курсовой. Пояснительная записка к курсовой работе по курсу Электромеханические системы

Название	Пояснительная записка к курсовой работе по курсу Электромеханические системы
Дата	21.01.2019
Размер	1.5 Mb.
Формат файла
Имя файла	курсовой.docx
Тип	Пояснительная записка #64689

АННОТАЦИЯ

Назимов Д. В. Тиристорный следящий электропривод. Пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Электромеханические системы». Челябинск, ЮУрГУ, 2018, 33 с., 1 прил., библиогр. список - 8 наим.

Тиристорные следящие электроприводы (ТСЭ) постоянного тока широко применяются в настоящее время для приведения в действие рабочих машин 4 промышленного назначения. В качестве электродвигательных устройств в ТСЭ применяются двигатели постоянного тока (ДПТ). В данном курсовом проекте рассмотрены вопросы проектирования электропривода на основе двигателя марки 2ПФ 160МГ мощностью 6 кВт.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Тип двигателя: 2ПФ160МГ;

Номинальная мощность Рном=6 кВт;

Номинальное напряжение Uном=220 В;

Номинальный ток Iном=15,92 А;

Номинальная частота вращения lном=1000 об/мин;

Сопротивление обмоток якоря Rя=2,354 Ом;

Индуктивность обмоток якоря Lя= 46 мГн;

Момент инерции J=0,083 кг/м;

кпд 79%;

Масса двигателя m=158 кг.

2ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время автоматизированные электроприводы постоянного тока, несмотря на замену их в большом числе применений электроприводами переменного тока, по-прежнему находят применение в промышленности. Это обусловлено их хорошими регулировочными свойствами, высокой перегрузочной способностью, высоким быстродействием. Объем производимых автоматизированных электроприводов постоянного тока составляет около четверти объема всех выпускаемых автоматизированных электроприводов. Значительная часть автоматизированных электроприводов постоянного тока использует в качестве преобразовательных устройств тиристорные преобразователи. Наиболее совершенными с точки зрения показателей качества (точности и быстродействия) являются следящие тиристорные электроприводы. В проекте по методике, приведенной в [1], выполнен расчет следящего скоростного тиристорного электропривода, предназначенного для приведения в движение двигателя постоянного тока 2ПФ160МГ мощностью 6 кВт при номинальном напряжении 220 В и номинальной частоты вращения 1000 об/мин.

В курсовом проекте были выполнены следующие технические задачи:

1) произведен расчет электрических параметров и коэффициентов передачи устройств ТСЭ;

2) построены регулировочные характеристики системы импульсно фазового управления (СИФУ), тиристорного преобразователя (ТП), двигателя, тахогенератора;

3) построены механические характеристики подсистемы «ТП - двигатель» и ТСЭ, настроенного на технический оптимум;

4) построена структурная схема ТСЭ в целом как система подчиненного регулирования.

Исходя из выше перечисленных расчетов, была построена полная электрическая схема тиристорного следящего электропривода.

3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА Р А БОТЫ ТСЭ

3 .1 Описание принципа работы ТСЭ

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 1.jpg$

Рисунок 1 - Функциональная схема ТСЭ

На рисунке 1 приведена функциональная схема электропривода постоянного тока с подчиненным регулированием координат. Система подчиненного регулирования - это система последовательного включения контуров регулирования, число которых должно быть равно числу регулируемых величин. На вход каждого регулятора подается сигнал с предыдущего каскада, соответствующий задаваемому уровню регулируемой величины, и сигнал с выхода, отвечающий отрабатываемому уровню. Каждый предыдущий каскад является задающим органом для последующего [2, стр.171].

Двигатель постоянного тока (ДПТ) получает питание от управляемого вентильного преобразователя (УП). На валу установлен тахогенератор BR, вырабатывающий сигнал обратной связи по скорости

, где

- угловая скорость. Этот сигнал поступает на вход регулятора скорости (РС) вместе с сигналом задания скорости

[2].

Сигнал обратной связи по току,

I вырабатывает датчик тока (ДТ), который, в свою очередь, получает сигнал с резистора Rш, включенного в цепь якоря ДПТ. Сигнал

поступает на вход регулятора тока (РТ) вместе с сигналом задания тока

снимаемого с выхода РС. Выходной сигнал РТ

, поступает в СИФУ преобразователя, которая осуществляет управление его тиристорами.

