Электропривод карьерного электромобиля

Электропривод карьерного электромобиля

ВВЕДЕНИЕ

Неоспоримой тенденцией развития мировой горной промышленности на обозримую перспективу считается стабильная ориентация на открытый способ разработки, как обеспечивающий наилучшие экономические показатели.. В России открытым способом добывается 91% железных руд, более 70% руд цветных металлов и 60% угля. Если учесть, что по мере роста глубины карьеров доля затрат на карьерный транспорт доходит до 55–60% в общей себестоимости добычи полезного ископаемого, то вполне очевидным представляется тезис о том, что вопросы развития и совершенствования карьерного транспорта являются одними из основных для открытых горных разработок. Основными факторами, определяющими развитие карьерного транспорта, являются систематически ухудшающиеся горно-геологические и горнотехнические условия разработки.

Совсем недавно считалось, что основным фактором, ограничивающим применение современных автосамосвалов с дизель-электрическим приводом в глубоких карьерах, является перегрев тяговых генераторов и электродвигателей мотор-колес . Благодаря значительному прогрессу в совершенствовании тягового привода карьерных самосвалов в последние годы эта проблема полностью решена. Автосамосвалы  последних моделей могут работать без перегрева тяговых электродвигателей при высоте подъема горной массы 400 м и более.

Как правило, на современном этапе развития карьерного автотранспорта в качестве силовых установок применяются дизельные двигатели мощностью до 1120 кВт грузоподъемностью до 130–160 т, большей мощности – на самосвалах грузоподъемностью свыше 180 т

. Автомобильный транспорт, как транспорт рабочей зоны карьера, в наибольшей степени подвержен воздействию усложняющихся с глубиной горнотехнических условий разработки. Основным ограничением применения автомобильного транспорта на глубоких карьерах по-прежнему остается высокая себестоимость перевозки горной массы. Кроме того, карьерный автомобильный транспорт является основным источником негативного антропогенного воздействия на окружающую среду при открытых горных работах.

С целью расширения области применения автотранспорта в глубоких карьерах, повышения его эффективности не прекращаются поиски новых технологических схем, а также путей его развития и совершенствования. Одним из основных направлений считается электрификация карьерного автотранспорта.

В качестве примера рассмотрим карьерный электромобиль М-200.

1 РАСЧЕТ И ВЫБОР  ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

м – радиус колеса.

Определим скорость автомобиля V, м/с

,

.

Расстояние L, м,  пройденное колесом за оборот определяется по формуле:

.                               (1.1)

Определяем количество оборотов  двигателя за минуту

 об/мин,                 (1.2)

 об/мин.

Переведем полученные значения скорости в угловую скорость

 рад/с,                   (1.3)

 рад/с.

Произведем тяговой расчет и выбор ЭД.

Влияние дорожных условий на движение автомобиля  [2].

Таблица 1.1 - Влияние дорожных условий на движение автомобиля

Покрытие дороги	f	Коэффициент продольного сцепления для поверхности, φ
		сухой	мокрой
асфальтобетонное	0.014 – 0.020	0.7 – 0.8	0.4 – 0.6
булыжное	0.023 – 0.030	0.5 – 0.6	0.2 – 0.3
грунтовая дорога	0.055 – 0.150	0.5 – 0.6	0.2 – 0.4

По заданию местность передвижения автомобиля – грунтовая дорога.

 - коэффициент сопротивления качению;

 рад   - угол наклона местности;

 - коэффициент обтекаемости;

м² - площадь лобового сопротивления;

- коэффициент сцепления  с грунтом.

Сила сопротивления движению ,Н, определяется по формуле

.                                                                                                  (1.4)

Сила сопротивления при движении на подъем , Н, определяется по формуле

 .       (1.5)

Силой воздушного сопротивления движению можно пренебречь, так как на скоростях до 30 км/ч она не существенная.

