Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электротехнический институт

Направление 140600 - Электротехника, электромеханика и электротехнологии

Кафедра электропривода и электрооборудования

РЕГУЛИРУЕМЫЙ РЕВЕРСИВНЫЙ ДВУХЗОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ ТОКАРНОГО СТАНКА

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине: «Электрооборудование промышленности» ФЮРА.454129.001. ПЗ

Выполнил:

студент группы 7А64

Р. А. Зимонин

Руководитель:

Ю. Н. Дементьев

Томск - 2010

Реферат

Курсовой проект содержит 48 с., 18 рисунков, 7 таблиц, 13 источников.

Объектом исследования является регулируемый реверсивный двухзонный электропривод главного движения токарного станка.

Целью курсового проекта - является исследование системы регулируемого реверсивного двухзонного электропривода двигателя постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения.

В процессе работы использовалось как специальное программное обеспечение (MATLAB R2008, Windora), так и стандартные программы (Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft Visio).

В результате выполнения курсового проекта была осуществлена разработка регулируемого реверсивного двухзонного электропривода постоянного тока, соответствующая условиям технического задания.

Достигнутые технико-эксплуатационные показатели: высокие показатели качества переходных процессов (перерегулирование, быстродействие), высокие энергетические показатели системы.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2003.

Содержание

Введение

1. Расчёт и выбор силового оборудования системы регулируемого электропривода

1.1 Расчет мощности двигателя и предварительный его выбор

1.1.1 Выбор электродвигателя

1.2 Выбор преобразовательного устройства для системы регулируемого электропривода

1.2.1 Обоснование выбора схемы преобразователя

1.3 Расчёт и выбор основных силовых элементов системы регулируемого электропривода

1.3.1 Выбор согласующего трансформатора

1.3.2 Выбор тиристоров

1.3.3 Выбор дросселя

1.3.4 Определение параметров силовой цепи

1.3.5 Выбор токоограничивающих реакторов для цепи питания обмотки возбуждения

1.3.6 Выбор тиристоров для цепи питания обмотки возбуждения

1.4 Выбор аппаратуры управления и защиты

1.4.1 Выбор автоматического выключателя

1.5 Расчет и выбор типа и сечения кабеля сети высокого напряжения

1.6 Расчет сечения и типа кабеля для вспомогательного оборудования

1.7 Расчет Энергетических показателей электропривода

2. Расчёт статических и динамических характеристик для разомкнутой системы регулируемого электропривода

2.1 Расчёт естественных характеристик , системы регулируемого электропривода

2.2 Расчёт искусственных (регулировочных) характеристик , системы регулируемого электропривода для заданного диапазона регулирования

2.3 Расчет зоны прерывистых токов

3. Расчет параметров структурной схемы

3.1 Составление структурной схемы системы регулируемого электропривода

3.2 Расчет коэффициентов усиления и постоянных времени системы

4. Разработка функциональной схемы системы регулируемого электропривода

4.1 Составление силовой схемы регулируемого электропривода

4.2 Составление схемы управления регулируемого электропривода

4.2.1 Система импульсно - фазового управления РТП

4.2.2 Логическое переключающее устройство - ЛПУ

4.2.3 Блок питания

4.3 Выбор аппаратуры управления и защиты

4.3.1 Датчик проводимости вентилей

4.3.2 Регулятор скорости

4.3.3 Адаптивное устройство

4.3.4 Схема ограничения тока якоря (УЗТ)

4.4 Защита и сигнализация

4.4.1 Максимальная токовая защита и защита от короткого замыкания

4.4.2 Защита от токовых перегрузок

4.4.3 Защита от понижения напряжения питающей сети

4.4.4 Сигнализация

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Металлорежущие станки являются основным видом заводского оборудования, предназначенного для производства современных машин, приборов, инструментов и других изделий, поэтому количество и качество металлорежущих станков, их техническая оснащенность в реальной степени характеризует производственную мощь страны. В этих условиях все вопросы конструирования станков должны рассматриваться в тесной связи с проблемами автоматизации.

Современный металлорежущий станок оборудован сложной системой автоматизированного электропривода, включающий в себя многие электрические машины, преобразовательные устройства, многочисленную аппаратуру. Основными требованиями, предъявляемыми к системам автоматизированного электропривода являются увеличение производительности станка и уменьшение стоимости электрооборудования.

В данном курсовом проекте проектируется система регулирования скорости реверсивного двухзонного электропривода главного движения токарного станка, состоящего из двигателя постоянного тока, тиристорного преобразователя, которые составляют систему тиристорный преобразователь-двигвтель (ТП-Д). Данная система содержит систему управления и систему регулирования скоростью и другими параметрами электропривода. Преобразовательные устройства, которые используются в системе ТП-Д служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное; постоянного напряжения (тока) в переменное; переменного напряжения (тока) одной частоты в переменное напряжение (тока) другой частоты и т.д.

Полупроводниковые преобразовательные устройства, по отношению к другим преобразователям, обладают рядом преимуществ: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют выигрыш в массо - габаритных показателях, просты и надёжны в эксплуатации. Кроме преобразования и регулирования тока и напряжения такие установки обеспечивают бесконтактную коммутацию тока в силовых цепях.

