Кафедра электропривода и электрооборудования

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

БЕРЕГОВЫХ УСТАНОВОК ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

 

 

 

 

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

Методические указания

К курсовому проекту

Тиристорного электропривода постоянного тока

 

 

Санкт-Петербург

 

УДК 621.313.12-8

ББК 31.291-04

 

 

Рецензент: к.т.н., доцент Е.Г. Барщевский.

Составители: к.т.н., доц. Н.В. Белоусова;

Д.т.н., проф. В.Ф. Самосейко.

Системы управления электропривода: Методические указания к курсовому проекту тиристорного электропривода постоянного тока. – СПб.: СПГУВК, 2000. – 31 с.

 

Предназначены для студентов электротехнического факультета, обучающихся по специальности 180400 Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов.

Содержат материалы по проектированию электроприводов постоянного тока с тиристорными преобразователями, выбору элементов, синтезу системы подчиненного регулирования и технической реализации элементов системы управления, а также различные справочные данные.

 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

 

 

УДК 621.313.12-8

ББК 31.291-04

Ó Санкт-Петербургский государственный

университет водных коммуникаций, 2000.

Содержание

 

 

1. Содержание и объем проекта......……………………………………...4

2. Исходные данные для проектирования……………………………….4

3. Расчет силовой части электропривода постоянного тока………....5

3.1. Состав электрооборудования электропривода

постоянного тока…..…………………………………………………5

3.2. Выбор силового согласующего трансформатора

для тиристорного электропривода………..………………………6

3.3. Выбор сглаживающего дросселя……………………………........9

3.4. Выбор тиристоров преобразователя…………………………....12

4. Расчет параметров подчиненной системы управления ………….13

4.1. Расчет параметров электродвигателя как звена

структурной схемы………………………………………………….14

4.2. Расчет параметров тиристорного преобразователя

как звена структурной схемы ………….....……………….……..15

4.3. Расчет параметров контура тока……….………………………..17

4.4. Расчет параметров звена ограничения тока…………………..18

4.5. Расчет параметров контура скорости….……………………….19

5. Расчет электромеханических характеристик электропривода.....22

6. Моделирование переходных процессов………..…………………...23

7. Техническая реализация элементов системы

подчиненного регулирования…...………………………………….….23

8. Справочные данные по тиристорным преобразователям……….26

9. Справочные данные по силовым трансформаторам…..…………27

10. Задание на курсовой проект………………………………….………28

11. Варианты заданий….………………………………………………….30

Содержание и объем проекта

 

Курсовой проект должен состоять из пояснительной записки объемом не более 25 страниц текста, графиков и схем. Все расчеты должны производиться в системе единиц СИ.

В пояснительной записке должны быть отражены ответы на следующие вопросы.

1.1. Расчет и выбор параметров силовой части электропривода.

1.2. Расчет параметров подчиненной системы управления.

1.3. Расчет статических характеристик электропривода.

1.4. Результаты моделирования динамических процессов в электроприводе: пуск без нагрузки, пуск под номинальной нагрузкой, наброс номинальной нагрузки.

1.5. Схемы системы управления электроприводом с расчетом их параметров (командоаппарата, задатчика интенсивности, регуляторов тока и скорости, системы импульсно-фазового управления преобразователя).

1.6. Общая схема электропривода, включающая в себя систему управления, защиту и сигнализацию.

 

 

Исходные данные для проектирования

 

2.1. Тип электропривода (реверсивный).

2.2. Тип электродвигателя.

2.3. Тип преобразователя.

2.4. Момент инерции механизма, в долях от момента инерции якоря электродвигателя.

2.5. Точность поддержания скорости, в процентах от номинальной скорости вращения электродвигателя.

2.6. Кратность максимального тока электродвигателя.

2.7. Наибольшее значение гранично-непрерывного тока, в процентах от номинального.

2.8. Коэффициент пульсаций выпрямленного тока.

2.9. Четыре значения скорости вращения, задаваемые командоаппаратом, в долях от номинальной скорости.

2.10. Значение скорости, с которой электродвигатель работает наибольшее время, в долях от номинальной скорости.

 

 

Состав электрооборудования

Рис. 1. Функциональная схема тиристорного электропривода

 

3.2.1. Рассчитывается среднее значение напряжения на выводах постоянного тока тиристорного преобразователя при угле управления

где =1,1-1,15 – коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения сети;

– номинальное напряжение на якоре электродвигателя.

3.2.2. Рассчитывается мощность тиристорного преобразователя

где – выпрямленный ток преобразователя, равный току якоря электродвигателя.

3.2.3. Рассчитывается коэффициент полезного действия тиристорного преобразователя

,

где – число вентилей преобразователя, обтекаемых током в каждый момент времени;

– падение напряжения на вентиле в прямом направлении.

3.2.4. Рассчитывается мощность трансформатора для питания тиристорного преобразователя

где – коэффициент использования трансформатора, равный отношению мощности трансформатора к мощности тиристорного преобразователя.

