Исследование системы тиристорный преобразователь-двигатель

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:

Время работы при соответствующем моменте, с:

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

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

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 cosmax 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

При движении «назад»:

Число режимов 4, данные режимов заносим в таблицу 4

Таблица 4

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

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