Полупроводниковые преобразовательные устройства широко используются в цветной металлургии и химической промышленности, электротранспорте для питания цепей горнорудного и других видов промышленного оборудования и электромеханизмов.

Целью курсового проекта является проектирование регулируемого реверсивного двухзонного электропривода главного движения токарного станка.

1. Расчёт и выбор силового оборудования системы регулируемого электропривода

1.1 Расчет мощности двигателя и предварительный его выбор

Расчет мощности двигателя производится, исходя из длительного режима работы

Определяем скорость резания Vz и усилие резания Fz

Скорость резания

м/мин;

Усилие резания

Н,

Где

-

значения коэффициент для определения скорости и усилия резания;

мин;

t=4 мм - глубина резания;

S= 0,6 мм/об - величина подачи.

Мощность резания определяется по формуле

кВт,

где Fz = 3076 Н - сила резания;

Vz = 72,5 м/мин - скорость резания;

- к.п.д. станка.

Заданный общий диапазон регулирования скорости DУ =160 обеспечивается электрическим двухзонным регулированием скорости с диапазоном Dэл = Dя ·Dв= =35·1,3=45,5 (Dя =35 - диапазон регулирования скорости изменением напряжения якоря и Dв =1,3 - диапазон регулирования скорости изменением тока возбуждения двигателя) и применением механической коробки скоростей с передаточным числом редуктора ip.

Необходимое значение передаточного числа редуктора

.

Стандартное передаточное число редуктора находится по выражению

,

где - стандартное передаточное число редуктора; х - целое число [4].

По табл.8 [4] выбираем стандартные передаточные числа редукторов по правилу:

;

.

Выбираем стандартный редуктор iр.ст=3,15.

1.1.1 Выбор электродвигателя

При выборе двигателя необходимо выполнение двух условий:

скорость быстрых перемещений механизма должна быть меньше или равна номинальной скорости двигателя

щдв.б.п.= щ шп.макс.• iр / Dв = 20•3,15/1,3=48,46 с-1 ;

nдв.б.п =с-1

- максимальное значение скорости вращения двигателя.

По справочнику [5] выбираем двигатель 4ПФ132S. Его параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование параметра	Числовое значение
Номинальная мощность	6
Номинальное напряжение	220
Номинальное число оборотов	875
К.П.Д	0.74
Номинальный ток	32.7
Момент инерции	0.095
Сопротивление обмотки возбуждения	82

Рн=6 кВт - номинальная мощность; Uн=220 В - номинальное напряжение двигателя; nн=875 об/мин,

щн=с-1

-номинальное значение скорости вращения двигателя; - к.п.д. двигателя.

Уточняем необходимое передаточное число редуктора

По табл.8 [4] выбираем стандартные передаточные числа редукторов по правилу:

;

Выбираем стандартный редуктор iр.ст=5.6

Определяем скорость шпинделя при номинальной скорости двигателя

рад/с.

Действительный диапазон регулирования скорости во второй зоне , т.е. регулированием тока возбуждения

.

Действительный диапазон регулирования скорости в первой зоне , т.е. регулированием напряжения якоря

.

Минимальная скорость двигателя

с-1.

Максимальная скорость двигателя

с-1.

Определяем дополнительные параметры двигателя

Максимальный допустимый ток двигателя

А;

где kпер.дв =1,5 - коэффициент допустимой кратковременной перегрузки для двигателей типа 4ПФ

Ток обмотки якоря

А;

Сопротивление обмотки якоря

Ом

Максимальное значение напряжения на двигателей

,

где с - конструктивная постоянная двигателя;

н - номинальная скорость вращения двигателя;

Rдв.гор.- сопротивление якорной цепи двигателя в нагретом состоянии.

рад/c;

Сопротивление двигателя в горячем состоянии

Ом

Индуктивность двигателя

Гн,

где р=2 - число пар полюсов двигателя.

Из выражения (2) найдем конструктивную постоянную двигателя:

Вс/рад;

Номинальный момент двигателя

Мдв н = Р дв н •1000/щн =6000/91,58 =65,52 Нм .

Электромагнитный момент, соответствующий номинальному току:

Максимальный момент двигателя:

1.2 Выбор преобразовательного устройства для системы регулируемого электропривода

В качестве преобразовательного устройства выбираем трёхфазную антипарралельную мостовую схему, изображённую на рисунке 1:

Рисунок 1.Трёхфазная мостовая антипараллельная схема преобразователя.

1.2.1 Обоснование выбора схемы преобразователя

В данном курсовом проекте выбирается реверсивный тиристорный преобразователь (РТП), выполненный на трёхфазной мостовой антипараллельной схеме с раздельным управлением. При раздельном управлении вентильные группы работают поочерёдно т.е. раздельно. Такая работа достигается подачей управляющих импульсов на тиристоры одной вентильной группы, обеспечивающей заданное направление тока, на тиристоры другой вентильной группы управляющие импульсы в это время не подаются. Так как при данном способе управления в любой момент работает только одна вентильная группа, возможность протекания уравнительного тока исключается, что не требует установки уравнительных реакторов. К системе управления РТП предъявляется жесткое требование: она не должна допускать одновременной подачи управляющих импульсов на обе группы вентилей. Процесс реверса тока при раздельном управлении происходит следующим образом: изменением напряжения работающей вентильной группы ток нагрузки уменьшается до нуля, управляющие импульсы снимаются с работающей группы и после временной паузы подаются на другую группу.

