Разработка электроприводов прессовых машин

В управляемом выпрямителе открытие очередного вентиля в общем случае производится со сдвигом на угол регулирования  по отношению к точке естественного открытия (рисунок диаграмма напряжений). Поэтому в интервале 0 проводит вентиль, у которого потенциал анода ниже, чем у вентиля который открывается при угле .

Задерживая момент открытия вентиля по отношению к моменту естественного открытия можно уменьшать среднее значение выпрямленного напряжения. Значит, можно автоматически управлять выпрямленным током или напряжением, и таким образом, получить регулировочную характеристику, необходимую для наших условий, для регулирования скорости двигателя.

Задано обычно бывает среднее значение выпрямленного напряжения  и выпрямленного тока . В нашем случае для расчета выпрямителя заданными являются номинальное напряжение электродвигателя  и потребляемый им ток в номинальном режиме .

Среднее значение выпрямленного напряжения  равно высоте прямоугольника с основанием, равным длительности периода пульсации, и с площадью, равной площади заштрихованной на рисунке 5.1.

В тиристорном управляемом электроприводе, наибольшее распространение нашли мостовые схемы выпрямления. Сравнение трехфазных схем преобразователей показывает, что мостовые тиристорные схемы обеспечивают более высокое значение выпрямленного напряжения, меньшую переменную составляющую, более высокую частоту пульсаций. Применение трехфазных мостовых схем обусловлено оптимальным соотношением между значением обратного и прямого напряжения на вентилях и питающим напряжением.

Произведем расчет и выбор основных элементов схемы нереверсивного тиристорного преобразователя, построенного на трехфазной управляемой мостовой схеме выпрямления для работы на двигатель постоянного тока типа 6ПФ250МГУХЛ4.

Определим напряжение условного холостого хода тиристорного преобразователя при номинальной скорости вращения вала двигателя:

 (5.1)

где –среднее значение выпрямленного напряжения на якоре электродвигателя;

-падение напряжения на активном сопротивлении сглаживающего дросселя;

-возможное изменение напряжения на выходе тиристорного преобразователя, вызванное колебанием напряжения в питающей сети переменного тока;

-среднее значение падения напряжения на тиристорах

 (5.2)

С целью увеличения жесткости механической характеристики электродвигателя при работе его от тиристорного преобразователя сглаживающий дроссель должен иметь минимальное активное сопротивление (потери). Для большинства систем равно:

  (5.3)

Принимаем

Среднее значение падения напряжения на тиристорах:

 (5.4)

где –напряжение спрямления вольтамперной характеристики, снятой на постоянном токе;

-динамическое сопротивление тиристора;

-номинальный ток двигателя.

Если положить, что в качестве тиристоров будут выбраны вентили с классификационным падением напряжения средней группы ,то величины и можно определить по следующим приближенным формулам:

 (5.5)

 (5.6)

 (5.7)

 (5.8)

где –номинальный тиристорный ток;

 (5.9)

 (5.10)

Тогда:

 (5.11)

Напряжение на выходе преобразователя при условном холостом ходе без учета возможных колебаний напряжения в питающей сети равно:

 (5.12)

Учитывая колебания напряжения сети переменного тока, , величина  должна быть увеличена:

электропривод мощность постоянный ток

 (5.13)

 (5.14)

Найдем реальное напряжение холостого хода тиристорного преобразователя при :

 (5.15)

 (5.16)

где -линейное напряжение сети.

Так как , то точный расчет всех напряжений не требуется.

Так как наш двигатель наш двигатель может работать если частота пульсаций выпрямленного напряжения не более 15%, то для ограничения пульсаций ставится сглаживающий дроссель.

5.1 Выбор тиристоров

Выбор тиристоров осуществляется по максимально допустимым току и напряжению.

В паспортных данных на тиристоры указывается предельное (максимально допустимое среднее за период) значение тока , длительно протекающего через тиристор, Это значение тока дается для классификационной схемы однофазной однополупериодной схемы выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока, угле проводимости 180°, максимально допустимой температуре корпуса [7].

В классификационной схеме при активной нагрузке ток тиристора имеет форму, показанную на рисунке 5.3. Для классификационной схемы среднее значение тока , протекающего через тиристор, является предельным.

