Розрахунок та аналіз перехідних процесів у електроприводі системи 'Г-Д'

Розрахунок та аналіз перехідних процесів у електроприводі системи 'Г-Д'

КУРСОВА РОБОТА

На тему: «Розрахунок та аналіз перехідних процесів у електроприводі системи «Г-Д»»

Вступ

Основним завданням автоматизованого електроприводу є автоматичне регулювання заданих параметрів електроприводу або забезпечення необхідної функції зміни заданих кординат.

Автоматичне регулювання в динамічному режимі виконується за допомогою регулятора. Завданням регулятора є компенсація впливу інерційних елементів системи. В інерційних елементах системи запасається енергія, вони характеризуються відповідними постійними часу Т, що визначають в системі вплив тієї чи іншої інерційності. Постійні часу визначають час перехідного процесу, а також час регулювання величини і швидкодію системи.

Основними методами аналізу систем автоматизованого електроприводу є методи теорії автоматичного управління (ТАУ). Як об'єкт регулювання розглядають приводи, що зведені до одномасової системи (жорсткої механічної ланки) з лінійною або лінеаризованою характеристикою двигуна.

Вихідні дані:

Тип двигуна : Д21

-    номінальна потужність Рн = 5,5 кВт;

-        номінальна напругаU н = 230, В;

         номінальний струм I н = 31 А;

         номінальна частота обертання nн = 1440 об/хв;

         опір двигуна Ra+ Rдп = 0,531 Ом;

         число полюсів двигуна 2р =4;

         тип обмотки якоря, визначуваний числом її паралельних гілок, 2а=2;

-        число витків полюса обмотки збудження Wцар = 850;

         число активних провідників якірної обмотки, N = 690;

-        момент інерції якоря Jд = 0,13 кг×м2;

-        коефіцієнт інерції приводу KJ =1,2;

         коефіцієнт навантаження приводу Kз=0,6.

1. Дослідження системи генератор - двигун (Д-Г). Опис схеми Г-Д

Схема управління і силова частина системи генератор - двигун (рис. 1) передбачає дві робочі швидкості обертання двигуна М1: основну (номінальну) wн і допоміжну, рівну 0,5wн . Управління системою здійснюється за допомогою командоапарату S5, що має п'ять положень. У положенні 1 двигун М1 працює на головній характеристиці; переведення командоапарату S5 в положення 2 забезпечує обертання двигуна на допоміжній швидкості.

У положенні 3 обмотку збудження генератора LG1.2 відключено. У положеннях 4 і 5 двигун М1 обертається в протилежному напрямі (реверс) відповідно із швидкістю 0,5 wн та wн При номінальній швидкості обертання електродвигуна М1 в коло збудження генератора LG1.2 вводяться резистори R1 і R2 при допоміжній швидкості - R1, R2, R3. Пуск електродвигуна здійснюється з форсуванням збудження генератора шляхом закорочування на час перехідного процесу резисторів R2 і R3 контактами контактора К5. Виключення форсування виконується за допомогою реле напруги К6 і К7, підключених на шини генера-тора G1 і налаштованих на напругу, відповідну значенню вибраної швидкості двигуна. Зупинка електродвигуна відбувається при переміщенні командоапарату в положення 3, при цьому зменшення енергії магнітного поля збудження генера-тора відбувається в контурі "обмотка збудження LG1.2 - розрядний резистор R4".

Схема забезпечує захист електроприводу від:

-        зниження струму збудження двигуна більше ніж допустимий за допомогою реле переривання поля К9;

-        перевищення напруги генератора більше допустимого значення - реле К8;

-        захист за максимальним струмом - реле К11;

-        нульовий захист (від самозапуску після короткочасного зникнення напру-ги) - реле К1.

Всі реле захисту діють на реле нульового захисту, яке вимикає обмотку збудження генератора.

. Вибір генератора і його приводного асинхронного двигуна

Вибір генератора проводять за номінальними даними двигуна, при цьому номінальна напруга генератора повинна дещо (на 5%) перевищувати номі-нальну напругу двигуна, а номінальний струм генератора повинен бути більше номінального струму двигуна.

Технічні дані генераторів і їх характеристики намагнічення обраного генератора П62 в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Технічні дані обраного генератора

де I н - номінальний струм;

Rя , wя - опір й число витків обмотки якоря;зп , wзп - опір й число витків на полюсі обмотки послідовного збудження;зн , wзн - опір й число витків на полюсі обмотки незалежного збудження;

U н =230 В;

nн =1450 об/хв;

2р=4;

2а=2.

Дані для побудови кривих намагнічення генератора в таблиці 2.2.

двигун асинхронний обмотка генератор

Таблиця 2.2 - Дані для побудови кривої намагнічування генератора

Будуємо характеристику намагнічування генератора за допомогою програми Excel. Характеристика зображена на рисунке 2.1.

