Система управления электроприводом постоянного тока с управлением в цепи возбуждения двигателя

Реферат к курсовому проекту по предмету «Системы управления электроприводом»

Объект разработки? система управления электроприводом постоянного тока с управлением в цепи возбуждения двигателя.

Цель разработки? расчёт силовой части и системы управления привода, выбор двигателя, трансформатора, полупроводниковых элементов, защитной аппаратуры, элементной базы системы управления, проектирование структурной, функциональной и принципиальной схем привода.

Метод исследования? аналитическое исследование систем управления посредством математических вычислений.

ЭЛЕКТРОПРИВОД, ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, УПРАВЛЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ, ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ТРАНСФОРМАТОР, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Содержание Введение

1. Определение параметров объекта регулирования

2. Расчёт параметров регуляторов

2.1 Регулятор тока возбуждения

2.2 Регулятор тока якоря

2.3 Регулятор скорости

3. Моделирование системы электропривода

4. Выбор элементной базы системы электропривода

4.1 Силовые полупроводниковые приборы

4.2 Защитная и коммутационная аппаратура

5. Применение разработанного электропривода в металлургическом производстве Перечень ссылок

Введение

В курсовом проекте рассматривается реверсивный электропривод постоянного тока с управлением в цепи возбуждения двигателя.

Рассмотрим принцип действия трёхконтурной системы регулирования скорости двигателя управлением в цепи возбуждения. Якорь двигателя подключен к сети, напряжение которой изменяется только при разгоне и торможении двигателя в зоне вращения n н. Якорная обмотка питается от неуправляемого вентильного преобразователя, а обмотка возбуждения — от управляемого.

Система регулирования скорости трёхконтурная с обратными связями по току возбуждения, току якоря и скорости вращения двигателя. На входе регулятора скорости сравниваются сигналы заданного и действительного значений скорости вращения двигателя. Выходной сигнал регулятора скорости, представляющий собой задание тока якоря двигателя, поступает на вход регулятора тока якоря, на второй вход которого подаётся сигнал, пропорциональный действительному значению тока якоря. Внутренним контуром системы является контур тока возбуждения. На входе регулятора этого контура сравниваются сигналы заданного (от регулятора тока якоря) и действительного значений тока возбуждения. Измерение тока якоря и тока возбуждения производится датчиками, подключенными к соответствующим шунтам.

В системе введены ограничения тока якоря и тока возбуждения двигателя. Регламентация предельных значений тока якоря и тока возбуждения выполнена путём ограничения выходных сигналов регуляторов скорости и тока якоря соответственно.

Разгон привода от нуля до номинальной скорости вращения производится плавным увеличением напряжения, питающего якорь двигателя. При этом сигнал задания на вход регулятора скорости не подаётся, вследствие чего выходное напряжение регулятора имеет максимальное значение и полярность, совпадающую с полярностью сигнала датчика тока якоря. При такой полярности этих сигналов выходное напряжение регулятора тока якоря равно нулю. Таким образом, в рассматриваемой зоне система замкнута только по току возбуждения, поддерживая его номинальным.

После того как напряжение на якоре двигателя и скорость вращения достигнут номинальных значений на вход регулятора скорости подаётся сигнал задания, пропорциональный заданной скорости вращения n> n_н. Обычно этот сигнал поступает от задатчика интенсивности. До тех пор, пока величина сигнала задания скорости не достигнет значения, соответствующего номинальной скорости, на входе регулятора скорости продолжает преобладать сигнал обратной связи, вследствие чего система остаётся разомкнутой по скорости и току якоря и скорость вращения привода не меняется. Дальнейшее увеличение скорости начнётся после того, как на входе регулятора скорости сигнал задания превысит значение, соответствующее номинальной скорости вращения. Выходное напряжение регулятора скорости изменит полярность, вследствие чего на выходе регулятора тока якоря появится сигнал, действующий встречно напряжению смещения, т. е. будет иметь место ослабление поля.