Если же каждая группа вентилей имеет индивидуальную систему фазового управления, то в зависимости от согласования этих систем будет меняться регулировочная характеристика преобразователя. При линейном способе согласования регулировочных характеристик вентильных групп a1+a2=1800, такие системы называют согласованными, а их характеристики совпадают всюду, кроме области вблизи 900, где появляется зона неоднозначности. Такая зона может быть нежелательной при работе с малыми выпрямленными напряжениями.

Сглаживающие реакторы устанавливаются для улучшения коэффициента формы тока нагрузки( для уменьшения пульсаций тока якоря двигателя, ухудшающих его коммутацию и вызывающие дополнительные потери в двигателе и дополнительный его нагрев, что ухудшает использование двигателя по моменту и мощности. Также включение сглаживающего дросселя в цепь нагрузки приводит к уменьшению зоны прерывистых токов и уменьшению скорости нарастания аварийного тока при коротких замыканиях в цепи нагрузки. В трёхфазных тиристорных электроприводах обеспечивается значение коэффициента использования двигателя не менее 0,8.

Данный вид РТП называется двухкомплектным. Каждый комплект представляет собой управляемый выпрямитель, который обеспечивает одно из направлений тока нагрузки и носит название вентильной группы. Вентильные группы условно называются “ Вперед” и “ Назад”.

Силовая часть тиристорного преобразователя состоит из силового трансформатора, выпрямительного устройства, коммутирующей аппаратуры и сглаживающего реактора в цепи электродвигателя. Данный привод имеет довольно большую мощность, поэтому используется трёхфазная система питания.

1.3 Расчёт и выбор основных силовых элементов системы регулируемого электропривода

1.3.1 Выбор согласующего трансформатора

Выбор согласующего трансформатора для питания вентильного преобразователя производится по расчетным значениям фазного тока и напряжения вторичной обмотки и типовой мощности трансформатора . Схема соединения Y/Y.

Расчетное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

где = 0.428 - коэффициент схемы (табл. 1.1, [1, стр. 9]);

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения питающей сети;

- коэффициент, учитывающий неполное открытие вентилей управляющего преобразователя;

- минимальный угол управления. При раздельном управлении = 100;

- коэффициент, учитывающий падение напряжения в преобразователе;

- максимальное значение напряжения на двигателе при номинальном токе и максимальной скорости привода, тогда

В,

Расчетное действующее значение фазового тока вторичной обмотки

А,

где

= 1,05 - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

= 0,815 - коэффициент схемы выпрямления по току вторичной обмотки (табл. 1.1, [1, стр. 9]).

Расчетная типовая мощность трансформатора

ВА

,где

= 1.045 - коэффициент схемы выпрямления по мощности (табл. 1.1, [1, стр. 9]).

Максимальная мощность, отдаваемая трансформатором в режиме рабочей перегрузки двигателя

ВА,

где Вт, тогда

На основании расчетных данных выбираем силовой трансформатор (табл.1.2, [1, стр. 11] ), имеющий следующие параметры:

Выбираем трансформатор ТТ- 11

Соединение обмоток Y / Y.

Мощность

Напряжение первичной обмотки ;

Напряжение вторичной обмотки = 230 В;

Активная мощность короткого замыкания трансформатора: ;

Относительное напряжение короткого замыкания .

.

Таким образом, выбранный трансформатор удовлетворяет всем условиям:

1. , 11000 ВА 10970 ВА; 2., 380 В = 380 В;

3., 132,8 В 130,86 В; 4. , 27,6 А 27,56 А;

Активное сопротивление одной фазы вторичной обмотки трансформатора

(m2 =3- число фаз вторичной обмотки):

,

Индуктивное сопротивление обмоток трансформатора на фазу

Ом,

где Ом.

Индуктивность вторичной обмотки на фазу

Гн, где

рад/с. [6, стр. 12]

1.3.2 Выбор тиристоров

Выбор силовых тиристоров осуществляется по току и напряжению. Нагрузочная способность тиристоров определяется максимально допустимой температурой полупроводниковой структуры, которая не должна быть превышена в любых режимах работы: длительная работа с номинальным током двигателя; рабочая перегрузка в течение заданного времени; аварийные режимы в течении времени срабатывания защиты. Нагрев тиристора зависит от величины и формы тока, а также от условий охлаждения. Всё это должно быть учтено при правильном выборе вентилей по току. Для повышения надёжности работы преобразователя рекомендуется устанавливать вентили на типовых охладителях и применять естественное воздушное охлаждение, так как при этом будет определённый запас по мощности тиристоров.

Среднее значение тока через тиристор при номинальном токе двигателя:

А,

где m =3 - число фаз вторичной обмотки.

Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю:

, В, где

Кзн - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и всевозможные импульсные напряжения, вызванные коммутацией [1]. Принимаем Кзн = 1,8.