В тиристорных преобразователях, работающих на якорь или обмотку возбуждения ДПТ НВ, условия работы тиристора отличаются от тех, для которых в паспорте указывается предельное значение тока . Так угол проводимости X может отличаться от 180°, а форма тока отличаться от представленной на рисунке 5.3. Например, в трехфазных схемах управляемых выпрямителей при работе в области непрерывных токов, ток тиристора имеет форму, близкую к прямоугольной (рисунок 5.4) и угол проводимости , равный 120° .

Коэффициент амплитуды тока для классификационной схемы:

где –максимальное значение тока, протекающего тиристор

Коэффициент формы тока для классификационной схемы:

где –действительное значение тока, протекающего через тиристор

Расчетное значение тока тиристора определяется из выражения:

 (5.17)

,

где –коэффициент запаса по току, который исходя из надежности работы тиристора, устанавливается равным

-коэффициент формы тока для заданной схемы выпрямления и соответствующего этой схеме угла проводимости

-коэффициент, учитывающий условия охлаждения тиристоров

-коэффициент формы тока для классификационной схемы выпрямления.

Среднее значение тока , протекающего через тиристор, определяется из выражения:

 (5.18)

Тиристоры обладают небольшой перегрузочной способностью по току, в связи, с этим при работе силовой схемы на якорь электродвигателя среднее значение тока тиристора следует определять с учетом возможных перегрузок по току, возникающих при пуске электродвигателя:

Поэтому максимальное значение тока нагрузки  следует определять из условия:

 (5.19)

где –коэффициент кратности пускового тока электродвигателя ().

 (5.20)

Выбор тиристора по току производится на основании вычисленного предельного значения тока  с учетом условия:

 (5.21)

При выборе тиристоров по напряжению необходимо исходить из напряжения (ЭДС) холостого хода преобразователя с учетом возможного повышения напряжения питающей сети (обычно на 10-15%).

В паспортных данных на тиристоры указывается повторяющееся напряжение, определяемое как максимально допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к тиристору. Расчетное значение повторяющегося напряжения  для трехфазной мостовой схемы выпрямителя определяется из выражения [8]:

 (5.22)

где –коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (см. табл.);

-коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное перенапряжение на тиристорах ();

-коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения сети переменного тока на 5-10% ();

-коэффициент, учитывающий неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале ();

-коэффициент, учитывающий падение напряжения на элементах управляемого выпрямителя (;

-значение фазного напряжения сети

Таблица 5.2. Значения коэффициентов для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

По расчетному значению повторяющегося напряжения  находят паспортное значение повторяющегося напряжения . При этом должно выполняться условие:

 (5.23)

Выбираем тиристор по [9] Т171-320 (). Основные характеристики тиристора:

-ток в открытом состоянии (средний) постоянный ();

-ток в закрытом состоянии постоянный (;

-напряжение управления постоянное (

-напряжение на тиристоре в открытом состоянии (

-длительно допустимое повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии (

-время включения (

Тип рекомендуемого охладителя: 0181-110

5.2 Расчет сглаживающего дросселя

Индуктивность сглаживающего реактора, включаемого последовательно с обмоткой якоря ДПТ НВ, выбирается из условий:

1. Обеспечение непрерывности тока якоря в определенном диапазоне

нагрузок и частот вращения двигателя;

2. Ограничение амплитуды переменной составляющей тока якоря электродвигателя.

Отметим, что уровень пульсаций должен составлять от 2 до 15 % от номинального тока якоря.

Индуктивность сглаживающего дросселя определим по формуле [7]:

 (5.24)

где – относительная величина эффективного значения пульсаций первой гармоники выпрямленного напряжения;

-относительная величина эффективного значения пульсаций первой гармоники выпрямленного тока;

-индуктивность цепи якоря двигателя;

-угловая частота первой гармоники выпрямленного напряжения

где m-число фаз преобразователя

Индуктивность цепи якоря электродвигателя:

 (5.25)

где –для компенсированных машин постоянного тока;

2р=4 – число полюсов электродвигателя;

-номинальная частота вращения вала электродвигателя.

