По зазначеним у завданні типу двигуна, його номінальним значенням: потужності Р_н, напрузі на якорі U_н, швидкості обертання вала n_н з довідників [1] - [2]

Номінальна потужність: Р_н=880 кВт.

Номінальна напруга: U_н=800 В.

Номінальний струм якоря: I_ян=1190 А.

Номінальна частота обертання: n_н=400 об/хв.

Маховий момент якоря: GD²=2.4 Т∙м².

Число полюсів: 2∙p=8.

Номінальна напруга збудження: U_зн=220 В.

Струм збудження: І_з=14.6 А.

Число витків обмотки збудження: w_з=1500.

Опір обмотки якоря: R_{о. я}=0.0131 Ом.

Кількість витків обмотки якоря на полюс: W_{о. я}=540.

Опір допоміжних полюсів: R_{д. п}=0.0028 Ом.

Число витків обмотки допоміжних полюсів: W_дп=6.

Опір компенсаційній обмотки: R_ком=0.00606 Ом.

Число витків компенсаційній обмотки: W_{к. о}=6.

1.2 Функціональна схема електроприводу

Функціональна схема ЕП двозонного типу приведена на рисунку 1.1.

На систему керування подається задаючий сигнали U_{з. ω}. Він подається, наприклад, з движку потенціометру, але може подаватися із інших джерел (ЦАП цифрової системи та інші). Напруга U_{з. ω} є сигналом задавання швидкості, причому вона може бути будь-якої полярності, залежно від напрямку обертання. Ця напруга зазвичай подається на задавач інтенсивності, що забезпечує темп зміни швидкості.

У цій структурі необхідно обмежувати максимальне і мінімальне значення струму збудження. Це можливо зробити за рахунок схеми обмеження струму збудження (рисунок 1.2). На вхід регулятору струму збудження через схему виділення максимуму, створену двома діодами, подаються сигнали:

) завдання струму збудження від окремого незалежного джерела;

) сигнал струму збудження з виходу регулятору попереднього контуру, що обмежений на рівні номінального значення.

Перевагою такої структури є можливість обмеження струму якоря.

Рисунок 1.1 - Функціональна схема системи керування по колу збудження.

Рисунок 1.2 - Схема виділення максимуму.

2. Вибір тиристорного електроприводу

Основними технічними даними комплектних тиристорних електроприводів є номінальний струм І_ном і номінальна напруга U_н.

Номінальний струм електроприводу обирається за струмом ТП і може бути більше номінального струму двигуна. Номінальна напруга ЕП визначається номінальною напругою електродвигуна.

Виходячи з цього за початковими даними двигуна U_н=440 В, І_н=790 А обираємо систему КТЕУ потужністю до 2000 кВт.

КТЕУ - 1600/825 - 1231110 - УХЛ4

До складу тиристорного ЕП входять електропривод постійного струму з тахогенератором, ТП для живлення якоря двигуна і ТП для живлення обмотки збудження, силовий трансформатор, комутаційна та захисна апаратура (рисунок 2.1).

Для даної системи використовуємо трансформатор ТНЗП - 1600/10 У3

Мережева обмотка:

Потужність Р=1584 кВ·А.

Напруга U=6 кВ.

Вентильна обмотка:

Напруга U=701 В.

Струм І=1600 А.

Перетворювач:

Напруга U=825 В.

Струм І=2000 А.

Втрати:

Холостого ходу ΔР_хх=2800 Вт.

Короткого замикання ΔР_кз=13600 Вт.

Струм холостого ходу І_хх=1.3 %.

тиристорний електропривод регулювання швидкість

Також відповідно даним обмотки збудження обираємо силовий трансформатор TV2 для живлення ТП обмотки збудження з довідника [2] ТСЗП - 16/0.7 УХЛ4

Мережева обмотка:

Потужність Р=7.3 кВ·А.

Напруга U=380 В.

Вентильна обмотка:

Напруга U=205 В.