Розраховуємо і будуємо характеристику холостого ходу генератора Ег = f (I вг ) за номінальної швидкості обертання генератора wг = wгн. ЕРС генератора визначається з кривої його намагнічування:

Eг = kг wг Фг                                                                                 (2.1)

де kг - конструктивний коефіцієнт;

Фг - потік збудження, Вб;

wг - кутова швидкість обертання, рад/с.

                                                                                       (2.2)

де Wя - число витків обмотки якоря генератора;

р - число пар полюсів збудження;

а - число паралельних гілок обмотки якоря.

Струм збудження генератора:

                                                                                         (2.3)

де F - намагнічуюча сила, А;

Wоз - число витків обмотки збудження генератора.

Eг =

Подальші результати розрахунку  та Eг приведені в таблиці 2.3, що розрахована в програмі Excel. Графік Ег = f (I вг ) приведений на рис. 2.2.

Таблиця 2.2 - Результати розрахунків струму і ЕРС збудження генератора

3. Розрахунок і побудова статичних характеристик електроприводу

Статичні характеристики (електромеханічна  і механічна ) розраховуються за відомими відношеннями для двигуна постійного струму незалежного збудження:

                                                                          (3.1)

                                                                       (3.2)

де конструктивний коефіцієнт двигуна;

 номінальний потік його збудження, Вб;

опір якірного ланцюга, Ом.

Значення () визначається за паспортними даними двигуна:

                                                (3.3)

де  - номінальна напруга двигуна, В;

 - номінальна кутова швидкість обертання, рад/с.

                                                                                 (3.4)

 рад/с

                                         (3.5)

Де  - температурний коефіцієнт, що враховує збільшення опору при нагріві,=1,24;

,- опір якоря генератора і двигуна, Ом;

- опір додаткових полюсів двигуна, Ом;

-опір з’єднувальних проводів, Ом;

-опір щіточних контактів, Ом.

При знаходженні приймаємо довжину провода l=30м, мідний провід ( Допустима щільність струму

 Ом

Опір контактів щітки:

                                                                                     (3.7)

де - падіння напруги в контактах щітки, В. Будемо вважати  незмінним і рівним 1В на 1 контакт щітки.

 Ом

 Ом

Необхідно розрахувати статичні характеристики, що забезпечують роботу двигуна з номінальною і половинною швидкістю обертання при навантаженні на його валу, що дорівнює статичному моменту опору.

                                                                                     (3.8)

Де - коефіцієнт навантаження;

- номінальний момент, Н*м.

                                                                                        (3.9)

де - номінальна потужність, Вт.

Для побудови статичної характеристики двигуна необхідно знати лише дві точки, бо вона являє собою пряму лінію. В якості таких точок приймаємо точку, що відповідає ідеальному холостому ходу (Мс=0) і точку, в якій при М=Мс швидкість обертання Для забезпечення потрібної швидкості обертання двигуна ЕДС генератора повинна перевищувати ЕДС двигуна у сталих режимах на величину падіння напруги в опорі якірного ланцюга:

                                                            (3.10)

                                                           (3.11)

Для побудови природної характеристики двигуна незалежного збудження при М=Мн і .

Подальші результати розрахунку приведені в таблиці 3.1.

Графік f (M ) представлено на рисунку 3.1.

Таблиця 3.1

. Визначення динамічних параметрів електроприводу

Динамічними називають параметри, які визначають характер протікання перехідних процесів.

При розрахунках нехтують електромагнітною інерційністю якірного ланцюга, реакцією якорю генератора і двигуна і впливом вихрових струмів. З урахуванням цих допущень до динамічних параметрів системи генератор - двигун відносять: електромагнітну постійну часу обмотки збудження генератора - Тв, електромеханічну постійну часу електроприводу:

Тм=                                                                                   (4.1)

де J - приведений до валу двигуна момент інерції всієї системи, кг м2;

                                                                                         (4.2)

де  коефіцієнт інерції привода;

 момент інерції якоря двигуна, кг м2;

                                                                                          (4.3)

де - індуктивність обмотки збудження генератора, Гн;

 - активний опір обмотки збудження генератора, Ом.

Індуктивність обмотки збудження є змінною величиною і залежить від струму збудження. Користуючись кривою намагнічування Фг=f(F) знаходять залежність Lв= f(Івг) з формули:

                                                      (4.4)

Де  , - номінальні значення потоку і струму збудження генератора;

 - коефіцієнт розсіювання магнітного потоку при номінальному режимі приймаємо 1,1.

Використовуючи залежність Ег= f(Івг) знаходимо Івгн:

Івгн = 4.

