Курсовой проект по дисциплине: Математические модели и расчет электромеханических систем icon

Курсовой проект по дисциплине: Математические модели и расчет электромеханических систем


Смотрите также:
Курсовой проект по дисциплине Математические модели и расчёт систем управления технологическими...
Курсовой проект по дисциплине : Математические модели и расчет систем управления...
Курсовой проект по дисциплине : Математические модели и расчет систем управления...
Курсовой проект по дисциплине Проектирование и расчет систем технологической автоматики...
Курсовой проект по дисциплине: «Прикладная механика» «Расчет вертикального аппарата...
Курсовой проект по учебной дисциплине «Расчет и конструирование сапр станочных систем» на тему:...
Методические рекомендации по организации и защите курсовой работы по дисциплине для...
Рабочая программа по дисциплине: цикла ен. Р...
Программа наименование дисциплины Математические модели в теории...
Курсовой проект по дисциплине "Организация эвм, комплексов и систем"...
Программа учебной дисциплинЫ «математические модели и расчет систем управления технологических...
Программа учебной дисциплинЫ «математические модели и расчет систем управления технологических...



Загрузка...
скачать


Министерство образования Российской Федерации


Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)


КУРСОВОЙ ПРОЕКТ


По дисциплине: Математические модели и расчет электромеханических систем

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА




Тема: Моделирование и расчет электропривода дымососа типа ДН – 19НЖ


Автор:студент гр. ЭР-99-1 ____________ / Рыжий В.Ю./

(подпись) (Ф.И.О.)


ОЦЕНКА:


Дата:


ПРОВЕРИЛ:


Руководитель проекта: доцент ___________ /Емельянов А.П./

(должность) (подпись) (Ф.И.О.)


Санкт-Петербург

2003 год

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)


УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой


__________ /А.Е.Козярук/


“___”_________200 г.

^

Кафедра Э и ЭМ




КУРСОВОЙ ПРОЕКТ


По дисциплине: “Математические модели и расчет электромеханических cистем


ЗАДАНИЕ


Студент группы ЭР - 99 - 1 Рыжий В.Ю.

1.Тема: Моделирование и расчет электропривода дымососа типа ДН –19НЖ

2. исходные данные: Данные привода дымососа и литературные источники:

з. Содержание пояснительной записки: 1.Техническое задание на проведение работы. 2.Описание объекта. 3.Описание блок-схемы исследуемого электропривода. 4.Математическое описание электромеханических процессов, протекающих в электроприводе. 5.Принципиальная схема электропривода. 6.Расчет основных элементов электропривода. 7.Результаты исследований электромеханических процессов, протекающих в компьютерной модели электропривода

^ 4.Перечень графического материала: Структурная схема электропривода.


5. Срок сдачи законченного проекта 28 май 2003г.

Руководитель проекта доцент /Емельянов А.П./


Дата выдачи задания: 19 февраля 2003 г.

Оглавление


^ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 1

Оглавление 3

Аннотация 4

The summary 4

Введение 5

1. Техническое задание на проведение работы. 6

2. Описание объекта 9

3. Описание блок-схемы исследуемого электропривода 9

4. Математическое описание электромеханических процессов, протекающих в электроприводе. 12

Таблица 1 21

Это условие будет выполняться при 27

5. Принципиальная схема электропривода. 27

6. Расчет основных элементов электропривода. 29

7. Результаты исследования электромеханических процессов, протекающих в компьютерной модели электропривода. 36

Заключение 38

Список литературы 39




Аннотация


В данной работе исследуются электропривод дымососа типа ДН – 19НЖ и электромеханические процессы, протекающие в разрабатываемом электроприводе. Рассматриваются вопросы математического описания электромеханических процессов, исследуется электромеханические процессы, которые проводились с помощью программы Matlab 5.2, производился расчет статических режимов работы электропривода, на основе которых были выбраны основные элементы электропривода. Все вычисления производятся на компьютере в вычислительной среде Mathcad 2001.

Пояснительная записка содержит 37 страницы машинописного текста, включает 13 рисунков, а также одну таблицу.


^

The summary


In the given work are investigated the electric drive ventilator such as ДН - 19НЖ and electromechanical processes proceeding in the developed electric drive. The questions of the mathematical description of electromechanical processes are considered, is investigated electromechanical processes, which were carried out with the help of the program Matlab 5.2, was settled an invoice of static modes of operations of the electric drive, on the basis of which were chosen basic elements of the electric drive. All calculations are made on the computer in computing environment Mathcad 2001.

The explanatory slip contains 37 pages of the typewritten text, includes 13 figures, and also one table.





Введение


Электропривод является неотъемлемой частью многих агрегатов и комплексов, используемых в различных отраслях народного хозяйства, науки и техники. Наряду с тенденцией автоматизации технологических и производственных процессов на базе вычислительной техники, современный электропривод стал наиболее распространенной разновидностью систем автоматического управления техническими объектами. Эти факторы оцениваются как основные, позволившие утроить объем мирового производства за последние два десятилетия. Поэтому проблеме автоматизации управления электроприводом уделяется все больше внимания.

Во всех отраслях народного хозяйства, в науке, в быту и во многих других сферах человеческой деятельности используются разнообразные машины, механизмы и устройства, которые позволяют облегчить, ускорить или упростить воздействие на материалы, предметы обработки или выполнять иные заданные функции, которые называют рабочими процессами.

В современной практике многие рабочие процессы вообще невозможно осуществить без применения специальных машин, приспособлений и установок. Например, для выполнения любого механического процесса необходимо привести в движение рабочие органы машины или механизма, что и делается приводом. Однако привод осуществляет и преобразование какого-либо вида энергии в механическую работу, в частности преобразует электрическую энергию в механическую работу.