Струм І=20.5 А.

Перетворювач:

Напруга U=230 В.

Струм І=25 А.

Втрати:

Холостого ходу ΔР_хх=130 Вт.

Короткого замикання ΔР_кз=320 Вт.

Напруга короткого замикання U_{к %}=4.7 %.

Струм холостого ходу І_хх=16 %.

Рисунок 2.1 - Силова частина електроприводу серії КТЕУ при номінальному струмі I=1600 A.

3. Визначення параметрів об’єкта регулювання

3.1 Розрахунок параметрів якірного кола

Активний опір якірного кола:

_я =β_т (R_{я 15}+ R_дп+ R_ком) =1.24· (0.0131+0.0028+0.00606) =0.0272 Ом. (3.1)

де R_{я 15} - опір обмотки якоря при 15⁰С;_дп - опір додаткових полюсів при 15⁰С;_ком - опір компенсаційної обмотки при 15⁰С;

β_т=1.24 - коефіцієнт, який враховує зміну опору під впливом температури.

Активний опір фази трансформатору:

 (3.2)

де _тр=I₁/I₂=U₂/U₁=701/6000=0.1168 − коефіцієнт трансформації трансформатора, ∆Р_кз=13600 Вт втрати у меді трансформатора [2].

Фіктивний опір, визваний комутацією тиристорів:

 (3.3)

Максимальна ЕРС перетворювача:

 (3.4)

тоді

 (3.5)

Активний опір шин та вимірювальних шунтів:

_ш=0.1· R_Я=0.1·0.0272=0.00272Ом. (3.6)

Повний активний опір якірного кола:

_ЯΣ= R_Я+ R_ТР+ R_Ф+ R_Ш=0.0272+0.00531+0.02285+0.00272=0.05808 Ом. (3.7)

Номінальна швидкість двигуна:

 (3.8)

Індуктивний опір якірного кола двигуна:

 (3.9)

де К=0.25 - коефіцієнт для компенсації машини.

 (3.10)

де - пульсність перетворювача;- частота живильної мережі.

Граничний струм:

_{d гр}=0.1·І_{d H}=0.1·1600=160 А. (3.11)

Діюче значення фазної напруги мережі для живлення випрямовувача.

 (3.12)

Мінімальна швидкість двигуна:

 (3.12)

Стала двигуна:

 (3.14)

Конструктивна стала двигуна:

 (3.15)

Номінальний момент двигуна:

 (3.16)

Максимальний кут регулювання:

 (3.16)

Повна необхідна індуктивність якірного кола:

 ₍3.17)

Індуктивність згладжуючого дроселя:

_ДР=L_{Σ необ - (}L_ЯД+L_ТР) =5.5·10^-4- (2.006·10^-3+5.522·10^-5) =-0.00151 Гн. (3.18)

Оскільки L_ДР<0, тому необхідність встановлення дроселя відсутня.

Повна індуктивність якірного кола:

_Я= L_ЯД+ L_ТР=2.006·10^-3+5.522·10^-5=0.00206 Гн. (3.19)

Стала часу якірного кола:

 (3.20)

Момент інерції:

 (3.21)

Електромеханічна стала часу електроприводу:

тала машини:

 (3.23)

3.2 Розрахунок параметрів кола збудження

Струм збудження:

 (3.21)

Номінальний магнітний поток: Ф_Н=0.028 Вб.

Індуктивність обмотки збудження:

 (3.22)

де w_з - кількість витків обмотки;

∙р=8 - число полюсів;

ΔФ=ΔФ_Н=0.042 Вб - номінальний магнітний поток, який визначаться за кривою намагнічування машини з довідника [1];

ΔI_з=І_зн=15.069 А - номінальний струм збудження.

