Исследование системы тиристорный преобразователь-двигатель
ЗАДАНИЕ
Тема: Расчет системы ТП-Д
Цель работы: Исследование системы ТП-Д
Исходные данные:
Момент максимальный при движении «вперед» Мв -
3900 Н×м
Момент максимальный при движении «назад» Мн -
2800 Н×м
Время паузы после движения «вперед» t01 - 20 с
Время паузы после движения «назад» t02 - 30 с
Частота вращения механизма wмех
- 45 рад/с
Значения моментов в процентах от Мв и Мн:
М1
|
М2
|
М3
|
М4
|
М5
|
М6
|
1300
|
3900
|
2600
|
300
|
1000
|
2800
|
Время работы при соответствующем моменте, с:
t1
|
t2
|
t3
|
t4
|
t5
|
t6
|
20
|
30
|
10
|
10
|
20
|
30
|
1.
Предварительный выбор мощности двигателя
Для приводов, работающих в продолжительном
номинальном режиме с постоянной нагрузкой, значение мощности двигателя
выбирается ближайшим большим к расчетной мощности нагрузки: Рс=Мс×wм.
Этот выбор является окончательным.
При повторно-кратковременном номинальном режиме
в период работы входит время его пуска и время торможения. Так как длительность
этих процессов зависит от данных двигателя (его момента инерции, пускового и
тормозного моментов), то точно определить необходимую мощность двигателя сразу
невозможно. Вначале ее можно найти приближенно, пренебрегая временем переходных
процессов, представив график работы Мс=f(t) в виде, показанном на рисунке 1.
Пользуясь обобщенным методом эквивалентного
момента, находим эквивалентный момент Мэ:
где a=0,8 - отношение
постоянных потерь к переменным;
b0=0,9 - коэффициент ухудшения охлаждения для
двигателей с принудительной вентиляцией;
hр=0,95 - КПД редуктора;
М1¸М6 - момент
нагрузки (см. рис.1), Н×м.
Предварительно найдем время работы вперед и
назад
Находим эквивалентную мощность Рэ:
Рэ=Мэ×wм=2118×45=95312.6
Вт95
кВт
По эквивалентной мощности двигателя выбираем
предварительно из каталога ближайший по мощности двигатель, такой чтобы
выполнялось условие Pэ<Pн
Таблица 1 - Паспортные данные двигателей
Типоразмер
|
РН,
кВт
|
Uн,
В
|
IН,
А
|
КПД,
%
|
Nн,
об/мин
|
Nmax
об/мин
|
J
кг•м2
|
4ПФ250L
|
110
|
440
|
284
|
86.7
|
750
|
3000
|
4,86
|
4ПФ200L
|
110
|
275
|
89.1
|
1500
|
3600
|
1,75
|
2. Выбор
электродвигателя по угловой скорости
тиристорный преобразователь
электродвигатель трансформатор
Для приводов с длительным режимом работы при
выборе передаточного числа не имеет значения длительность переходных процессов,
и выбор двигателя по скорости определяется его весогабаритными показателями,
стоимостью и коэффициентом полезного действия.
При частых пусках и торможениях, как известно,
оптимальное передаточное число i будет определено выбором такого
электродвигателя, найденной ранее мощности, при котором произведение Jд×
i2 будет наименьшим (или, что то же, запас кинетической энергии Jд×wн2/2
будет наименьшим). Поэтому для выбора двигателя по скорости выписывают из каталога
все двигатели данной серии с мощностью, ближайшей большей по отношению к
расчетной; указывают момент инерции и значения Jд×
i2 (или Jд×wн2/2), а затем выбирают двигатель.
Находим кинетическую энергию по формуле:
= Jд×wн2/2
Для двигателя 4ПФ250L из таблицы
1:=4,86•78,542/2=14434.3 Дж
где: Jдв=4,86 - момент инерции двигателя, кг×м2
Для двигателя 4ПФ200L из таблицы
1:=1,75•1572/2=21589.8 Дж
Я выбираю электродвигатель 4ПФ250L.
- передаточное
число между двигателем и механизмом.