КUобр - коэффициент схемы по обратному напряжению [1]. КUобр = 1,045, тогда

В.

По найденным значениям Iв и Uв.макс из справочника [2] предварительно выбираем тиристор типа ТД- 25 шестого класса. Его параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2 -Технические данные тиристора ТД- 25

Iпк, А	Uпр, В	рп, 0С	Iп0, А
25	1,5	125	14

Выбранный тиристор должен пройти ряд проверок:

1. По предельному току тиристора при заданной температуре окружающей среды. При этом токе температура полупроводниковой структуры не должна превысить допустимой.

Iв < Iп.

Iпк - предельный ток тиристора при температуре окружающей среды 40оС и типовом сопротивлении охладителя равном нулю;

Uпр - прямое падение напряжения (среднее значение) при токе Iпк ;

рп - максимально допустимая температура полупроводниковой структуры тиристора;

Iпо- предельный ток тиристора в классификационной схеме при выбранном способе установки и охлаждения и температуре окружающей среды +400С.

2. На условие обеспечения рабочих перегрузок двигателя (импульсных) при пуске, торможении, реверсе.

Iп1 Iп.

3. На условие обеспечения длительной (не импульсной) рабочей перегрузки в течение некоторого заданного времени.

tвп tдв.п,

где tвп - допустимое время рабочей перегрузки для вентиля;

tдв.п - допустимое время рабочей перегрузки для двигателя.

Проверим выбранный тиристор по предельному току при заданной температуре окружающей среды.

Предельный ток тиристора при заданной температуре:

А,

где Uо, Rд - пороговое напряжение и динамическое сопротивление на спрямлённой прямой ветви вольт-амперной характеристики вентиля;

рп - предельно допустимая температура полупроводниковой структуры,

рп = 125оС;

с - температура окружающей среды, с = 40оС;

Кф =- коэффициент формы тока через тиристор в проектируемой схеме (табл.1.4 [1]). Зависит от угла проводимости =.

При - Кф = 1,73;

Rт - общее установившееся тепловое сопротивление системы тиристор-охладитель,

оС/Вт

где Рдоп.кл - допустимая мощность потерь в классификационной схеме, определяется по выражению

 Вт,

где =1,73 - коэффициент формы тока через вентиль в классификационной схеме из таблицы 1.4 [1],

В; Ом,

Тогда

оС/Вт.

А.

Так как Iп = 14 А, больше чем, Iв =10,9 А, то условие (7) для тиристора ТД-25 выполняется, и он не перегреется при длительной работе двигателя.

Проверим тиристор на условие обеспечения кратковременных рабочих перегрузок при пуске, торможении, реверсе. Так как нагрузочная диаграмма не дана, то принимаем самый тяжёлый режим работы - режим постоянных реверсов. Для диаграммы полного цикла разгон - реверс - торможение определяем

Рисунок 2. Переходные процессы для полного цикла.

t1 - время переходных процессов в течение цикла:

с,

где tу = 0,2 с - время переходного процесса при торможение (пуске);

- время цикла

с;

t2 - время работы одного тиристора за время импульсной перегрузки

, где N - число включений одного вентиля за время t1; Tв - время проводимости вентиля:

с, .

Тогда

с.

Допустимый ток для выбранного вентиля при импульсной нагрузке

А,

где - допустимая мощность в импульсе, при которой структура тиристора не перегревается;

, , - переходные тепловые сопротивления вентилей для соответствующего времени.

Используя [2, рисунок 10 - 206] определяем:

0С/Вт; 0С/Вт; 0С/Вт.

Тогда

Вт;

А.

Так как А А, то условие (8) для тиристора ТД - 25 выполняется, и он удовлетворяет требованиям по обеспечению рабочих перегрузок двигателя (импульсных) при пуске, торможении и реверсе.

Проверим тиристор на условие обеспечения длительной (не импульсной) рабочей перегрузки в течение некоторого заданного времени.

> ,

где - допустимое время рабочей перегрузки для вентиля;

Из [5] определяем допустимое время перегрузки двигателя марки 4ПФ: с.

Определение для вентиля осуществляется следующим образом. Определяется допустимое значение переходного теплового сопротивления вентиля при перегрузке:

,

где Ри2 - мощность, выделяемая в вентиле при импульсной рабочей нагрузке;

Рп - мощность, выделяемая в вентиле при длительной перегрузке.

Вт;

Вт.

оС/Вт.

По кривым переходного теплового сопротивления [2, рисунок 10-206] для найденного значения rтп =1.834 оС/Вт находим значение времени t вп ? 40c. Так как выполняется условие tвп =40с t дв.п =10с, то окончательно выбираем тиристор ТД-25.

1.3.3 Выбор дросселя

При питании от ТП по двигателю помимо постоянной составляющей тока протекают переменные составляющие, величина которых зависит от угла управления и параметров нагрузки. Это приводит к повышению нагрева двигателя, ухудшению условий коммутации и снижению жёсткости механических характеристик в связи с расширением зоны прерывистых токов.

Включение сглаживающего дросселя в якорную цепь позволяет ограничить величину переменных составляющих и, тем самым, улучшить использование двигателя, его коммутацию и его электромеханические характеристики, однако одновременно вызывает увеличение габаритов и веса электропривода, его стоимость и ухудшение динамических свойств.

