Система управления электроприводом БТУ 3601

Введение


Основная цель данного курсового проекта это разработка тиристорного электропривода на базе комплектного электропривода БТУ 3601, в процессе выполнения будет необходимо: рассчитать и выбрать элементы силовой части электропривода, построить статические характеристики разомкнутого электропривода, синтезировать и рассчитать параметры регуляторов и смоделировать переходных процессов скорости и тока электропривода с помощью программного пакета MATLAB 6.5. Это позволит приобрести навыки самостоятельного принятия инженерных решений на базе современной полупроводниковой техники при расчете и проектирование систем автоматического управления.


Система электропривода и его функциональная схема


По заданию на курсовой проект был выбрана система электропривода по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» которая, реализована комплектным тиристорным электроприводом БТУ-3601


Расчет и выбор элементов силовой части электропривода


Выбор силового трансформатора тиристорного преобразователя


Приведем сопротивление обмоток двигателя к нагретому состоянию учтя, что максимальная рабочая температура для изоляции класс B = 90 C:

Сопротивление обмотки возбуждения:



Сопротивление якорной цепи:

Рассчитаем номинальную скорость двигателя:



Трансформатор в управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжения сети с напряжением двигателя [1].

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора определяется выражением:



где – коэффициент запаса по напряжению сети, – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале, – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в вентиле, в обмотках трансформатора, – коэффициент пропорциональности между средневыпрямленным напряжением и действующим значением фазного напряжения вторичной обмотки для трехфазной мостовой схемы выпрямления, – номинальное напряжение двигателя

Коэффициент трансформации трансформатора:



Так, как коэффициент трансформации равен единице воспользуемся бестрансформаторным варианте схемы, где силовые цепи преобразователя тиристорного электропривода подключаются к сети через анодный реактор. Анодный реактор выбирают по действующему значению номинального тока фазы преобразователя , где коэффициент b схемы выпрямления (b=0,817 для мостовой схемы), и номинальному напряжению сети.

Номинальный ток двигателя равен:


электропривод силовой регулятор matlab

где – номинальная мощность двигателя, – номинальное напряжение обмотки возбуждения, – номинальный КПД двигателя, – сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии.

Ток фазы первичной обмотки трансформатора:


Ток фазы вторичной обмотки трансформатора:



Выбираем анодный реактор типа РС 40/1,4 [2]. Его параметры, взятые из справочных данных:

.


Проверка и выбор тиристоров


Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производятся, по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значении напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания [2].

Среднее значение тока, протекающего через тиристор:



где: – допустимый ток двигателя, для общепромышленной серии машин – = , для серии двигателей 2ПФ; – для трехфазной мостовой схемы.

Значение тока, приведенное к классификационным параметрам тиристоров:


где – коэффициент запаса по току, – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, угла проводимости и от формы тока, – коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

Найденный ток должен быть меньше действующего значения прямого тока:



Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре:



где – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможность перенапряжений на тиристорах; – линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, . должно быть меньше повторяющегося напряжения тиристора.

Для нахождения ударного тока внутреннего короткого замыкания (КЗ на стороне постоянного тока, якорная цепь двигателя и реактора вне цепи) определяется амплитуда базового тока:



где - амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Ударный ток внутреннего короткого замыкания находится по формуле:



где , определяется по кривым [3, рис. 1.128, с. 106] в зависимости от в зависимости от при .



Тиристор будет удовлетворять требованиям, если ток внутреннего короткого замыкания в преобразователе будет меньше ударного тока тиристора, то есть:

По выше найденным соотношениям выбираем тип тиристора [2], типа Т171–200 с техническими данными представленными в табл. 1.


Таблица 1

Тип Uпор, В Umax, В Imax cp, A Iyд, kA I2tтир, A2c (du/dt), мкс
Т171–200 1,15 500…1200 200 5,2 135000 160

Выбор катодного дросселя


Так, как пульсации выпрямленного тока существенно ухудшают режим коммутации в двигателе и увеличивают его нагрев, для их сглаживания в схему добавляют катодный дроссель. Для этого необходимо найти амплитудные значения выпрямленного напряжения основной гармоники:



где – средневыпрямленное напряжение при угле регулирования, равном нулю; р = 6 – для трехфазной мостовой; k = 1 – кратность гармоники, т.е. отношение порядкового номера гармоники к числу пульсации. В симметричной мостовой и нулевых схемах наибольшую амплитуду имеет основная гармоника k = 1. Гармоники более высокой кратности имеют малую амплитуду, и действие дросселя на них эффективнее, поэтому расчет индуктивности дросселя ведется только по первой гармонике.

По известной амплитуде переменной составляющей и допустимому действующему значению основной гармоники тока н1 (1)% необходимая величина индуктивности цепи выпрямленного тока рассчитывается по формуле:



где – для машин без компенсационной обмотки; – номинальный ток двигателя.

Индуктивность сглаживающего ректора:


где – индуктивность анодного реактора,

Так, как по расчету получилась отрицательная величина , то это свидетельствует о том, что при принятом уровне пульсации тока катодный дроссель не нужен. Тогда действительный уровень пульсации тока первой гармоники с учетом приведенной индуктивности трансформатора или анодного реактора можно определить по формуле:



Значение гранично-непрерывного тока якоря двигателя в этом случае можно найти, используя соотношение:



где – граничное значение коэффициента:


Рассчитаем максимальный угол регулирования :



где – конструктивная постоянная на номинальный поток:



Рассчитаем скорость двигателя при максимальном угле управления:



При угле регулирования значение гранично-непрерывного тока больше, чем , значит влиянием прерывистого режима тока электроприводе нельзя пренебречь.