Номінальний магнітний поток розсіювання:

Ф_sн=0.6· (σ-1) Ф_н=0.6· (1.15-1) ·0.028=0.00252 Вб. (3.23)

Індуктивність розсіювання:

 (3.24)

Стала часу обмотки збудження:

 (3.25)

4. Синтез системи регулювання швидкості

4.1 Розрахунок і синтез контуру регулювання струму збудження

Структурна сема регулювання КРСЗ наведена на рисунку 3.3

Рисунок 4.1 - Структурна схема контуру регулювання струму збудження.

З умови компенсації великих сталих часу приймаємо ПІ-регулятор струму збудження з передавальною функцією:

 (4.1)

Згідно з модульним оптимумом Т_сз=2·Т_μ2=2·0.003=0.006 с (Т_μ2 - мала некомпенсована стала часу).

Максимальна ЕРС тиристорного збуджувача:

 (4.7)

Коефіцієнт підсилення тиристорного перетворювача у колі збудження:

 (4.8)

де U_кер - максимальна напруга керування СІФК.

Коефіцієнт зворотного зв’язку за струмом збудження

 (4.9)

де U_мах - максимальна вихідна напруга давача.

Отримаємо таку передавальну функцію замкненого контуру регулювання струму збудження:

 (4.10)

4.2 Синтез контуру регулювання струму якоря

Структурна схема контуру регулювання струму якоря має вигляд:

Рисунок 4.2 − Структурна схема контуру регулювання струму якоря.

Як і в контурі регулювання струму збудження передавальну функцію регулятора струму якоря обираємо ПІ−типу з передавальною функцією:

 (4.11)

По принципу налагодження контуру на модульний оптимум, сталу часу інтегрування контуру регулювання струму якоря обираємо:

 (4.12)

Коефіцієнт зворотного зв’язку по струму К_С обираємо таким, щоб при струмі упора (I_уп=2∙I_н=2∙1190=2380 А) вихідний сигнал не був максимально можливим для УБСР−АВ, а з запасом на перерегулювання:

 (4.13)

Так як у передавальній функції об’єкта регулювання входить частота обертання двигуна ω, яка може змінюватися у великих межах, то система нелінійна. Лінеаризацію проводимо шляхом компенсації у регулюючої частини контуру зміни цього параметра, необхідно поділити вихідний сигнал регулятора струму на сигнал, пропорційний швидкості. Для цього використовуємо блок ділення. Лінеаризація контуру регулювання струму якоря зображена на рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 − Лінеаризація контуру регулювання струму якоря.

Коефіцієнт нахилення кривої намагнічування К_Ф змінюється в наслідку не лінійності кривої намагнічування. Оскільки система працює у зоні ослабленого поля, на лінійній частині кривої, К_Ф приймаємо сталим.

Коефіцієнт К_д - передавальний коефіцієнт елемента ділення.

Отримаємо таку передавальну функцію замкненого контуру регулювання струму якоря:

 (4.14)

4.3 Синтез контуру регулювання швидкості

Стала часу Т_ω=17 мс − це стала часу інерційності фільтру, встановленого на виході тахогенератора та призначеного для обмеження пульсацій його вихідної напруги.

Для отримання астатизму другого ступеня по керуванню, та першого ступеня по збудженому впливу, систему налагоджуємо на симетричний оптимум. Для цього використовуємо регулятор швидкості ПІ-типа з передавальною функцією:

 (4.15)

де b_c=2 для симетричного оптимуму.

Стала часу інтегрування контуру регулювання швидкості з врахуванням інерційного зв’язку:

 (4.16)

Як і контур регулювання струму якоря, контур регулювання швидкості містить не лінійність, так як магнітний потік Ф змінюється у великих межах. Щоб лінерізувати контур, вихідний сигнал регулятора швидкості помножується на сигнал, пропорційний  знаходиться у передавальній функції регулятора швидкості. Схема лінеаризації контуру регулювання швидкості зображена на рисунку 3.6.

Номінальна проти−ЕРС двигуна:

 (4.17)

Коефіцієнт передачі блока умноження К_м залежить від самого елемента.