Ограничение тока якоря обеспечивается стабилитронами V 1, V2. Задающее напряжение сигнала скорости

может поступать на вход системы от задатчика интенсивности или другого источника задающего сигнала.

3 .2 Описание принципа совместного управления

Схема трехфазного выпрямителя, выполненная путем встречно-параллельного соединения двух нулевых схем (УВ1 и УВ2) приведена на рисунке 2. Двигатель подключается к выводам УВ1 и УВ2 через уравнительные дроссели Д1 и Д2, а к общей точке «О» - через дроссель, выполняющий роль фильтра. Тиристоры комплекта УВ1 (катодная группа) подключены к вторичной обмотке трансформатора анодами, а тиристоры комплекта УВ2 (анодная группа) - катодами.

В зависимости от того, как организована работа групп, различают два способа управления тиристорными группами - раздельное и совместное [3, стр.57].

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 2.1.jpg$

Рисунок 2 - Схема трехфазного выпрямителя

В данной работе используется совместный способ управления. При совместном управлении управляющие импульсы подаются постоянно на тиристоры обеих групп, но с разными углами управления, так что УВ1 работает в выпрямительном, а второй УВ2 подготовлен к инверторному режиму при вращении двигателя вперед или назад. На рисунке 3 приведены графики, поясняющие работу реверсивного выпрямителя при совместном управлении.

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 3,1.jpg$

Рисунок 3 - Графики реверсивного выпрямителя при совместном управлении

Импульсы токов управления

, формируемые СИФУ1, подаются на тиристоры УВ 1 с углом

(рисунок 3б, соответствует выпрямительному режиму), а формируемые СИФУ2 - на тиристоры группы УВ2 с углом опрежения

(рисунок 3г, соответствует инверторному режиму).

Под действием токов управления происходит коммутация тиристоров в группах в соответствующие моменты времени и формируется кривая выходного напряжения как УВ1 (рисунок 3а), так и УВ2 (рисунок 3в).

Серьезным недостатком реверсивного управляемого выпрямителя с совместным управлением, ограничивающим его применение, является необходимость принятия мер по уменьшению уравнительного тока.

Ток

начнет уменьшаться и при реальном значении

достаточно быстро снизится до нуля. Как только

уменьшится до нуля в цепи якоря по течет ток

другого направления, так как УВ2 подготовлен к работе в инверсном режиме и напряжение на его выходе

меньше ЭДС вращение

. Направление тока

совпадает с направлением ЭДС

, поэтому двигатель переходит в генераторный режим.

4 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ УТРОЙСТВ ТСЭ

Расчет производится в соответствии с методикой, приведенной в [ 6,стр.10-15].

4.1 Расчет силового трансформатора

4.1.1 Коэффициент схемы трансформатора по напряжению:

4.1 .2 Теоретическое значение ЭДС вторичной обмотки:

(1)

где

- коэффициент схемы трансформатора по напряжению;

Uном- номинальное напряжение.

4.1.3 Фазное напряжение вторичной обмотки с учетом необходимого запаса:

(2)

где

- коэффициент запаса, учитывающий снижение напряжения сети;

- коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие тиристоров;

- коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения на внутреннем сопротивлении тиристорного преобразователя;

- теоретическое значение ЭДС вторичной обмотки.

4.1.4 Теоретическое значение тока вторичной обмотки:

[A] (3)

где

- это коэффициент схемы по току вторичной обмотки.

4.1 .5 Ток вторичной обмотки:

(4)

где

- коэффициент, который учитывает отклонение формы тока от прямоугольной;

- теоретическое значение тока вторичной обмотки.

4.1 .6 Коэффициент трансформации:

(5)

- фазное напряжение первичной обмотки;

- фазное напряжение первичной обмотки.

4.1.7 Коэффициент схемы по току первичной обмотки :

4.1.8 Теоретическое значение тока в первичной обмотки :

(6)

4.1.9 Ток первичной обмотки:

(7)

4.1.10 Коэффициент схемы по мощности

4.1.11 Теоретическое значение типовой мощности трансформатора идеального выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС

(8)

4.1.12 Расчетная типовая мощность трансформатора:

(9)

Отсюда следует, что для работы тиристорного преобразователя требуется трехфазный трансформатор с типовой мощностью не менее 7500 Вт.

