Обоснование выбора типа привода и тиристорного преобразователя

Задание

Привод реверсивный с диапазоном регулирования скорости D=100.

Способ управления и согласования групп вентилей тиристорного преобразователясовместный, согласование линейное;

Степень астатизма системы регулирования — однократноинтегрирующая система.

Электродвигатель: 2ПБ160L УХЛ4

РН = 7,5кВт

Uн = 220B

nH = 2240 об/мин

nMAX = 4000 об/мин з =88%

Rякоря при 15єC =0,096Ом

Rдоб.полюсов =0,073Ом

Rобмотки возб. =181Ом

Lя=3,6мГн Момент инерции Jд = 0,1 кг· м2

Момент инерции механизма Jмех = 0,1· 0,6= 0,06кг· м2

1. ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Электродвигатель

Номинальная частота вращения

рад/с

Номинальный ток якоря Приведем сопротивления обмоток к нагретому состоянию. Превышение температуры обмоток двигателя типа 2ПБ соответствует классу В (превышение температуры, измеренное методом сопротивления, не более 70 °С).Тогда где Rсопротивление обмотки в нагретом состоянии, °С

R0- сопротивление обмотки при исходной температуре, °С

— температурный коэффициент сопротивления меди, 1/град

— разность рабочей и исходной температур, °С По номинальным данным определяем коэффициент передачи двигателя Определим Э.Д.С. и электромагнитный момент двигателя

Тиристорный преобразователь

Основные соотношения в силовой цепи

В соответствии с заданием используем реверсивный привод.

Двухкомплектное преобразование выполняется по встречно-параллельной или по перекрестной схеме.

3-х фазная мостовая схема имеет лучшие энергетические показатели в сравнении с 3-х фазной с нулевым выводом, поэтому выбираем 3-х фазную мостовую схему.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе:

— коэффициенты напряжения

— действующие значения фазного и линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора Для трёхфазной мостовой схемы (m =3, p = 6)

mчисло фаз вторичной обмотки трансформатора рчисло пульсаций за период питающего напряжения Указанные формулы применяются для определения необходимого значения напряжения вторичной обмотки трансформатора по напряжению холостого хода преобразователя .

Предварительное значение напряжения холостого хода преобразователя:

ки— коэффициент учета возможного снижения напряжения сети, 1,05…1,1

кгкоэффициент учета падения напряжения в сопротивлениях элемента силовой цепи преобразователя, 1,05…1,08

кбкоэффициент учета неполного открывания вентилей, кб= 1 -для раздельного управления Принимаем линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора

U2Л= 205 В, тогда

В

Согласующий трансформатор. Основные соотношения в силовой цепи

Расчетная типовая мощность трансформатора

1,045• 220• 38,7= 8897,13 ВА Выбираем трансформатор ТСП-16/07

Технические данные трансформатора

Номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора Действующее значение тока вторичной обмотки

что меньше номинального тока вторичной обмотки.

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке

Рассчитаем индуктивность и полное сопротивление фазы трансформатора

— круговая частота питающей сети

— напряжение короткого замыкания в %

Для мостовых схем

Регулировочная характеристика преобразователя

— зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла регулирования, определяется схемой выпрямления и характером нагрузки:

При непрерывном токе нагрузки:

Таблица 1

Рис.1 — Регулировочная характеристика преобразователя

Внешняя характеристика преобразователя

— зависимость средневыпрямленного напряжения преобразователя от тока нагрузки.

В режиме непрерывного тока она представляет собой уравнение прямой

— падение напряжения от перекрытия анодов вентилей

— активное выходное сопротивление преобразователя

— падение напряжения в вентилях (0,7ч1 В)

; [Таблица 1 — 20].

Рис.2 — Регулировочная характеристика преобразователя

Система импульсно-фазового управления

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для формирования и синхронизации подачи управляющих импульсов на силовые тиристоры управляемого реверсивного выпрямителя питания якорной цепи двигателя.

Статические свойства СИФУ оцениваются регулировочной характеристикой, где — напряжение управления.

Диапазон изменения фазы управляющих импульсов при работе преобразователя в выпрямительном и инверсных режимах теоретически составляет 180 градусов. Практически максимальный угол регулирования ограничен величиной:

где — угол коммутации (перекрытия) вентилей;

— угол восстановления запирающих свойств вентиля.

Минимальный угол регулирования определяется формулой:

Максимальное значение напряжения управления определяется элементной базой СИФУ. В курсовом проекте для СИФУ в интегральном исполнении принимаем равным 10 В.