3.2.5. Определяется в относительных единицах величина эквивалентного сопротивления, учитывающая снижение выпрямленного напряжения из-за угла коммутации вентилей. Его величина зависит от параметров трансформатора и принимается приближенно равной

где - число пульсаций выпрямленного напряжения на периоде напряжения сети;

- величина индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора, в относительных единицах равная 0,14-0,18;

- величина активного сопротивления короткого замыкания трансформатора, в относительных единицах равная 0,024 - 0,058.

3.2.6. Рассчитывается максимальное значение э.д.с. тиристорного преобразователя, соответствующее углу управления

где – коэффициент схемы тиристорного преобразователя по напряжению, равный отношению среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора;

– коэффициент схемы тиристорного преобразователя по току, равный отношению среднего значения выпрямленного тока к действующему значению фазного тока.

3.2.7. Рассчитывается действующее значение фазного напряжения на фазных выводах тиристорного преобразователя, которое соответственно равно фазному напряжению вторичной обмотки трансформатора

где – коэффициент схемы тиристорного преобразователя по напряжению;

– коэффициент, учитывающий запас по углу управления, принимаемый равным 1,05.

3.2.8. По расчетной мощности и напряжению выбирается силовой согласующий трансформатор для питания преобразователя.

 

Как звена структурной схемы

 

Электродвигатель содержит два звена, охваченных внутренней обратной связью. Первое звено электродвигателя представляет собой его электрическую часть; оно имеет апериодическую передаточную функцию

,

где - статический коэффициент передачи;

- электрическая постоянная времени цепи якоря электродвигателя.

 

 

 

Рис. 2. Структура системы подчиненного регулирования:

РС - регулятор скорости; ОТ - ограничитель тока;

РТ - регулятор тока; ТП - тиристорный преобразователь;

ЭД - электродвигатель; ДТ - датчик тока; ДС - датчик скорости.

 

Второе звено электродвигателя представляет собой его механическую часть. Это звено имеет передаточную функцию следующего вида

,

где - коэффициент интегрального звена. Момент инерции электродвигателя берется из справочных данных на электродвигатель. Момент инерции механизма задан в исходных данных на проектирование в долях от .

 

Как звена структурной схемы

 

Преобразователь можно представить в виде двух звеньев, соединенных последовательно: силовой части и системы импульсно-фазового управления. Полагается, что силовая часть преобразователя и система импульсно-фазового управления являются апериодическими звеньями первого порядка. Звенья тиристорного преобразователя соединены последовательно и аппроксимируются одним апериодическим звеном первого порядка. Данное апериодическое звено имеет постоянную времени, равную сумме постоянных времен силовой части преобразователя и системы импульсно-фазового управления.

Система управления преобразователя обладает инерционностью. Инерция системы управления преобразователем обусловлена наличием RC-фильтра, имеющего постоянную времени , равную 0,005-0,01 сек.

Силовая часть преобразователя имеет инерционность, обусловленную запаздыванием импульсов управления. Среднее значение времени запаздывания

,

где - период напряжения сети.

Инерционность преобразователя может быть приближенно охарактеризована суммой постоянных времени силовой части преобразователя и его системы управления

,

где - постоянная времени преобразователя.

Статический коэффициент передачи преобразователя (коэффициент усиления) находится следующим образом.

Входной величиной силовой части преобразователя является э.д.с. , а выходной величиной - угол . Они связаны соотношением

.

Входной величиной системы управления преобразователя является напряжение , а выходной величиной – угол фазового управления . При линейном опорном напряжении СИФУ угол управления должен быть связан с напряжением зависимостью

.

При синусоидальном опорном напряжении СИФУ угол управления должен быть связан с напряжением зависимостью

.

Зависимость э.д.с. преобразователя от напряжения системы управления определяется соотношением

.

Подставляя выражения для в формулу для , необходимо найти зависимость от и построить ее на соответствующем графике. На этом же графике построить линейную аппроксимацию от .

Линейная аппроксимация этой зависимости должна иметь вид

,

где коэффициент усиления преобразователя.

Тогда передаточная функция преобразователя может быть представлена апериодическим звеном первого порядка

.

 

Рис. 3. Нелинейное звено ограничения

максимального значения тока

 

Рис. 4. Схема пропорционального регулятора

 

Передаточная функция регулятора имеет следующий вид:

,

где - коэффициент усиления регулятора.

При выборе параметров регулятора следует задать один из них, например кОм. Остальные параметры необходимо рассчитать. Так, например, пропорциональный регулятор контура скорости имеет коэффициент усиления . Следовательно, .

7.2. Схема интегрального регулятора представлена на рис. 5.

Передаточная функция регулятора имеет следующий вид:

,

где - постоянная времени интегрального регулятора.

Рис. 5. Схема интегрального регулятора

 

При выборе параметров регулятора следует задать один из них, например кОм. Остальные параметры необходимо рассчитать. Так, например, интегральный регулятор второго контура скорости имеет постоянную времени .