4.2 Выбор вентилей

В электротехнике вентилем называют устройство, сопротивление которого зависит от направления тока, протекающего через него (или полярности, проложенного к нему напряжения). Вентиль, возможно, представить ключом, который замыкается при одной полярности приложенного к нему напряжения, и размыкается при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока бесконечна, в другом направлении - равна нулю. В реальности же, сопротивление прибора, используемого в качестве вентиля может не только быть конечным, но и зависеть от величины напряжения, подаваемого на него. Вентили могут быть управляемые и неуправляемые. Особенностью управляемого вентиля является то, что открытием/закрытием его управляет не только приложенное к основным выводам напряжение, но и сигнал, подаваемый на управляющий вход. Наиболее известным примером неуправляемого вентиля может служить выпрямительный диод, а управляемого - тиристор. По принципу действия вентили можно разделить на электронные и ионные, электронные же в свою очередь делятся на вакуумные и полупроводниковые.

4.2.1 Коэффициент схемы по среднему току вентиля:

4.2.2 Среднее значение тока вентиля:

(10)

4.2.3 Коэффициент схемы по максимальному напряжению вентиля:

4.2.4 Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю:

(11)

В качестве тиристоров выберем ТБ151-50 (

, номинальное об ратное напряжение 900 [В] [7].

4.3 Расчет индуктивности уравнительных дросселей и параметров якорной цепи

Для ограничения уравнительных токов, дополнительно нагружающих вентили и трансформаторы, применяют уравнительные дроссели. Индуктивность их выбирают такой, чтобы уравнительный ток не превышал 10% от номинального тока нагрузки. Уравнительные дроссели выполняют насыщающимися или не насыщающимися.

4.3.1 Ток реактора:

(12)

где

- уравнительный ток.

4.3.2 Расчетный коэффициент для принятой схемы выпрямления

4.3.3 Индуктивность двух реакторов:

(13)

4.3.4 Идуктивность одного реактора:

(14)

4.3.5 Сопротивление реактора:

(15)

где

- полное якорное сопротивление, равно якорному сопротивлению, которое указано в паспортных данных.

4.3 .6 Заданная активная составляющая напряжения короткого замыкания

4.3.7 Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

(16)

4.3.8 Заданное индуктивное составляющее напряжения короткого замыкания:

4.3 .9 Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора, приведенное ко вторичной обмотки :

(17)

4.3 .10 Сопротивление, которое вносится за счет перекрытия анодных токов:

(18)

m=3 количество фаз .

4.3 .11 Сопротивление щеточного контакта:

(19)

4.3.12 Полное активное сопротивление цепи якоря:

(20)

4.3.13 Индуктивность рассеяния трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке:

(21)

4.3.14 Индуктивность якоря и дополнительных полюсов :

4.3.15 Полная индуктивность цепи якоря:

(22)

4.3.16 Электромагнитная постоянная цепи якоря:

(23)

4.3.17 Конструктивные коэффициенты двигателя:

(24)

(25)

4.3.18 Электромеханическая постоянная времени двигателя с нагрузкой, приведенной к валу двигателя:

(26)

где J - момент инерции двигателя; J' - приведенный момент инерции, 15% процентов больше момента инерции.

4.4 Расчет коэффициентов передачи элементов и устройств ТСЭ

4.4.1 Напряжение насыщения

В при выборе в обратной связи РС стабилитронов типа Д818Г с напряжением стабилизации Uст=9.1 В, минимальным током стабилизации Iст=3 мА.

4.4.2 Коэффициент передачи датчика тока:

(27)

4.4.3 Максимальное среднее значение выпрямленного напряжения на вы ходе тиристорного преобразователя:

(28)

4.4.4 Принятая амплитуда выходного напряжения опорного генератора:

4.4.5 Коэффициент передачи подсистемы «СИФУ-тиристорный преобразователь»:

(29)

4.4.6 Постоянная времени подсистемы «СИФУ-тиристорный преобразователь» : Тп=О.OO7с.

4.4.7 Постоянная времени регулятора тока:

(30)

4.4.8 Запишем передаточную функцию регулятора тока:

(31)

4.4.9 Коэффициент передачи регулятора скорости:

(32)

где

= 0.315

- коэффициент передачи тахогенератора.