В регулируемом электроприводе индуктивность сглаживающего дросселя выбирается из условия уменьшения зоны прерывистых токов при раздельном управлении преобразователем до уровня минимального значения тока нагрузки (или тока холостого хода двигателя) и ограничения пульсаций тока двигателя до допустимых значений.

Определим величину индуктивности сглаживающего дросселя из условий ограничения зоны прерывистых токов. При определении необходимой величины индуктивности сглаживающего дросселя необходимо учитывать, что наибольшая ширина зоны прерывистых токов при раздельном управлении имеет место при угле управления = 90о, тогда минимальное значение индуктивности цепи выпрямленного тока (тока нагрузки) для получения гранично-непрерывистого режима определяется выражением

,

где ; -пульсность

А

значение начально-непрерывного тока при угле управления = 90о [5].

Тогда Гн.

Определим необходимую величину индуктивности сглаживающего дросселя из условия ограничения пульсаций выпрямленного тока:

, где



действующее значение первой гармоники пульсирующего напряжения при угле управления = 90о;

В;

р(1)% - допустимое действующее значение первой гармоники выпрямленного тока в процентах, р(1)% = 2 15 % [1, стр.20]. Принимаем р(1)% =10 %.

Тогда

Гн.

Определяем индуктивность добавочного дросселя

, где

Гн,

Гн

принимается равной большей из и ; тогда

Гн.

По источнику [1, таблица 1.6] выбираем сглаживающий дроссель типа РТП-7, имеющий следующие параметры:

– индуктивность мГн;

– допустимый ток А;

– активное сопротивление Ом.

1.3.4 Определение параметров силовой цепи

Расчётное сопротивление силовой цепи

, где

Ом.

- сопротивление, вносимое за счёт коммутации анодных токов;

Ом,

Тогда Ом.

Расчётное значение индуктивности силовой цепи

мГн.

Электромагнитная постоянная силовой цепи

с.

1.3.5 Выбор токоограничивающих реакторов для цепи питания обмотки возбуждения

Токоограничивающие трехфазные реакторы включают в цепь переменного тока мостовой выпрямительной схемы. Для тиристорных преобразователей используют токоограничивающее реакторы типа РТСТ- реакторы трехфазные сухие с естественным воздушным охлаждением и открытом исполнением.

Необходимое значение полного сопротивления обмотки фазы реактора:

Ом,

,где

А

- расчетный ток обмотки фазы реактора,

-

Ток обмотки возбуждения.

- коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной; принимаем ;

- коэффициент схемы выпрямления по току вторичной обмотки [1];

В - фазное напряжение питающей сети,

- напряжение короткого замыкания.

Предварительно пренебрегаем активным сопротивлением обмотки реактора, тогда, принимаем , определим необходимое значение индуктивности обмотки фазы реактора:

Гн.

где с-1 - угловая частота питающей сети.

По найденным значениям и , а так же условию , выбираем трехфазный токоограничивающий реактор РТСТ - 20,5-1,08У3 с параметрами Uл =220В Iфн=20,5А, Ом, и массой 10кг .

1.3.6 Выбор тиристоров для цепи питания обмотки возбуждения

Среднее значение тока через тиристор:

А,

где m =3 - число фаз,

Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю:

, В, где

Кзн - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и всевозможные импульсные напряжения, вызванные коммутацией [1]. Принимаем Кзн = 1,6.

КUобр - коэффициент схемы по обратному напряжению [1]. КUобр = 1,045, тогда

В.

По найденным значениям Iв и Uв.макс из справочника [2] предварительно выбираем тиристор типа Т6- 10 девятого класса. Его параметры приведены в таблице 3.

Таблица 3 -Технические данные тиристора Т6- 10

Iпк, А	Uпр, В	рп, 0С	Iп0, А
10	2,1	125	6

Выбранный тиристор должен пройти проверку:

1. По предельному току тиристора при заданной температуре окружающей среды. При этом токе температура полупроводниковой структуры не должна

превысить допустимой.

Iв < Iп.

Iпк - предельный ток тиристора

Uпр - прямое падение напряжения (среднее значение) при токе Iпк ;

рп - максимально допустимая температура полупроводниковой структуры тиристора;

Iпо- предельный ток тиристора в классификационной схеме при выбранном способе установки и охлаждения и температуре окружающей среды +400С.

Проверим выбранный тиристор по предельному току при заданной температуре окружающей среды.

Предельный ток тиристора при заданной температуре:

А,

где Uо, Rд - пороговое напряжение и динамическое сопротивление на спрямлённой прямой ветви вольт-амперной характеристики вентиля;

рп - предельно допустимая температура полупроводниковой структуры,

рп = 125оС;

с - температура окружающей среды, с = 40оС;

Кф =- коэффициент формы тока через тиристор в проектируемой схеме (табл.1.4 [1]). Зависит от угла проводимости =.

При - Кф = 1,73;

Rт - общее установившееся тепловое сопротивление системы тиристор-охладитель,

оС/Вт,

где Рдоп.кл - допустимая мощность потерь в классификационной схеме, определяется по выражению

Вт,

где =1,73 - коэффициент формы тока через вентиль в классификационной схеме из таблицы 1.4 [1],

В;

 Ом,

Тогда

оС/Вт.

