Система импульсно-фазового управления

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

"Теория автоматического управления"

Тема: "Электропривод двигателя постоянного тока"

Вариант задания № 9

Выполнил: студент гр. ЭП-31

Руководитель проекта: Рычков В.В.

.

Киров 2009

Содержание

Реферат............................................................................................................................... 3

Введение............................................................................................................................. 4

Задание............................................................................................................................... 5

ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ................................................................................. 6

РАСЧЁТ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ................................................. 8

1.1 Расчет мощности и выбор силового трансформатора................. 8

1.2 Выбор тиристоров.......................................................................................... 10

1.3 Выбор уравнительного реактора........................................................... 11

1.4 Расчет индуктивности сглаживающего дросселя...................... 12

СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ........................................... 14

2.1 Регулятор скорости...................................................................................... 14

2.2 Система импульсно-фазового управления.................................... 15

2.3 Защита СИФУ от помех............................................................................. 20

Расчет характеристик тиристорного преобразователя............... 21

3.1 Построение регулировочной характеристики .......... 21

3.2 Построение фазовой характеристики СИФУ.................................. 23

3.3 Построение регулировочной характеристики ........ 24

3.4 Максимальный угол регулирования.................................................. 25

3.5 Внешняя характеристика ТП  ……………………………….26

Управление тиристорными группами и режимы работы преобразователей         28

4.1 Построение ограничительных характеристик............................... 28

4.2 Построение графиков выпрямленной ЭДС ТП............................... 28

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 29

5.1 Расчёт энергетических показателей................................................... 29

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ТП-Д.................... 34

ЗАЩИТа ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.................................................. 35

Характеристика разработанного тиристорного преобразователя 40

ЗАКлючение по работе............................................................................................. 41

Библиографический список................................................................................. 42

Реферат

Зворыгин П.В. Расчеты электроприводов постоянного тока: Вариант 10 Курсовой проект/ ВятГУ, каф. ЭП и АПУ; рук. В.И.Лалетин - Киров, 2010. Гр.ч. 1 л. Ф. А1, ПЗ 46 с, 24 рис., 10 табл., 8 источников.

ЭЛЕКТРОПРИВОД, ТИРИСТОР, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, СИЛОВОЙ ТРАНСФОРМАТОР, СОВМЕСТНОЕ СОГЛАСОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ, УРАВНИТЕЛЬНЫЙ РЕАКТОР, СГЛАЖИВАЮЩИЙ ДРОССЕЛЬ, СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ, ВРЕМЕННАЯ ДИАГРАММА, ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА.

В курсовом проекте рассмотрен и исследован технический объект ТП-ДПТ, рассчитан и выбран ряд основных узлов силовой схемы тиристорного преобразователя с трехфазной трехпульсной нулевой схемой выпрямления, предназначенного для работы на якорь электродвигателя постоянного тока: силовой трансформатор, сглаживающий дроссель, уравнительные реакторы, тиристоры. Осуществлен выбор системы импульсно-фазового управления (СИФУ), описан принцип ее работы. Рассчитаны основные характеристики и параметры преобразователя, проанализированы аварийные режимы и на основе их расчета выбраны устройства защиты. В проекте приводится расчет и анализ энергетических показателей проектируемого преобразователя.

           Введение

Тиристорные преобразователи (ТП) служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное (режим выпрямления), постоянного напряжения (тока) в переменное (режим инвертирования). Для питания двигателей постоянного тока используются неуправляемые и управляемые вентильные преобразователи. В неуправляемом в качестве вентилей применяются диоды. Выходное напряжение преобразователя не регулируется. Электроэнергия в таком преобразователе всегда потребляется из сети переменного тока и отдается в цепь постоянного тока.

Управляемый преобразователь собирается на тиристорах. Здесь возможно изменение напряжения преобразователя на стороне постоянного тока по значения и по знаку за счет соответствующего управления тиристорами. В управляемом преобразователе поток энергии может быть направлен как из сети переменного тока в цепь постоянного тока, так и наоборот.

Вентильные преобразователи выполняются с разными силовыми схемами включения вентилей (схемами выпрямления). Чаще всего используются нулевые и мостовые схемы.

