Электропривод звена подвижности ПР по схеме АИН-АД

· желаемое время регулирования = 0.16 сек;

· степень астатизма = 1;

· точность отработки критического воздействия 0.02;

· желаемое перерегулирование = 5 %.

Определяют передаточную функцию разомкнутого контура по току

Для статичного ОУ наклон НЧ-части ЛАЧХ принимается равным 0 при соответствующем подъеме

Затем определяются сопрягающие частоты из соотношений

Желаемая характеристика строится с учетом типа динамических звеньев и соответствующих им наклонов в частотах сопряжения как совокупность НЧ-, СЧ- и ВЧ-областей ЛАЧХ.

Желаемый коэффициент усиления канонической формы разомкнутой системы рассчитывают по требованию поддержания заданной точности скорости перемещения ИМ ПР

При заданном времени управления находят соответственно желаемую частоту среза и подъем ЛАЧХ в виде

рад/с

=33.98

В общем случае построение ЛАЧХ осуществляют таким образом, что

· НЧ-часть - прямая проходит с наклоном 20 = -20 дБ/дек через точку (lg 1,);

· СЧ-часть - отрезок прямой проводят с наклоном минус 20 дБ/дек, которая пересекает ось частот в точке дек;

· ВЧ-часть строят из принципа минимальной сложности ее реализации, согласно которому линию проводят параллельно ЛАЧХ ОУ в ВЧ-области.

На последнем этапе синтеза регулятора методом желаемых ЛАЧХ осуществляют сопряжение НЧ- и СЧ-частей с максимальным упрощением окончательного вида желаемой ЛАЧХ.

Далее определяем астатизм управляющего устройства и его коэффициент усиления

Затем по ЛАЧХ определяем сопрягающие частоты.

Также по ЛАЧХ определяем постоянные времени динамических звеньев, входящих в ПФ регулятора

С учетом наклонов линий ЛАЧХ на участках частот среза формируем ПФ регулятора тока в виде произведения пропорционально-интегрирующих и пропорционально-дифференцирующих корректирующих звеньев в виде

Схемотехническое решение такого регулятора тока приведено на рисунке 4.5

Рис.4.5 Принципиальная электрическая схема регулятора тока

Параметры элементов схемы рассчитываются в виде

Выберем емкость конденсатора С=200 мкФ. Тогда получим следующие значения R=40 Ом, R1=5 кОм.

С введением регулятора тока в модель частотно-управляемого электропривода наблюдаются изменения кривых координат (тока, момента, частоты) АД (рисунок 4.6). Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что характеристики тока и момента стали более привлекательными во временном параметре.

Рис.4.6 Характерные зависимости АД частотно-управляемого электропривода с регулятором тока

4.3 Синтез регулятора скорости

Для синтеза регулятора скорости применяют специальные блоки в среде MatLab, такие как ПИД-регулятор (PID controller) и NCD. При этом в ПИД-регулятор следует занести искомые параметры для преобразования его в ПИ-регулятор. Введение в NCD блок желаемого времени регулирования, ошибки по положению и перерегулирования, а также изменение указанных параметров в некотором диапазоне позволяет получить следующую передаточную функцию

Принципиальная электрическая схема такого регулятора, собранная на операционном усилителе, приведена на рисунке 4.7

Рис.4.7 Электрическая принципиальная схема ПИ регулятора

Расчет параметров ПИ-регулятора скорости ведется согласно

Если принять C=20 мкФ, то получим следующие значения: R=5.1 КОм, R1=7 КОм.

Исследования модели с полученными значениями параметров схемы регулятора скорости и тока позволяют получить зависимости, представленные на рисунке 4.8

Рис.4.8 Изменение координат ЧУЭП с регуляторами тока и скорости

Анализ графических зависимостей изменения управляемых координат при включении регуляторов позволяет заключить:

· Включение регуляторов тока и скорости в подчиненный контур регулирования обеспечивает незначительное перерегулирование скорости в пределах заданных значений.

5. Расчет силовых элементов автономного инвертора напряжения

5.1 Определение электрических параметров транзисторного ключа

Для выбора параметров силовых ключей АИН необходимо определить:

1. Наибольшее действующее значение фазного напряжения в сети на выходе выпрямителя из условия, что

,В

В.

Где kc=1.1 ? показатель качества электроэнергии, учитывающий допустимое отклонение (повышение) напряжения в сети относительно номинального значения согласно ГОСТ 13109-87.

2. Наибольшее среднее значение напряжения в звене постоянного напряжения при трехфазной мостовой схеме питания выпрямителя

,

В.