Следует отметить, что благодаря эффективному аккумулированию, простоте передачи, свойствам суммирования и делимости электроэнергия более широко используется по сравнению с другими видами энергии.

Привод должен осуществлять целенаправленное преобразование энергии, поэтому в его состав должны входить устройства, реализующие такие функции. Кроме того, как правило, эта цель в электроприводе должна достигаться автоматически.


^

1. Техническое задание на проведение работы.


1.1. Назначение и цель выполнения работы.

1.1.1. Исследуемый электропривод предназначается для эксплуатации в условиях металлургического цеха КГМК (г. Мончегорск).

1.1.2. Целью работы является исследование электромеханической системы, обеспечивающей плавное регулирование частоты вращения центробежного дымососа типа ДН-19НЖ и позволяющей, в целях сокращения расхода электроэнергии в межпродувочный период, реализовать экономичный режим его работы

1.2. Технические требования к исследуемому электроприводу.

1.2.1. Требования к составу исследуемого изделия.

1.2.1.1. В состав исследуемого электропривода должны входить:

-исполнительный двигатель;

-статический преобразователь;

-система управления работой электропривода;

-системы защиты и световой индикации.

1.2.2. Требования по назначению.

1.2.2.1. Рабочим механизмом, приводящимся в движение исследуемым электроприводом, является центробежный дымосос типа ДН-19НЖ, характеризующийся следующими основными параметрами:

-частота вращения-1000об/мин;

-производительность-105000;

-полное давление-2648Па;

-момент инерции, приведенный к валу двигателя-380;

-статический момент нагрузки связан с частотой вращения вентиляторной зависимостью.

1.2.2.2. В качестве исполнительного двигателя должен использоваться синхронный двигатель.

1.2.2.3. Электропривод должен функционировать в двух режимах:

- работа в режиме регулирования частоты вращения (в этом режиме исполнительный двигатель работает как вентильная машина);

- работа с номинальной частотой вращения и номинальной мощностью (в этом режиме исполнительный двигатель работает как синхронная машина).

1.2.2.4. При работе в первом режиме электропривод должен обеспечивать:

-плавный пуск (время разгона 60с)и регулирование частоты вращения;

-диапазон регулирования 5:1 (1000-200об/мин);

-поддержание частоты вращения на постоянном уровне с точностью не менее 5%;

-обеспечение заданного закона изменения частоты вращения в динамических режимах с точностью не менее 5%;

-ограничение тока статора двигателя в процессе разгона и регулирования частоты вращения на уровне 2Iн.

1.2.2.5 .Электропривод должен обеспечивать возможность перехода двигателя из одного режима работы в другой без опасных бросков тока.

1.2.2.6 .Электропривод должен получать питание от трехфазной промышленной сети напряжением 380В частотой 50 Гц.

1.2.2.7. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения, вносимого электроприводом в сеть, не должен превышать 5%.

1.2.2.8. Исследуемый электропривод должен иметь следующие виды защит:

-от токов короткого замыкания (ток уставки срабатывания защиты-8Iн);

-от перенапряжений (перенапряжения, возникающие в элементах электропривода, не должны превышать 1,5Uн);

-от длительных перегрузок по потребляемому току (1,2Iн в течении 20 мин);

-нулевую защиту;

-от неисправности системы охлаждения статического преобразования;

-от исчезновения напряжения возбуждения.

1.2.2.9. Электропривод должен иметь световую сигнализацию:

-о режиме работы исполнительного двигателя;

-о срабатывании защит;

о наличии силового питания;

-о наличии питания в цепях управления.

1.2.3. Требования по устойчивости к воздействию климатических и механических факторов.

1.2.3.1. Электропривод должен устойчиво и надежно функционировать при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от 0 до+400 С. Влажность воздуха 80%.

1.2.3.2. Электрооборудование, входящее в состав электропривода, должно выдерживать ударную нагрузку до7g.

1.2.3.3. Электрооборудование, входящее в состав электропривода, должно быть

стойким к вибрационным нагрузкам с постоянной амплитудой до 0,075 мм и

частотой вибрации от 10 до 57 Гц.

1.2.4. Требования по надежности.

1.2.4.1. Полный назначенный ресурс электропривода должен быть не менее 20000 час.

1.2.4.2. Полный назначенный срок службы не менее 10 лет.

1.2.4.3. Срок сохраняемости 10 лет, в том числе 5 лет в упаковке. Срок службы входит в срок сохраняемости.

1.2.4.4. Коэффициент готовности 0,95.

1.2.4.5. Минимальное время восстановления 10 мин.

1.2.4.6. Вероятность безотказной работы 0,999 за 500 часов.

1.2.5. Требования по эксплуатации, удобству технического обслуживания, ремонта и хранения.

1.2.5.1. Электропривод должен быть ремонтопригодным и должен обеспечивать взаимозаменяемость составных частей.

1.2.5.2. Хранение должно производиться в закрытых неотапливаемых помещениях категории 3 (Ж3) ГОСТ 15150-69 .

1.2.6. Требования по транспортировке .

1.2.6.1. Составные части электропривода должны допускать транспортирование любым видом транспорта на любые расстояния при условии исключения воздействия пыли, атмосферных осадков и прямых солнечных лучей (трюм, закрытый транспорт).

1.2.6.2. Условия транспортирования в части воздействия механических факторов - жесткие (Ж) по ГОСТ 23216-78, в части воздействия климатических факторов - по группе условий хранения 3 (Ж3) ГОСТ 15150-69 .

1.2.7. Требования по безопасности.