В установившемся режиме работы сигналы на входах всех трёх ПИ-регуляторов сбалансированы, а величина тока возбуждения соответствует заданной скорости вращения двигателя.

1. Определение параметров объекта регулирования Сопротивление якорной цепи с учётом температурного коэффициента:

где: ?_т — температурный коэффициент, равный 1,24 для машин серии МП.

Выбираю трансформатор для якорной цепи с номинальной мощностью больше номинальной мощности двигателя типа ТСЗП-250/0,7-В с номинальным первичным напряжением 380 В и номинальным вторичным напряжением 230 В.

Принимаю потери в меди 2% от номинальной мощности трансформатора:

Вт Вторичное напряжение выбранного трансформатора U_2н = 230 В, а напряжение якорной обмотки U_н = 440 В. Принимаю трёхфазную мостовую схему для вентильного преобразователя якоря.

Активное сопротивление трансформатора:

В трёхфазной мостовой схеме фазность равна 6.

ЭДС преобразователя якоря:

Напряжение на обмотке возбуждения:

Мощность цепи возбуждения:

Выбираю трансформатор типа ТСЗИ-1,6 с номинальным первичным напряжением 380 В и номинальным вторичным напряжением 85 В.

Максимальная ЭДС преобразователя возбуждения:

Принимаю напряжение короткого замыкания трансформатора якорной цепи U_k = 0,04.

Выпрямленный ток преобразователя равен номинальному току якоря.

Эквивалентное сопротивление рассеивания трансформатора:

Активное сопротивление шин:

Активное сопротивление главной цепи:

Активное сопротивление цепи возбуждения:

Ом Индуктивность якорной цепи:

С = 0,15 — для двигателей с компенсационной обмоткой;

р — число пар полюсов двигателя.

Коэффициент выпрямления по току трёхфазной мостовой схемы:

Входной ток преобразователя:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведённое ко вторичной обмотке:

Индуктивность рассеивания трансформатора:

где ?_с = 314 рад/с — угловая частота питающей сети.

Индуктивность главной цепи:

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:

Электромагнитная постоянная времени главной цепи:

Коэффициент наклона кривой намагничивания:

Принимаю К_ф = 3•10^-3Ом· с.

Принимаю коэффициент учёта рассеивания? = 1,5.

Поток рассеивания:

Вб Индуктивность рассеивания:

Гн Индуктивность цепи возбуждения:

Гн Электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения:

Падение напряжения на вентилях принимаю равным? U_в = 2 В.

Определяем номинальный момент двигателя:

Номинальная ЭДС двигателя:

Суммарный момент инерции, приведённый к валу двигателя:

Коэффициенты двигателя:

Электромеханическая постоянная времени:

Постоянная времени контура вихревых токов:

Передаточный коэффициент цепи возбуждения двигателя:

Выбираю тахогенератор типа ТП-75−20−0,2 с номинальной скоростью 3000об/мин и коэффициентом передачи 20 мВ•мин/об.

Номинальное напряжение тахогенератора:

Коэффициент делителя напряжения тахогенератора:

где U_max = 10В — максимальное напряжение для системы УБСР-АИ.

Выбираю шунт якорной цепи с напряжением U_ншя = 75мВ и номинальным током I_ншя = 750А. Для УБСР-АИ U_дтяmax = 10 В, U_дтвmax = 10 В.

Передаточный коэффициент шунта якоря:

Выбираю шунт цепи возбуждения с напряжением U_ншв = 75мВ и номинальным током i_ншв = 10А.

Передаточный коэффициент шунта возбуждения:

Максимальный ток якоря:

Коэффициенты усиления датчиков тока якоря и тока возбуждения:

Коэффициент двигателя С_е:

Коэффициент двигателя С_м:

Минимальный поток двигателя:

Относительное значение минимальной ЭДС возбуждения:

Коэффициент вентильного преобразователя возбуждения (форма опорного напряжения СИФУ — синусоидальная):

Механическая характеристика привода определяется выражением:

Скорость холостого хода (при угле управления равном нулю):

Минимальная скорость двигателя:

Рисунок 1? Механические характеристики привода.

