Расчет силовой схемы усилителя мощности, выполненного по схеме реверсивного тиристорного преобразователя

ВведениеЭлектрический привод – это электромеханическая система, состоящая из взаимодействующих электрических, электромеханических и механических преобразователей, а также управляющих, информационных устройств и устройств сопряжения, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.В ЭП используются:– электродвигатели вращательного и поступательного движения постоянного и переменного тока непрерывного и дискретного перемещений;– механические преобразователи в виде цилиндрических, червячных и планетарных редукторов, передач винт – гайка, цепных и ременных передач, гидравлических и электромагнитных муфт;– электрические силовые преобразователи (усилители мощности), включающие в себя управляемые выпрямители, инверторы тока и напряжения, преобразователи частоты, импульсные регуляторы переменного и постоянного напряжения;– устройства управления, в состав которых входят командоаппараты, блоки логических элементов, регуляторы, усилители, микропроцессоры и управляющие электронные машины.1 Выбор двигателяКинематическая схема ЭП лебедки приведена на рис.1.1.Исходные данные:– масса груза m = 2200 кг;– скорость подъема υи.о = 0,17 м/с;– точность поддержания скорости Δυи.о/ υи.о=0,011.Рисунок 1.1 – Кинематическая схема.Мощность электродвигателя при подъеме груза определяем по формулегдеη = ηрηб, – результирующий КПД кинематической схемы ЭП;ηр и ηб – КПД соответственно редуктора 4 и барабана 8.На первом этапе проектирования необходимо задаться КПД редуктора и барабана. (ηр≈0,7-0,9, ηб≈0,8-0,95).Также следует задаться моментом инерции редуктора Jp≈0,1Jд.Выбираем двигатель ДСПЯ-0,4.Паспортные данные параметров двигателя:– номинальная мощность двигателя Рдв N =4000 Вт;– номинальное напряжение обмотки якоря двигателя UяN=220 В;– номинальный ток обмотки якоря двигателя IяN=24 А;– номинальная угловая скорость вращения двигателя ΩдN =314 рад/с.– активное сопротивление обмотки якоря Rя=0,12 Ом;– индуктивность обмотки якоря Lя Гн (требуется определить);– момент инерции ротора двигателя Jд=150·10-6 кгм2.Определим эквивалентный момент инерции ЭП по формуле:Отношение скоростей υи.о/Ωд называется радиусом приведения (ρ), т.е. υи.о/Ω д=ρ.Приведенный к валу двигателя момент сопротивления нагрузки2 Расчет силовой схемы усилителя мощности, выполненного по схеме реверсивного тиристорного преобразователяСхема силовой части ТП и способ управления:- схема ТП – два трехфазных мостовых управляемых выпрямителей, включенных по встречно- параллельной схеме (рис.2.1, а); - способ управления ТП – раздельный.Рисунок 2.1 – Силовая схема выпрямителя.Параметры питающей сети:– величины напряжение Uc =220/380В;– частоты напряжения fc =50 Гц;– допустимые отклонения напряжения питающей сети ±ΔUc =±10%. Допустимый коэффициент перегрузки двигателя по моменту, kпер=1,5.Допустимая пульсация тока обмотки якоря Iя.п=0,1 Iя.N.2.1 Выбор трансформатора силовой схемы ТПВыбор трансформатора силовой схемы ТП выполняется по двум параметрам, которые следует рассчитать:– установленная мощность трансформатора SТ;– напряжение вторичной обмотки трансформатора U2ф.Напряжение фазы первичной обмотки равно напряжению питающей сети U1ф=Uc=220 В.Рабочая частота трансформатора равна частоте питающей сети fc=50Гц.Коэффициент типовой мощности трансформатора трехфазной мостовой схемы выпрямления Sтр/Рd=1,05.Напряжение холостого хода управляемого выпрямителя Ud0 определим с учетом падений напряжения на элементах схемыUd0= Uя N +ΔURL+ΔURтр+kтΔUв.пр,где ΔURL – падение напряжения на активном сопротивлении обмоток дросселей, включенных последовательно с обмоткой якоря;ΔURтр – падение напряжения на активом сопротивлении обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;ΔUв.пр – падение напряжения на открытом тиристоре;kт – коэффициент тактности выпрямителя. Для трехфазной мостовой схемы kт=2.На первом этапе расчета элементы выпрямителя еще не выбраны, поэтому при расчете Ud0 задаемся следующими примерными значениями падений напряжения:ΔURL =0,03UяN=0,03·220=6,6 В;ΔURтр =0,02UяN=0,02·220=4,4 В;ΔUв.пр=1,75 В.Ud0= 220+6,6+4,4+2·1,75=234,5 В,При раздельном способе управления ток цепи постоянного тока выпрямителя IdN= IяN =24 А.Номинальная расчетная мощность цепи постоянного тока выпрямителяРdN=Ud0IdN=234,5·24=5628 Вт.