1.2.7.1. Безопасность в эксплуатации должна быть обеспечена надежным заземлением корпусов электрооборудования, применением материалов и защитных покрытий, не выделяющих при работе в условиях повышенной до 45С окружающей температуры токсичных веществ.

1.2.8. Требования по стандартизации и унификации.

1.2.8.1. В исследуемом электроприводе должны быть в максимальном объеме применены стандартные и унифицированные материалы, изделия и детали, изготавливаемые предприятиями РФ или сертифицированные изделия импортного производства.
^

2. Описание объекта


2.1. Исследуемый электропривод входит в состав механизма газоотвода, эксплуатируемого на участке пылегазоулавливания, который в свою очередь является частью плавильного отделения металлургического цеха. На нем завершается технологический процесс производства меди пирометаллургическим способом. Механизм газоотвода представляет собой вентиляторную установку, предназначенную для отсоса газа, получаемого при конвертировании медного расплава. Газы, получаемые при конвертировании меди из конвертера через откатный и стационарный газоходы поступают в пылеуловитель типа ВЗП 2.0, где, пройдя частичную очистку, при помощи рассматриваемого в данном проекте дымососа ДН – 19НЖ поступают в электрофильтр типа УГТ1 – 40 – 4 и далее при помощи еще одного дымососа транспортируются по газоходу в серно-кислотный цех на переработку в серную кислоту, либо сбрасываются через трубу в атмосферу.

Регулирование скорости дымососа позволяет увеличить концентрацию SO2 в газе, что при переработке последнего в серную кислоту приводит к увеличению количества выпускаемой кислоты и уменьшению затрат на ее производство, что в конечном итоге приносит заметную прибыль предприятию.
^

3. Описание блок-схемы исследуемого электропривода


3.1.Блок-схема исследуемого электропривода.

 3.1.1.Исследуемый электропривод выполнен на основе вентильного двигателя. Блок схема такого электропривода приведена на рис.1. В соответствии со схемой в состав электропривода входят следующие основные элементы:

-cинхронный двигатель (М);

-статический преобразователь частоты на основе автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией напряжения (СПЧ с АИНШИМ);

-система управления работой автономного инвертора напряжения (СУ АИНШИМ);

-датчик положения ротора (ДПР);

-возбудитель синхронного двигателя (В);

электромагнитные контакторы (КМ1-КМ3).

На блок схеме электропривода не показаны системы защиты, контроля, сигнализации и управления. Последние будут описаны в последующих разделах настоящего проекта.

Функционирование электропривода происходит в двух главных режимах. В первом режиме-режиме пуска и регулирования частоты вращения (интенсивности газоотвода) включены электромагнитные контакторы КМ1, КМ2 и исполнительный двигатель работает как вентильная машина. В этом режиме обмотки статора двигателя получают питание от АИНШИМ, частота переключения силовых ключей которого определяется сигналами, поступающими с датчика положения ротора. При этом величина действующего значения фазного напряжения плавно регулируется по закону равномерной двуполярной синусоидальной ШИМ. В этом режиме исполнительный двигатель функционирует как двигатель постоянного тока, у которого пространственный угол между осью магнитного потока и током якоря равен 90 электрических градусов.



Рис1. Блок-схема электропривода дымососа на основе вентильного двигателя

Во втором режиме, в котором дымосос работает с максимальной производительностью и регулирования интенсивности газоотвода не требуется, исполнительный двигатель работает как синхронная машина. В этом случае электромагнитные контакторы КМ1, КМ2 выключены, а электромагнитный контактор КМ3 находится во включенном состоянии. При этом обмотки статора двигателя получают питание от сети переменного тока.

Обмотка возбуждения в обоих режимах получает питание от полупроводникового возбудителя.

Реализация исследуемого электропривода позволяет в значительной степени избавится от недостатков, присущих типовым электроприводам, широко используемых в наше время. Во первых, регулирование газоотвода здесь осуществляется посредством изменения частоты вращения вентилятора. То есть при уменьшении его производительности будет уменьшаться и напор, а следовательно будет уменьшаться и мощность, потребляемая исполнительным двигателем.

Во вторых, работая в режиме максимальной производительности, исполнительный двигатель функционирует как синхронная машина с коэффициентом мощности, носящим опережающий характер. То есть исполнительный двигатель будет функционировать как компенсатор реактивной мощности в промышленной сети.

И, наконец в третьих, предлагаемый электропривод выполняется на современной полупроводниковой элементной базе и будет содержать минимальное количество подвижных электрических контактов, что в значительной степени увеличит срок его службы и сократит время необходимое на проведение ремонтнорегламентных работ.
^

4. Математическое описание электромеханических процессов, протекающих в электроприводе.


4.1. Математическая модель вентильного двигателя.

4.1.1. Как уже говорилось выше, проектируемый электропривод функционирует в двух режимах. В первом режиме работы исполнительный двигатель используется как вентильный двигатель. В целях построения математической модели такого двигателя рассмотрим эквивалентную двухфазную синхронную машину. Схема такой машины приведена на рис.2. В соответствии со схемой обмотки фаз статора питаются симметричной двухфазной системой напряжений:



, (4.1)

где -амплитудное значение фазного напряжения статора, В;

-частота фазного напряжения статора.



Рис2. Схема эквивалентной двухфазной синхронной машины в неподвижных осях.

Обмотка возбуждения в эквивалентной синхронной машине размещена на оси 2 и подключена к источнику постоянного напряжения. Уравнения равновесия электродвижущих сил, записанные в осях имеют следующий вид



, (4.2)

здесь -активное сопротивление фазной обмотки статора, Ом;

-токи, протекающие по фазным обмоткам статора, А;

-потокосцепления фазных обмоток статора.