Некомпенсированная постоянная времени контуров тока якоря и возбуждения: Т_? = 5•10^-3 с.

2. Расчёт параметров регуляторов

2.1 Регулятор тока возбуждения

Задаюсь С_оств = 1,5мкФ.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_оств = 620кОм.

Перерегулирование по току возбуждению ?_ів = 4,3%. Определяю постоянную интегрирования контура тока возбуждения а_тв = 2.

Постоянная времени интегрирования контура тока возбуждения:

Определим R_тв и С_тв:

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_тв = 7,5кОм.

Округляю до ближайшего стандартного значения: С_тв = 43мкФ.

Для системы регулирования скорости управлением в цепи возбуждения:

Задаюсь величиною напряжения смещения U_см = 10 В.

Определяем R_см:

Сопротивление R_зтв находится из условия ограничения минимального тока возбуждения. Задаюсь U_зтвmax = 8 В.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_тв = 8,2кОм.

2.2 Регулятор тока якоря Задаюсь С_остя = 1,5мкФ.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_остя = 5,6кОм.

Выбираю значение атя в зависимости от заданной величины ?_iя.

При ?_iя = 4,3% а_тя = 2.

Постоянная времени интегрирования контура тока:

Задаюсь напряжением ограничения регулятора тока якоря, соответствующим номинальному току якоря U_зтяmax = 8 В.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_тя = 12МОм.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_зтя = 10МОм.

2.3 Регулятор скорости Коэффициент интегрирования:

а_с = Т_с/Т_тя

Допустимая производная тока:

Относительное значение динамического тока, определяемое задатчиком интенсивности равно единице j_д = 1 (т. е. I_dп = I_н).

Рисунок 2? Зависимость относительного значения производной тока двигателя от параметра а_с. а_с = 5,5

Принимаю напряжение задания, соответствующее максимальной скорости вращения U_зсmax = 10 В. Задаюсь сопротивлением R_зс = 51кОм.

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_с = 270кОм.

Для системы регулирования скорости управлением в цепи возбуждения:

Округляю до ближайшего стандартного значения: R_осс = 270кОм.

Для двукратно интегрирующих систем b_c = 2.

Округляю до ближайшего стандартного значения: С_осс = 3,3мкФ.

Округляю до ближайшего стандартного значения: С_зс = 75мкФ.

3. Моделирование системы электропоривода На входе системы включено апериодическое звено, служащее для уменьшения перерегулирования тока якоря при возмущении по заданию.

Передаточная функция данного апериодического звена:

Коэффициент обратной связи по скорости:

Передаточная функция регулятора скорости:

Регулятор тока якоря:

Регулятор тока возбуждения:

Передаточная функция цепи возбуждения:

Передаточная функция якорной цепи:

Механическая часть двигателя:

Рисунок 3? Математическая модель системы регулирования скорости двигателя управлением в цепи возбуждения.

Рисунок 4? График скорости двигателя.

Рисунок 5? График тока якоря.

Рисунок 6? График тока возбуждения.

4. Выбор элементной базы системы электропривода

4.1 Силовые полупроводниковые приборы Выбор силовых полупроводниковых приборов для преобразователя якоря.

I_d = I_н = 750А; U_d = E_doя = 537,991В

Для трёхфазной мостовой схемы:

К_iср = 1/3; К_u = ?/3

Средний ток через вентиль:

Принимаю охлаждение естественное. Коэффициент запаса по току К_зi = 0,2, ток через вентиль равен:

Повторяющееся импульсное обратное напряжение:

Выбираю 6 силовых диода типа Д153−1600−6 УХЛ2.