Из ряда стандартных передаточных чисел выбираю
передаточное число редуктора iр=2.5
3. РАСЧЕТ УТОЧНЕННОГО ГРАФИКА
НАГРУЗКИ И ПРОВЕРКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ВЫБРАННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Так как моменты двигателя пропорциональны
соответствующим токам, то в периоды пуска и торможения момент двигателя будет:
гдеki- коэффициент заполнения графика тока
(ki=0,85);коэффициент максимального тока (kм=1,9);
Мп - момент пуска, Н•м;
Мт - момент торможения, Н•м;
Мн - момент номинальный, Н•м.
Расчет времени пуска и торможения.
Время пуска и торможения определяется по
следующим формулам:
Время пуска:
Время торможения:
где J¢ - суммарный момент
инерции, приведенный к валу двигателя при пуске и торможении, кг•м2;п - время
пуска, с;т - время торможения, с;
где: -
момент инерции двигателя, кг×м2;м
- момент инерции механизма, кг×м2.
Найдем полное сопротивление якорной цепи
Найдем конструктивную постоянную двигателя
Найдем скорость двигателя на холостом ходу:
Определим коэффициент жесткости:
Рассчитаем момент сопротивления приведенный к
валу двигателя.
Приведенный момент сопротивления:
где i- передаточное число
М¢С1 ¸М¢С3
- приведенные моменты сопротивления при движении «вперед», Н•м;
М¢С4 ¸М¢С6
- приведенные моменты сопротивления при движении «назад», Н•м.
Угловые скорости при расчетных моментах
сопротивления:
Время пуска при движении вперед:
Время пуска при движении назад:
Время торможения при движении вперед:
Время торможения при движении назад:
Время работы с установившейся угловой скоростью:
назад:
Эквивалентный момент на валу электродвигателя
определяется по формуле:
где Кф - коэффициент формы (Кф= 1,05)
b1=0,9
Расчетная эквивалентная мощность:
- двигатель выбран
верно.
Проверка электродвигателя на перегрузочную
способность.
Рисунок 1 - График перегрузочной способности
двигателя
tmax=30 c
- по графику
(рис.2).
- выбранный
двигатель проходит по перегрузке.
4. ВЫБОР И ПРОВЕРКА ТИРИСТОРНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ
Выбор комплектного тиристорного преобразователя
производится по следующим данным:
а) напряжению сети переменного тока;
б) напряжению двигателя;
в) номинальному току якоря.
Номинальный ток преобразователя должен быть не
менее номинального тока двигателя, а максимальный ток не менее максимального
тока при пуске и торможении двигателя.
По напряжению питающей сети Uc=380В, напряжению
двигателя UД =440В и номинальному току якоря IH=284А выбираю преобразователь
серии
КТЭ - 320/440-0121 -37А2 -00 -04
где 320 - номинальный ток, А;
- номинальное выходное напряжение, В;
- исполнение по схеме питания двигателей:
однодвигательный;
- исполнение по режиму работы: реверсивный с
реверсом тока в якорной цепи;
- исполнение по способу связи с питающей сетью:
трансформаторный;
- исполнение по наличию К (контактора или
магнитного пускателя), Д (устройства для аварийного динамического торможения):
с КД;
- исполнение с наличием устройства питания ОВД,
устройством питания ЭМ тормоза, устройством
питания ОВ тахогенератора;
А - исполнение средств управления: с аналоговыми
средствами управления;
- исполнение по виду основного регулируемого
параметра: с двухзонным регулированием скорости;
- модификация средств управления: базовые;
- климатическое исполнение и категория
размещения по ГОСТ 15150-69 (УХЛ4.04);ном = 320 А;ном = 460 В;ном=147.2 кВА.
Проверка по перегрузке:
КТП=1,9 - перегрузочный коэффициент тиристорного
преобразователя (определяется из рисунка 3)
Рисунок 2 - График перегрузочной способности ТП
Imax np= Iном
•КТП
= 320 • 1.9=608 A
где М’max - максимальный приведенный момент ном
- номинальный ток ТП
Должно выполняться условие:
np≥Imax
A≥321.96 A
Условие выполняется, следовательно, данный
тиристорный преобразователь подходит.