Особенностью синхронного двигателя является вращение ротора со скоростью вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Причем ротор синхронного двигателя отстает от поля статора на угол , равный

, (4.3)

где -угол поворота магнитного поля статора, град;

-угол поворота ротора, град.

Для удобства математического анализа запишем уравнения равновесия эдс в осях вращающихся со скоростью ротора. Схема эквивалентной двухфазной синхронной машины с фазными обмотками расположенными на вращающихся осях приведена на рис.3. Воспользовавшись формулами преобразования, позволяющими переходить от математического описания в неподвижной системе координат к описанию процессов во вращающейся системе [1], получим уравнения равновесия электродвижущих сил и уравнение для определения электромагнитного момента





, (4.4)

здесь -число пар полюсов,

-проекции фазных токов на оси d и q, А;

-проекции фазных потокосцеплений на оси d и q;

-электромагнитный момент, Нм.



Рис 3. Схема эквивалентной двухфазной синхронной машины во вращающихся осях.

Принимая во внимание, что обмотка возбуждения уложена на роторе и ее магнитный поток направлен вдоль оси d, можно записать выражения для проекций потокосцепления по осям d и q как



(4.5)

Здесь -индуктивности рассеяния обмоток статора;

-взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и обмоткой статора по оси d;

-ток возбуждения, А.

С учетом выражений (4.5), а также с учетом того , что ток в обмотке возбуждения есть величина постоянная, система уравнений (4.4) может быть записана в виде





(4.6)

4.1.2. Вентильный двигатель, как уже говорилось выше отличается от синхронного двигателя следующим моментом. Датчик положения ротора и АИНШИМ формируют напряжение на обмотках статора таким образом, чтобы его результирующий вектор опережал вектор магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения на 90 электрических градусов. Следовательно в вентильном двигателе проекция вектора статорного напряжения на ось d равна нулю, а проекция

на ось q равна . С учетом этого обстоятельства уравнения равновесия эдс и электромагнитного момента для вентильного двигателя примут вид





(4.7)

Если систему уравнений (4.7) дополнить уравнением равновесия моментов на валу и принять во внимание, что равняется магнитному потоку ротора , то можно получить математическую модель вентильного двигателя в виде следующей системы уравнений, записанной в системе координат, вращающейся со скоростью ротора







(4.8)

здесь -статический момент нагрузки, приведенный к валу двигателя, Нм;

-момент инерции, приведенный к валу двигателя, .

Выведенная система уравнений (4.8) будет использована в дальнейшем при построении структурной схемы и разработке компьютерной модели электропривода.

4.1.3. В соответствии с техническим заданием исследуемый электропривод, работающий в режиме вентильной машины, должен осуществлять следующие функции:

-осуществлять плавный пуск и регулирование частоты вращения в диапазоне 200-1000 об/мин. Время изменения частоты вращения от максимального значения до минимального и наоборот должно быть не менее 60с;

-поддерживать постоянной частоту вращения в любой точке диапазона регулирования с точностью до 5%. Возмущающим воздействием являются колебания напряжения в сети. Допустимая величина изменения напряжения в сети определяется соответствующим ГОСТом и составляет10% от номинального напряжения

С учетом этих требований функциональная схема электропривода, обеспечивающий первый режим работы будет иметь вид, представленный на рис.4. В соответствии с функциональной схемой в состав электропривода входят:

  • М1-синхронный двигатель;

  • УВ-возбудитель (управляемый выпрямитель), предназначенный для питания обмотки возбуждения двигателя;

  • СИФУ-система импульсно-фазового управления возбудителем;

  • АИНШИМ-силовая часть автономного инвертора напряжения, предназначенная для питания обмоток статора двигателя;

  • CУ-система управления АИНШИМ;

  • ДПР-датчик положения ротора;

  • ДС-датчик частоты вращения;

  • ЗЧВ-задатчик частоты вращения;

  • ЗТВ-задатчик тока возбуждения;

  • ЗИ-задатчик интенсивности изменения частоты вращения;

  • С1,С2-сумматоры;

  • ПИ1, ПИ2-пропорционально-интегральные регуляторы;

  • УОС1-согласующий усилитель в цепи обратной связи по частоте вращения;

  • УОС2-согласующий усилитель в цепи обратной связи по току возбуждения;

  • ДТВ-датчик тока возбуждения



Рис.4 Функциональная схема вентильного электропривода.

Как следует из функциональной схемы исследуемый электропривод содержит жесткие отрицательные обратные связи по току возбуждения и частоте вращения. Обратная связь по току возбуждения предназначена для поддержания постоянства тока возбуждения на уровне, обеспечивающем насыщение магнитной цепи двигателя. Необходимость выполнения этого условия и принцип действия контура управления током возбуждения подробно освещены в [2] в разделе, посвященном анализу управления током возбуждения. Здесь следует отметить, что управления скоростью вращения двигателя осуществляется при постоянном магнитном потоке. Обратная связь по частоте вращения предназначена для поддержания ее на постоянном уровне с требуемой точностью при появлении возмущающих воздействий. Сигнал задания частоты вращения с выхода задатчика интенсивности ЗИ поступает на вход сумматора С1, на второй вход которого поступает сигнал пропорциональный фактическому значению частоты вращения ротора двигателя. Разностный сигнал с выхода сумматора С1 поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора ПИ1. Сигнал, формируемый регулятором ПИ1, будет воздействовать на систему управления СУ автономного инвертора и изменять напряжение на его выходе до тех пор пока фактическое значение частоты вращения ротора не сравняется по величине с заданным значением.