3. Наибольшее действующее значение фазного напряжения на выходе АИН (при 180-градусной проводимости транзисторных ключей и глубине модуляции ) составит

В.

4. Наибольшую среднюю величину постоянного тока на входе АИН (выходе выпрямителя) по выражению

Размещено на Allbest.ru

А

Где ? действующее значение фазного тока асинхронного двигателя в тяжелом режиме работы. При этом коэффициент полезного действия АИН (для транзисторных схем на базе IGBT) принимается в диапазоне зАИН=0,95-0,98.

5. С учетом специфики работы звена подвижности ПР и перегрузочной способности выбранного двигателя по моменту (или току) значение искомого тока определяется как

С другой стороны, наибольшая средняя величина постоянного тока на входе автономного инвертора напряжения может быть определена по выражению

Где cos = 1 ? принимают для режима «трогания» асинхронного двигателя.

Тогда среднее значение искомого тока составит

а поправочный коэффициент по току вычисляется как

6. Основным параметром для выбора транзисторов (типа IGBT) является ток коллектора Ic (максимальное значение). В преобразователях частоты ток коллектора является длительным током, в качестве которого принимают наибольшее среднее значение тока IGBT в плече автономного инвертора напряжения

7.

8. Наибольшее рабочее постоянное напряжение на участке цепи «коллектор-эмиттер» IGBT (при 180 градусном алгоритме управления, когда одновременно проводят три транзистора) определяется как

Где ? коэффициент, учитывающий максимально допустимое превышение напряжения на конденсаторе LC-фильтра.

9. Пиковое напряжение на участке цепи «коллектор-эмиттер» IGBT с учетом коммутационных перенапряжений в схеме

Где К=0,5-0,6 ? коэффициент, учитывающий уровень коммутационных перенапряжений. Тогда искомое напряжение составит

10. Выбираем IGBT по току () и напряжению (). Используется IGBT по току коллектора только на 60-70% от номинального при допустимом пиковом напряжении в схеме не более 80% квалификационного (предельного) напряжения «коллектор-эмиттер». «Рабочее» постоянное напряжение не должно превышать 50-60% номинального напряжения «коллектор-эмиттер», что определяет практически загрузку прибора по расчетной мощности до 36-40%, номинального значения. В результате анализа был выбран IGBT М2ТКИ-25-06 со следующими параметрами:

· напряжение «коллектор-эмиттер» 1200 В;

· постоянный ток коллектора 25 А;

· напряжение насыщения «коллектор-эмиттер» 2.5 В;

· мощность рассеяния 0,6;

· частота переключения 160 кГц;

· диапазон рабочих температур -40…+150 оС;

5.2 . Расчет фильтра звена постоянного напряжения АИН

На входе автономного инвертора напряжения устанавливается Г-образный LC-фильтр, обеспечивающий необходимые коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Допустимые колебания напряжения на конденсаторе при проектировании ЭП принимаются предельными из соотношения , а расчет выполняется в последовательности:

7. Определяется емкость конденсатора

мкФ

Где кГц ? диапазон расчетных значений несущей частоты переключения транзисторов АИН; - допустимое колебание напряжения на емкости фильтра.

8. Рассчитывается уровень допустимого напряжения электролитического конденсатора LC-фильтра,

По полученным параметрам выбирается конденсатор, типа К72П-6 с номинальной емкостью 0,15 мкФ, номинальным напряжением 1600 В и диапазоном рабочих температур от -60 до +200 °С.

9. Определяется индуктивность дросселя в цепи LC-контура Г-образного фильтра из соотношения

мГн

10. Определяется верхняя частота полосы пропускания LC-фильтра, при которой возможен резонанс напряжения в контуре

Гц

11. Определяется значение емкости конденсатора фильтра при питании АИН с выхода выпрямителя при частоте сети 50 Гц. Основной гармоникой выпрямленного напряжения (при числе фаз m=3 и двухтактном режиме выпрямления), вызывающей пульсацию напряжения, является 6-я гармоника с частотой 300 Гц. В этом случае для определения емкости Сd требуемая величина нижней граничной частоты контура уменьшается до Гц, тогда

мкФ

На основании расчетов выбираются силовые элементы LC-фильтра: сглаживающий дроссель и конденсатор стандартных параметров.

6. Устройство и принцип работы АИН

6.1 Состав и блок-схема электропривода

В электроприводе реализовано частотное управление асинхронным электродвигателем (АД) с короткозамкнутым ротором, заключающееся во взаимосвязанном регулировании частоты F1 и действующего значения U1 основной гармоники питающего электродвигатель напряжения. Закон изменения частоты и напряжения в рабочем диапазоне регулирования близок к линейному : U1/F1 = const . Указанное регулирование параметров питающего АД напряжения осуществляет двухзвенный преобразователь частоты на основе трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН) с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ).