Типовая мощность трансформатора трехфазной мостовой схемы выпрямленияНапряжение вторичной обмотки трансформатора определим по формулегде kсх – коэффициент преобразования схемы трехфазной мостовой схемы выпрямления kсх=2,34;kс – коэффициент, учитывающий нестабильность напряжения питающей сети, kc=(UcN-ΔUc)/ UcN=0,9;αmin – минимальное значение угла регулирования, принимаем равным 10о. cos10o=0,9848.Выбираем трансформатор типа ОСМ-6,3 мощностью по 6300 Вт с напряжением вторичной обмотки 220 В. Первичную и вторичную обмотки соединяем по схеме «звезда».2.2 Расчет параметров выпрямителяОпределим) активное сопротивление обмоток фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмоткегде Вm – значение магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора;nст – число стержней магнитопровода трансформатора, несущих обмотки;kr – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления:kr =2,5·103 – для трехфазной мостовой схемы;f =50 ГцВm принимаем равным 1,2 Тл; nст=1; Ud0= 31,8 В; IdN= IяN =24 А.Определим индуктивность обмотки якоряLя=kLUяN/(рпIяNΩN)=0,6·220/(2·24·314)=0,009 Гн.где kL принято равным 0,6 т.к. двигатель выполнен без компенсационнойобмотки; рп=2.Определим индуктивность рассеяния обмотки трансформатора, приведенная к вторичной обмоткеLa=uкU22лN/(ωcSт)=0,035·2202/(314·6300)=0,001 Гн,где uк =0,035– напряжение короткого замыкания трансформатора о.е.;U2лN=220 В – номинальное линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора;Sт =6300 Вт – номинальная мощность трансформатора (в целом);ωc=2πfc =314 с-1– угловая частота напряжения питающей сети.2.3 Расчет величины сглаживающего дросселяОпределим требуемое значение индуктивности цепи обмотки якоря Lэ для подавления пульсаций тока якоря Iя.п до величины, равной 0,1IяN=2,5 А.Требуемое значение индуктивности сглаживающего дросселя Lc.д определим как разность индуктивности Lэ и индуктивности обмотки якоряВыбираем стандартный дроссель типа Д364 обмотки соединяем параллельно, при этом получим следующие параметры дросселя:– индуктивность L=0,112 Гн;– активное сопротивление обмотки дросселя R=2,52 Ом.2.4 Расчет индуктивности уравнительного дросселяУравнительный дроссель не требуется, т.к. применен раздельный способ управления.В результате эквивалентная индуктивность цепи обмотки якоряLэ = Lя + Lс.д =0,009+0,112=0,121 Гн.Эквивалентное активное сопротивление цепи обмотки якоряRэ=Rя+ RL=0,12+2,54=2,66 Ом.Электромагнитная постоянная времени ЭПТэ= Lэ/ Rэ=0,121/2,66=0,045 с.Электромеханическая постоянная времени ЭПОпределим коэффициенты:Коэффициент ЭДС:Номинальный момент двигателяМN=PN/ΩN=4000/314=12,7 Нм.Коэффициент момента2.5 Расчет потерь мощности и КПД выпрямителя и ЭП в целомПотери мощности на активных сопротивлениях обмоток трансформатораДействующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определим по формуле, воспользовавшись относительными параметрами выпрямителяПотери мощности в тиристорахПотери мощности на активном сопротивлении обмотки сглаживающегодросселя, установленного в цепи обмотки якоряСумма потерь мощностиПолезная мощность, отдаваемая выпрямителем двигателюКоэффициент полезного действия выпрямителяКПД двигателяКоэффициент полезного действия ЭП в целом в соответствииВывод: КПД ЭП в целом, находится в тех пределах значений КПД, которые соответствует ЭП малой мощности.3 Передаточные функции датчиков тока, скорости и тиристорного преобразователя3.1 Передаточная функция тиристорного преобразователяПередаточная функция управляемого тиристорного выпрямителя вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ может быть представлена апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Тп ≈ 0,0004 - 0,01 с. Принимаем Тув= Т1=0,0066 с.Передаточная функция управляемого выпрямителя имеет вид:3.2 Определение передаточной функции датчика токаВыбираем датчик тока фирмы LEM типа HY 5-P, параметры которого:– номинальное значение входного тока IвхN: ± 32 А;– точность в процентах к номинальному значению тока: 2,5 %;– диапазон преобразования: 3·IN А;– выходной сигнал UдтN= 4 В;– рабочая частота: 0…25 кГц;– напряжение питания: ± 15 В;– потребляемый ток: 20 mА;– рабочая температура: -10…+75оС;– габаритные размеры мм: 36 * 33 * 12Передаточная функция датчика тока с согласующим устройством, определяем по формуле3.3 Определение передаточной функции датчика скоростиВыбираем тахогенератор типа ТГП-1, параметры которого:– номинальная скорость вращения Ωтг N=732,66 рад/с;– номинальное выходное напряжение тахогенератора Uтг N=42 В.Передаточная функция датчика скорости с согласующим устройством определяется по формуле3.4 Синтез системы подчиненного регулирования ЭП лебедкиПроектируемая система является системой, регулируемой по скорости исодержит два контура:– контур тока (внутренний контур);– контур скорости (внешний контур).