Коефіцієнт зворотного зв’язку по швидкості обираємо також з запасом на перерегулювання:

(4.18)

5. Реалізація системи керування

Систему керування електроприводом ставимо на типових елементах уніфікованої блочної системи регуляторів УБСР−АИ ([2], [3], [5]).

5.1 Формування зворотних зв’язків

Для формування зворотних зв’язків за струмом якоря та збудження, використовуємо ячейку ДТ−3АИ, зображену на рисунку 5.1 Номінальна напруга ячейки U_вх=75 мВ [3]. U_вх береться з вимірювального шунта.

Для вимірювання струму збудження використовується шунт типу 75ШС з I_ш=20 А ([2]), а для вимірювання струму якоря, шунт типу 75ШС з I_ш=1200 А ([2]). Коефіцієнт передачі ДТ−3АИ має змінюватися у межах від 53.3 до 133.3 ([5]).

Коефіцієнт передачі ДС якоря:

 (5.1)

Коефіцієнт передачі ДС збудження:

 (5.2)

 (5.3)

Приймаємо R₂₀=100 кОм, С_и=1 мкФ.

Для формування зворотного зв’язку за швидкістю, використовуємо датчик напруги на виході тахогенератора з номінальною вхідною напругою U_вх=10 В. Коефіцієнт передачі має змінюватися у межах від 0.6 до 1 ([5]).

Коефіцієнт передачі ДН:

 (5.4)

де − коефіцієнт тахогенератора, K_дел=0.062 − коефіцієнт дільника напруги, U_вихтг=200 В, ω_нтг=157.1 с⁻¹ − номінальні параметри тахогенератору.

Послідовно з ячейкою ДН−2АИ вмикаємо фільтр, на ячейке У7−АИ з сталою часу Т_ω=17 мс:

 (5.5)

Приймаємо С₂₁=1 мкФ та R₅=17 кОм.

5.2 Реалізація регулятору струму збудження

Для реалізації регулятора струму збудження використовуємо ячейку РТ−1АИ, зображену на рисунку 5.2. Передавальна функція РСЗ має вигляд:

 (5.6)

Для отримання сталих часу використовуємо обв’язку ОУ А4. Сталу часу Т_з отримаємо за допомогою зміни резистора R₃₉ на R₃₉=16 кОм та установленням резистора R₄₀ на відмітку R₄₀=6.47 кОм ([2], [3], [5]):

 (5.7)

де

С₁₆=100 мкФ.

Сталу часу інтегрування  отримаємо, встановив₄₁=691 Ом та використовуючи у якості входного опору R₃₅=62 кОм:

 (5.8)

У якості суматора використовуємо ОУ А2 з коефіцієнтом підсилення 1 крім сигналів завдання та зворотного зв’язку струму збудження. Сигнал U_зм знімаємо з велителя R₂₇. Сигнал завдання на струм збудження − вихідний сигнал РСЯ, обмежений на рівні 8 В. Таким чином обмежуємо мінімальний рівень струму збудження, відповідний 2 В, U_зм⁼10 В.

5.3 Реалізація регулятора струму якоря

Для регулятора струму якоря використовуємо ячейку РТ−1АИ

Передавальна функція регулятора струму якоря має вигляд:

 (5.9)

Сталу часу Т_я отримаємо, встановлюючи опір R₄₀=32 кОм, вимкнувши резистор R₃₉ ([2]):

 (5.10)

Сталу часу інтегрування отримаємо, встановив R₄₁=72.277 кОм та за допомогою R₃₅=62 кОм:

 (5.11)

У якості суматора використовуємо ОУ А2. Вихідний сигнал ОУ А4 підводиться на вхід ячейки МД−3АИ (рисунок 5.6). З її допомогою ми здійснюємо ділення вихідного сигналу регулятору струму якоря на сигнал, знімаємий з фільтру у колі зворотного зв’язку за швидкістю. Ячейка зображена на рисунку 4.3 Сигнал з датчика напруги підходить на вхід Z, а з регулятора струму РТ−1АИ на вхід Х. Коефіцієнт ячейки МД−3АИ встановлюємо K_д=1. За допомогою ОУ А1 ячейки У7−АИ та діодів V9 та V10 маємо обмеження U_обм, знімаємо з велителя напруги R7 ячейки РТ−1АИ. У випадку, коли сигнал U_вих2 більший, ніж U_обм, відповідному I_зн, то діод закорочує коло зворотного зв’язку.