4.5 Расчет диапазонов регулирования частоты вращения вала двигателя

4.5.1 Абсолютное значение жесткости механической характеристики под системы тиристорный преобразователь-двигатель:

(33)

4.5.2 Номинальный электромагнитный момент:

(34)

4.5.3 Минимальная частота вращения вала двигателя

(35)

4.5.4 Диапазон регулирования частоты вращения вала двигателя, работающего от тиристорного преобразователя:

(36)

4.5.5 Абсолютное значение жесткости механической характеристики ТСЭ:

(37)

4.5.6 Минимальная частота вращения вала двигателя, который работает в составе ТСЭ:

(38)

4.5.7 Диапазон регулирования частоты вращения вала двигателя, который работает в составе ТСЭ:

(39)

5 ПОСТРОЕНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИФУ, ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, ДВИГАТЕЛЯ И ТАХОГЕНЕРАТОРА

Под регулировочной характеристикой элемента или устройства следует понимать зависимость между выходными и входными сигналами в статическом режиме работы.

5.1 Построение регулировочной характеристики СИФУ

Для СИФУ входным сигналом является напряжение управления Uy, подводимое к нульоргану (рисунок 1 ). Выходным сигналом является угол а управления выпрямителя. При построении регулировочной характеристи СИФУ следует воспользоваться соотношениями (3.42), (3.43) из [3, стр.74].

(40)

(41)

где

- напряжение управления;

- из пункта 3.4.4.

Воспользуемся прикладным пакетом Mathcad для построения регулировочных характеристик:

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 4,1.jpg$

Рисунок 4 - Регулировочные характеристики СИФУ

5.2 Построение регулировочной характеристики тиристорного преобразователя

Для тиристорного преобразователя входным сигналом является угол управления

, выходным - среднее напряжение Uпо.

Для построения регулировочной характеристики тиристорного преобразователя необходимо воспользоваться соотношениями (3.42), (3.43), (3.44) из [3], а также учесть падение напряжения на внутреннем сопротивлении тиристорного преобразователя. Учитывая этот факт, построить регулировочные характеристики для трех значений выходного тока тиристорного преобразователя: Iп=Iном, Iп=0, Iп=-Iном,

где Iном-номинальный ток двигателя, вычисленный ранее Iном=15,92 А.

(42)

где

- падение напряжения на внутреннем сопротивлении тиристорного преобразователя;

- среднее напряжение на выходе тиристорного преобразователя Uпо=150 .

Вычислим Uтп:

(43)

где

Воспользуемся прикладным пакетом Mathcad для построения регулировочных характеристик:

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 5,1.jpg$

Рисунок 5 - Регулировочные характеристики тиристорного преобразователя

5.3 Построение регулировочной характеристики двигателя

Для двигателя входным сигналом является напряжение, подводимое к якорной цепи, а выходным - частота вращения. При построении регулировочной характеристики двигателя воспользуемся уравнением (2-6) из [ 4].

(44)

где

– электромагнитный момент

Построение регулировочных характеристик необходимо произвести для трех значений электромагнитного момента: нулевого, номинального со знаком«+» и номинального со знаком«-».

$c:\users\nazimdmi\desktop\рисунок 6.jpg$

Рисунок 6 - Регулировочные характеристики двигателя

5 .4 Построение регулировочной характеристики тахогенератора

Для тахогенератора входным сигналом является частота вращения его вала, а выходным - напряжение якорной цепи. При построении регулировочной характеристики тахогенератора воспользуемся формулой (19-2) из [4].

где

- падение напряжения на щётках

(по заданию);

- коэффициент передачи тахогенератора (по заданию);

Rн - нагрузочное сопротивление тахогенератора Rн=2000 Ом. Воспользуемся прикладным пакетом Mathcad для построения регулировочной характеристики:

Рисунок 7 - Регулировочная характеристика тахогенератора

6 ПОСТРОЕНИЕ ТОЧНОЙ И УПРОЩЕННОЙ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ДВИГАТЕЛЯ. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ТСЭ В ЦЕЛОМ КАК СИСТЕМЫ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

6.1 Построение точной и упрощенной структурных схем двигателя

Структурная схема - графическое отображение операторных уравнений объекта. Точная структурная схема двигателя постоянного тока (ДПТ) выглядит следующим образом [ 4, стр. 270-273]:

Рисунок 8-Точная структурная схема ДПТ

На рисунке 8 приняты следующие обозначения :

- номинальное напряжение;

- номинальный ток;

- полное активное сопротивление цепи якоря;

- электромагнитный коэффициент ДПТ (при его определении используется активное сопротивление только якорной обмотки);

электромеханическая постоянная времени ДПТ;

электромагнитная постоянная времени ДПТ;

-угловая скорость вращения вала ДПТ.