 (5.26)

Величина может быть найдена из графика:

Предельный угол регулирования,

,

где –скорость вращения электродвигателя, соответствующего нижнему пределу его регулирования;

-сопротивления якорной цепи

-конструктивный коэффициент электродвигателя

Тогда

По графику зависимости определяем , тогда

Величина пульсации  диктуется условиями проектирования стандартных двигателей и не должна превышать 2…5%

По полученным данным  выбираем сглаживающий дроссель типа СРОМ 1000/10У1 с параметрами:

Постоянный ток

Масса

5.3 Регулировочная характеристика преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена с учетом выбранных элементов и их параметров по уравнению:

 (5.28)

 (5.29)

Подставляя в уравнение значения угла а от 0 до 90°, получим таблицу значений для построения регулировочной характеристики:

Таблица 5.3 Значение функции

Полученная характеристика приведена на рисунке 5.6.

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя от угла регулирования  при неизменном моменте на валу (равном номинальному) определена из уравнения:

 (5.30)

где –суммарное активное сопротивление якорной цепи системы ТП – Д:

 (5.31)

где –сопротивление сглаживающего дросселя

-динамическое сопротивление тиристора

тогда  (5.32)

 (5.33)

Таблица 5.4 Значения функции

Регулировочная характеристика преобразователя при номинальной нагрузке электродвигателя приведена на рисунке 5.6.

Начальный угол управления определяется из следующего выражения:

 (5.34)

где –среднее значение выпрямленного тока, равное номинальному току электродвигателя;

-номинальное напряжение электродвигателя, тогда

 (5.35)

Также из этой характеристики можно графически определить напряжение задатчика скорости, в данном случае

6 ОПИСАНИЕ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Структурная схема разомкнутого электропривода

Структурная схема разомкнутого электропривода, выполненного по принципу тиристорный преобразователь - ДПТ НВ с регулированием частоты вращения путем изменения напряжения на якоре состоит из двух основных частей - тиристорного преобразователя и ДПТ НВ с нагрузкой. Структурная схема разомкнутого электропривода приведена на рисунке 6.1.

В общем случае тиристорный преобразователь состоит из двух звеньев:

1. Система импульсно-фазного управления (СИФУ) с входным устройством.

2. Силовая схема.

В инженерных расчетах передаточную функцию тиристорного преобразователя в режиме непрерывного тока с достаточной для практических расчетов точностью, можно представить в виде:

 (6.1)

где – р - оператор дифференцирования;

-коэффициент усиления тиристорного преобразователя на линейном участке регулировочной характеристики;

-постоянная времени тиристорного преобразователя.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя на линейном участке его регулировочной характеристики определяем по формуле:

 (6.2)

где –напряжение регулирования, необходимое для изменения угла регулирования на 90 градусов.

Напряжение регулирования  обычно составляет от 5 до 10В [9].

Рассчитаем постоянную времени трехфазного мостового управляемого выпрямителя:

где  –постоянная времени, равная половине периода пульсаций выпрямленного напряжения;

-постоянная времени фильтра на входе СИФУ

 (6.3)

m=6 – количество пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного.

Структурная схема ДГТТ НВ при изменении напряжения на якоре и постоянном потоке возбуждения строится в соответствии с системой уравнений:

 (6.4)

где –электромагнитная постоянная времени якорной цепи;

е–ЭДС двигателя;

М–электромагнитный момент двигателя;

- динамический момент двигателя;

J- момент инерции двигателя с механизмом, приведенный к валу двигателя.

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи для мостовой схемы преобразователя определяется по формуле:

 (6.5)

Индуктивность якорной цепи определяем по формуле:

 (6.6)

-индуктивность якорной обмотки двигателя

-индуктивность сглаживающего дросселя

Определяем активное сопротивление якорной цепи:

 (6.7)

-активное сопротивление обмотки якоря двигателя

-динамическое сопротивление тиристора

Электромеханическую постоянную времени  электропривода определяем по формуле:

 (6.8)

Между постоянными времени электропривода выполняется соотношение:

 (6.9)

