Расчет параметров тиристорного преобразователя

Задание

· В соответствии с индивидуальным заданием выбрать по каталогу электрический двигатель.

· Рассчитать элементы тиристорного преобразователя (ТП).

· Составить принципиальную схему силовой цепи системы ТП-Д, определить параметры ее элементов и выбрать жесткие обратные связи.

· Рассчитать узел отсечки по току (ток отсечки — 1,5 Iн, ток стопорения — 2Iн).

· Рассчитать и построить статические характеристики разомкнутой и замкнутой систем ТП-Д

· Составить структурную схему и проверить систему на устойчивость.

1. Исходные данные

2. Выбор электродвигателя и преобразователя

Выбираем электродвигатель серии П52 двигатель постоянного тока. Для электроприводов, работающих с частыми пусками, реверсами, и торможениями, широко применяется реверсивная схема «тиристорный преобразователь-двигатель» (ТП-Д) состоящая из двух встречно-параллельных групп тиристоров, обеспечивающих изменение тока якоря двигателя.

На рисунке 1 изображена принципиальная схема силовой цепи реверсивного электропривода по системе ТП-Д.

Рисунок 1 Принципиальная схема силовой цепи электропривода по системе ТП-Д.

В комплект привода входят: силовой трансформатор ТС, обеспечивающий получение вторичного напряжения, соответствующего номинальному напряжения двигателя; тиристорный преобразователь ТП с тиристорами, управительные дроссели, выпрямитель для питания обмотки возбуждения двигателя ОВД.

Тиристорный преобразователь состоит из двух групп вентилей, включенных по трехфазной нулевой встречно параллельной схеме (встречно по отношению к друг-другу, параллельно якорю двигателя)

Ь₁+Ь₂ =180⁰

где Ь₁и Ь₂ — углы управления соответственно первой и второй группами вентилей, отсчитываемые от моментов естественного открывания тиристоров.

Регулировочные характеристики системы управления представляют зависимости

Е_п =f (U_Ў) и Е_п =f₁(U_Ў)

Расчет элементов и параметров ТП при известных номинальных значениях тока Iн и напряжении U двигателя производится в следующем порядке, считая, что

Id =43,5 А и Ud = Uн =220 В

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям токов, напряжения и типовой мощности трансформатора.

Расчетное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

U2Фрасч =ku? kс? kа? kг? Ud В

где ku — расчетный коэффициент, характеризующий соотношение напряжений U2ф / Udо в реальном выпрямителе. Для трехфазной нулевой схемы ku = 0,922.

kс — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети до U = 0,9 Uн

Принимаем kс = 1,05;

kа — коэффициент запаса, учитывающий неполное открывание вентилей при максимальном управляющем сигнале, принимаем kа = 1,05;

kг — коэффициент запаса по напряжению учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора и в вентилях, принимаем kг = 1,05

U2фрасч = 0,922?1,05?1,05?1,05?220 = 234,81 В

Расчетное значение тока вторичной обмотки трансформатора

I2расч = kI? ki? Id А

Где kI — коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I2ф /Id в идеальном выпрямителе, принимаем kI = 0,578

ki — коэффициент учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной, принимаем ki =1,05

I2расч = 0,578? 1,05? 43,5 = 26,4 А

Расчетная типовая мощность трансформатора

ST =ks? ku? ka? ki? Ud? Id? 10−3 кВА,

где ks — коэффициент схемы, характеризующий, соотношение мощностей для идеального выпрямителя принимаем ks = 1,45

ST = 1,45?0,922?1,05?1,05?220?43,5?10−3 = 14,1 кВА

Выбираем силовой трансформатор типа Т19

Sнт =19 кВА > Sрт = 14,1 кВА

U2фн = 260 В > U2фрасч = 234,81 В

Основные технические данные трансформатора

· Потери к.з. Рк.з. =665 Вт

· Напряжение к.з. Uк =5%

Выбор тиристоров производится по среднему значению тока через вентиль с учетом увеличения тока двигателя в переходных режимах до (2−2,2)? Iн условий охлаждения и максимального значения обратного напряжения.