А.

Так как Iп = 5,9 А, больше чем, Iв =0,9 А, то условие (7) для тиристора Т6-10 выполняется, и он не перегреется при длительной работе. Следовательно окончательно выбираем тиристор Т6-10.

1.4 Выбор аппаратуры управления и защиты

1.4.1 Выбор автоматического выключателя

Автоматические выключатели с естественным воздушным охлаждением (автоматы) предназначены для отключения тока при КЗ, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения, для оперативных включений электрических цепей (в том числе электродвигателей) на напряжение до 1000 кВ. Расцепители, являются составной частью автоматов, контролируют заданный параметр защищаемой цепи и воздействуют на расцепляющее устройство, отключающее автомат.

Для выбора автоматического выключателя необходимо обеспечить выполнение условий: электропривод реактор кабель напряжение

1. ;

2. ,;

3.

-либо пусковой либо пиковый;

уставка срабатывания расцепителя.

Используя справочную литературу, выбираем автоматический выключатель типа ВА19-29, у которого ,, .

Автоматический выключатель ВА19-29 имеет следующие параметры:

Вид расцепителя максимального тока:

1. в зоне перегрузки - тепловой;

2. в зоне КЗ - электромагнитный;

Уставка срабатывания расцепителя:

1. в зоне перегрузки - 6;

2. в зоне КЗ - 10;

Таблица 4.

	Номинальное напряжение, В;
	Номинальный ток;
2	Число полюсов
	Номинальный ток расцепителя
	Предельная отключающаяся способность

1.5 Расчет и выбор типа и сечения кабеля сети высокого напряжения

Условия:Выбор осуществляем по длительно допустимой токовой нагрузке из условия нагрева и проверяем их по потерям напряжения, и условию согласования с защитным аппаратом.

Условие выбора проводников по длительно допустимой токовой нагрузке из условия нагрева:

Кпрокл.=1- поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей;

Условие согласования проводов и защитного аппарата к ЭП:

где Кпрокл = 1 - поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей;

К3 - коэффициент защиты или кратность защиты;

I3- ток защитного аппарата:

для автоматических выключателей: ;

Проверка выбранного сечения по допустимой потере напряжения:

?5%;

где - потеря напряжения в 3-х фазных сетях, %/А·км, принимаем по справочной литературе [7];

- длительно допустимый ток проводника;

- длина проводника (км).

Выбор:



Используя справочную литературу, выбираем кабель марки ПВ-(3x5), у которого ( провод с медными жилами с резиновой и пластмассовой изоляцией, проложенный в лотке ); [7, таблица П.2.6]

Согласование проводов и защитного аппарата к ЭП:

Условие согласования:

где - допустимый длительный ток проводника, А;

=0,33- коэффициент защиты для ЭП; [7]

=50 А- номинальный ток расцепителя, А ( ВА19-29, Iн.расц.=50 А ) ;

- коэффициент прокладки проводника.

Выбранное сечение необходимо проверить по допустимой потере напряжения ,

Принимаем при значении [7, таблица П.2.1]

Так как длина проводника не задана, то выбираем ее произвольно:

<.

 Это означает, что кабель и защитный аппарат к двигателю главного движения токарного станка выбраны верно, так как они удовлетворяют всем условиям проверки и согласования.

1.6 Расчет сечения и типа кабеля для вспомогательного оборудования

Условие:

Кпрокл.=1- поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей;

Выбор:

Используя справочную литературу, выбираем кабель марки ПВ-(3x1), у которого ( провод с медными жилами с резиновой и пластмассовой изоляцией, проложенный в лотке ); [7, таблица П.2.6]

1.7 Расчет Энергетических показателей электропривода

Для оценки энергетических показателей регулируемого электропривода постоянного тока с вентильным преобразователем определим КПД и коэффициент мощности установки от скорости. Коэффициент полезного действия системы управляемый вентильный преобразователь - двигатель (УПВ-Д) может быть определен как отношение электромагнитной мощности двигателя к мощности, потребляемой преобразователем из сети .

При работе преобразователя в режиме непрерывного тока можно записать:

Мощность, потребляемая преобразователем из сети, может быть выражена в виде:

[12]

Тогда

[12]

Учитывая, что числитель полученного выражения пропорционален угловой скорости двигателя, можно записать:

Переходя к относительным единицам, можно найти:



Где

относительное значение падения скорости, обусловленного падением напряжения на вентилях .

Переход к относительным единицам производится с целью упрощения расчета. Все относительные значения принимаются за номинальные, кроме скорости двигателя, которую принимаем скоростью холостого хода, так как в данном курсовом проекте предложен двигатель постоянного тока независимого возбуждения.

Анализ полученных выражений показывает, что значение КПД системы УПВ-Д зависит как от нагрузки на валу двигателя, так и от скорости при регулировании. В случае постоянного момента на валу со снижением скорости будет иметь место уменьшение значения КПД. Следует также отметить, что заметное влияние на величину КПД установки может оказать мощность потерь в управляемых вентилях. В случае использования тиристорных преобразователей относительное падение напряжения на вентилях составляет доли процента. [12]

Коэффициент мощности системы УПВ-Д определяется двумя факторами: углом сдвига первой гармонической составляющей тока, потребляемого вентильным преобразователем из сети, относительно напряжения сети и коэффициентом искажения того же тока.