     Рассмотренная в данном курсовом проекте схема относится к реверсивным, двухкомплектным, встречно-параллельным, простым, нулевым преобразователям. К особенностям схемы относится Z – соединение вторичной обмотки трансформатора (зигзаг), совместное управление тиристорными группами.

Задание

Пояснительная записка включает в себя следующие основные разелы:

Содержание.

Реферат.

Введение.

Технические данные нагрузки. Исходные данные проекта.

1 Проектирование силовой схемы тиристорного преобразователя.

1.1 Расчет мощности и выбор силового трансформатора.

1.2 Расчет и выбор тиристоров.

1.3 Расчет и выбор уравнительного реактора.

1.4 Расчет и выбор сглаживающего дросселя.

2 Выбор и построение СИФУ.

2.1 Описание структурной и электрической принципиальной схемы СИФУ

2.2 Описание схемы электронных защит.

2.3 Расчет и построение характеристик СИФУ.

3 Расчет и построение силовой части ТП.

4 Разработка системы защиты преобразователя.

5 Расчет энергетических характеристик и показателей ТП.

Заключение. Сравнительная оценка разработанного ТП и промышленного аналога.

Библиографический список.

Основные исходные данные

Встречно-параллельная, простая, нулевая, трехпульсная схема реверсивного тиристорного преобразователя с совместным способом управления его тиристорными группами (ТГ) и двухобмоточным трансформатором.

Основные параметры электродвигателя ПБВ 112 М, на который работает тиристорный преобразователь:

                      номинальный момент;

                         номинальная частота вращения;

                          номинальная мощность;

                               номинальное напряжение на якоре;

                                номинальный ток якоря;

                  максимальный момент при пуске;

                  максимальная частота вращения в продолжительном режиме;

                      сопротивление обмотки якоря при ;

                     индуктивность обмотки якоря;

                              масса электродвигателя с тахогенератором.

Рисунок 1.1 – Схема тиристорного преобразователя

1 Расчет силовой части преобразователя

1.1 Расчет мощности и выбор силового трансформатора

Расчет следует начинать с определения требуемого значения вторичной ЭДС трансформатора  из соотношения

где - требуемое значение вторичной ЭДС трансформатора;

  - ЭДС на выходе ТП при номинальном режиме работы и непрерывном токе;

  m=3 – число эквивалентных фаз выпрямления схемы ТП.

где Е_Н- номинальное значение ЭДС двигателя,

здесь - номинальное напряжение на якоре электродвигателя;

- номинальный ток электродвигателя;

       - активное сопротивление двигателя,

                 где К=1,32, в зависимости от габаритов МПТ; тогда

  ;

  - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (включает в себя сопротивление фазы силового трансформатора R_Ф, реакторов R_P, полное сопротивление якорной цепи МПТ R_ЯЦ, т.е. с учетом сопротивления сглаживающего дросселя, динамическое сопротивление R_T для k-активных тиристоров в схеме ТП).

На предварительном этапе проектирования величина ;

   -минимальный угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы ЭП. Выбор зависит от предъявляемых требований к приводу в отношении быстродействия. Примем =2 ;

    - падение напряжения на тиристоре, на предварительном этапе расчета примем

     - расчетные коэффициенты, зависящие от схемы выпрямления;

      k_L- коэффициент, учитывающий соотношение мощности системы ТП-Д и питающей сети. Примем k_L =1,3;

       - напряжение короткого замыкания, потери в меди трансформатора.

      - возможные колебания напряжения сети.

Для маломощных приводов принимают: .

Подставляем найденные параметры в формулы (1.2) и (1.1):

Действующее значение фазного тока вторичной обмотки

где - коэффициент связи данной схемы выпрямления;

Действующее значение фазного тока первичной обмотки

где -коэффициент связи данной схемы выпрямления;

        -коэффициент трансформации;

где - коэффициент мощности, зависящий от схемы выпрямления и числа первичных и вторичных обмоток трансформатора.

Выбор трансформатора

Трансформатор с мощностью =  выбрать затруднительно, поэтому дальнейший расчет ведем с использованием расчетных параметров трансформатора.