Определим тяговое усилие , Н, определяется по формуле

.               (1.6)

Условие пробуксировки , Н, определяется по формуле

 Н.          (1.7)

Момент развиваемый ЭД , Нм, определяется по формуле

.                     (1.8)

Расчетам мощность электродвигателя по формуле, кВт

,                               (1.9)

.

Необходимо выбрать двигатель на мощности 509.5 кВт и частоту вращения 1703 об/мин.

Выбор двигателя произведем по каталогу представленном на электронном адресе фирмы производителя [3].

Таблица 1.2 - Технические характеристики двигателя

Основные технические характеристики
	ДК-724С
Режим работы	S1
Мощность, кВт	560
Частота вращения номинальная, об/мин	590
Максимальная рабочая частота вращения, об/мин.	2350
Вращающий момент, Н м	9060
Напряжение номинальное, В	700
Ток якоря, А	900
Степень возбуждения последовательной обмотки, %	70
Вид возбуждения	послед.
КПД, %	92
Класс нагревостойкости	F, H
Степень защиты	IР 20
Масса, кг	4100

 Расчетной мощности соответствует двигатель мощностью 560 кВт и номинальной частотой вращения 590 об/мин. Для получения частоты вращения 1703 об/мин необходимо ослабить поток двигателя, следовательно, необходимо использовать электропривод с двухзонным регулированием скорости.

Переведем скорость вращения  выбранного двигателя в угловую скорость.

 рад/с.

 рад/с.

Определим  тягового усилия для расчетных значений.

Таблица 1.3 – Расчетные значения параметров

,кВт	, рад/с	, рад/с	,Н
509.5	61.785	246.091

Тяговое усилие , Н определяется по формуле

 ,                                       (1.10)

где   - расчетные значения угловой скорости, рад/с.

Результаты вычислений сведем в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Результаты расчета

, Н
, Н

Определим  тягового усилия для каталожных значений.

Определим максимальное тяговое усилие:

Н,

где   - вращающий момент, Нм.

Таблица 1.5 – Каталожные значения параметров

,кВт	, рад/с	, рад/с	,Н
560	61.78	246.09

Тяговое усилие определяется по формуле

,

где  - каталожные значения угловой скорости, рад/с.  

Результаты вычислений сведем в таблицу 1.6.

Таблица 1.6 – Результаты расчета

, Н
, Н

                                        

Рисунок 1.1- График тягового усилия

Из рисунка 1.1 видно, что график тягового усилия перекрывает график тягового усилия электродвигателя, следовательно, электродвигатель был выбран правильно. 

Рассчитаем сопротивления якоря, Ом, используя каталожные данные

 В,

 А,

                          (1.11)

Превышение температуры обмоток при установившемся тепловом состоянии ДПТ для типа ДК-724С соответствует классу нагревостойкости F, допустимая температура нагрева . Рассчитаем предельную температуру двигателя , ^оС, по формуле

,                                          (1.12)

где  - предельная температура электродвигателя;

-допустимая температура нагрева;

-погрешность в определение температуры;

-температура окружающей среды по ГОСТ.

.

 

Пересчитаем сопротивление якоря с учетом нагрева двигателя до предельной  температуры:

,                                (1.13)

где - температурный коэффициент электрического сопротивления, для меди равен 0.004.

(Ом).

2  Расчёт и выбор элементов силовой цепи электропривода

В качестве привода главного движения выберем тиристорный электропривод, в состав которого входят следующие элементы:

- двигатель ДК-724С;

- тахогенератор;

- трансформатор;

- тиристорный преобразователь ЭПУ.

В качестве преобразователя выбираем двухкомплектный вентильный преобразователь с встречно-параллельным соединением вентильных групп, выполненный по трехфазной мостовой схеме. В схеме используется раздельное управление группами вентилей, что позволяет обойтись без уравнительных реакторов, необходимых для ограничения уравнительных токов в режиме совместного управления.     