5. Выбор
силового трансформатора
Вначале определяется необходимое вторичное
напряжение при заданном напряжении сети (первичной обмотки). При этом также надо
учитывать некоторые коэффициенты запаса:
Кu - коэффициент запаса по напряжению,
учитывающий допускаемое по ПУЭ снижение напряжения сети, Кu=1,05;
Кa - коэффициент
запаса, учитывающий неполное открытие вентиля при максимальном управляющем
сигнале (для нереверсивных преобразователей принимают Кa=1,
для реверсивных Кa=1,2);
КR - коэффициент, учитывающий падение напряжения
при нагрузке в вентилях и обмотках трансформатора, а также наличие угла
коммутации (можно принимать КR=1,05);
Км - коэффициент схемы, Км=1,05; Ki -
коэффициент, учитывающий отклонение тока от прямоугольной формы (кi=1,05-1,1),
принимаем Ki=1.05;
Расчет типовой мощности трансформатора:
Рассчитаем ток в обоих обмотках трансформатора:
Выбираем трансформатор типа ТСЗП-250/0,7 - УЗ
(исполнение 3)
Таблица 2 - Паспортные данные трансформатора
Тип
тр-ра
|
Sн
кВ×А
|
Uс.об
В
|
Uв.об
В
|
Iв.об
А
|
Uпр.
В
|
Iпр.
А
|
Потери,
Вт
|
Iк.з.
%
|
|
|
|
|
|
|
|
х.х.
|
к.з.
|
|
|
ТСЗП-250/0,7У3
|
235
|
380
|
416
|
326
|
460
|
320
|
915
|
3700
|
4.7
|
3.4
|
Схема соединения обмоток: Y/∆ для мостовой
схемы выпрямления.
6. ВЫБОР И ПРОВЕРКА СГЛАЖИВАЮЩЕГО
ДРОССЕЛЯ
Сглаживающие реакторы выполняют две функции:
ограничивают пульсации тока в якорной цепи и обеспечивают работу в зоне
непрерывных токов.
Примем величину относительных пульсаций I
е*=0,02.
Индуктивность якорной цепи находится по формуле:
где коэффициент СХ=0,25 для скомпенсированных
машин;
р - число пар полюсов (р=2).
Найдем угловую частоту пульсаций w0
для 3х фазной системы, если число фаз m=6, частота сети f=50 Гц:
Из уравнения равновесия напряжений определим
минимальное напряжение (Umin) для диапазона регулирования двигателя D=10:
Определим активное сопротивление вторичной
обмотки трансформатора:
где DРкз потери
трансформатора при к.з., Вт.
Определим индуктивное сопротивление вторичной
обмотки трансформатора:
где UВ - напряжение на вентильной обмотке
трансформатора, В.
Динамическое сопротивление тиристора
определяется так же, как и сопротивление диодов:
Величину коммутационного сопротивления найдём по
формуле:
Эквивалентное внутреннее сопротивление будет равно:
По найденным выше величинам найдём cosmax
т.е. максимальный угол открывания тиристоров:
Из графика зависимости изменения ее* от угла
открывания (max) следует, что ее*=0,23
Найдём индуктивность трансформатора по формуле:
Определим индуктивность дросселя, если величина
относительных пульсаций I*е=0,02:
Выбираем два реактора:
ФРОС - 250/0,5 У3 номинальный ток Iн= 320 А,
номинальная индуктивность Lн=4,2 мГн,
ФРОС - 250/0,5 УЗ номинальный ток Iн= 320 А,
номинальная индуктивность Lн=4,2 мГн
Проверка:
Проверим выбранный реактор на обеспечение
непрерывности якорного тока по кривым зависимости: i *гр f (1 / Tя).
Найдём постоянную времени якоря двигателя Тя
1/с
где RЭ - эквивалентное сопротивление якорной
цепи.
По рисунку определим: i *гр×
=0.00778*гр - относительное значение граничного тока Iгр
Определяем значение тока на самой
малонагруженной ступени:
Должно выполняться условие:
> Iгр
,7 А > 17A
Условие соблюдается, следовательно,
индуктивность реактора достаточна.
7. МОДЕЛИРОВАНИЕ
.1 Расчет параметров структурной
схемы системы ТП-Д
Моделирование осуществляем используя структурную
схему (рисунок 4):
Где 1 звено - безинерционный усилитель: Кзи =
1000;
звено - интегратор: Tзи подбираем в процессе
моделирования с целью уменьшения бросков тока до 1.9Мн (Тзи=1,1с);
где ТТП=0,0067 с постоянная ТП;
звено - апериодическое, является передаточной
функцией электромагнитной составляющей двигателя
где ТЭ - электрическая постоянная двигателя
звено - безинерционный усилитель: kФ = 5,1;
звено - интегратор:
звено - безинерционный усилитель, его
передаточная функция:
7.2 Имитационное моделирование
Моделирование производим в два этапа. Первый
этап включает в себя пуск двигателя «вперед», приложение нагрузки и торможение.