Структурная схема электропривода, построенная в соответствии с функциональной схемой, показана на рис.5. Структурная схема электропривода строилась в предположении, что АИНШИМ и УВ являются безинерционными усилительными звеньями. Передаточная функция задатчика интенсивности при этом бралась как обычно

, (4.9)

здесь -постоянная времени задатчика интенсивности.



Рис 5.Структурная схема электропривода, работающего в 1 режиме.

4.1.4. Во втором режиме работы электропривода исполнительный двигатель, как уже говорилось выше функционирует как обычный синхронный двигатель. В этом режиме обмотки статора получают питание непосредственно от трехфазной сети, а цепь возбуждения получает питание от возбудителя. При этом двигатель работает с постоянной частотой вращения, а дымосос функционирует в режиме максимальной производительности.

В этом режиме работы управление возбудителем исполнительного двигателя осуществляется по закону, отличающемуся от закона, рассмотренному в п.4.1.3. Последнее обстоятельство объясняется следующим образом. Поскольку синхронный двигатель в рассматриваемом режиме получает питание от промышленной сети, загруженной реактивной мощностью, то, в целях её компенсации, необходимо чтобы двигатель работал, потребляя из сети ток, который бы опережал по фазе напряжение сети. Для этого необходимо, чтобы возбудитель синхронного двигателя регулировал величину тока возбуждения в определенной функции от тока статора [2]. В соответствии с технической информацией, указанная функция для синхронного двигателя типа СД2-85/18-10Т, используемого в разрабатываемом электроприводе в табличной интерпретации имеет вид.

Таблица 1


Относительная мощность на валу

-

0,25

0,50

0,75

1,0

Мощность на валу

кВт

35

70

105

140

Ток статора

А

64

125

193

258

Ток возбуждения

А

77

92

124

125

В графическом виде эта функция может быть представлен в виде кривой, приведенной на рис.6. Анализ этой расчетной зависимости показывает, что закон изменения тока возбуждения в функции от тока якоря имеет линейный вид и может быть представлен уравнением

(4.10)



Рис. 6 Зависимость тока возбуждения от тока статора для синхронного двигателя типа СД2-74/25-6Т.

Функциональная схема электропривода, реализующая работу двигателя во втором режиме работы приведена на рис.7. В соответствии со схемой в состав электропривода входят:

-М1-синхронный двигатель;

-УВ-управляемый выпрямитель (возбудитель), предназначенный для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя;

-CИФУ-система импульсно-фазового управления;

-ПИ-пропорционально-интегральный регулятор;

-ДТС-датчик тока статора;

-ДТВ-датчик тока возбуждения;

-Х-умножитель;

-C1, С2-сумматоры;

УОС2-усилитель в цепи обратной связи по току возбуждения;

УЗТВ-усилитель-формирователь сигнала, задающего требуемую величину тока возбуждения.



Рис.7 Функциональная схема вентильного электропривода для второго режима работы.

Функциональная схема содержит контур тока возбуждения, включающий в себя: обмотку возбуждения синхронного двигателя, управляемый выпрямитель (УВ) с системой импульсно-фазового управления (СИФУ), пропорционально-интегральный регулятор (ПИ), усилитель обратной связи по току возбуждения (УОС2) и сумматор (С1). Выходной координатой контура является ток возбуждения, входной координатой напряжение пропорциональное требуемому току возбуждения. Величина требуемого тока возбуждения в функции от тока статора описывается уравнением (4.10). Формирование задающего напряжения, пропорционального требуемому току возбуждения, осуществляется с помощью датчика тока статора (ДТС), умножителя (Х), сумматора С2 и усилителя-формирователя сигнала УЗТВ.

Электропривод, выполненный по такой функциональной схеме, в целях снижения уровня реактивной мощности сети, обеспечит работу синхронного двигателя с постоянным опережающим углом , косинус которого будет равен 0,9.

Структурная схема контура тока возбуждения синхронного двигателя, составленная в соответствии с функциональной схемой, приведена на рис.8. Для определения передаточных функций, входящих в состав структурной схемы необходимо произвести математическое описание электрических процессов, протекающих в элементах контура возбуждения синхронного двигателя.



Рис. 8 Структурная схема цепи возбуждения синхронного двигателя.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа, напряжение подводимое к обмотке возбуждения будет уравновешиваться суммой падения напряжения на активном сопротивлении и ЭДС, возникающей в индуктивности обмотки возбуждения.

, (4.11)

где ток, протекающий в обмотке возбуждения, А;

напряжение на выходе возбудителя, В;

сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

индуктивность обмотки возбуждения, Гн.

Переходя к изображениям по Лапласу можно уравнение равновесия напряжений (4.11) записать в виде

, (4.12)

здесь -изображения напряжения на выходе возбудителя и тока в обмотке возбуждения;

-оператор Лапласа.

Принимая во внимание, что входной величиной для обмотки возбуждения является напряжение на выходе возбудителя, а выходной величиной является ток возбуждения,, передаточная функция обмотки возбуждения синхронного двигателя может быть записана в следующем виде

, (4.13)

где постоянная времени обмотки возбуждения, с.

Управляемый выпрямитель, применяемый в качестве возбудителя синхронного двигателя, благодаря использованию в нем элементов системы импульсно-фазового управления, является дискретным устройством. В технической литературе передаточную функцию тиристорного преобразователя (управляемого выпрямителя) по управляющему воздействию трактуют как

(4.14)

где Ктп-коэффициент передачи управляемого выпрямителя;

Ттп-постоянная времени тиристорного преобразователя, с;

m-фазность пульсаций выпрямленного напряжения;

f-частота питающей сети, Гц.