Выбираем устройство серии ЭПУ и оснащаем  его тиристором Т253-1000

Таблица 1 – Технические данные тиристора Т253-1000

Наименование	Значение
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии  UDRM, В	1500
Максимальный средний ток в открытом состоянии ITAVm, А	1000
Действующий ток в открытом состоянии  ITRMS, А	2270

Определим наибольшее среднее значение ЭДС преобразователя , (в), по формуле

                  ,                                     (2.1)

где     - коэффициент схемы вентильного преобразователя;

               – линейное напряжение вторичной обмотки  трансформатора.   

Номинальный угол регулирования α_н, эл. град., приближённо можно определить из выражения

 =  =  = 0.721 рад = 41.3 (эл. град.)               (2.2)

2.1 Расчет сглаживающих реакторов

Для уменьшения пульсаций тока и сужения зоны прерывистых токов в якорную цепь двигателя включают сглаживающий реактор.

Требуемая величина индуктивности якорной цепи , Гн, определяется из равенства

,                                                (2.3)

где   – амплитуда основной гармоники выходного напряжения  ВП, В;

m₂ – кратность пульсаций выходного напряжения, m₂ = 6;

     I₁^* – допустимое относительное действующее значение основной гармоники выходного тока преобразователя, I₁^* = 0,1.

Круговая частота сети w, Гц, находится по формуле

                                 .                                (2.4)

Величина напряжения , В, определяется из равенства:

= ,                         (2.5)

где a – угол регулирования, рад.

Для расчёта индуктивности L_d выбирается значение угла регулирования α соответствующее номинальному режиму .

    =,

 =  = 0.89 мГн.

Индуктивность обмотки якоря двигателя L_a , Гн, определяют по формуле

                                             (2.6)

где p – число пар полюсов, p = 3;

k_H – коэффициент, для некомпенсированных машин k_H = 0.6 .

                                              =  = 2.6  мГн.

Индуктивность сглаживающего реактора L_СГЛ, Гн, определяют по формуле

L_СГЛ =  –  = (0.89– 2.6)10^-3 = -1.721 мГн.                             (2.7)     

Так как величина индуктивности сглаживающего реактора  получилась отрицательной, то сглаживающий реактор не требуется.

2.2 Выбор силового трансформатора

Для расчета мощности силового трансформатора, работающего на один преобразователь и электропривод необходимы следующие данные: номинальное напряжение и номинальный ток двигателя.

По номинальному напряжению определяем  вторичное  линейное напряжение U_2л  трансформатора.

           кВА        (2.8)

По полученной расчетной  мощности выбираем стандартный трансформатор  из каталога представленном на электронном адресе фирмы производителя [1].

Выбираем устройство серии ТС3-1000

Таблица 1 – Технические данные трансформатора

Наименование параметра	Значение параметра
	ТС3-1000
Номинальная мощность, кВА	1000
Номинальное напряжение обмотки  ВН, кВ	6.0
Номинальное напряжение обмотки  НН, кВ	0.69
Потери ХХ, Вт	2400
Потери КЗ , Вт	9000
Напряжение КЗ, %	5.8
Ток ХХ, %	2.5
Схема и группа соединения обмоток

 

2.3 Выбор тахогенератора

Выбор типа  тахогенератора для системы регулирования с обратной связью по скорости производится из условия, чтобы его номинальная частота вращения была не меньше максимальной частоты вращения электродвигателя.

                                            (2.9)

n_макс = 2350 об/мин

Выбираем устройство серии ТП32-16-2.5  из справочника [9].

Таблица 3 – Технические данные тахогенератора  

Наименование параметра	Значение
Удельная ЭДС на 1000 об/мин , eтг,В· мин/об	16
Частота  номинальная, nн об/мин	3000
Сопротивление якоря, Rятг , кОм	2

3 РАЗРАБОТКА  СИЛОВОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Rт – резистор торможения;

Rш – шунтирующий резистор;

Rc –  токоограничивающий резистор;

LM – обмотка возбуждения;

ТК – тормозной контактор;

ЛК – линейный контактор;

КШ – шунтирующий контактор;

РХ – реверсор хода.