Расчет параметров силовой цепи электропривода


Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель – преобразователь:



Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигатель – преобразователь:



d – Коэффициент из табл. 1 [2].

Напряжение преобразователя при работе электропривода в номинальном режиме



Угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы:



Минимальный угол регулирования должен превышать для надежного включения вентиля, значит запас напряжения доступный преобразователю равен отношению:

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигатель – преобразователь:


Электромеханическая постоянная времени электропривода:



где:–приведенное значение момента инерция привода;


Построение статических характеристик разомкнутого электропривода


Естественные характеристики двигателя


Найдем номинальное значение момента двигателя:



Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока описывается выражением [3]:



Естественную характеристику построим по двум точкам:

1. Точка идеального холостого хода при :



2. Точка работы при номинальной частоте вращения .


Основные характеристики электропривода


Основная механическая характеристика электропривода описывается уравнением:


Основную характеристику построим по двум точкам:

1. Точка идеального холостого хода при :



2. Точка работы при номинальной частоте вращения .


Характеристики, обеспечивающие минимальную скорость работы электропривода


Минимальную скорость работы электропривода будет обеспечивать

напряжение преобразователя равное:



1. Точка идеального холостого хода при :



2. Точка работы при минимальной частоте вращения .


Характеристики аварийного динамического торможения


Механическая характеристика динамического торможения описывается выражением:



где – добавочное сопротивление якоря двигателя при динамическом торможении.



Все полученные характеристики построены на рис. 2 и рис. 3.


Рис. 2


Рис. 3


Синтез и расчет параметров регуляторов в линеализованных системах управления частотой вращения электропривода


Структурная схема автоматизированного электропривода


При проектировании электропривода двухконтурной схемой с контурами регулирования скорости и тока, линеаризованная структурная схема двухконтурного автоматизированного электропривода регулирования частоты вращения представлена на рис. 4.


Рис. 4


Где передаточные функции звеньев двигателя: W1(р), W2(р), W3(р); преобразователя WП(p) и передаточные функции фильтров WОС(p), WОТ(p), положительная обратная связь с передаточной функцией W4(р) служит для компенсация внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, передаточные функции регуляторов WРС(p), WРТ(p) и их параметры будут определен в процессе синтеза методом подчиненного регулирования.

Тиристорный преобразователь является звеном, передаточная функция которого:


где – коэффициент усиления управляемого вентильного преобразователя, который определяется выбранной точкой линеаризации; Тn = 0,009 с – постоянная времени системы управления преобразователем.

Коэффициент обратной связи по току:



где – напряжение насыщения выхода регулятора скорости.

Расчетное значение коэффициента обратной связи по скорости определяется выражением:



где – максимальное значение напряжения задания.

Синтез начинаем с внутреннего контура – контура тока.


Синтез контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя


Структурная схема контура тока представлена на рис. 5, на которой: kТ – коэффициент обратной связи по току; WРТ(р) – передаточная функция регулятора тока, которая подлежит определению.


Рис. 5


При синтезе прими следующие допущения:

Пренебрежем влиянием ЭДС вращения в контуре тока якоря.

Не учитывается влияние внутренней обратной связи по ЭДС двигателя

Настройку регулятора тока будем осуществлять на технический оптимум, следовательно, разомкнутый контур тока должен имеет передаточную функцию:



Следовательно, передаточная функция регулятора тока по схеме рис 4 определится из условия:



и при получим передаточную функцию регулятора тока:


где - коэффициент передачи пропорциональной части регулятора тока, – постоянная времени интегральной части регулятора тока.


Синтез контура регулирования скорости (КРС) электропривода


Контур скорости будем настраивать на симметричный оптимум для обеспечения астатизма САУ.

Контур скорости является внешним по отношению к контуру тока. Структурная схема контура скорости электропривода при тех же допущениях показана на риc. 6.


Рис. 6


Примем некомпенсируемую постоянную времени в контуре скорости:



При настройке на симметричный оптимум, разомкнутый контур скорости должен имеет передаточную функцию:



Следовательно, передаточная функция регулятора скорости определится из условия:



Следовательно, передаточная функция регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум:



где – коэффициент передачи пропорциональной части регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум, – постоянная времени интегральной части регулятора скорости при настройке контура скорости на симметричный оптимум



При настройке на симметричный оптимум для уменьшения перерегулирования на вход системы необходимо установить фильтр с передаточной функцией:


Частота пропускания системы подчиненного регулирования скорости электропривода при настройке его на симметричный оптимум и наличии фильтра на входе равна


Моделирование переходных процессов скорости и тока электропривода на ЭВМ с помощью пакета MATLAB


Для проверки расчетов регуляторов делаем моделирование системы электропривода в прикладном пакете программ MATLAB6.5.

Структурная схема электропривода представлена на рис. 7.


Рис. 7


Переходные процессы по скорости и току при пуске вхолостую, разгоне до минимальной скорости, с последующим разгоном до номинальной скорости, далее торможением до минимальной скорости и остановкой на рис. 8.


Рис. 8

Переходные процессы по скорости и току при пуске вхолостую с последующим реверсом и остановкой на рис. 9.


Рис. 9


Переходные процессы по скорости и току при разгоне до