Аналитические выражения для регулировочных характеристик СИФУ с линейно-нарастающим рабочим участком пилообразного опорного напряжения, где значение начального угла управления устанавливается напряжением смещения на входе в СИФУ, имеет вид:

При линейном опорном напряжении

В СИФУ комплексного электропривода главного движения примем:

Определим напряжение смещения:

Таким образом, имеем окончательный вид выражения для регулировочной характеристики СИФУ с линейно-нарастающим рабочим участком пилообразного опорного напряжения:

В — максимальное опорное напряжение

Таблица — расчетные данные для построения регулировочной характеристики СИФУ

коэффициент передачи СИФУ определяется по формуле

Далее определим результирующую (сквозную) характеристику преобразователя и результирующий коэффициент усиления его

При линейной регулировочной характеристике СИФУ:

где: — относительная величина текущего значения

Рис.4 — Регулировочная характеристика преобразователя

Тиристоры и неуправляемые вентили

Выбираются по среднему значению тока и амплитудному значению обратного напряжения с учетом условий охлаждения

— коэффициент тока (0,33)

— коэффициент, учитывающий условия охлаждения, при естественном охлаждении составляет 0,3…0,35

Тиристоры, предназначенные для питания якорной обмотки двигателя, выбираются с учетом пускового режима.

Максимальное значение обратного напряжения

где — коэффициенты напряжения (для 3-х фазной мостовой схемы составляют 1,045 и 1,41 соответственно)

По максимально допустимому обратному напряжению, учитывающему возможные коммутационные перенапряжения

выбираем тиристоры типа Т1151−100 обладающие следующими предельными параметрами: Imax.доп.=100 А, Uобр.max.= 300ч1600 В

Параметры силовой цепи ТД — П

В реверсивных системах с раздельным управлением:

Динамические параметры силовой цепи:

Электромагнитная постоянная:

Электромеханическая постоянная:

= 0,16 • 0,27 •(1,11)2 = 0,053 с

2. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Датчики

2.1.1 Датчики тока

Для снятия сигнала, пропорционального в силовой цепи привода, применяют трансформаторы тока и шунты

В качестве шунта примем шунт из серии 75ШС с параметрами, а .Он был выбран на основании максимального тока двигателя из стандартного ряда, где

Определим коэффициент передачи шунта:

где: — величина, зависящая от элементной базы,

— коэффициент передачи по напряжению усилителя системы УБСР (),

Определим коэффициент передачи датчика:

Напряжение на выходе датчика:

Что не превышает

2.1.2 Датчик угловой скорости

В качестве датчиков угловой скорости обычно используются тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Используем асинхронный тахогенератор переменного тока типа АТ-231 с параметрами:

;

При включении тахогенератора по схеме:

Принимаем тип С5−35−3

тип С5−35−7,5

Коэффициент передачи тахогенератора равен:

Передаточный коэффициент датчика скорости:

2.2 Регуляторы

Передаточная функция исходного контура, подлежащего оптимизации, приводится к виду

причем

— малые постоянные времени звеньев, входящих в исходный контур, действие которых не компенсируется;

— количество интегрирующих звеньев;

— передаточная функция звеньев, действие которых необходимо компенсировать.

Учитывая, что при последовательном включении регулятора передаточная функция оптимизированного разомкнутого контура будет

и одновременно ищется в виде:

получаем формулу для определения передаточной функции регулятора

(1)

В частности при q=0

2.2.1 Контур регулирования тока в системе ТП-Д

Принимая, имеют передаточную функцию регулятора тока в виде:

Определим постоянную времени

— число пульсаций; - частота питающей сети

Примем постоянную времени ;

Малая постоянная времени контура тока 1

Что означает пропорционально-интегральный закон регулирования.

0,1 895 с, ,

— время изодрома ПИ-регулятора;

— время интегрирования.

= 2; 20;

2,038 Ом

с

Рассчитаем ПИ-регулятор и найдем

Задаваясь мкФ, найдем

Ом

Выбираем = 20 кОм МЛТ-0, 25

мкФ

; откуда

кроме того, откуда

кОм

Принимаем = 9,1 кОм МЛТ-0,25

589 Ом

Принимаем = 620 Ом МЛТ-0, 25

Таким образом, передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура имеет вид:

Передаточная функция замкнутого контура:

где с — малая постоянная времени, которая входит в контур скорости как некомпенсируемая ()

2.2.2 Контур регулирования скорости

Модульный оптимум (однократноинтегрирующая система).

Передаточная функция регулятора скорости определяется по формуле (1) при q = 1, ac = 2, у = ф2

.