;



Где

максимальное значение выпрямленной ЭДС на выходе ТП при =0 и =0.

- действующее значение тока, потребляемого преобразователем из сети;

- действующее значение первой гармонической составляющей того же тока;

- угол коммутации.

Из приведённых выражений следует, что коэффициент мощности электропривода, выполненного по системе УВП - Д, зависит от скорости при регулировании и от нагрузки на валу. Снижение скорости и соответственно увеличение угла регулирования , а также увеличение тока нагрузки, связанное с ростом , приводит к уменьшению коэффициента мощности установки. [12]

2. Расчёт статических и динамических характеристик для разомкнутой системы регулируемого электропривода

2.1 Расчёт естественных характеристик , системы регулируемого электропривода

Характеристики , являются основными для системы ТП-Д.

Естественные характеристики рассчитываются по формулам:

, где

-

угол управления тиристорами при номинальном режиме работы.

эквивалентное внутренне сопротивление тиристорного преобразователя; Тогда,

Для построения естественных характеристик достаточно задаться двумя точками для момента и двумя точками для тока, т.к. характеристики имеют линейный характер. Полученные по формулам значения занесём в таблицу 5:

Таблица 5

Ток I,А	0	49,1
Момент М, Н*м	0	100
Скорость W, рад/с	107,3	73,3

По данным таблицы построим естественные механическую и электромеханическую характеристики, изображенные на рисунке 3:

Рисунок 3. Механическая (электромеханическая) характеристика , системы ТП-Д.

2.2 Расчёт искусственных (регулировочных) характеристик , системы регулируемого электропривода для заданного диапазона регулирования

Регулирование скорости в данной системе происходит в двух диапазонах, в первом диапазоне за счет изменения напряжения в обмотках якоря двигателя, а во втором диапазоне за счет изменения напряжения в цепи питания обмотки возбуждения двигателя. Изменение напряжения, в свою очередь, происходит при изменении угла управления тиристорами.

1) Рассчитаем искусственные (регулировочные) характеристики , системы регулируемого электропривода для первого диапазона, в котором регулирование скорости происходит за счет изменения напряжения в обмотках якоря двигателя. Расчёт данных характеристик проведём в нижнем диапазоне регулирования скорости, т.е характеристики будут проходить ниже естественной. Уменьшение напряжения достигается увеличением угла управления. Для расчета регулировочных характеристик следует задаваться углом управления Формулы для расчета регулировочных характеристик аналогичны формулам расчета естественных характеристик и имеют вид:

Для удобства, расчетные данные занесем в таблицу6:

Таблица 6

Характеристика 1
Ток I,А	0	49,1
Момент М, Н*м	0	100
Угол ,град	60
Скорость W, рад/с	76,7	42,8
Характеристика 2
Ток I,А	0	49,1
Момент М, Н*м	0	100
Угол ,град	65
Скорость W, рад/с	62	31,1

По полученным числовым значениям строим искусственные характеристики, изображенные на рисунке 4:

Рисунок 4. Искусственные характеристики , системы ТП-Д. (в первом диапазоне регулирования)

Так как электропривод работает в режиме постоянных реверсов, то и характеристики будут располагаться аналогично в третьем квадранте.

2) Рассчитаем искусственные (регулировочные) характеристики , системы регулируемого электропривода для второго диапазона, в котором регулирование скорости происходит за счет изменения напряжения в цепи питания обмотки возбуждения двигателя. Расчёт данных характеристик проведём в верхнем диапазоне регулирования скорости, т.е характеристики будут проходить выше естественной. Для расчета регулировочных характеристик следует задаваться углом управления . Формулы для расчета регулировочных характеристик аналогичны формулам расчета естественных характеристик и имеют вид:

Где Вс/рад

с-1

Для удобства, расчетные данные занесем в таблицу 7:

Таблица 7

Характеристика 3
Ток I,А	0	49,1
Момент М, Н*м	0	100
Угол ,град	40
Скорость W, рад/с	142	101
Характеристика 4
Ток I,А	0	49,1
Момент М, Н*м	0	100
Угол ,град	35
Скорость W, рад/с	152	110,5

2.3 Расчет зоны прерывистых токов

Расчет зоны прерывистых токов ведется по формулам, приведенным ниже:

Расчёт производим для одного угла =450:

,

где - угол открывания, измеренный от начала положительной полуволны синусоиды фазной ЭДС

Предельное значение скорости идеального холостого хода

рад/c.;

Угол отставания тока якоря от напряжения:

Граничное значение ЭДС в относительных единицах:

Граничное значение тока в относительных единицах

Границы характеристики режима прерывистого тока

рад/c.

А.