Для практических расчетов передаточную функцию тиристорных преобразователей с достаточной точностью представляют в виде

(4.15)

Постоянная времени для тиристорных преобразователей, работающих от сети с частотой 50Гц составляет 0,01с. В некоторых случаях из-за большого быстродействия тиристорных преобразователей их можно рассматривать как безинерционные звенья.

Основой ПИ-регуляторов, используемых в системах управления электроприводами, являются операционные усилители. Операционные усилители–это усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления по напряжению (104-108) и малой собственной постоянной времени. В зависимости от соотношения сопротивлений обратной связи и входного сопротивления операционный усилитель может выполнять различные функции. В частности, если в цепь обратной связи включить последовательно соединенные резистор Rос и конденсатор Сос, а во входную цепь резистор R1, то операционный усилитель выполняет одновременно масштабное преобразование и операцию интегрирования и называется пропорционально-интегральным или ПИ-регулятором. Передаточная функция такого регулятора описывается выражением

, (4.16)

здесь -постоянная времени, с;

-постоянная времени, с.

Передаточная функция разомкнутого контура имеет следующий вид

(4.17)

В целях компенсации большой постоянной времени обмотки возбуждения, постоянная времени выбирается равной . В этом случае передаточную функцию разомкнутого контура можно записать как

(4.18)

Передаточная функция замкнутого контура возбуждения имеет следующий вид

(4.19)

Настройку контура (расчет и выбор параметров регулятора) обычно производят так, чтобы получить оптимальный процесс (настройка на технический оптимум) [3].

Технически оптимальным переходным процессом считается такой процесс, при котором время изменения регулируемой величины от 0 до установившегося значения было бы минимально возможным при перерегулировании, не превышающем 4-10%. Из теории автоматического регулирования известно, что условие технического оптимума будет выполнено, если характеристический полином (знаменатель в уравнении 4.19) будет иметь вид

(4.20)
^

Это условие будет выполняться при


(4.21)

С учетом выражений (4.20) и (4.21) передаточная функция ПИ-регулятора может быть записана в виде

(4.22)

В этом выражении первое слагаемое соответствует пропорциональной части регулятора, а второе - интегральной части. Выведенные в этом подразделе математические зависимости будут использованы при расчете элементов, входящих в состав электропривода.
^

5. Принципиальная схема электропривода.


5.1. Основными элементами проектируемого электропривода являются: силовая часть, система управления возбудителем, система управления вентильным двигателем и пульт управления. В соответствии со схемой рис.9 в состав силовой части электропривода входят:

-исполнительный двигатель (М1);

-cтатический преобразователь частоты, состоящий из неуправляемого выпрямителя (VD1-VD6), автономного инвертора напряжения с ШИМ (VS1-VS6) и компенсирующего конденсатора (C1);

-возбудитель исполнительного двигателя, представляющий собой управляемый выпрямитель (VS7-VS12), получающий питание от трехфазного понижающего трансформатора (Т1);

-защитно-коммутационная аппаратура, выполненная на основе автоматических выключателей QF1,QF2 и линейных контакторов КМ1-КМ3.



Рис. 9 Принципиальная схема силовой части электропривода.

Кроме указанного выше оборудования на принципиальной схеме силовой части показаны: датчик положения ротора (ДПР), датчик частоты вращения (ДС), датчик тока статора (ДТС), датчик тока возбуждения (ДТВ) и электрические разъемы (Х1-Х4).

Защита электропривода от токов короткого замыкания осуществляется с помощью автоматических выключателей QF1,QF. Защита от длительной перегрузки происходит посредством токового реле КТ1. При длительном протекании тока, превышающем номинальное значение, реле срабатывает, разрывая цепь питания реле напряжения К2. При этом обесточиваются катушки линейных контакторов, которые отключат привод от сети. Нулевая защита осуществляется с помощью реле напряжения К1. В случае снижения напряжения в сети ниже допустимого значения реле выключится, что приведет к выключению линейных контакторов.
^

6. Расчет основных элементов электропривода.


6.1. Расчет и выбор исполнительного двигателя.

Мощность двигателя дымососа при пренебрежении изменением плотности воздуха можно определить пользуясь следующим выражением:

, (6.1)

где -давление , напор развиваемый машиной ( Па );

-производительность ( м3/с).

-суммарный коэффициент полезного действия установки, здесь -коэффициент полезного действия вентилятора (выбирается по аэродинамическим характеристикам в нашем случае );

-коэффициент полезного действия редукторной передачи от электродвигателя к вентилятору (выбирается в зависимости от рода передачи крутящего момента). При непосредственной насадке колеса тягодутьевой машины на вал электродвигателя : =1.0;

kз – коэффициент запаса, (численное значение коэффициента запаса обычно находится в интервале kз=1,05-1,15).

С учетом численных значений производительности и напора, приведенных в техническом задании на проектирование, выражение для расчета мощности исполнительного двигателя примет следующий вид



По каталогу выбираем ближайший по мощности синхронный двигатель типа СД2-85/18-10Т

Выбранный двигатель имеет следующие номинальные параметры:

-мощность на валу 140 кВт;

-напряжение-380В;

-частота вращения-104 1/c;

-ток статора-258А;

-коэффициент полезного действия-92,1%;

-ток возбуждения-125А;

-напряжение возбуждения-24В.

-режим работы продолжительный.

Синхронные двигатели типа СД2-85/18-10Т изготавливаются в соответствии с Техническими условиями ТУ 16.512.360-74.

6.2. Расчет и выбор элементов СПЧ с АИНШИМ.