Второй этап включает в себя пуск двигателя «назад», приложение нагрузки и
торможение.
При движении «вперед»:
Число режимов 4, данные режимов заносим в
таблицу 3
Таблица 3
Длительность,
с
|
Задания,
В
|
Нагрузка,
|
3
|
10
|
-547.4
|
2
|
10
|
-1642
|
2
|
10
|
-1095
|
2.5
|
0
|
0
|
При движении «назад»:
Число режимов 4, данные режимов заносим в
таблицу 4
Таблица 4
Длительность,
с
|
Задания,
В
|
Нагрузка,
|
3
|
-10
|
126
|
2
|
-10
|
421
|
2
|
-10
|
1179
|
2.5
|
0
|
0
|
Задание прикладываем к 1 звену, нагрузку к 6
звену. Значения момента сопротивления снимаем с 5 звена, значения угловой
скорости снимаем с 6 звена.
В передаточной функции ТП устанавливаем
ограничение по напряжению ±594.6 В.
В процессе моделирования устанавливаем
коэффициент усиления передаточной функции ТП КТП =46. Графики угловой скорости
и момента сопротивления при движении «вперед» и «назад» представлены на
рисунках в приложении.
Рисунок 3 - Характеристики двигателя при
движении "Вперед"
Рисунок 4 - Характеристики двигателя при
движении "Назад"
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы был произведен расчет
электропривода двигателя постоянного тока, были выбраны силовые элементы
привода: выбран двигатель, тиристорный преобразователь, трансформатор,
сглаживающие реакторы. Имитационное моделирование проводили с целью проверки
результатов расчета.
Данные, полученные при моделировании и при
расчете, сведены в таблицу 5.
Таблица 5 - Результаты расчетов и моделирования
Величина
|
Данные
моделирования
|
Данные
расчета
|
При
движении вперед
|
Пусковой
момент МП
|
2554.6
|
2262
|
Время
пуска
|
2.45
с
|
2
с
|
Момент
МС1
|
551
|
Угловая
скорость wС1
|
47.8
|
78.9
|
Момент
МС2
|
1641.9
|
1642
|
Угловая
скорость wС2
|
41.42
|
68.6
|
Момент
МС3
|
1095
|
1095
|
Угловая
скорость wС3
|
44.62
|
73.7
|
Тормозной
момент МТ
|
2002
|
2262
|
Время
торможения
|
2.2
с
|
0.97
с
|
При
движении назад
|
Пусковой
момент МП
|
2134
|
2262
|
Время
пуска
|
2.25
с
|
1.7
с
|
Момент
МС4
|
126.3
|
126
|
Угловая
скорость wС4
|
50.28
|
82.9
|
Момент
МС5
|
421
|
421
|
Угловая
скорость w С5
|
48.56
|
80.1
|
Момент
МС6
|
1179
|
1179
|
Угловая
скорость wС6
|
44.13
|
72.9
|
Тормозной
момент МТ
|
1994
|
2262
|
Время
торможения
|
2
с
|
0.94
с
|
Значения пусковых и тормозных моментов заметно
отличаются. Видно, что смоделированные пусковые и тормозные моменты гораздо
меньше расчетных. Объясняется это тем, что в нашей схеме поставлен задатчик
интенсивности с коэффициентом Тзи=1.1 поэтому бросок моментов меньше, но и
время разгона больше.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каталог-справочник
Электрические машины постоянного тока единой серии П-1 22-го габаритов и
двигатель-генераторы. ВНИЭМ, 1964.
2. Отраслевой
каталог 08.30.05 - 92 Электроприводы серии КТЭ. Информэлектро, 1993
. Теория
электропривода. Методические указания по курсовому проектированию. - Л.: СЗПИ,
1983. - 56 с.,15 ил. Библиогр.9.
. Чиликин
М.Г., Соколов М.М., Терехов В.М., Шинянский А.В. Основы автоматизированного
электропривода. - М.: Энергия, 1974.
Приложение
Функциональная схема системы