Условные обозначения:

? Д — диод;

? 1 — для применения в установках общепромышленного назначения;

? 5 — максимальный диаметр корпуса таблеточного диода — 75 мм;

? 3 — таблеточный диод;

? 1600 — максимально допустимый граничный ток в открытом состоянии;

? 6 — класс диода, т. е. количество 100 В повторяющегося напряжения

(600В);

? УХЛ — для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом;

? 2 — категория размещения — под навесом.

Выбор силовых полупроводниковых приборов для преобразователя возбуждения.

i_d = i_вн = 7,2 А; U_d = E_doв = 198,823В

Для трёхфазной мостовой схемы выпрямления:

К_iср = 1/3; К_u = ?/3

Средний ток через вентиль:

Принимаю охлаждение естественное. Коэффициент запаса по току К_зi = 0,2, ток через вентиль равен:

Повторяющееся импульсное обратное напряжение:

Выбираю 6 тиристоров типа Т112−16−8 УХЛ2.

Условные обозначения:

? Т — тиристор;

? 1 — для применения в установках общепромышленного назначения;

? 1 — размер шестигранника под ключ для штыревого тиристора — 11 мм;

? 2 — штыревой с жёстким выводом тиристор;

? 16 — максимально допустимый граничный ток в открытом состоянии;

? 8 — класс тиристора, т. е. количество 100 В повторяющегося напряжения (800В);

? УХЛ — для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом;

? 2 — категория размещения — под навесом.

4.2 Защитная и коммутационная аппаратура Защита от коммутационных перенапряжений осуществляется включением R-C цепочек на входных шинах тиристорного преобразователя возбуждения.

Индуктивность рассеивания трансформатора возбуждения:

Сопротивления резисторов рассчитываю по формуле:

Сопротивления резисторов принимаю равными R = 1,5кОм.

Ёмкости конденсаторов рассчитываю по формуле:

Ёмкости конденсаторов принимаю равными С = 2,7нФ.

Для защиты обмотки возбуждения от перенапряжения включаю параллельно обмотки резистор величиной 6•R_в = 6•23,932 = 143,592Ом. Принимаю сопротивление резистора R = 150Ом.

Для защиты полупроводниковых приборов от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, вызванных явлением накопления дырок полупроводниковой структуры, параллельно вентилям включаю индивидуальные R-C цепочки.

Ёмкости конденсаторов принимаю равными С = 300нФ, а сопротивления резисторов R= 30Ом.

Для защиты цепей преобразователей от токов к. з. и недопустимых перегрузок последовательно каждому вентилю включаю предохранитель с номинальным током больше тока через вентиль.

Выбираю для преобразователя якоря 6 предохранителей типа ППН-41 с номинальным током 1250А и номинальным напряжением 690 В. Для преобразователя возбуждения? 12 предохранителей типа ПР-2−15 с номинальным током 15А и номинальным напряжением 380 В.

Для защиты якорной цепи двигателя от перегрузки по току выбираю реле тока типа РЭВ-571 с номинальным током 1200А, а для цепи возбуждения? реле минимального тока типа РЭВ-830 с номинальным током 10А.

Для защиты якорной цепи от понижения напряжения выбираю реле напряжения РЭВ-821 с номинальным напряжением 110 В.

Для коммутации якорной цепи на стороне постоянного тока выбираю контактор постоянного тока типа КПВ 600 с номинальным током 630А и номинальным напряжением 440 В.

Для отключения электрических цепей при к. з., перегрузках, снижении напряжения со стороны сети использую автоматические выключатели.

Для цепи управления выбираю однофазный автоматический выключатель типа АП50Б-2МТ с номинальным током 1А и номинальным напряжением 220 В. Для цепи возбуждения выбираю трёхфазный автоматический выключатель типа АП50Б-3МТ с номинальным током 1,6А и номинальным напряжением 380 В.

Для коммутации цепи якоря на стороне переменного тока выбираю автоматический выключатель типа А3710Б с номинальным напряжением 440 В и номинальным током 400А.