6.2.1. Схема силовой части СПЧ с АИНШИМ приведена на рис.10. В соответствии со схемой СПЧ состоит из трех элементов:

-АИНШИМ-автономный инвертор напряжения;;

-НВ-неуправляемый выпрямитель

-C-компенсирующий конденсатор в цепи постоянного тока.



Рис. 10 Принципиальная схема силовой части СПЧ на основе АИНШИМ.

Основными элементами силовой части АИНШИМ являются шесть полупроводниковых ключей VS1-VS6, зашунтированных обратными диодами VD1-VD6. Выбор этих полупроводниковых ключей производится, исходя из рабочих токов, протекающих через ключи, и рабочих напряжений, прикладываемых к ним.

Расчет величин рабочих токов и напряжений производится в соответствии с методикой, приведенной в [4].

Напряжение на входе АИНШИМ равняется напряжению на выходе неуправляемого выпрямителя, которое составляет величину

, (6.2)

где -фазное напряжение сети, от которой получает питание неуправляемый выпрямитель. Поскольку последний получает питание от трехфазной сети , то



Рабочее напряжение, прикладываемое к полупроводниковому ключу с учетом запаса может быть определено выражением

, (6.3)

где -коэффициент запаса.

Приняв, что коэффициент запаса численно равен 1,5, имеем



Рабочее значение тока через полупроводниковый ключ определяется из выражения

, (6.4)

здесь -амплитудное значение фазного тока нагрузки, А;

максимальное значение коэффициента модуляции;

коэффициент мощности.

Величина максимального значения коэффициента модуляции в свою очередь определяется из выражения

, (6.5)

где -амплитудное значение фазного напряжения на выходе АИНШИМ, В.

В связи с тем, что действующее значение фазного напряжения на выходе АИНШИМ равно , а , то максимальное значение коэффициента модуляции

будет равно



С учетом того, что амплитудное значение фазного тока двигателя равно , а имеем



Ориентируясь на значения рабочего тока и напряжения, рассчитанные по выражениям (6.3),(6.4), в качестве полупроводниковых ключей АИНШИМ выбираем IGBT-модули типа М2ТКИ2-150-12 производства ОАО «Электровыпрямитель» (г.Саранск). Модули этого типа представляют собой два транзисторных ключа, соединенных последовательно. Основные характеристики модуля приведены ниже:

Рабочий ток-150А;

Максимальный ток-300А (в течении 1мс);

Рабочее напряжение-1200В;

Время включения-0,25мкс

Падение напряжения в открытом состоянии-2,5В.

6.2.2. Основными элементами неуправляемого выпрямителя являются полупроводниковые диоды. Выбор последних осуществляется также на основании величин рабочих токов, протекающих через них, и величин обратных рабочих напряжений, прикладываемых к ним. Поскольку неуправляемый выпрямитель выполняется по трехфазной мостовой схеме (по такой же как и силовая часть АИНШИМ), то рабочий ток, протекающий через каждый диод будет равен рабочему току, протекающему через полупроводниковый ключ инвертора. То есть:

(6.6)

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам трехфазной двухполупериодной мостовой схемы определяется выражением

, (6.7)

где -амплитудное значение фазного напряжения сети переменного тока,В.

Так как в нашем случае , то



С учетом численных значений рабочих токов и напряжений в качестве диодов неуправляемого выпрямителя выбираем модули диодные типа МТД-125 производства ОАО «Электровыпрямитель» (г.Саранск). Модули этого типа представляют собой два низкочастотных диода, соединенных последовательно. Основные параметры модуля имеют следующие численные значения:

Рабочий ток-125А;

Рабочее напряжение-1200В.

6.2.3. Величина емкости конденсатора в цепи постоянного тока вычисляется из выражения

, (6.8)

где -частота ШИМ инвертора,Гц;

-пульсации напряжения на обкладках компенсирующего конденсатора, В.

В современных инверторах на основе транзисторов типа JGBT частота ШИМ находится в интервале 1-3 кГц. Принимая значение частоты равное 2кГц и задаваясь величиной пульсаций напряжения на обкладках конденсатора равной 5% от , имеем

=

В качестве компенсирующего конденсатора выбираем конденсатор типа К73-10мкф-1000В в количестве 2 штук (конденсаторы соединяем параллельно).

6.3. Расчет и выбор силовых элементов возбудителя.

Одним из основных элементов проектируемого электропривода является возбудитель исполнительного двигателя. В соответствии с алгоритмом работы электропривода возбудитель должен функционировать в двух режимах. В первом режиме он должен поддерживать постоянство тока возбуждения на требуемом уровне. Во втором режиме он должен регулировать ток возбуждения в зависимости от тока статора. Кроме того он должен обеспечивать быстрое гашение поле статора двигателя при отключении его от сети, обеспечивать форсировку тока возбуждения при снижении напряжения на обмотках статора и ограничение тока возбуждения при длительных форсировках. Отечественная электротехническая промышленность выпускает возбудители для синхронных двигателей, отвечающих перечисленным требованиям. Это возбудители типа ТЕ-320 и ВТЕ-320. Однако это возбудители рассчитаны на мощности от до и на ток . Использовать такие возбудители в проектируемом электроприводе, в котором мощность цепи возбуждения синхронного двигателя составляет , а ток в цепи возбуждения равен, экономически не целесообразно. В этой связи в исследуемом электроприводе используется возбудитель специальной разработки. Принципиальная схема силовой части возбудителя приведена на рис.11. Как следует из схемы возбудитель представляет собой управляемый выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Схема выпрямления подключается к трехфазной сети переменного тока через понижающий трансформатор.



Рис. 11 Принципиальная схема силовой части возбудителя.