Система управления электроприводом выполнена на основе микропроцессорного контроллера.

Блок-схема электропривода, приведенная на рисунке 4.1, представлена силовой частью преобразователя частоты и системой управления (обведена пунктирной линией).

К силовой части относятся:

КС ? силовые коммутационные аппараты , выполняющие функции подключения электропривода к сети, подготовки системы к работе, аварийного отключения;

В ? силовой диодный выпрямитель сетевого напряжения;

ФС ? фильтр силовой, осуществляющий сглаживание пульсаций напряжения звена постоянного тока преобразователя;

ЗЦ и Д ? узел защитных цепей и датчиков напряжения и тока, осуществляющий защиту силовых элементов преобразователя и электропривода от перенапряжений, токов пе-регрузки и короткого замыкания;

АИН ? трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), осуществляющий преобразование постоянного (выпрямленного) напряжения в переменное требуемой частоты и значения;

АД ? приводной асинхронный электродвигатель.

Система управления электроприводом включает в себя:

ИП ? источники питания устройств управления, регулирования и защиты;

МСУ ? микропроцессорный контроллер с устройствами сопряжения, осуществляющий формирование управляющих сигналов АИН по закону ШИМ, а также управление тиристорами выпрямителя в функции входных сигналов управления и сигналов датчиков;

ФИ ? формирователь импульсов управления транзисторами АИН, осуществляющий усиление сигналов и потенциальное разделение системы управления с силовом частью;

УЗ устройство защиты, обеспечивающее быстродействующее выключение транзи-сторов АИН и отключение преобразователя при токах недопустимой перегрузки и короткое замыкания, недопустимого перенапряжения в звене постоянного тока, а также в случае появления сигналов нарушения технологического режима.

Рис.6.1 Схема электропривода.

Принципиальная электрическая схема электропривода приведена на чертеже РМКР.02.0000000.Э3.

6.2 Силовая часть

Схема силовой коммутации включает в себя выключатель вспомогательных цепей SA1 и трехфазный пускатель КМ1. При включении SA1 через токоограничивающие резисторы для АТ01-55 и AT 01-75 также через контакты промежуточного реле К2 осуществляется предварительный заряд конденсаторов силового фильтра и подключение к сети источни-ков питания цепей управления. При наличии соответствующего сигнала с системы управ-ления через релейную схему включается пускатель КМ1.

Силовой выпрямитель преобразователя выполнен по трехфазной мостовой схеме на диодных модулях типа МДД. При напряжении сети 380В среднее значение выпрямлен-ного напряжения составляет = 514B.

Фильтр силовой предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в звене постоянного тока, обусловленных пульсациями напряжения выпрямителя и пульсациями входного тока инвертора и представляет собой LC-фильтр, состоящий из дросселя L1 и набора электролитических конденсаторов. Равномерному распределению напряжения на последовательно соединенных конденсаторах фильтра способствует резистивный делитель.

В звено постоянного тока включены датчик напряжения и датчик входного тока инвертора.

Автономный инвертор напряжения отвечает за преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляет мостовой транзисторный инвертор напряжения, собранный на модулях, состоящих из IGBT-транзисторов с шунтирующими обратными диодами. IGBT-транзисторы наилучшим образом удовлетворяют требованиям к ключевым элементам АИН с широтно-импульсной модуляцией.

Транзисторы вместе с шунтирующими обратными диодами переключаются много-кратно в течение периода выходной частоты, работая поочередно. Специальный алгоритм широтно-импульсного управления обеспечивает близкое к линейному соотношению исходной частоты и выходного напряжения, обеспечивая при этом синусоидальность формы тока нагрузки.

Защитные цепи отвечают за ограничение коммутационных перенапряжений на транзисторах, обусловленных наличием паразитных индуктивностей в силовых цепях, на допустимом уровне обеспечив RCL-цепи блоков защитных цепей.

Датчик тока во входных цепях АИН измеряет входной ток инвертора, который характеризует мгновенные значения тока транзисторов. Сигнал датчика тока используется в схеме защиты электропривода от токов перегрузки и короткого замыкания в цепях АИН АД. Кроме того, сигнал датчика тока используется для определения потребляемой электроприводом активной мощности.

Датчик напряжения, подключенный параллельно конденсаторам силового фильтра, измеряет напряжение звена постоянного тока, значение которого определяется величиной сетевого напряжения. Сигнал датчика напряжения используется для защиты электропривода от недопустимых отклонений сетевого напряжения, а также для стабилизации выходного напряжения АИН при колебаниях сетевого напряжения.

6.3 Микропроцессорная система управления (МСУ)

МСУ предназначена для работы в составе системы управления электроприводов серии АТ01. К основным задачам МСУ относятся расчет и поддержание требуемых в зависимости от выбранного режима работы значений выходной частоты и выходного напряжения преобразователя, а

также диагностика и индикация текущего состояния преобразователя и оперативное реагирование на возникновение нештатных ситуаций.

Программное обеспечение МСУ предоставляет пользователю значительную гибкость в управлении, диагностике, адаптации работы преобразователя к конкретному технологическому процессу путем программирования параметров работы электропривода и заданий дискретных и аналоговых входов и выходов. Управление режимами работы преобразователя может осуществляться как с местного, так и дистанционного (по последовательному каналу) пультов управления.

Блок драйверов ДР предназначен для формирования двухполярных сигналов управления V1...V6 и гальванической развязки цепей управлении силовыми ключами на IGВТ-транзисторах.

Блок питания драйверов состоит из импульсного стабилизатора понижающего типа, задающего генератора, усилителя мощности и параметрических стабилизаторов выход-ных напряжений. Первичным напряжением блока питания драйверов является постоянное напряжение +24В поступающее от выпрямителя (блок В ) блока питания контроллера.

Блок питания контроллера включает в себя выпрямитель, преобразователь, стабилизатор выходных напряжений и вырабатывает питающие напряжения контроллера, пульта управления, датчиков тока и напряжения. Первичным напряжением для блока питания является переменное напряжение ~ 19В 50Гц.

6.4 Система электропитания блоков управления

Функциональная схема электропитания блоков управления состоит из трех отдельных узлов:

силового трансформатора с сетевым фильтром,

блока питания контроллера, пульта управления и датчиков (БПК),

блока питания драйверов IGBT - транзисторов (БПД).

Взаимодействие узлов происходит следующим образом:

Блок силового трансформатора преобразует напряжение сети ? 380В в переменное напряжение 19В, которое поступает на БПК. Выпрямитель в БПК преобразует напряжение ? 19В в =24В постоянного тока, которое является первичным электропитанием для инвертора в блоке питания контроллера (БПК), блока исполнительных реле (БИР) и им-пульсного стабилизатора блока питания драйверов (БПД).

В БПК инвертор преобразует напряжение 24В постоянного тока в питающее напряже-ние узлов контроллера, датчиков, реле управления и ИРПС.

БПК формирует следующие напряжения:

+ 5В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 0,5А. Для питания цифровой части контроллера;

+5В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 0,5А. Для питания пульта управления;

+12В, стабилизированное, с током нагрузки Iн = 50 мА,. Для ИРПС (гальванически не связано с остальными источниками питания);

+15В, -15В, стабилизированные, с токами нагрузки Iн = 300 мА. Для питания аналоговой части блока контроллера и датчиков.

Блок питания драйверов БПД вырабатывает шесть стабилизированных, гальванически несвязанных напряжений + 15В,-15В с током нагрузки каждого Iн = 50 мА.

Функционально БПД состоит из импульсного стабилизатора, задающего генератора и инвертора с внешним возбуждением.

Все стабилизированные источники питания снабжены защитой от коротких замыка-ний в нагрузке и от перенапряжений, вызванных выходом из строя регулирующих элементов стабилизаторов.

6.5 Конструкция

Электроприводы выполнены в виде шкафов навесного исполнения одностороннего обслуживания.

Элементы силовой части ? диодные модули выпрямительного блока, транзисторные IGBT-модули, силовая ошиновка ? смонтированы на групповом ребристом теплоотводе, который является основным несущим элементом конструкции шкафа. К теплоотводу крепятся узлы присоединения шкафа к стене. Несущая конструкция шкафа состоит из теплоотвода, боковых стенок, крышки и днища.

В электроприводах мощностью 15-37 кВт блок силовой коммутации - пускатель, реле трансформатор, клеммы силовые и управления, сетевой фильтр, зарядное устройство смонтированы на панели, прикрепленной непосредственно к теплоотводу. В электропри-водах мощностью 55-75 кВт панель с элементами блока силовой коммутации прикреплена к сварной раме, на которой, также, установлен ребристый теплоотвод с элементами силовой части.

В электроприводах мощностью до 15 кВт элементы блока силового фильтра ? конденсаторы и дроссель ? расположены на панели, прикрепленной непосредственно к теплоотводу, на этой же панели размещена плата датчиков и балластные резисторы.