Среднее значение тока через тиристор

Iср= kз? Iн /kох? mт А

Где kз = (2−2,5) — коэффициент запаса по току

kох — коэффициент учитывающий интенсивность охлаждения вентиля, при естественном воздушном охлаждении kох = 0,35

электродвигатель преобразователь цепь связь

Idср = 2,5?49,5/0,35?3= 103,57 А

Максимальная величина обратного напряжения

Uобрм =kзн? kuобр? Idо, В

Где kзн = (1,5−1,8) — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное повышение сети напряжения и периодические выбросы напряжения при коммутациях вентилей

kuобр — коэффициент обратного напряжения;

kuобр = 2,25

Udо — напряжение преобразователя при Ь = 0 предварительно подсчитывается по формуле

Udо = kс? ka? kг? Ud = 1,05? 1,05? 1,05? 220 = 254,68 В

Uобрм =1,5? 2,25? 254,68 = 859,5 В

Выбираем тиристоры типа Т-150−10

Iном= 150 > Idср

Uном =1000 В > Uобрм =859,5

Расчет индуктивности уравнительных дросселей

Требуемая величина индуктивности УД находится в зависимости от ограничения амплитуды переменной составляющей уравнительного тока до величины (3−5%) от Iн двигателя, т. е.

Где U’п — удвоенное активное значение первой гармоники выпрямленного напряжения, определяемое по соответствующим кривым. При Ь =90о ,

U’п = 250 В

mчисло фаз выпрямителя, m= 3

юc — угловая частота сети, юc = 314 рад/с

Расчет индуктивности дросселя

Индуктивность дросселя, включаемого последовательно с якорем двигателя, определяется из условия обеспечения непрерывности тока двигателя во всем диапазоне нагрузки от Idмин до Idмин и изменение угла управления от Ь = Ьмин до Ь = 900

Где Uп — действующее значение первой гармоники напряжения. Для трехфазной схемы выпрямления Uп =120 В

Idмин — минимальный ток преобразователя, принимается равным (3−5)% от номинального значения

Lнеобх? Lудрасч +hдв+Lтр

3. Определение расчетных параметров силовой цепи

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока

K_p =1.2(k_я+k_дп)+k_щ+k_п

Где k_я+k_дп — сопротивление обмоток якоря и дополнительных полюсов двигателя при температуре 15 ⁰С; k_я+k_дп =0,269

k_щ — сопротивление щеточного контакта

k_щ = 2/ I_н =2/43,5= 0,046 Ом

k_п — сопротивление преобразователя

k_п = k_т +х_т? m/2П

k_т и х_т — активное и индуктивное сопротивления обмоток силового трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока, определяются по данным опытов к.з. и х. х

k_m= Р_к.з. /m? I_1н? k_тр²

х_т = U_к %? U_1ф /100? I_1н? k_тр² =5? 220/100? 28,86? 1,46² = 0,179 Ом

k_п =1,2? 0,269+0,046+3,69= 4,05 Ом

Расчетная индуктивность цепи якоря:

L_р = L_дв + L_тр +L_уд

Где L_дв — индуктивность якоря и дополнительных полюсов

L_дв= 5,73? U_н/р? ю_н? I_н

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к контуру двигателя:

L_тр = х_т /2Пf = 0,179/ 2? 3,14?50 = 0,0006 Гн

L_необх< L_уд+h_дв+L_тр

0,03 Гн < 0,17+0,092+0,0006 = 0,263 Гн

Сглаживающий дроссель в схему не ставится.

Постоянная двигателя:

С= (U_н-1,2(k_я+ k_дп)? I_н)/ю = 220−1,2? 0,269?43,5/157 = 1,31

Электромагнитная постоянная времени

Т_м = (У_дв+У_мех)? k_р/4с² = (0,4+0,7?0,4)-4,05/4?1,31² = 0,4 с

4. Расчет и построение регулировочных характеристик преобразователя

Е_п = 2Е_2ср m/П? sin m/П? cos Ь

Зависимость Ь = f (U_у) называемая характеристикой управления, приведена на рис 2

Коэффициент усиления преобразователя

Рисунок 2 Характеристика управления

Зависимости Е_п = f (U_у) и k_п = f₁ (U_у) приведены на рисунке 3

Рисунок 3 Регулировочные характеристики

5. Расчет разомкнутой системы ТП-Д

Эдс преобразователя при номинальной скорости

Е_пн= с? щ_н+ДU+ I_н? k_р

Где ДU = ДU_в+ ДU_ш

ДU_в = (0,5−1) В — падение напряжения в переходе тиристора, ДU_ш = 2 В — падение напряжения на щетках двигателя

ДU = 0,5+2 = 2,5 В

Статическая характеристика строится по формуле

щ = (Е_п— ДU-I k_р)/с

Е_пн= 1,31?157?2,5?43,5?4,05 = 384,3 В

Эдс преобразователя при минимальной скорости и номинальной нагрузке

Е_пмин = с щ_н/Д+ ДU+ I_н k_р= 1,31?157/13+2,5+43,5?4,05=194,5 В

Статическая характеристика для минимальной скорости строится при изменении тока по формуле

щ = (Е_пмин— ДU-I k_р)/с

Статические характеристики приведены на рисунке 4

При I_н = 43,5 А,

Рисунок 4 Статические характеристики

6. Определение параметров обратной связи по скорости

Структурная схема системы с жесткой отрицательной обратной связью по скорости приведена на рисунке 5

Рисунок 5 Структурная схема системы с обратной связью по скорости

Перепад скорости в разомкнутой системе

Перепад скорости в замкнутой системе

Где у₃ — статическая ошибка в о.с.