Полное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке

Активное сопротивление фазы трансформатора

где - коэффициент, зависящий от мощности трансформатора;

Индуктивное сопротивление питающей фазы трансформатора

Индуктивность фазы трансформатора

 1.2 Выбор тиристоров

Выбор тиристора по напряжению и определение его класса осуществляется на основании следующей расчетной формулы:

где - число последовательно соединенных и одновременно находящихся в работе тиристоров в схеме ТП;

      - коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединенным тиристорам;

       - коэффициент нагрузки.

Класс тиристора соответствует отношению

Выбор тиристора по току производиться на основании величины максимального среднего значения тока, проходящего через прибор

где - коэффициент перегрузки по току двигателя.

На основании определенных параметров выбираем из справочника наименование тиристоров.

Тиристор Т131-40-3

Параметры:

пороговое напряжение не более: 1,05 В

максимально допустимый средний ток в открытом состоянии: 40 А;

критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии: 100 А/мкс;

минимально допустимый прямой импульсный ток управления: 0,54 А;

максимально допустимый прямой импульсный ток управления: 2,1 А.

1.3 Выбор уравнительного реактора при совместном управлении ТГ

В двухкомплектных реверсивных преобразователях при совместном управлении ТГ из-за неравенства мгновенных значений напряжений возникают статические уравнительные токи. Для их ограничения, а также для ограничения скорости нарастания аварийного тока при опрокидывании инвертора в уравнительном контуре устанавливается уравнительный реактор (УР).

Требуемая индуктивность УР, исходя из заданного допустимого значения уравнительного тока I_УР:

где - амплитуда линейной ЭДС.

       -допустимое действующее значение уравнительного тока.

       - коэффициент действующего значения I_УР, определяемый видом преобразователя и диапазоном изменения угла регулирования , - определяется из выражения (1.18).

где - постоянная двигателя при Ф=Ф_Н=const, В с;

       - ток холостого хода двигателя, - КПД машины; примем , тогда:

       - минимальная частота вращения вала машины в данном технологическом процессе, примем

       - эквивалентное активное сопротивление преобразователя

       p=3- число пульсаций за период  выпрямленного напряжения.

       - падение напряжения на тиристоре.

Подставляем найденные значения в формулу (2.18):

 Величина  может быть определена на основании анализа кривой 1- для 3-фазной нулевой перекрестной схемы из рисунка 1. 1.

Рисунок 1.1-Зависимость коэффициента от угла регулирования

Для  по заданной зависимости определяем , и подставляем найденные значения в :

В качестве уравнительного дросселя принимаем реактор, не насыщающийся от основного тока. Такие реакторы необходимо устанавливать в каждой цепи ТГ, и значение индуктивности каждого из них  Ввиду затруднительного выбора реакторов с близким к рассчитанному значению индуктивности, принимаем решение о проектировании не насыщающегося уравнительного реактора с параметрами:

1.4 Расчет индуктивности сглаживающего дросселя и его выбор

В тиристорном электроприводе дроссели служат для уменьшения зоны прерывистых токов, сглаживания пульсаций выпрямленного тока; для ограничения скорости нарастания тока и величины тока при аварийных режимах работы.

Сглаживающий дроссель (СД) включается последовательно с якорем двигателя, и его индуктивность выбирается для выполнения следующего условия: сглаживание пульсаций выпрямленного тока до требуемой величины, обеспечивающей удовлетворительную коммутацию двигателя.

Индуктивность СД находится по уравнению:

   где - значение индуктивности, по условию сглаживания пульсаций тока, Гн;

          - индуктивность якоря двигателя, мГн;

       определяем из условия, что реактор выбран не насыщающиейся, следовательно значение индуктивности его задается равной половине от общего расчетного значения, т. е. , и это значение учитывается при расчете полной индуктивности преобразователя и индуктивности сглаживающего дросселя.

   -индуктивность фазы трансформатора, ;

   - индуктивность якоря двигателя, ;

-) Критическая индуктивность, обеспечивающая выполнение условия сглаживания пульсаций, находится по уравнению:

  где - амплитуда основной гармонической выпрямленной ЭДС.

   - амплитуда основной относительной гармонической ЭДС (в о.е.) в функции угла .  вычисляется по формуле (1.18);   

   - допустимое действующее значение основной гармоники переменной составляющей выпрямленного тока. Примем , так как данный нам двигатель небольшой мощности.