Рассчитаем параметры точной структурной схемы ДПТ:

1.

(рассчитанный в пункте 4.3.12);

2.

(46)

3.

(из пункта 4.3.16);

4.

(из пункта 4.3.18).

Составим структурную схему с рассчитанными параметрами:

$c:\users\mityai\desktop\новая папка (6)\рисунок 8.png$

Рисунок 9 - Точная структурная схема ДПТ с рассчитанными параметрами

У прощенная структурная схема ДПТ получается из точной при следующих допущениях:

• обратная связь по противо-ЭДС отсутствует, что объясняется следующим: противо-ЭДС прямо пропорциональная угловой скорости двигателя, которая является более инерционной величиной, чем тока якоря. Поэтому переходные процессы по току якоря завершаются практически при некотором постоянном значении противо-ЭДС, т.е. последняя не успевает повлиять на изменение тока, и, следовательно, при изучении динамики контура тока можно пренебречь влиянием противо-ЭДС;

• момент сопротивления Мс=О, что объясняется следующим: момент Мс не влияет на характеристическое уравнение системы и поэтому может быть выбран любым. Для простоты полагаем, что Мс=О.

Рисунок 10 - Упрощенная структурная схема ДПТ

$c:\users\mityai\desktop\новая папка (6)\рисунок 9.png$

Рисунок 11 - Упрощенная структурная схема ДПТ с рассчитанными пара метрами

6.2 Построение структурной схемы тиристорного следящего электропривода ТСЭ

Функциональная схема ТСЭ выглядит следующим образом :

Рисунок 12 - Функциональная схема ТСЭ

На рисунке 12 приняты следующие обозначения: РС - регулятор скорости; Т - регулятор тока; СИФУ-ТП подсистема «СИФУ- тиристорный преобразователь; ДПТ - двигатель постоянного тока; ДТ - датчик тока; ТГ - тахогенератор.

Построение структурной схемы ТСЭ производить в предположении:

1) Регулятор скорости (РС), как это следует из теории настройки электропривода на ТО, представить пропорциональным звеном с коэффициентом передачи Крс, который рассчитан ранее в пункте 4.4.9, Kpc=0,64.

2) Подсистема «СИФУ - тиристорный преобразователь» описывается Кп апериодическим звеном

где

коэффициент передачи и постоянная времени подсистемы «СИФУ - тиристорный преобразователь», рассчитанные ранее в пунктах 4.4.5 и 4.4.6 соответственно.

=З0,15,

=О.007с.

3) Регулятор тока РТ описывается передаточной функцией, рассчитанной ранее в пункте 4.4.8.

4) ТГ и датчик тока предоставляются усилительными звеньями с коэффициентами передачи соответственно Ктг и Кт, которые рассчитаны ранее

В/А; рад/с

5)В качестве ДПТ используем упрощенную структурную схему, представленную на рисунке 10.

$c:\users\mityai\desktop\новая папка (6)\рисунок 13.png$

Рисунок 13 - Структурная схема ТСЭ

7 РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДСИСТЕМЫ «ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ» И ТСЭ, НАСТРОЕННОГО НА ТЕХНИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ

7 .1 Построение механических характеристик подсистемы «тиристорный преобразователь - двигатель»

Для построения механической характеристики воспользуемся формулой (3.32) из [ 4]. Механическая характеристика - это зависимость угловой скорости от электромагнитного момента, при неизменности всех остальных вели чин.

(47)

где

- выпрямленное напряжение неуправляемого преобразователя

=301.5 В (из пункта 4.4.3);

- полное активное сопротивление цепи якоря;

- падение напряжения в тиристорах, которое составляет менее 1В.

Следует учесть, то что графики должны быть построены для нескольких ( 5-7) значений угла а.

Рисунок 14 - Механические характеристики подсистемы «тиристорный пре образователь - двигатель»

7.2 Построение механических характеристик ТСЭ, настроенного на технический оптимум Построение графиков механической характеристики исследуемого ТСЭ, настроенного на технический оптимум, следует производить опираясь на формулу (3.156) [2].

(48)

где kс=Ктг=О.315

- постоянная времени подсистемы «СИФУ - тиристорный преобразователь»

с; Тм=0.045 с; С=Км,

Рисунок 15 - Графики механической характеристики исследуемого ТСЭ, настроенного на технический оптимум