1,074

— передаточный коэффициент обратной связи по скорости Регулятор скорости выбираем пропорциональным для которого Выбор, , осуществляется на основании:

Задаваясь значением = 51 кОм, определим

КОм Принимаем 6,8 КОм МЛТ-0,125

Задаваясь мкФ, определяют из равенства:

4•0,0033=RОС •10−6

RОС=13 200 Ом Принимаем = 15кОм МЛТ-0,25

Расчет значений и производят по формулам:

Ом Принимаем = 6,8кОм МЛТ-0,25

=3,11•6800=21 148 Ом Принимаем = 22 кОм МЛТ-0,25

Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

.

Передаточная функция замкнутого контура скорости:

3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

За основу принята функциональная схема комплексного электропривода подачи типа «Кемто». Электропривод типа «Кемтор» производства НРБ предназначен для управления приводами главного движения токарных, фрезерных и других станков и представляет собой электропривод постоянного тока с двухзонным регулированием скорости. В первой зоне регулирование осуществляется при постоянстве момента M=const за счет изменения подводимого к якорю двигателя напряжения при постоянном потоке возбуждения (О=]: 1000), во второй зоне при постоянстве мощности />=const за счет ослабления тока возбуждения при номинальном значении напряжения якоря (Д= 1:3,5).

В состав привода входят (рис. 2.1):

преобразователь тиристорный для питания якоря и обмотки возбуждения

двигателя;

электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением и встроенными тахогенератором и вентилятором. Технические данные электродвигателей приведены в табл. 2.1.

коммутационный трехфазный дроссель;

трансформатор для питания обмотки возбуждения;

коммутационный блок.

Конструктивно преобразователь выполнен по блочной структуре, позволяющей производить оперативную замену блоков и свободный доступ ко всем элементам и контрольным точкам.

Схемные и конструктивные решения преобразователя максимально унифицированы с электродвигателями подачи типа «Кемтор».

Технические характеристики электропривода «Кемтор» соответствуют стандарту СТ СЭВ 3572—82.

Описание работы преобразователя

Тиристорный преобразователь питания обмотки якоря двигателя выполнен на двух встречно соединенных трехфазных мостовых выпрямителях. Питание преобразователей от сети осуществляется через трехфазный анодный реактор, защищающий его от коммутационных токов и коротких замыканий. Управление реверсивного преобразователя — раздельное. Система автоматического регулирования выполнена по двухконтурной схеме подчиненного регулирования с регуляторами скорости и тока.

Питание обмотки возбуждения осуществляется нереверсивным полууправляемым однофазным выпрямителем. Величина тока возбуждения регулируется в зависимости от напряжения якоря.

Разветвленная цепь электронных защит и рабочей диагностики практически исключает выходы из строя элементов преобразователя в аварийных режимах.

Блок-схема преобразователя приведена на рис. 2.2. Здесь: / — задатчик интенсивности разгона и торможения ЗИ; 2— регулятор скорости PC; 3— блок токоог-раничения БТ; 4 — блок модуля задания тока БМТ; 5 — блок ограничения момента БОМ; 6 — регулятор тока РТ; 7 — блок задания тока при нулевой скорости; 8 — логический блок раздельного управления ЛБ; 9 — система импульсно-фазового управления якоря СИФУ (я); 10 — корректирующая цепочка КЦЯ; //—датчик тока якоря ДТЯ; 12— блок модуля напряжения техогенератора БМТГ; 13 — сетевой дроссель Др; 14— трансформатор тока ТрТ; 15 — реверсивный выпрямитель якорного напряжения ПрЯ; 16 — блок модуля якорного напряжения БМЯ; 17 — корректирующая цепочка КЦВ; 18 — регулятор тока возбуждения РВ; 19 — система импульсно-фазового управления возбуждения СИФУ (в); 20—нереверсивный выпрямитель питания цепи возбуждения ПрВ; 21 — трансформатор питания цепи возбуждения ТрВ.

Описание работы принципиальной схемы электропривода выполним раздельно для цепей управления якорем и возбуждением.

4. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Силовая схема (рис. 2.3) преобразователя якоря выполнена по реверсивной бестрансформаторной трехфазной встречно соединенной мостовой схеме. Защита управляемого выпрямителя от коммутационных перенапряжений выполнена трехфазным диодным реактором в цепи питания~380 В и шунтированием тиристоров RC-цепочками.

Управление группами преобразователя — раздельное. При работе одной группы устройство логики запрещает подачу импульсов управления на другую группу, и наоборот.

Характерной особенностью трехфазных мостовых управляемых схем выпрямления является необходимость подачи на управляющий электрод одного импульса шириной не менее 60 эл. градусов или двух коротких, подаваемых через 60 эл. градусов. Только при этом обеспечивается условие неразрывности цепи протекания тока, так как в мостовой схеме одновременно проводят ток два вентиля: вентиль, к аноду которого подводится самое положительное напряжение, н вентиль, к катоду которого подводится самое отрицательное напряжение (рис. 2.4).