Необходимо рассчитать параметры регулятора тока и регулятора скорости.Выполним расчет параметров регулятора тока якоря двигателя в системе тиристорный управляемый выпрямитель - двигатель с учетом параметров управляемого выпрямителя. Расчет этого контура производится для случая неподвижного (заторможенного) якоря или при выключенном возбуждении двигателя.Рисунок 3.1 - Структурная схема контура регулирования тока в системе подчиненного регулированияРисунок 3.2 - Принципиальная электрическая схема контура регулирования токаДля рассматриваемого токового контура Тэ является большой постоянной времени, которую требуется компенсировать. Передаточная функция разомкнутого контура тока преобразователя и якорной цепи двигателя имеет видC учетом рекомендаций, приведенных выше, в качестве регулятора должен быть применен ПИ – регулятор. Тогда передаточная функция разомкнутого контура токаС целью компенсации большой постоянной времени токового контура (Тэ) необходимо принять Т0=Тэ. Необходимую форсировку для этой компенсации будет создавать регулятор, воздействуя на СИФУ управляемого выпрямителя. В результате передаточная функция разомкнутого токового контура принимает видПередаточная функция замкнутого токового контураОпределяем требуемую постоянную времени регулятора токаТ01=2Т1kIkп/Rэ=2·0,0066·0,008·51,5/2,66=0,002 с.Зададимся величиной емкости конденсатора цепи обратной связи регулятора тока С=0,1 мкФ=0,1·10-6 Ф определим величину резисторов R1 и Rос: R1= Т01/С=0,002/0,1·10-6=0,02·106 Ом;Rос= Тэ/С=0,045/0,02·10-6=2250 кОм.Принимаем значения R1=0,1·М Ом, а Rос=2200 кОм. Передаточная функция ПИ– регулятораПередаточная функция регулятора тока примет вид:При таком регуляторе тока передаточная функция замкнутой по току системыКак видно из этой передаточной функции, получилось характеристическое уравнение контура с оптимальным соотношением коэффициентов, что и требовалось. Значит, переходный процесс в контуре тока при выбранной настройке регулятора будет оптимальным при скачке сигналазадания тока Uз.т.Перерегулирование σ =4,39%, время переходного процесса t1=4,7T1. В результате проведенных операций получилось замена двух инерционных звеньев (одно с большой постоянной времени) колебательным звеном (с коэффициентом затухания ξ=0,707), близким к инерционному звену с постоянной времени 2Т1, т.е. существенно повысилось быстродействие контура при хорошем качестве переходного процесса.Рисунок 3.3 – График переходного процесса контура тока.Коэффициент усиления регулятора скорости и его параметры при настройке рассчитываются по формулеЕсли принять R1=500 кОм, то Rос=0,28·500·103=140·103 Ом. Постоянная времени Т0 интегральной части принимается равной Т0=Rо. сС=8Т1=8·0,0066=0,0528 с,Передаточная функция регулятора скоростиПередаточная функция замкнутой по скорости системы с датчикомскорости в цепи обратной связиРисунок 4 – Переходная характеристика с замкнутым контуром скорости.Полученная переходная характеристика соответствует настройкам регуляторов.ЗаключениеВ ходе выполнения работы произвели расчет электропривода по заданным параметрам нагрузки. По рассчитанному значению мощности произвели выбор приводного электродвигателя постоянного тока, для которого произвели расчет и выбор системы на основе преобразователя постоянного напряжения.Для выбранного электродвигателя и системы управления произвели расчет параметров замкнутой структурной схемы с контурами регулирования тока и скорости, для которых произвели расчет параметров регуляторов и построение переходных характеристик. Список использованных источников1.Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб.: М.- Энергоиздат, 1981. - 576 с. 2. КлючевВ.И., ТереховВ.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. Учебник для вузов. -М.: Энергия. 1980. -360 с. 3. Мартынов А.А. Электрический привод.: Учеб. пособие/ А.А.Мартынов. СПб.: СПбГУАП, 2013. 429 с.: ил. 4. Мартынов А.А. Вентильный электропривод роботов. Расчет и проектирование систем тиристорного электропривода: Учебн. пособие/ ЛИАП. Л. 1991. 92с. 5. Мартынов А.А. Проектирование электроприводов: Учебн. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2004. 97 с. 6. Косулин В.Д., Мартынов А.А. Вентильный электропривод для роботов. Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1991. –152с. 7. Мартынов А.А. Силовая электроника. ЧI: Выпрямители и регуляторы переменного напряжения: Учебн. пособие/ СПб.: ГУАП, 2011. –184с.