Для  по заданной зависимости, приведенной на рисунке 1.2, определяем - для трехфазной нулевой схемы.

Рисунок 1.2-Зависимость относительной гармонической ЭДС в функции от угла  для различных схем (p=m).

По формуле (1.23) определяем

Определяем индуктивность сглаживающего дросселя по формуле (2.21):

Так как индуктивность сглаживающего дросселя получилась отрицательной – делаем вывод о том, что нет необходимости в данном случае устанавливать сглаживающий дроссель.

 2 Система импульсного фазового управления

Система импульсно-фазового управления комплектного электропривода подачи типа «Мезоматик» выбрана как наиболее соответствующая трёхфазной мостовой схеме ТП, рассмотренного в данном проекте. Преобразователь выполнен по одноконтурной схеме регулирования только с регулятором скорости.

В данном разделе описано назначение блоков СИФУ и их взаимодействие в структуре.

  Блок схема привода приведена на рис 2.0, где РС – регулятор скорости; ИНВ – инвертор; СИФУ – система импульсно-фазового управления; БНТО – блок нелинейного токоограничения; ТП – тиристорный преобразователь; ТР – силовой трансформатор; L_УР – уравнительный дроссель; L_КОМ – коммутационный дроссель; Я – электродвигатель; ТГ – тахогенератор; Т - электромагнитный тормоз; Р – резольвер; БП – блок питания.

Рисунок 2.0 – Блок схема привода «Мезоматик»

     2.1 Регулятор скорости

    Регулятор скорости выполнен в виде ПИ – регулятора и реализован на операционном усилителе Х1 (рис. 2.1).

Регулятор имеет четыре входа:

U_Г1 – вход подключения задающего сигнала;

U_ТГ1 – вход подключения сигнала обратной связи по скорости;

U_Н1, U_Н2 – входы для суммирования при необходимости дополнительных задающих воздействий.

 Рисунок 2.1 – Регулятор скорости

Транзисторы Т1 и Т2 работают в диодном режиме и предназначены для ограничения максимального выходного напряжения РС. Величина ограничения определяется сопротивлениями R16, R17 и R18, R19 в соответствии с полярностью выходного напряжения. Для балансировки регулятора служит потенциометр R8.

Реле В2 предназначено для создания нулевых начальных условий интегрирования.

Операционный усилитель Х3 выполняет роль инвертора с коэффициентом передачи равным единице.

Выходные напряжения Х1 и Х3 являются управляющими для СИФУ анодной и катодной групп преобразователя.

Система импульсно-фазового управления

 Система импульсно-фазового управления  G-08 предназначена для формирования и синхронизации подачи управляющих импульсов на силовые тиристоры. Блок-схема одного канала СИФУ показана на рис. 2.2, а диаграмма ее работы на рис. 2.5. В состав СИФУ входят:

— формирователи Ф_А, Фв и Фс;

— генератор пилообразного напряжения ГПИ (DA1);

— компаратор (DA2);

— схемы совпадения и формирователи импульсов.

Кратко рассмотрим принцип работы схемы. На вход формирователя ФА (рис. 2.3а) подается вектор синхронизирующего напряжения фазы А, положительная полуволна которого открывает транзистор Т1, и отрицательная полуволна вектора напряжения фазы В, стремящаяся закрыть транзистор. В итоге открытое состояние транзистора Т1 наступит в момент равенства этих двух напряжений. Открытое рабочее состояние транзистора имеет длительность 120" и синхронизировано с силовой фазой А (рис. 2.3б).

Аналогично работают формирователи Фв и Фс, векторы подаваемых на их входы синхронизирующих напряжений приведены на рис. 4а в скобках.

Напряжения формирователей дифференцируются конденсаторами С1—СЗ, и положительные импульсы запускают ждущий генератор пилообразного напряжения. В момент прихода положительного импульса ГПН насыщается, до нижнего отрицательного порогового уровня, и начинается перезаряд конденсатора цепи обратной связи С4 от источника смещения. Этот процесс продолжается до прихода следующего положительного импульса.

На компараторе DA2 происходит суммирование сигналов регулятора скорости, ГПН и напряжения смещения. Время переключения компаратора из отрицательного насыщения в положительное, определяющее момент формирования управляющего импульса, зависит от величины напряжения регулятора скорости Upc и напряжения смещения Uсм.

Выходное напряжение компаратора дифференцируется, и положительные импульсы через диоды Д10, Д11 и Д12 поступают на схемы совпадения, выполненные на транзисторах Т4 и Т5, Т7 и Т8. Т10 и Т11, где логически умножаются с выходными сигналами формирователей. Совпадение положительного дифференцированного импульса с нулевым рабочим уровнем формирователя определяет момент открывания импульсного усилителя (транзисторы Т6, Т9, Т12) и, следовательно, фазу управляющего импульса.

Схема совпадения и усилителя приведена на рис. 2.4.

Второй канал СИФУ работает аналогично.

Начальный угол запаздывания зажигания α₀ и, следовательно, величина начального тока в группах преобразователя и якорной цепи выставляются потенциометром. При больших значениях этого тока улучшаются динамические характеристики, но заметно увеличивается вибрация, поэтому следует принять компромиссное решение. Для двигателя с номинальным моментом 17 Нм рекомендуемая величина начального тока ~4 A.

Следует подчеркнуть, что наличие переменного тока, а следовательно и переменного момента, при нулевой cкорости благоприятно сказывается на уменьшении неравномерности вращения при малых скоростях в случае больших значений трения покоя.

Принципиальной особенностью электропривода типа «Мезоматик» является способ изменения направления вращения двигателя при неизменном. задающем напряжении. Как уже указывалось ранее, переключение выводов якоря двигателя приведет к его размагничиванию, а это недопустимо.

Изменение направления вращения осуществляется за счет переключения каналов управления СИФУ, которое выполняется перепайкой перемычек на задней печатной плате. Прямому вращению соответствует распайка 1—2, 3—4, а обратному 1—4, 2—3. Естественно, необходимо также изменить полярность обратной связи по скорости, т. е. переключить выводы тахогенератора.

Рисунок 2.3 – Формирователь(а) и диаграмма работы формирователя (б).

Рисунок 2.4 – Схема совпадения и усилитель.

 Рисунок 2.5 – Диаграмма работы СИФУ.

Защита СИФУ от помех.

В тиристорных преобразователях СИФУ работает в условиях высокого уровня электромагнитных помех. Особенно важно это учитывать при использовании интегральных микросхем с низкими мощностями входных сигналов.

Для защиты СИФУ от помех проводятся схемные мероприятия, экранирование, а также конструктивные мероприятия.

К схемным мероприятиям относятся выбор структуры СИФУ. Наиболее целесообразной является структура с общим нулём. Все источники питания при этом имеют общую точку (нуль), проходящюю через все блоки СИФУ. Преимущество такой структуры заключается в уменьшении связей через ёмкость между обмотками трансформаторов источников питания.

Кроме фильтров на выходе источников питания целесообразно предусматривать фильтры цепей питания в каждом блоке.

Для снижения помех в проводах СИФУ необходимо соблюдать следующие правила:

1) каждый импульсный контур должен иметь индивидуальные цепи. Использование общего провода для разных контуров не допускается, так как падение напряжения в нём создаёт мешающее влияние контуров;

2) каждый канал СИФУ должен питаться через собственные пары скрученных проводов;

3) питание устройств от общего блока должно осуществляться только по радиальной схеме, а не по кольцевой;

4) необходимо осуществлять электростатическую экранировку трансформаторов путём прокладывания между первичной и вторичной обмотками слоя тонкой фольги, охватывающей без замыкания внутреннюю обмотку. Экран металлически соединяется с общим нулём, который заземляется с корпусом в специально выбранной единственной точке с помощью перемычки.

К конструктивным мероприятиям относится правильная прокладка проводов с соблюдением следующих правил:

1) цепи управления с большим сопротивлением должны быть удалены от силовых проводов;

2) пересечение цепей управления с силовыми должно выполняться под прямым углом и на максимальном расстоянии;

3) силовые провода нужно вести попарно (прямой и обратный), чтобы исключить образование пространственных витков, создающих магнитное поле;

4) на штепсельных разъёмах необходимо обеспечивать наибольшее удаление цепей управления от проводов с мощными сигналами;

5) следует применять отдельные провода для соединения силовых и управляющих цепей с общим источником питания.