Первый импульс пары определяет угол открытия тиристора в положительной полуволне питающего напряжения, второй — в отрицательной полуволне (режим прерывистого тока). В случае непрерывного тока второй импульс подтверждает, необходимость открытия данного тиристора при коммутации других вентилей.

Сдвиг между парами импульсов одной группы {анодной или катодной) — 120 эл. градусов, а между парами импульсов на одной фазе разных групп выпрямителей— 180 эл. градусов.

Частота выходного напряжения якоря в 6 раз превышает частоту сети, что создает благоприятные условия для поддержания непрерывного тока без дополнительных сглаживающих элементов. Принятая на рис. 2.4. нумерация тиристоров соответствует очередности их включения.

Система импульсно-фазового управления СИФУ предназначена для формирования и синхронизации управляющих импульсов по фазам силовой схемы преобразователя. СИФУ выполнено по вертикальному принципу и состоит из трех одинаковых каналов управления для каждой фазы силовой цепи R, S и Т (рис. 2.10).

Напряжение синхронизации Ur (Us, Ut), противофазное силовому питанию, подается на каналы СИФУ со вторичных обмоток трансформаторов VT15, VT16 и VT17 соответственно. Это напряжение задерживается цепочкой RP11, R101, С101 приблизительно на 33 эл. градусов и подается на компараторы, выполненные на ОУ D11 и D12 (каналы фазы S). Выходные напряжения компараторов имеют взаимно-инверсную прямоугольную форму, однако их фронты сдвинуты за счет подачи на вторые входы компараторов разнополярного напряжения смещения. Величина смещения регулируется потенциометром RP18.

Формируемый схемой совпадения (VD101 и VD102) короткий отрицательный импульс запускает ждущий генератор пилообразного напряжения, выполненный на ОУ D13 и транзисторе VT11. При закрытом транзисторе VT11 конденсатор С106 заряжается от источников питания +15 В, формируя линейно-изменяющееся выходное напряжение. Его крутизна и, следовательно, амплитуда регулируются потенциометром RP12. Во время отрицательного импульса на базе транзистора VTI1, т. е. его открытого состояния, конденсатор С106 быстро разряжается. Резистор R108 и диод УД104 формируют положительный импульс пилообразного напряжения.

На операционном усилителе D14 осуществляется сравнение величины пилообразного напряжения с управляющим напряжением, поступающим с выхода ОУ D28.

На инвертирующем входе ОУ D28 осуществляется суммирование трех сигналов:

положительного напряжения смещения от источника +15 В и регулируемого потенциометром RP19. При нулевом задающем напряжении под действием смещения на выходе ОУ-Б28 выставляется напряжение —6,5 В, что обеспечивает величину начального угла запаздывания зажигания а0—125—130 эд. градусов. При таком угле а управляющий импульс подается за точкой естественного зажигания (ао== 120 эл. град.), т. е. в зоне отрицательных напряжений для силовых тиристоров. Начальный ток отсутствует, однако появляется «мертвая зона» в характеристике управления. Вращение двигателя начинается при углах, меньших 120 эл. градусов;

отрицательного напряжения управления от регулятора тока РТ, сдвигаю щего управляющие импульсы влево, в сторону уменьшения угла запаздывания зажигания а, обеспечивающего управление приводом в первой зоне;

модуля напряжения сигнала, пропорционального напряжению тахогенератора, осуществляющего отрицательную обратную связь по скорости в первой зоне регулирования.

Комплексные системы управления электроприводами тяжелых металлорежущих станков / Под. ред. А. Д. Повдеева.-М: Энергия, 1980. 288с.

Перельмутин В.М., Сидоренко В. М. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока.- М: Энергоатомиздат, 1988. 304с.

Справочник по проектированию автоматизированого электропривода и систем управления технологическими процессами. / Под. ред. В. И. Крупобича, Ю. Г. Барабина, М. Л. Самовера.- М: Энергоатомиздат.- 1982. 416с.

Справочник по электрическим машинам / Под. ред. И. П. Копылова, В. К. Клюева, т.1- М: Энергоатомиздат, 1988. 456с.

Чернов Е.А., Кузьмин В. П. Комплексные электроприводы станков с ЧПУ. Справочное пособие.-Горький: Волго-вятское книжное издательство. 1989.-320с.

Чиликин М. Г. Сандлер А.С. Общий курс электропривода. — М: Энергоиздат, 1981. 576с.