В качестве понижающего трансформатора используем трансформатор типа ТСВМ-5-380/27. Этот трансформатор рассчитан на мощность Напряжение первичной обмотки рассчитано на а напряжение вторичной обмотки составляет .

Основными элементами возбудителя являются полупроводниковые управляемые ключи, образующие схему выпрямления. Выбор этих ключей осуществляется на основании рабочих токов и рабочих напряжений. В трехфазной мостовой схеме выпрямления средний рабочий ток, протекающий через ключ, составляет одну треть от выпрямленного тока. С учетом возможной форсировки величину рабочего тока через ключ можно определить как

(6.9)

Рабочее напряжение для ключа определяется выражением

, (6.10)

где -амплитудное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нашем случае , поэтому численное значение рабочего напряжения равно



С учетом численных значений рабочих токов и напряжений, вычисленных по формулам (6.9) и (6.10) в качестве управляемых полупроводниковых ключей возбудителя выбираем полумосты типа МТБТБ-100 производства ОАО „Электровыпрямитель» ) (г.Саранск). Полумост состоит из двух тиристоров, каждый из которых рассчитан на рабочий ток и рабочее напряжение .
^

7. Результаты исследования электромеханических процессов, протекающих в компьютерной модели электропривода.


7.1.. Исследования электромеханических процессов, протекающих в разрабатываемом электроприводе, производились на персональном компьютере с помощью программ имитационного моделирования MATLAB 5.2. в среде Windows.

Компьютерная модель электропривода строилась в соответствии с системой уравнений (4.8). Численные значения постоянных времени и коэффициентов передачи элементов, входящих в состав модели электропривода, приведены ниже.

;;;;;

Исследованиям подвергались следующие процессы:

-пуск двигателя из состояния полной остановки до номинальной частоты вращения;

-плавное регулирование частоты вращения в диапазоне от до об/мин;

Пуск двигателя производился при уставке задатчика интенсивности равной одной минуте. Характер изменения напряжения управления, частоты вращения двигателя, действующего значения фазного тока статора, а также электромагнитного момента в процессе пуска в виде диаграмм приведен на рис 12. Анализ этих зависимостей показывает, что частота вращения двигателя при пуске осуществляется по линейному закону, в соответствии с характером изменения напряжения управления. При заданной интенсивности разгона двигателя действующее значение за счет динамической составляющей в конце разгона превышает номинальное значение на 50% и составляет 387А. Поскольку в Технических требованиях указано, что максимальное значение тока статора в переходных режимах не должно превышать номинальное значение более чем в два раза, то можно сделать вывод о том что проектируемый электропривод отвечает предъявляемым к нему в этой части требованиям.



Рис. 12 Процесс разгона двигателя за 1 минуту.

Плавное регулирование частоты вращения в компьютерной модели осуществлялось при изменении напряжения управления. Изменение напряжения производилось по линейному закону, реализуемому с помощью задатчика интенсивности. На рис.13 показаны диаграммы изменения скорости вращения двигателя, диаграммы изменения действующих значений фазных токов статора и электромагнитного момента двигателя. Из скоростных диаграмм следует, что изменение частоты вращения двигателя происходит по линейному закону, повторяющему закон изменения напряжения управления. Время уменьшения скорости вращения от максимального значения до минимального составляет 60 сек, что соответствует значению, оговоренному Техническим заданием. Время увеличения скорости от минимального значения до максимального также составляет 60 сек, что также соответствует требованиям технического задания. Из токовых диаграмм следует, что в процессе регулирования действующее значение фазного тока статора не превышает 380А. То есть процесс регулирования частоты вращения по критерию максимальной токовой нагрузки является аналогичным процессу пуска. На рис. 13 приведена также диаграмма изменения электромагнитного момента, развиваемого двигателем в процессе регулирования частоты вращения. Эта диаграмма повторяет в другом масштабе токовую диаграмму. Это обстоятельство объясняется тем, что регулирование частоты вращения происходило при постоянстве магнитного потока. Анализ моментной диаграммы показывает, что в процессе уменьшения частоты вращения электромагнитный момент остается все время положительным. Это означает, что двигатель при заданном приведенном моменте инерции () и заданной длительности снижения частоты вращения (60 сек) не переходит в режим генераторного торможения.



Рис. 13 Диаграмма плавного регулирования частоты вращения.

Таким образом проведенные компьютерные исследования электромеханических процессов, протекающих в проектируемом электроприводе, подтвердили правильность основных выбранных технических решений, обеспечивающих выполнение технических требований в части: величины диапазона регулирования, времени пуска, качества протекания переходных процессов и т.д.


Заключение


Анализируя полученные диаграммы можно сделать выводы:

  1. Разгон двигателя осуществляется практически по линей ному закону, соответствующий закону изменения задающего сигнала, при этом бросок действующего значения тока не превышает 10% от номинального значения, что и было учтено при выборе элементной базы статического преобразователя частоты.

  2. Электропривод позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в заданном диапазоне 5:1. При этом, уменьшая частоту вращения, электромагнитный момент двигателя не изменяет свой знак, а это значит, что двигатель не переходит в режим генераторного торможения. Поэтому при разработке статического преобразователя частоты можно использовать простейшую схему на основе не управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения.



Список литературы


  1. Сандлер А.С., Ключев Н.Г., Чиликин М.И. “Теория автоматизированного электропривода” М.: “Энергия”, 1979

  2. Герман-Галкин С.С. “Компьютерное моделирование полупроводников систем”, С-Пб, 2001

  3. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт – Петербургское отд-ние, 2000. – 496 с.: ил.






Скачать 357,47 Kb.
оставить комментарий
Рыжий В.Ю
Дата29.09.2011
Размер357,47 Kb.
ТипКурсовой проект, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх