Расчет системы управления комплектного электропривода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Функціональна схема електропривода ЕТУ 3601

2.6 Розрахунок параметрів тиристорного перетворювача

В ЭТУ3601 - трифазна мостова схема  випрямляча.

 

Приймаємо значення випрямленої ЕРС:

 

 

 

Фазна ЕРС первинної обмотки  трансформатора:

 

Фазна ЕРС вторинної обмотки  трансформатора:

 

 

 

Коефіцієнт трансформації:

 

 

 

Типова потужність трансформатора:

 

 

 

Обираємо трансформатор потужністю:

 

Номінальний струм первинної обмотки  трансформатора:

 

 

 

Номінальний струм вторинної обмотки  трансформатора:

 

 

 

Номінальні данні трансформатора:

 

Визначаємо еквівалентний опір:

 

 

 

Активний опір однієї фази трансформатора:

 

 

 

Напруга та повний опір трансформатора:

 

Повний опір

 

 

Індуктивний опір фази трансформатора:

 

 

 

Активний та індуктивний опори  фаз трансформатора:

 

 

 

Еквівалентний внутрішній опір тиристорного перетворювача:

 – число фаз вторинної обмотки трансформатора;

 

 

 

Струм привода:

 

 

Уточнюємо значення випрямленої ЕРС Е_оп и Е_2ф:

 

 

 

 

Еквівалентна індуктивність тиристорного перетворювача:

 

 

 

- частота мережі.

 

2.7 Розрахунок індуктивності реакторів

 

У вентильному електроприводі реактори виконують наступні основні функції: зменшують зону переривчастих струмів, згладжують пульсації випрямного струму, обмежують струм через вентилі  в перший півперіод напруги, що живить, при короткому замиканні на стороні  випрямного струму. У реверсивному вентильному ЕП на реактори покладаються додаткові задачі: обмеження зрівняльних  струмів при спільному керуванні  вентильними групами, обмеження  швидкості наростання аварійного струму при перекиданні інвертора. Індуктивність реактора залежить від його призначення, силової схеми перетворювача і розташування реактора в схемі.

 

2.8 Обмеження струму при однофазному перекиданні інвертора

 

З довідника вибираємо низькочастотні тиристори по граничних значеннях параметрів режиму:

– по максимальному значенню середнього струму у відкритому стані I_в (А):

 

 

 

– по повторюваній імпульсній напрузі в закритому стані U_max (В):

 

 

 

Обираємо тиристор типу Т131-40, що має  наступні характеристики:

– струм вентиля в закритому стані:

 

– максимальна напруга в закритому стані:

 

 

– струм, що ударно не повторюється у відкритому стані:

 

 

Стала двигуна:

 

 

Початковий струм перед перекиданням:

 

Максимально допустимий струм протягом півперіоду струму вентеля:

 

Електрорушійна сила двигуна в  момент перекидання:

 

 

 

Опір якірного кола при струмі перекидання:

 

 

 

Індуктивність, що необхвдна для  обмеження аварійного струму на час  спрацювання захисту:

 

 

Індуктивність додаткового реактора:

 

 

 

Оскільки індуктивність реактора має від’ємне значення, отже індуктивність  електропривода та струмобмеження швидкості  наростання аварійного струму, тому додатковий реактор не потрібен.

 

2.9 Обмеження струму через тиристори при короткому замиканні на стороні постійного струму

 

При короткому замиканні на стороні  постійного струму реактор, що струмообмежує, повинен обмежити швидкість наростання аварійного струму, щоб він не перевищив небезпечного для тиристорів значення на протязі власного часу спрацьовування захисних пристроїв. Обмеження струму через вентилі може бути отримане за рахунок індуктивності розсіювання обмоток трансформатора й індуктивності в ланцюзі постійного струму.

Початковий струм у момент короткого  замикання, при максимальному навантаженні:

 

Максимально допустимий протягом півперіоду струм вентиля:

 

Необхідна величина спільної індуктивності  для нульової схеми:

 

 

 

Індуктивність додаткового реактора:

 

 

2.10 Обмеження зони переривчастих струмів

 

Еквівалентний опір якірного кола:

 

 

 

 

Число пульсацій за період

 

Граничний коефіцієнт для струму

 

 

 

Величина беззупинного режиму

 

 

Індуктивність граничного беззупинного режиму

 

 

 

 

2.11 Згладжування пульсацій випрямленого струму

 

Пульсації спрямованої напруги  призводять до пульсацій спрямованого струму, які погіршують комутацію  двигуна і збільшують його нагрів. У симетричних мостових і в  нульових схемах найбільшу амплітуду  мають основні гармоніки (k=1).