Знаходимо Fнг з формули:

                                                                                   (4.5)

З графіка Фг=f(F) знаходимо Фнг:

Фнг= 0,0255

Розрахунки Lв зведені до таблиці 4.1. Залежність Lв= f(Івг ср) приведена на рисунку 4.1.

Таблиця 4.1 - Розрахунок індуктивності обмотки збудження генератора

З отриманих даних таблиці 4, будуємо залежність Lв= f(Iвгср)

При знаходженні Тв використовують середнє значення індуктивності Lв = Lвср, які знаходяться на робочому відрізку зміни струму збудження від нуля до значення Івгн відповідного роботі двигуна на головній швидкості.

Можна використовувати для визначення Lв графічне інтегрування, яке засноване на використанні першої теореми про середнє значення визначеного інтегралу:

                                                                 (4.6)

де  - струм збудж генератора, що відповідає роботі двигуна на основній швидкості, А.

=22,33Гн;

5. Визначення коефіцієнта форсування

Для скорочення тривалості перехідного процесу в системі генератор - двигун використовуються методи форсованого змінення струму збудження. Як правило форсування збудження виконується за рахунок прикладення підвищеної напруги Uс до струму збудження генератора на період розгону двигуна на основній швидкості:

                                                                                       (5.1)

де kф - коефіцієнт форсування;

 - напруга на обмотці збудження генератора в установленому режимі, В;

                                                                                    (5.2)

.

Попереднє значення коефіцієнта форсування визначають з умови, що R1 під час форсування заморочено, а максимальний струм якоря Іямах не перевищить допустимого під час пуску. Допустимий струм:

Ідоп=(2÷2,5)Інд;                                                                             (5.3)

Ідоп=

                                                                   (5.4)

де  - струм короткого замикання при ЕДС генератора, що забезпечує номінальну швидкість обертання двигуна, А.

                                                                                       (5.5)

де  - ЕДС генератора, що забезпечує основну швидкість обертання двигуна, В.

                                                                                       (5.6)

де Іс - струм статичного навантаження.

 Обираємо

. Розрахунок опору резисторів у колі обмотки збудження генератора

. Визначення опору розрядного резистора R4. Під час вибору розрядного резистора потрібно виконати дві умови.

Допустима перенапруга на обмотці збудження генератора в момент ії відключення під номінальним струмом не повинно перевищувати десятикратної номінально напруги збудження.

                                                                               (6.1)

Струм якірного ланцюга не повинен перевищувати допустимого за умов комутації:

                                                                                     (6.2)

де  - коефіцієнт перевантаження по струму, =2.

де                                                                                       (6.4)

.

Рішення цього трансцендентного рівняння може бути знайдете графічно: визначивши відношення (Тм/Тв), для декількох значень n в діапазоні від 2 до 10 знайдемо іншу частину рівняння.

Тепер з рівності , методом підбора знайдемо n:

= G

Розрахунок іншої сторони рівняння в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 - Дані з розрахунку рівняння (6.3)

З графіку n=9.

де - розрядний опір, Ом.

Перевірка:

1)      4 · 296,1 10 · 131,6

1184 1316

2. Визначимо опір регулюючих резисторів R1, R2, R3. Резистор R1 при форсованому пуску потрібен для гасіння надлишку напруги в мережі

                                                                             (6.5)

Опір резистора R1 приблизно можна визначити за формулою:

                                                                                         (6.6)

де - струм в ланцюзі збудження при форсуванні, А;

                                                                                    (6.7)

де - струм збудження генератора при форсуванні, А;

=;                                                                                      (6.8)

=

- струм в розрядному опорі , А;

=                                                                                     (6.9)

=

Уточнене значення  визначають з рівняння:

                                                   (6.10)

де                                                           (6.11)

                                                                                          (6.12)

                                                                              (6.13)

Задаючись значеннями R1, близькими до значень опору R1, будуємо залежність =f(R1). Розрахунок  зводимо до таблиці 6.2

Таблиця 6.2 - Розрахунок даних для побудови залежностей

З графіка R1=68 Ом.

Резистор R2 повинен забезпечити отримання основної кутової швидкості обертання зняття форсування. Його опір:

                                                               (6.14)

Опір резистора R3 знаходять з умови отримання половинної швидкості обертання двигуна:

                                                        (6.15)

де - струм збудження генератора, що забезпечує половинну швидкість обертання, А.

Значення знаходимо с характеристики холостого ходу Ег=f(Івг) для ЕДС генератора, що відповідає половинній швидкості:

=0,8 А.

Список використаних джерел

1.  Ключев В.И. Теория електропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

2.       Теорія електропривода./ За ред. М.Г. Поповича. - К: Вища школа. 1993 .- 494 с.

3.  Справочник по автоматизированному электроприводу /Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шинянского/, - М.: Энергоиздат, 1983. - 616 с.