6.2 Статизм в разомкнутой системе регулирования

Оценкой стабильности рабочей скорости электропривода при различных нагрузках является статизм механической характеристики двигателя. Количественной оценкой статизма может служить номинальный перепад скорости ,соответствующий изменению момента двигателя от М=0 до М=

Анализ электромеханических свойств ДПТ НБ целесообразно начать с рассмотрения статических режимов работы. Уравнение статической механической характеристики двигателя имеет следующий вид:

 (6.10)

Рассчитаем скорость холостого хода:

, (6.12)

где -рассчитанное напряжение на якоре

Номинальный электромагнитный момент:

 (6.13)

При построении статистических характеристик необходимо определить значения напряжения на якоре  и  соответственно при работе двигателя на верхней  и  нижней частотах вращения:

Рассчитаем скорость холостого хода:

Теперь подставляя рассчитанные значения напряжения на якоре получим:

По полученным данным характеристику разомкнутой системы:

Статическая ошибка разомкнутой системы на верхнем пределе регулирования определяется по формуле:

 (6.15)

Статическая ошибка разомкнутой системы на нижнем пределе регулирования равна:

 (6.16)

Таким образом, проведенный расчет статической ошибки разомкнутой системы показывает, что статическая ошибка на нижнем пределе регулирования (26%) значительно превышает допустимую (), поэтому необходимо синтезировать и исследовать замкнутую систему электропривода.

7. СИНТЕЗ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭКСТРУДЕРА

На базе операционного усилителя DА1 реализован регулятор скорости (РС) с соответствующими цепями коррекции, а на базе операционного усилителя DА2 - регулятор тока (РТ),

Задающий сигнал поступает на вход РС через резистор R2 и устанавливается с помощью потенциометра RP1.

Выходной сигнал РС является задающим для РТ. Выходной сигнал РТ поступает на систему импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем (СИФУ).

Датчиком скорости (ДС) является тахогенератор BR1 с возбуждением от постоянных магнитов, жестко закрепленных на валу двигателя, а датчиком тока (ДТ) - шунт RS1 в цепи якоря. Для согласования уровней напряжения шунта и напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя DА2, в канал обратной связи по току включен усилитель напряжения (УН) [10].

Анализ механических характеристик разомкнутой системы ТП - ДПТ, показал, что разомкнутая система не обеспечивает требуемую жесткость в заданном диапазоне, а кроме того не предусматривает ограничение тока якоря. В связи с этим необходимо синтезировать замкнутую систему электропривода.

7.1 Подчиненное регулирование координат электропривода

Структурная схема электропривода постоянного тока, с подчиненным регулированием координат, содержащая два разомкнутых контура: внутренний -контур регулирования тока и внешний - контур регулирования скорости, показана на рисунке 7.2. Контур регулирования тока подчинен контуру регулирования скорости [11].

На этой схеме отдельные блоки электропривода представлены типовыми динамическими звеньями. Задачей синтеза является определение передаточных функций регулятора тока и скорости и расчет корректирующих элементов.

В настоящее время в электроприводе при создании замкнутых систем автоматизированного электропривода широкое; применение нашел принцип последовательной коррекции или так называемого подчиненного регулирования.

Объект регулирования представляется в виде последовательно соединенных звеньев, выходными параметрами которого являются существенные координаты объекта, например ток, напряжение, ЭДС, магнитный поток, момент, скорость, положение.

Для управления каждой из координат организуется отдельный регулятор, образующий с объектом контур, замкнутый соответствующей обратной связью. Регуляторы соединяются последовательно, так что выход одного является входом другого.

Структурная схема системы с подчиненным регулированием параметров показана на рисунке 7.3.

Выходные параметры  отдельных звеньев объекта управления(ОУ1, ОУ2, ОУЗ) подаются на датчики обратных связей (ДОС1, ДОС2, ДОС3), откуда сигналы обратной связи  подаются на регуляторы (PI, P2,I P3).

Поэтому регулирование каждой координаты подчинено регулированию предыдущей. Система с подчиненным регулированием позволяет настраивать каждый контур отдельно, начиная с внутреннего, и делать это независимо от настройки внешнего контура. В таких системах достаточно просто осуществляется ограничение значений параметров путем ограничения выходного параметра предыдущего контура.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7