Амплітуди гармонік більш високої  кратності (k = 2, 3) значно менше, а дія реакторів на них більш ефективна, тому розрахунки індуктивності дроселя для цих схем ведуться тільки по основній гармоніці, тобто при k = 1.

- кратність основної гармоніки.

р₁ – припустиме діюче значення основної гармоніки струму. р₁ повинно бути в межах від 2% до 15% номінального струму в залежності від потужності, діапазону регулювання і величини іскріння під щітками.

Приймаємо

- кут регулювання перетворювача.

Число пульсацій за період залежить від числа фаз т вторинної обмотки трансформатора і схеми з'єднання вентилів:

 

Амплітудні значення гармонійних  складових спрямованої напруги E_nmax пов'язані з її середнім значенням Е_0п і кутом регулювання перетворювача виразом:

 

 

При відомій амплітуді основної гармоніки E_nmax і припустимому діючому значенні основної гармоніки струму р₁ необхідна величина індуктивності ланцюга випрямленого струму може бути визначена:

 

 

 

Індуктивність додаткового реактора, для згладжування пульсацій:

 

 

 

Еквівалентна індуктивність якірного кола двигуна:

Приймаємо

 

 

 

 

2.12 Розрахунок параметрів об'єкта керування для аналізу динамічних властивостей системи

 

Електромагнітна стала часу якірного ланцюга двигуна:

 

 

Електромеханічна стала часу якірного ланцюга двигуна:

 

 

 

Напруга керування на вході ТП, що відповідає максимальній ЕРС на виході Е_0n:

 

Коефіцієнт передачі тиристорного перетворювача:

 

 

 

Стала часу тиристорного перетворювача:

 

 

 

2.13 Розрахунок параметрів регулятора і елементів контуру регулювання струму якоря у системі підпорядкованого регулювання

 

Система підпорядкованого регулювання  являє собою багатоконтурну систему з каскадним включенням регуляторів. При цьому число регуляторів і контурів регулювання дорівнює числу регульованих параметрів. У двоконтурній схемі (рис. 2) вихідний сигнал регулятора швидкості, включений у зовнішній контур, є заданим для регулятора струму, включеного у внутрішній контур. Налагодження регуляторів відбувається незалежно і послідовно від внутрішнього контуру до зовнішнього.

Контур струму складається з  об'єкта регулювання – ланцюга якоря двигуна, силового перетворювача і регулятора струму. Контур замикається зворотнім зв'язком по величині напруги, що знімається з датчика струму в ланцюзі якоря (Рис. 2).

Рис. 2 Двоконтурна система підпорядкованого регулювання

 

Напруга зворотного зв'язку за струмом:

 

Максимально припустимий струм  двигуна при перехідних процесах для високомоментного двигуна прийняти:

 

 

 

що відповідає режиму роботи в номінальних обертах. При зменшенні обертів нижче ω_н величина I_max буде коректуватися вузлом залежного струмообмеження ВЗСО (у бік збільшення).

Передатний коефіцієнт зворотного зв'язку по струму:

 

 

Налагодження  регулятора струму:

 

Так як об'єкт регулювання в контурі  струму поданий аперіодичними ланками, застосовується ПІ-регулятор струму, який настроюється по модульному (технічному) оптимумі. При стандартному налагодженні контуру струму звичайно зневажають внутрішнім зворотним зв'язком по ЕРС, що справедливо, якщо електромагнітна (Т_е) і електромеханічна (Т_м) постійні двигуна значно перевершують постійну часу (Т_n), и Т_м >> Т_е. У випадку невиконання умов характер перехідного процесу значно відрізняється від оптимального.

Тобто для відповідності перехідного  процесу в контурі регулювання  струму перехідному процесу в  контурі оптимальній структурі, необхідний ПІ-регулятор струму з  коефіцієнтом передачі К_рс і постійною часу Т_рс:

Некомпенсована мала стала часу.