Рисунок 3.1 – Силовая схема электропривода

Схема включения электродвигателей мотор – колесо – последовательная. Направление движения изменяется переключателями реверсоров хода РХ1 и РХ2 при этом происходит изменение направления протекания тока в обмотки возбуждения, в результате происходит торможение двигателя и разгон его в противоположное направление. Тиристорный преобразователь (ТП) нужен для регулирования скорости ниже номинальной, а для получения скорости выше номинальной необходимо ослабить поле путем шунтирования обмотки возбуждения замыкая контакты КШ. Для перехода в режим торможения необходимо замкнуть контакты ТК и разомкнуть контакты ЛК.

При динамическом торможении необходимо якорь двигателя отключить от сети и замкнуть на добавочное сопротивление Rт, сохранив при этом ту же величину и направления тока в обмотке возбуждения .

В этом двигателе применяется динамическое торможение с независимым возбуждением.

Обмотка возбуждения в этом случае подключается к сети через резистор Rc, ограничивающий ток до динамического значения. Поскольку двигатель работает как генератор с независимым возбуждением,  его характеристики подобны характеристикам машины независимого возбуждения при динамическом торможении. Эти характеристики линейны и все пересекаются через начало координат, обладая большей жесткостью при меньших сопротивлениях.  

Благодаря последовательному включению электродвигателей  обеспечивается равенство их токов и моментов. Это улучшает управляемость самосвала при поворотах, уменьшает износ шин, повышает ресурс электродвигателя.

4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ДИАГРАММУ МОМЕНТОВ     

Определим момент по формуле

Результаты занесем в таблицу

Таблица 4.1 –  Таблица результатов

, рад/с	Мном, Нм	Мосл, Нм
59.4	8568
178.3		2856

 

Рисунок 4.1 – Диаграмма моментов

Как видно из рисунка 4.1, диаграмма моментов имеет две зоны регулирования. Первая зона отвечает регулированию с постоянным моментом. Постоянство момента при номинальном токе в якоре двигателя осуществляется изменением напряжения главной цепи при неизменном номинальном потоке двигателя. Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна угловой скорости.

Вторая зона отвечает регулированию с постоянной мощностью, когда регулирование производится изменением магнитного потока двигателя.

Изменением магнитного потока осуществляется путем шунтирования обмотки возбуждения при этом магнитный поток уменьшается, а обороты увеличиваются.  

Предположим, что кривая намагничивания ДПТ с последовательным возбуждением  носит линейную зависимость между потоком и током  якоря, тогда:

                                                         ,                                                           (4.1) 

То момент электродвигателя имеет вид:

                                               .                                        (4.2)      

Уравнение механической характеристики в системе ТП-Д имеет вид:

                                             ,                                     (4.3)

где - максимальная величина выпрямленной ЭДС преобразователя, В;

- угол управления вентилями преобразователя, отсчитываемый от  точки их естественной коммутации;                                               

 - конструктивный коэффициент;

- момент, развиваемый электродвигателем, Н·м;

 - полное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ом.

Согласно лекциям предмета «Системы управления электрооборудованием»  эквивалентное сопротивление , Ом, цепи выпрямленного тока можно определить как

                                     Ом.                              (4.4)

Для построения механических характеристик, соответствующих второй зоне регулирования, необходимо найти   при  различных значениях момента:

Выразим Сеk из уравнения (4.3) при U = U_ном = , , .

Преобразуем его и получаем:

                     .                                  (4.5)

Воспользуемся программой MathCad для решения этого уравнения, получаем:

Аналогично найдем значение Сеk для   и  что соответствует скорости .

Результаты вычислений занесем в таблицу

Таблица 4.2 – Результаты вычислений

	М, Нм	, рад/с	Сеk
ест	8568	59.4	0.01405
ном	8568	59.4	0.01167
осл	2856	178.3	0.00389

Для построения механической характеристики при , необходимо найти соответствующий угол управления .