5.4 Реалізація регулятора швидкості

У реалізації РШ використовуємо ячейку РС−1АИ, зображену на рисунку 5.4.

Передавальна функція регулятора швидкості має вигляд:

 (5.15)

де K_м=0.1 − коефіцієнт передачі ячейки МД−3АИ ([3]).

Необхідні параметри маємо за допомогою ОУ А1 та ОУ А5. Встановлюємо С₁₅=С₁₆=5 мкФ, R₄₁=21180 Ом. Отримаємо передавальну функцію ОУ А5:

 (5.16)

де Т₄= (С₁₅+С₁₆) ∙R₄₁= (5+5) ∙10⁻⁵∙1252) =0.1252 c. (5.17)

При R₂₄=2426.2 Ом отримаємо коефіцієнт підсилення ОУ А1:

 (5.18)

При послідовному з’єднанні ОУ А1 та ОУ А2 маємо:

 (5.19)

Сигнал U_вих МД−3АИ обмежується на рівні 8 В за допомогою ОУ А3 та ОУ А4 ячейки РС−1АИ. Ячейка датчика напруги та ячейка підсилювача зображені на рисунках 5.5 та 5.7.

5.5 Реалізація задавача інтенсивності

Для формування плавної зміни сигналу завдання швидкості при розгоні та гальмуванні привода використовуємо задатчик інтенсивності. Час розгону привода розраховуємо при навантаженні на валу М=0.3∙М_н:

 (5.20)

У системі керування використовуємо ячейку ЗИ−3АИ, зображену на рисунку 5.3 Час розгону та гальмування приводу при роботі від ЗІ однакові. Темп інтегрування встановлюється за допомогою С₇ та R₁₆ (C₇=100 мкФ, R₁₆=80000 Ом):

 (5.21)

Максимальна вихідна напруга ЗІ:

 (5.22)

6. Моделювання системи керування

Для перевірки реалізації заданих умов розгону проектує мого приводу необхідно його промоделювати. Моделювання системи виконано у відносних величинах. За базисну сталу часу приймаємо Т_μ. Далі розраховуємо параметри моделі, зображеної на рисунку 6.1.

             b_C=2, Uiwin=1, Uout=1

Визначимо кратність струму короткого замикання.

 (5.1)

 (5.2)

При моделюванні системи були досліджені пуск, реверс, та гальмування без навантаження та під навантаженням. Отримані графіки перехідних процесів зображені на рисунках 5.2 та 5.3.

Висновок

В ході курсової роботи була спроектована однозонна система керування швидкості приводу постійного струму, були синтезовані регулятори струму якоря та струму збудження, швидкості та ЕРС на основі комірок УБСР-АИ.

В якості тиристорного електроприводу був обраний електропривод серії КТЕУ - 1600/825 - 1231110 - УХЛ4

Регулятори були зібрані на базі комірок РТ-1АИ, РС-1АИ, ДН-2АИ, ДТ-3АИ, ЗИ-2АИ.

Були спрацьовані пропорційно-інтегральні регулятори струму і швидкості, що забезпечує відпрацьовування без похибки у встановленому режимі.

Перелік посилань

1.      "Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине "Системы управления электроприводом" ”, Донецк, ДонНТУ, 2002.

2.      "Комплектные Тиристорные электроприводы”, Перельмутер, Москва, 2008.

.        "Справочные данные по электрооборудованию" Москва, 2010.

.        "Синтез вентильних приводів постійного струму”, Коцегуб, Донецьк, 2011.