привод трансформатор якорь ток

5. Применение разработанного электропривода в металлургическом производстве Прокатный стан — это комплекс оборудования для производства прокатного профиля со всем относящимся к нему основным и вспомогательным оборудованием. К основному относится оборудование, служащее непосредственно для деформации металла (клети с прокатными валками, приводной двигатель валков, редукторы, шестерённые клети). Всё остальное оборудование, необходимое для осуществления технологического процесса прокатки, называется вспомогательным (нажимные винты, рольганги, шлепперы, ножницы, пилы, моталки и др.)

По характеру выпускаемой продукции различают следующие виды станов:

? обжимные (блюминги, слябинги), выпускающие заготовки квадратного (блюмы) или прямоугольного, плоского сечения (слябы), которые в дальнейшем используются для производства соответственно сортового металла (рельс, балок, прутков и т. п.) или листа. В настоящее время эти функции выполняют также машины непрерывного литья заготовок, оборудованные обжимными прокатными агрегатами;

? заготовочные для дополнительного обжатия блюмов;

? рельсобалочные для прокатки рельсов и крупных балок;

? сортовые для производства сортового металла различного профиля (уголков, балок, прутков, полос и т. п.).

По температуре прокатываемого металла различают станы горячей и холодной прокатки. При горячей прокатке металл предварительно нагревают до температуры порядка 1000? 1250? С. По числу рабочих валков клети прокатные станы разделяют на двухвалковые, трёхвалковые, четырёхвалковые. По расположению валков различают клети с горизонтальными, вертикальными и косыми валками. По числу рабочих клетей станы делятся на одноклетьевые и многоклетьевые.

Различают групповой и индивидуальный приводы прокатных валков. При групповом приводе прокатные валки, установленные в станине клети, приводятся во вращение от общего двигателя через шестерённую клеть. При индивидуальном приводе каждый из прокатных валков приводится от отдельного электродвигателя.

Внедрение индивидуального привода валков реверсивных обжимных станов обусловлено следующими преимуществами:

? увеличением мощности агрегата;

? уменьшением суммарного махового момента привода, благодаря чему обеспечиваются лучшие динамические свойства привода;

? отсутствием точной подгонки валков по диаметру;

? отсутствием шестерённой клети и связанных с ней потерь и расходов на смазку;

? облегчением условий изготовления и транспортировки двигателей меньшего габарита.

Увеличение мощности агрегата при снижении суммарного махового момента позволяет получить большие ускорения, увеличить среднюю мощность прокатки, уменьшить время цикла и увеличить производительность стана.

При индивидуальном приводе валков необходимо обеспечить равномерную загрузку и соответствие скоростей вращения двигателей. Перераспределение нагрузок объясняется тем, что валок с большей линейной скоростью стремится двигать металл быстрее и тем самым разгружает двигатель второго валка. При этом выходящий конец прокатываемой заготовки стремится изогнуться в сторону валка, имеющего меньшую скорость.

Характер прокатки на обжимном стане с индивидуальным приводом определяется многими технологическими и конструктивными факторами: равномерностью нагрева металла, превышением уровня нижнего валка над рольгангом, величиной изгибающего момента, различием линейных скоростей валков, крутизной механических характеристик, величиной ударного падения скорости при входе металла в валки и др.

Реверсивные клети могут иметь, помимо горизонтальных прокатных валков, пару вспомогательных вертикальных валков для обжатия боковых граней заготовки. Такие клети называются универсальными (слябинги, некоторые толстолистовые и балочные станы).

