происходящие в цепи.

Рисунок 4.1 — Схема имитационной модели АЭП

ЭДС якоря для номинальной скорости вычислим по формуле:

Расчетные графики силовой цепи для приведены на рисунке 4.2:

Рисунок 4.2 — Ток якоря, напряжение на якоре двигателя, напряжение открывания транзистора, ток транзистора, напряжение на транзисторе в установившемся режиме при .

5. РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТИ Е_п=f (t) ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАДАННОМУ ЗАКОНУ Uy=f (t)

Заданный закон изменения напряжение управления имеет вид:

.

Этот закон имеет следующий вид:

Рисунок 5.1 — Закон изменения напряжения управления.

Зависимость можно построить имея характеристику управления преобразователем энергии, рассчитанную выше:

.

Данная зависимость при подстановке заданного закона изменения напряжения управления будет иметь следующий вид:

при .

Составим таблицу изменения и от времени:

Таблица 5.1 — Расчет изменений и от времени.

Рисунок 5.2 — Зависимость

6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ КООРДИНАТ ЭП И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ Расчет и выбор датчика тока.

Выбираем датчик на основе элемента Холла компании LEM по максимальному току двигателя.

Найдем максимальный ток из условия, что двигатели выдерживает троекратные перегрузки по току на протяжении 10 секунд:

А.

Таким образом, из выберем датчик тока LEM HY 25-P со следующими номинальными электрическими параметрами:

— номинальный ток: А;

— диапазон преобразования: А;

— выходной сигнал: В;

— напряжение питания: В;

— точность измерения: %;

— рабочая частота: кГц.

Расчет датчика скорости.

Двигатели типа 2П… Г выполняются с тахогенераторами типа ТС1, которые имеют закрытое встроенное исполнение (якорь генератора жестко закреплен на валу якоря ДПТ). Возбуждение тахогенератора — от постоянных магнитов. Крутизна напряжения тахогенератора — 0,033 В/(об/мин), нагрузочное сопротивление не менее 2 кОм. Найдем напряжение на выходе тахогенератора при номинальном и максимальном значениях скорости:

В.

В.

Рисунок 6.2 — Схема подключения к АЭП.

7. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА И СКОРОСТИ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ В качестве регуляторов тока и скорости будем использовать ПИ — регулятор.

Расчет параметров регулятора тока.

Передаточная функция регулятора тока имеет вид:

где — постоянная времени регулятора тока:

с.

— постоянная времени интегрального тока:

где — коэффициент передачи обратной связи по току:

— коэффициент передачи преобразователя:

— некомпенсируемая постоянная времени:

с.

Теперь подставим, , и получим:

с.

Принципиальная схема ПИ — регулятора тока имеет вид:

Рисунок 7.1 — Принципиальная схема регулятора тока.

Таким образом, из рисунка 7.1 видно, что передаточная функция ПИ — регулятора будет равна:

где, .

Зададимся мкФ.

Далее определим все сопротивления резисторов:

кОм, кОм.

Далее определяем из равенства:

где .

Таким образом получим:

Ом.

Таким образом, из [8], [9], выбираем соответственно конденсатор, резисторы и операционный усилитель:

С_ОТ: K50−6-25В-2мкФ±10%,

R_ОТ: МЛТ-0,125−6кОм±5%,

R_ЗТ: МЛТ-0,125−10кОм±5%,

R_ДТ: МЛТ-0,125−18кОм±5%,

DA: К140УД7.

Рисунок 7.2 — схема включения регулятора тока.

Расчет параметров регулятора скорости.

Передаточная функция регулятора скорости имеет вид:

где — постоянная времени регулятора скорости:

с,

— постоянная времени интегральной скорости:

где — коэффициент обратной связи по скорости:

— статическая жесткость механической характеристики двигателя:

— электромеханическая постоянная электропривода:

с.

Теперь определим из :

c.

Принципиальная схема ПИ — регулятора скорости имеет вид:

Рисунок 7.3 — Принципиальная схема регулятора скорости.

Таким образом, из рисунка 7.2 видно, что передаточная функция ПИ — регулятора будет равна есть:

.

где, .

Зададимся мкФ. Далее определим все сопротивления резисторов:

кОм, кОм.

Далее определяем из равенства:

Таким образом получим:

где В/(рад/с).

Тогда получим:

кОм.

Таким образом, из [8], [9], выбираем соответственно конденсатор, резисторы и операционный усилитель:

С_ОС: K50−6-25В-1мкФ±10%,

R_ОС: МЛТ-0,125−1,6кОм±5%,

R_ЗС: МЛТ-0,125−1кОм±5%,

R_ДС: МЛТ-0,125−2,4кОм±5%,

DA: К140УД7.

Рисунок 7.4 — схема включения регулятора скорости.

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ На основании рассчитанных и спроектированных принципиальных схем построим общую:

Рисунок 8.1 — Электрическая принципиальная схема АЭП

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Справочник по электрическим машинам: В 2 т./С 74 Под общ. ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т.1.-М.:Энергоатомиздат, 1988.-456 с.: ил.

2) Методическое пособие к курсовому проектированию по СПТ. — Г. И. Гульков, Н. М. Улащик. — Минск 2007.

3) Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. _ 2-е изд., перераб. и доп. _ М.: Энергоатомиздат, 1985.

4) http://www.igbt.ru.

5) «Электротехническая ассоциацияРеакторы ФРОС, РСС, РСОС, Электрокатушки ZH.»

6) http://www.elcod.spb.ru.

7) http://www.elcod.spb.ru.

8) Конденсаторы: Справочник / Г. А. Горячева, Е. Р. Добромыслов. — М.: Радио и связь, 1984. — 89с.

9) Резисторы: Справочник / В. В. Дубовский, Д. М. Иванов, Н. Я. Петрусевич и др.; Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. — М.: Радио и связь, 1987. — 352 с.

10) 180 аналоговых микросхем: Справочник / Ю. А. Мячин. — М.: Патриот, 1993. — 152с