Следовательно, .

7.3. Схема пропорционально-интегрального регулятора представлена на рис. 6

 

 

Рис. 6. Схема пропорционально-интегрального регулятора

 

Передаточная функция регулятора имеет следующий вид:

,

где - пропорциональная составляющая регулятора;

- постоянная времени интегральной составляющей.

При выборе параметров регулятора следует задать один из них, например кОм. Остальные параметры необходимо рассчитать. Так, например, интегрально-пропорциональный регулятор контура тока имеет пропорциональную составляющую , а постоянную времени интегральной составляющей . Следовательно, , а .

7.4. Схема задатчика интенсивности приведена на рис. 7.

Рис. 7.Схема задатчика интенсивности

 

Параметры схемы выбираются следующим образом. Задается значение сопротивления R1=10 кОм. Сопротивление R2=10×R1. Задается значение емкости, например, С=2 мкФ и определяется R=To/C, где То – постоянная времени задатчика интенсивности.

7.5. Схема звена ограничения тока приведена на рис. 8.

В данной схеме сопротивления резисторов R2-R5 можно принять равными 10 кОм, а сопротивление R1=2 кОм.

Рис. 8. Схема блока ограничения тока

 

 

Справочные данные

Справочные данные

По силовым трансформаторам

 

Трансформаторы, справочные данные по которым приведены в таблице, имеют на вторичной обмотке отпайки, позволяющие понижать напряжение на 20% с шагом 5%. Индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора при указанной схеме соединений в относительных единицах составляет 0,24-0,18. Активное сопротивление короткого замыкания трансформатора при указанной схеме соединений в относительных единицах составляет 0,24-0,18. Большие сопротивления относятся к трансформаторам меньшей мощности.

 

Тип трансформатора	Номинальная мощность (кВА)	Фазное напряжение первичной обмотки	Фазное напряжение вторичной обмотки	Схема соединений
ТСЗ-2,5	2,5			зв./ зв.
ТСЗ-4,5	4,5			зв./ зв.
ТСЗ-7,5	7,5			зв./ зв.
ТСЗ-10				зв./ зв.
ТСЗ-15				зв./ зв.
ТСЗ-22				зв./ зв.
ТСЗ-35				зв./ зв.
ТСЗ-2,5	2,5			тр./ зв.
ТСЗ-4,5	4,5			тр./ зв.
ТСЗ-7,5	7,5			тр./ зв.
ТСЗ-10				тр./ зв.
ТСЗ-15				тр./ зв.
ТСЗ-22				тр./ зв.
ТСЗ-35				тр./ зв.

 

 

Задание на курсовой проект

10.1. Тип электродвигателя постоянного тока и его параметры

№ п.	Тип электро- двигателя	Мощ- ность (кВт)	Напря- жение якоря (В)	К.п.д. (%)	Частота вращения (об./мин.)	Индуктив- ность якоря (мГн)	Сопротивление якоря (Ом)	Момент инерции (кг*м*м)
	2ПН-112М	2,5				2,3	1,33	0,015
	2ПН-112М	2,5				9,3	1,47	0,015
	2ПН-112L	3,4				1,5	0,213	0,018
	2ПН-112L	3,4				6,2	0,824	0,018
	2ПН-112L	5,3		79,5		1,5	0,511	0,018
	2ПН-112L	5,3				3,5	0,437	0,018
	2ПБ-132М	4,5				1,0	0,075	0,038
	2ПБ-132М	4,5				16,7	1,226	0,038
	2ПБ-132М	4,5		81,5		4,2	0,333	0,038
	2ПБ-132М	10,5				2,8	0,234	0,038
	2ПН-160М	13,0		85,5		2,2	0,137	0,083
	2ПН-160М	18,0				1,0	0,061	0,083
	2ПО-180L	20,0				0,92	0,043	0,23
	2ПФ-180М	26,0		89,5		2,7	0,14	0,2
	2ПФ-180М	9,0		77,5		3,7	1,87	0,2

10.2. Индуктивность фазы сети,

в долях от индуктивности якоря двигателя

0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,8

 

10.3. Точность поддержания скорости,

в процентах от номинальной

 

10.4. Момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя,

в долях от момента инерции двигателя

0,5	0,75	1,0	1,25	1,5	1,75	2,0	2,25

 

10.5. Наибольшее значение гранично-непрерывного тока,

в процентах от номинального тока

 

10.6. Кратность максимального тока двигателя

1,8	2,0	2,1	2,3	2,5

 

10.7. Значения скоростей двигателя (n1, n2, n3, n4)

и скорость, с которой двигатель работает наибольшее время n',

в долях от номинальной

n1	1,0	1,0	0,9	0,95	0,85
n2	0,5	0,45	0,4	0,5	0,45
n3	0,2	0,15	0,18	0,2	0,25
n4	0,1	0,08	0,09	0,1	0,05
n'	0,2	0,45	0,4	0,2	0,45

 

 

Варианты заданий

№ варианта	Номера пунктов задания

 

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