Цикл работы реверсивной клети стана горячей прокатки для одного пропуска в общем случае включает разгон валков вхолостую до скорости захвата слитка, разгон со слитком в валках до установившейся скорости, прокатку на это скорости, торможение до скорости выброса слитка и реверс вхолостую до скорости захвата при противоположном направлении вращения валков. Во время паузы между пропусками с помощью нажимного устройства клети производится перемещение верхнего прокатного валка для изменения раствора между валками в соответствии с требуемым обжатием. В случае необходимости заготовка перемещается в поперечном направлении по рольгангу посредством линеек манипулятора и кантуется (поворачивается на 90? вокруг своей продольной оси) с помощью кантователя. Рабочий рольганг возвращает заготовку к клети для последующего пропуска. По окончании последнего пропуска заготовка транспортируется рольгангом к следующему механизму, а нажимное устройство перемещает верхний прокатный валок в первоначальное положение.

Работа электропривода реверсивных клетей характеризуется частыми реверсами (с числом включений до 1000 и более в час) и ударной нагрузкой, которая может превышать номинальную в 2 раза и более. Диапазон регулирования скорости, определяемый скоростями прокатки и захвата, достигает 10:1. Этим условиям наилучшим образом отвечает электропривод постоянного тока ТП? Д. Номинальная частота вращения двигателей реверсивных обжимных станов лежит в пределах 50?70об/мин. Диапазон регулирования скорости изменением магнитного потока не превышает 2:1.

По условиям технологического процесса прокатки ускорение привода постоянно. Ускорение и замедление во время паузы между пропусками при изменении скорости от скорости выброса до скорости захвата определяются, как правило, временем работы нажимного устройства и лежит в пределах 70?100об/(мин•с) для индивидуальных приводов. Среднее значение динамического момента при этом обычно оказывается равным 0,8?1 номинального, что позволяет использовать большую часть допустимого момента двигателя при разгоне со слитком в валках для обжатия металла.

При увеличении скорости захвата и уменьшении скорости выброса слитка лучше используется запас кинетической энергии вращающихся частей привода, уменьшается нагрев двигателей, а также снижаются броски активной и реактивной мощности в вентильном электроприводе. Предельная скорость захвата определяется коэффициентом трения металла о валки, который снижается с увеличением скорости. Скорость выброса не может быть слишком низкой, т. к. если продолжительность паузы определяется временем работы вспомогательного механизма, например, нажимного устройства, чрезмерное снижение скорости выброса приводит к уменьшению производительности стана. Для реверсивных станов частота вращения захвата привода выбирается в пределах 10?45об/мин. Меньшие значения принимаются в первых пропусках, большие — в последующих. Примерно и в тех же пределах принимается частота вращения привода при выбросе. В последнем пропуске выброс слитка производится на скорости прокатки.

Перечень ссылок

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Системы управления электроприводом» для студентов специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод».

2. Конспект лекций для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Силовые преобразователи автоматизированных электроприводов» по специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод».

3. Конспект лекций для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Элементы автоматизированных электроприводов» по специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод».

4. Справочник по автоматизированному электроприводу под ред. В. А. Елисеева и А. В. Шинянского. Москва, «Энергоатомиздат», 1983 — 618с.

5. Приложения к методическим указаниям по выполнению курсового проекта по дисциплине «Системы управления электроприводом» для студентов специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод».

6. Фишбейн В. Г. Расчёт систем подчинённого регулирования вентильного электропривода постоянного тока. — М.: «Энергия», 1972. — 134с., ил.

7. Горячева Г. А., Добромыслов Е. Р. Конденсаторы: М.: «Радио и связь», 1984. — 88с.; ил.

8. Конспект лекций по дисциплине «Электрические аппараты» для студентов специальности 7.92 203 «Электромеханические системы автоматизации и электропривод», Кривой Рог, 2003.

9. Электрические аппараты. Справочник. И. И. Алиев, М. Б. Абрамов. «Радиософт», 2010. 256с.

10. Резисторы: Справочник. Под ред. И. И. Четверткова, В. М. Терехова, М.: «Радио и связь», изд. 2-е, перераб. и доп., 1991, 528с.

11. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: «Энергоатомиздат», 1985 — 400с., ил.

Приложение А

Приложение Б

Приложение В Приложение Г