 

           рад = 68 гр. эл.             (4.6)

Подставим полученное значение угла в уравнение (4.3), результаты вычислений занесем в таблицу.

Таблица 4.3 – Результаты вычислений

, гр. эл	Мном, Нм	Сеkном	, рад/с
68	8568	0.01167	24.54

Построим механические характеристики

Рисунок 4.1 - Механические характеристики

Из механических характеристик видно, что для получения скорости большей номинальной необходимо ослаблять поток, шунтируя обмотку возбуждения, а для получения скорости меньшей номинальной необходимо изменять напряжение путем изменения угла управления.

5 ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДА В ПУСКО – ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМАХ

Определим суммарный вес автомобиля и груза:

                                                                                                      (5.1)

 кг

Определим приведенный момент инерции механизма на одно колесо :

                                                                                                (5.2)

 кгм²

Моментом инерции двигателя принимаем JД = 4.86 кгм²

Суммарный момент инерции:

,                                        

кг м².

Пуск двигателя

Построим переходные процессы для первой зоны регулирования, где изменение скорости производится изменением напряжения, согласно методике изложенной в учебнике [5]. 

Определим падение скорости , рад/с, по формуле

                                       (5.3)

Определим модуль жесткости

Н·м·с.                                    (5.4)

.                                                    (5.5)                         

Угловое ускорение электропривода ,1/с²,при пуске определяется

.                             (5.6)

Время запаздывания ,с , определяется по формуле

.                                             (5.7)

 Определим скорость идеального холостого хода, рад/с, по формуле

.                                          (5.8)

Определим время нарастания ЭДС преобразователя ,с

.                                    (5.9)

Построим график функции

Рисунок 5.1 – Темп изменения

Так как момент нагрузки является реактивным, то двигатель остаётся неподвижным до тех пор, пока момент, развиваемый им, не станет равным  _. На этом этапе переходного процесса  момент изменяются по прямой, в момент с он достигает   М_С:

 .                                                  (5.10)                                

С момента  момент двигателя становится М>M_С, и происходит пуск электропривода.

        Переходный процесс на втором участке начинается с  и продолжается до . Момент изменяются по закону:

                                 .                          (5.11)

Скорость изменяется  по закону:

                                   .                                    (5.12)

На третьем участке  при t > .   угловая скорость электропривода достигает установившегося значения:

                                            ,                             (5.13)

где  – значение угловой скорости в конце второго участка, (1/с).

                                           с .                    (5.14)

  рад/с.

Момент изменяются по закону:

                                          ,                            (5.15)

где  – значение момента в конце второго участка, (Н·м).

                                                                              

 Нм.

Значения  момента и скорости при пуске заносим в таблицу 5.1

Таблица 5.1 - Значения  момента и скорости при пуске

Время, с	,1/с2	ω, рад/с	M, Н·м
0	0	0	0
0.5	25.424	7.023	1510
1	50.848	30.175	1696
1.5	69.91	53.803	1321
2	69.91	58.968	8976
2.5	69.91	59.421	8605
3	69.91	59.46	8572

Осциллограммы значений  момента,  скорости и ускорения при пуске приведены на рисунках 5.2 и 5.3.

Рисунок 5.2 - Осциллограммы  скорости и ускорения при пуске

Рисунок 5.3 - Осциллограмма  момента при пуске

Общее время пуска составило:

 с.         (5.16)

Торможение двигателя

Согласно заданию рассматривается электродинамическое торможение.

 Поскольку двигатель работает как генератор с независимым возбуждением,  его характеристики подобны характеристикам машины независимого возбуждения при динамическом торможении. Эти характеристики линейны и все пересекаются через начало координат.

Уравнение механической характеристики при динамическом торможении имеет вид:

                                          ,                                               (5.17)

где R - полное сопротивление цепи при динамическом торможении, Ом.

                                      ,                                   (5.18)

                    Вб.                  (5.19)

Сопротивление динамического торможения R_ДТ, Ом:                         

                            R_дт = R - = 0.389-0.122=0.267                                  (5.20)

Механическая характеристика динамического торможения приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Динамическое торможение

Определим время торможения , с, определим по формуле

                                                              ,                                   (5.21)

где   - начальная скорость торможения, рад/с,

        - абсолютное значение перепада угловой скорости, рад/с.

                                        рад/с,                 (5.22)                         .

Определим абсолютное значение тока в момент переключения:

                        А.                         (5.23)

Определим значение установившегося тока:

                                                    А.                                    (5.24)

Скорость изменяется  по закону:

                                                                     (5.25)

Ток изменяется  по закону:

                                                                       (5.26)

Осциллограммы значений тока и скорости при торможении приведены на рисунках 5.5 и 5.6

Таблица 5.2 - Значения  тока и скорости при пуске электродинамическом торможении

Время, с	I, А	ω, рад/с
0	-1607	59.46
0.06	-972	35.96
0.12	-498	18.42
0.18	-143	5.32
0.21	0	0

 

 Рисунок 5.5 - Осциллограмма  скорости при торможении

Рисунок 5.5 - Осциллограмма  тока при торможении

6 ПОСТРОЕНИЕ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ АЭП

Принципиальная схема двухконтурной АЭП с подчиненным регулированием параметров.

РС – регулятор скорости;

ДС – датчик скорости;

РТ – регулятор тока;

ДТ – датчик тока;

TV – трансформатор;

ТПЯ – тиристорный преобразователь якоря;

RS – шунт в контуре тока;

М – двигатель;

LM – обмотка возбуждения;

BR – тахогенератор.

Рисунок 6.1 – Принципиальная схема

6.1 Оптимизация контура тока

Определим не недостающие данные для расчета.

Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи вторичной обмотки

 Ом.                 (6.1)

где k_сх2 = 0.815 – для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Индуктивность рассеяния трансформатора

 Гн.                            (6.2)

Индуктивность цепи ТП – электродвигатель

                       Гн.            (6.3)

Максимальное значение коэффициента усиления ТП в цепи якоря с СИФУ, выполненной по вертикальному принципу управления с пилообразным опорным напряжением.

,                                    (6.4)

где U_оп – амплитуда опорного напряжения в СИФУ, U_оп = 10 В.

Электромагнитная постоянная времени цепи ТП – электродвигатель:

 с .                             (6.1.5)

Передаточный коэффициент шунта в цепи якоря:

 Ом.                                 (6.5)

Коэффициент усилителя датчика тока якоря:

.                                        (6.6)

Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря:

,                        (6.7)

где U_ДТmax – максимально допустимое значение напряжения на выходе датчика тока,  U_ДТmax = 10 В.

Не скомпенсированные постоянные времени контуров тока якоря и тока возбуждения примем Т_m = 0.005 с.

Передаточный коэффициент тахогенератора:

 В/(рад/с).                                        (6.8)

Оптимизацию системы, построенной по принципу подчинённого регулирования, начинаем с внутреннего контура тока якоря.

РТ – регулятор тока;

ТП – тиристорный преобразователь якоря двигателя;

ЯЦ – якорная цепь двигателя;

ДТ – датчик тока.

Рисунок 6.2 – Структурная схема контура тока якоря

Оптимизацию проводим при допущениях:

1)  датчик тока считаем без инерционным:

                                                    .                                           (6.9)

2)  все малые инерционности, которые имеет контур, включены на входе ТП:

                                                    .                      (6.10)

3)  ЭД заторможен (Е = 0) или (DЕ » 0), а значит отсутствует ОС по ЭДС.

Оптимизируем контур тока на модульный оптимум             ,                 (6.11)

тогда

     ,            (6.12)

где .                                                                                 (6.13)

Получили пропорционально-интегральный регулятор (ПИ - регулятор) тока.

Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид:

   .    (6.14)

Т. к. величина Т_m мала, то слагаемым  можно пренебречь, тогда считаем , получаем:

                                          ,                           (6.15)

где Т_т = 2∙Т_µ – эквивалентная постоянная времени настроенного на модульный оптимум контура тока.

Структурная схема замкнутого контура тока имеет вид:

Uзт

                                                

Id

                                                           

Рисунок 6.3 – Структурная схема замкнутого контура тока

6.2 Расчёт параметров регулятора тока

Рисунок 6.4 – Регулятор тока якоря

Коэффициент регулятора тока:

                       .              (6.16)

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока  Ф

Сопротивление резистора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока:  

Ом .                 (6.17)

Сопротивление в цепи датчика тока:

                                 Ом.                     (6.18)

 Чтобы в установившемся режиме сигнал РТ не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС. , считаем .

                                           Ом.                                (6.19)

Принимаем R₁ = 5 кОм, тогда

                                           R₂ = R₁∙k_удтя = 5∙74.07=370.4 кОм.                  (6.20)

6.3 Оптимизация контура скорости

ДС – датчик скорости;

ЗКТ – замкнутый контур скорости;

РС – регулятор скорости;

ЭМ – электромеханическая часть.

Рисунок 6.5 – Регулятор скорости

 Допущение:

Ic = 0 (Х. Х.)

Настройку произведем на симметричный оптимум.

     (6.21)

 ,                (6.22)         

где                                                                                   (6.23)

Получили пропорционально-интегральный регулятор (ПИ - регулятор) тока.

Передаточная функция замкнутого контура скорости имеет вид:

 

    (6.24)

где Т_с = 4Т_т – эквивалентная постоянная времени оптимизированного на СО контура скорости.

Данная настройка имеет перерегулирование 43.3%, для устранения перерегулирования необходимо ставить фильтр на входе регулятора. В результате передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

              (6.25)

Структурная схема замкнутого контура скорости имеет вид:

Рисунок 6.6 – Структурная схема замкнутого контура скорости

6.4 Расчёт параметров регулятора скорости

Рисунок 6.4.1 – Регулятор скорости

Опередим коэффициент датчика скорости: 

.                                        (6.26)

Коэффициент регулятора скорости:

                       .            (6.27)

Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора с  Ф.

                                (6.28)

Сопротивление резистора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора скорости:   

Ом .                           (6.29)

  
    Сопротивление в цепи датчика скорости:

                                 Ом.                           (6.30)

 Чтобы в установившемся режиме сигнал РС не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС. , считаем .

                                           Ом.                                 (6.31)

Определим емкость фильтра на входе регулятора:

.                         (6.32)

Опередим коэффициент делителя:  

.                                        (6.33)

Принимаем R₄ = 5 кОм, тогда

                                кОм.         (6.34)

7 РАСЧЁТ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ СТАТИЗМА В   РАЗОМКНУТОЙ И ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Выражение для расчета механических характеристик имеет вид

,                                         (7.1)

где  – угловая скорость идеального холостого хода, определена в (5.8)

Падение скорости при номинальной нагрузке на естественной характеристике (ЕХ):

 рад/с.                 (7.3)

Падение скорости при номинальной нагрузке в разомкнутой системе (РС):

 рад/с.                 (7.4)

Падение скорости при номинальной нагрузке в замкнутой системе (ЗС):

 рад/с.                                          (7.5)

Рисунок 7.1 – Скоростные характеристики электропривода

Статизм естественной характеристики:

.                              (7.6)

Статизм характеристики разомкнутой системы:

.               (7.7)

Статизм характеристики замкнутой системы:

.                        (7.8)

Из механических характеристик видно, что жесткость замкнутой системы может изменяться в пределах между жесткостями разомкнутой и замкнутой систем. Также видно, что самая большая ошибка регулирования соответствует разомкнутой системе регулирования.    

 

8 РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПАДЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАБРОСЕ МОМЕНТА НАГРУЗКИ

Рисунок 8.1 - Структурная схема контура скорости

Контур скорости, оптимизированный на СО с фильтром на входе имеет быстродействие вдвое меньшее, чем контур, оптимизированный на МО.