 

с

 

 

 

Для одержання перехідного процесу  в контурі струму, що відповідає налагодженню на модульний оптимум, визначимо передатну функцію  регулятора струму:

 

 

 

Розрахунок параметрів регулятора струму:

 

В якості датчика струму використовуємо шунт.

Вибираємо номінальний струм шунта I_ш з ряду 10, 20, 40, 100, 200А по номінальному струму привода: I_ш ≥ I_п.

Обираємо 

При протіканні через шунт номінального струму шунта I_ш с шунта знімається напруга 75 мВ, тому:

• коефіцієнт передачі шунта:

 

 

-         коефіцієнт  передачі датчика струму якоря:

 

 

 

 

 

Для розрахунку параметрів регулятора задаємось величиною ємності C_зз:

 

Постійна часу зворотного зв'язку регулятора:

 

визначаємо R_зз:

 

 

 

Інші параметри:

 

 

 

2.14 Розрахунок параметрів регулятора й елементів контуру регулювання швидкості

Регулювання зовнішнього  контуру швидкості

Рис 4. Структурна схема регулювання зовнішнього контуру швидкості

 

Об'єктом регулювання зовнішнього  контуру швидкості є замкнутий  контур струму і ланка, що описує механічний опір двигуна (рис. 4).

Перехідна функція об'єкту регулювання  контуру швидкості:

 

 

 

Контур замикається інерційним зворотним зв'язком по швидкості  з передатною функцією

 

 

 

Напруга негативного зворотного зв'язку за швидкістю:

 

Передавальний коефіцієнт зворотного зв’язку за швидкістю:

 

 

 

Об'єкт регулювання характеризується великою постійної часу Т_м, для компенсації якої можна застосувати П – або ПІ-регулятори швидкості. Системи підпорядкованого регулювання з П-регулятором швидкості є інтегрованими однократно. Вони мають достатньо високу швидкодію і мале перерегулювання перехідних процесів, проте мають значний статизм. Такі системи електропривода не спроможні забезпечити великий діапазон регулювання швидкості.

 

Налагодження  П-регулятора швидкості

 

Еквівалентна постійна часу контуру  швидкості:

 

 

 

Корекція контуру здійснюється за рахунок зміни коефіцієнта  підсилення регулятора:

 

 

 

Визначення коефіцієнта К_рш по формулі характеризує налагодження контуру по модульному (технічному) оптимумі з коефіцієнтом демпфування перехідного процесу .

Перехідна функція оптимізованого контуру швидкості:

 

 

 

Тобто перехідний процес визначає тільки малу постійну часу Т_μш.

 

Налагодження  ПІ-регулятора швидкості:

Передатна функція розімкнутого контуру  швидкості з ПІ-регулятором:

 

 

 

При стандартному налагодженні на симетричний  оптимум ПІ-регулятора:

 

 

Стала часу ПІ-регулятора швидкості:

 

 

 

 

Розрахунок параметрів П-регулятора швидкості:

 

Для визначення параметрів П-регулятора (рис. 5) задамося значенням R_зс:

 

 

 

 

 

 

 

 

Напруга на тахогенераторі:

 

Коефіцієнт передачі тахогенератора:

 

 

Інші параметри:

 

 

 

Розрахунок параметрів ПІ-регулятора швидкості:

 

Для розрахунку параметрів ПІ-регулятора швидкості (рис. 6), задамось розміром ємності C_зз1:

 

Звідки:

 

 

 

Інші параметри:

 

 

 

 

 

 

3. Статичні характеристики замкненої і розімкненої систем

 

Було проведено статичні характеристики в програмі Mathcad, за допомогою формул:

 

 

 

Рис. 7 Статичні характеристики замкненої та розімкненої системи

 

4. Динамічні характеристики

 

 

Рис. 8 Структурна схема замкненої системи з П – регулятором швидкості

 

 

 

 

Рис. 9 Структурна схема замкненої системи з ПІ – регулятором швидкості

 

 

Рис. 10 Структурна схема замкнутої системи з ПІ – регулятором швидкості і фільтром

Рис. 11 Перехідні процеси швидкості

 

 

Рис. 12 Перехідні процеси напруги якоря