Необходимый коэффициент обратной связи

Коэффициент усиления К_п берется из регулировочной характеристики преобразователя при Е_мин.

При Е_мин =190,4 В К_п = 36,1

По необходимому коэффициенту обратной связи выбираем тахогенератор типа ТД-103

7. Расчет и построение характеристик замкнутой системы

Для повышения эффективности действия токовой отсечки и для ограничения уровня сигнала на входе ТП используется схема (рисунок 6).При этом статическая характеристика двигателя имеет вид, показанный на рисунке 7 и состоит из трех участков.

Рисунок 6 Система ТП-Д с отрицательной обратной связью по скорости и токовой отсечки

На 1 участке I < I_отс, токовая отсечка не работает. Величина сигнала на входе ТП

U_y = U_з — к_с?щ

на этом участке САУ работает в режиме поддержания постоянства заданной скорости. На 2 участке I > I_отс, поэтому в результате действия токовой отсечки наклон характеристики увеличивается.

Пробивается стабилитрон 2СТ и управляющий сигнал.

U_y = U_з -к_с?щ-К_т(I — I_отс)

Где К_т — коэффициент токовой отсечки

На 3 участке вследствии увеличения сигнала U_y пробивается стабилитрон 1СТ и действует только токовая отсечка. При этом

U_y = U_1ст — к_с -К_т(I — I_отс)

Напряжение пробоя стабилитрона 1 СТ определяется по формуле

U_1ст = U_3В — К_с? щ_отсв = U_3Н — К_с? щ_отсн

Где U_3В и U_3Н задающие напряжение соответственно на верхней и нижней характеристиках;

щ_отсв и щ_отсн — скорость отсечки соответственно на верхней и нижней характеристиках

Скорость на 1 участке

Скорость на 2 участке

Скорость на 3 участке

щ₃ = К_д (К_п? U_1ст-ДU) — К_д? k_п? К_т(I — I_отс) — К_д? k_р? I

Из уравнения (на 1 участке) при номинальных значениях скорости и тока определяются задающие напряжения на верхней и нижней характеристиках

Где К_д = 1/с = 1/1,31 = 0,76; К_п = 36,1; К_с = 1,05

Скорости х. х для верхней и нижней характеристик:

Скорости отсечек на верхней и нижней характеристиках

I_отс=1,5?I_н=1,5?43,5=65,25 А

U_1ст= U_3В-k_c?щ_отсв= U_3Н-k_c?щ_отсн=175,5−1,05?154,7=13,07 В

Коэффициент токовой отсечки при щ=0 и I= I_ст=2 I_н=43,5?2=87 А

Напряжение пробоя стабилитрона 2СТ

U_2ст= К_т? I_отс

U_2ст= 0,148? 65,25=9,72 В

Подставляем в уравнение значение тока

I = 1,8 I_н = 78,3 А

Вывод

В данной работе в соответствии с индивидуальным заданием выбран по каталогу электронный двигатель, рассчитаны элементы тиристорного преобразователя (ТП), составлена принципиальная схема силовой цепи системы ТП-Д, определены параметры ее элементов и выбраны жесткие обратные связи. Также рассчитан узел отсечки по току (ток отсечки — 1,5 Iн, ток стопорения — 2Iн). Рассчитаны и построены статические характеристики разомкнутой и замкнутой системы ТП-Д. Составлена структурная схема и проверена система на устойчивость.

Список литературы

1. Л. А. Рогозовский, Автоматическое управление электроприводами — Методические указания по курсовой работе для студентов всех форм обучения, 1999 — 431с.

2. С. Н. Вишневский, Характеристики двигателей в электроприводе — М: Энергия 1977

3. Ключев В. И. Теория электропривода. — М.: Энергоатомиздат, 1985.-360с.

4. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод. — М.: Энерго-атомиздат, 1985. — 416 с.

5. Башарин А. В., Постников Ю. В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. — Л.: Энергоатомиздат, 1990.-512с.

6. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода.-СПб.: Энергоатомиздат, 2000. 496с.

7. Е. Н. Зимин, В. И. Яковлев, Автоматическое управление электроприводами — М: Высшая школа, 1979;318 с.