Данный контур скорости является по заданию астатическим второго порядка (только при наличии 2-й производной во входном сигнале появляется ошибка). Астатизм достигнут за счет уменьшения быстродействия.

При нелинейно изменяющемся входном сигнале задания на скорость на выходе регулятора будет сигнал, полученный в результате интегрирования и запоминания интегральной части регулятора. При появлении скоростной ошибки сигнал на выходе регулятора скорости будет изменяться, что будет приводить к изменению сигнала задания на ток и соответственно тока, что свидетельствует о переходных процессах в приводе. Скоростная ошибка в этой системе по заданию возможна только в начале и в конце отработки линейно изменяющегося сигнала задания.

Передаточная функция контура скорости по возмущению имеет вид:

                         (8.1)

Определим ошибку в установившемся режиме:

                                   (8.2)

Построим кривую изменения скорости при набросе момента

Рисунок 8.2 - Изменения скорости при набросе момента

         Благодаря использованию ПИ – регулятора система стала астатичной.

9 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭДС

НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОНТУРЕ ТОКА

Рисунок 9.1 – Структурная схема контура регулирования тока якоря с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС.

При исследовании считаем, что нагрузки на валу нет, т.е. I_c = 0.

Передаточная функция звена якорной цепи с учетом влияния внутренней обратной связи по ЭДС:

.               (9.1)

Передаточная функция звена якорной цепи в данном случае обладает дифференцирующими свойствами, следовательно, компенсирует интегральные свойства регулятора.

Определяю передаточную функцию разомкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС и регулятором, рассчитанным на режим заторможенного двигателя:

                                                                                                                                               ()     (9.2)                       
Передаточная функцию замкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС:

                 

            (9.3)

     В установившемся режиме:

.                                   (9.4)

В контуре тока без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС

Структурная схема.

Рисунок 9.2 – Структурная схема

,                                   (9.5)

где                                                                                                 (9.6)

.              (9.7)

Контур тока, который с ПИ-регулятором был астатическим при заторможенном роторе, становится статическим в переходном режиме (DЕ ¹ 0). Ошибка регулирования тем больше, чем меньше постоянная времени Т_м. Другое следствие влияния ОС по ЭДС это увеличенное перерегулирование. По отношению к новому установившемуся уровню тока перерегулирование увеличивается, но по абсолютной величине остается тем же.

Если ЭП имеет большую Т_м, то за время выхода тока на заданный уровень ЭДС электродвигателя практически не меняется и ее влияние на ток минимально.

 

                           

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Входе выполнения данной работы был произведен расчет  тягового усилия, по результатам которого было определено, что электропривод работает в двух зонах регулирования  и произведен выбор электродвигателя: ДК – 724С.

Выполнен расчёт и выбор элементов силовой цепи электропривода: тахогенератор  ТП32-16-2.5, трансформатор ТС3-1000, тиристорный преобразователь ЭПУ оснащенный тиристором Т253-1000. Так же была произведена разработка  силовой схемы электропривода.

Произведен расчет характеристик, обеспечивающих диаграмму моментов электропривода.

Построены динамические характеристики привода в пуско – тормозных режимах.

Была построена двухконтурная замкнутая система электропривода, в которой был произведен расчет регуляторов для контура тока и контура скорости. Эти регуляторы получились пропорционально интегральными. Был произведен расчёт скоростных характеристик и их статизма в   разомкнутой и замкнутой системе электропривода, расчёт величины динамического падения скорости двигателя при набросе момента нагрузки и произведена оценка влияния внутренней обратной связи по ЭДС на процессы, протекающие в контуре тока.

Использование замкнутой системы регулирования дало возможность управлять системой с заданными параметрами качества. Благодаря использованию ПИ – регуляторов система является астатичной по заданию и по возмущению. В замкнутой системе жесткость характеристик не меняется.