Дальнейший расчет проведем с помощью программы Mathcad. Для этого зададимся параметрами, необходимыми для построения данных характеристик;

-номинальный ток двигателя

-номинальная угловая скорость

-постоянная ЭДС

-сопротивление якорной цепи

-индуктивность якорной цепи

максимальное выпрямленное ЭДС

-пульсность схемы

-угол управления

Подставив данные в формулы, при этом изменяя угол управления, получим характеристики , изображенные на рисунке 6:

3. Расчет параметров структурной схемы

3.1 Составление структурной схемы системы регулируемого электропривода

На рисунке 5 представлена структурная схема системы регулируемого электропривода, составленная на базе структурной схемы комплектного электропривода ЭПУ1М.

Рисунок 5. Структурная схема электропривода.

Структурная схема электропривода на базе ЭПУ1М выполнена двухконтурной с ПИ - регулятором скорости РС и обратной связью по току .

3.2 Расчет коэффициентов усиления и постоянных времени системы

Так как структурная схема электропривода является двухконтурной то и ее параметры рассчитываются для контура тока и для контура скорости.

Постоянная времени СИФУ, определяемая дискретностью управления (время среднестатистического запаздывания при управлении ТП) и равная постоянной времени ТП.

с

Коэффициент обратной связи по току

где

- максимальное значение напряжения регулятора скорости.

Коэффициент передачи входной цепи регулятора тока

,где

В/А - коэффициент передачи датчика тока.

Передаточная функция регулятора тока

.

Максимальное значение коэффициента усиления тиристорного преобразователя

.

Коэффициент усиления регулятора тока

.

Постоянная времени регулятора тока

с.

Постоянная времени СИФУдля контура скорости

с.

Коэффициент обратной связи по скорости

В·с/рад.

Коэффициент передачи входной цепи регулятора скорости

,где

Вс/рад - коэффициент передачи датчика скорости.

Передаточная функция регулятора скорости

.

Коэффициент усиления регулятора скорости

.

Постоянная времени регулятора скорости

 с.

Постоянная времени фильтра

с.

4. Разработка функциональной схемы системы регулируемого электропривода

4.1 Составление силовой схемы регулируемого электропривода

Силовая схема тиристорного преобразователя представлена на рис. 1 выполнена по трёхфазной мостовой реверсивной схеме выпрямления без уравнительных дросселей, что связано с раздельным принципом управления преобразователем. Трансформатор Т питает две вентильные группы: 1ВГ и 2ВГ. При подаче напряжения управления с СИФУ на первую вентильную группу, ток течет через тиристоры первой группы, нагрузку в одном направлении( условно назовем - Вперед), при протекании тока через нагрузку, на индуктивности двигателя накапливается противоЭДС, которая подает запирающий импульс на тиристоры первой группы после снятия с них импульсов управления и подачи их на вторую группу, тогда ток течет в обратном направлении( условно- Назад).При смене направления тока, протекающего по нагрузке происходит реверсирование двигателя.

4.2 Составление схемы управления регулируемого электропривода

Система управления тиристорного преобразователя включает: СИФУ для обеих групп вентилей (ВГ- Вперед и ВГ- Назад); логическое переключающее устройство ЛПУ, совместно с датчиком состояния тиристоров ДТ; Усилитель У и датчик напряжения на двигателе ДН. Напряжение управления Uу подается с усилителя на СИФУ.

СИФУ преобразует управляющее напряжение Uу на входе преобразователя в многоканальную последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов. Синхронизировано с моментом естественного отпирания вентилей для каждой фазы питающего напряжения формируется периодическое опорное напряжение линейной формы. В моменты равенства опорного напряжения Uоп с напряжением управления Uу формируются управляющие импульсы. При раздельном управлении вентильными комплектами РТП применяют одну СИФУ для формирования отпирающих импульсов ВГ- Вперед и ВГ- назад.

Это управление заключается в том, что управляющие импульсы Uу подаются на тот комплект, который должен работать в данный момент времени. На вентили неработающего комплекта импульсы не подаются и он закрыт. Для изменения режима работы (реверса) используется специальное переключающее логическое устройство ЛПУ, которое при Iпр=0 снимает управляющие импульсы с работающего комплекта, а затем через временную паузу( бестоковую паузу) подает эти импульсы на другой комплект. Данная бестоковая пауза выбирается в зависимости от порога срабатывания датчика состояния тиристора, и находится в пределах от (0,5:1) до (5:7)мс. Переключение одной группы вентилей на другую возможно при двух условиях: во первых необходимо чтобы ток Iпр=0; во вторых напряжение изменило полярность на противоположную. Первое условие (Iпр=0) фиксирует датчик тока ДТ и подает на ЛПУ, тем самым давая разрешение на блокировку логическим устройством работающего комплекта вентилей, затем через временную бестоковую паузу подает эти импульсы на другой комплект. Выдержка времени необходима для того, чтобы ток Iпр снизился до 0 и тиристоры работающего комплекта восстановили свои запирающие свойства(комплект полностью закрылся), если мгновенно переключить вентили, то в этот момент времени по обоим комплектам будет протекать токи, что приведет к короткому замыканию в цепи нагрузки.

Смена направления движения может быть осуществлена изменением полярности напряжения задания UЗ, тем самым подавая условно отрицательное напряжение на вход усилителя, затем сигнал поступает на вход СИФУ. На рисунке 17 представлена функциональная схема управления регулируемого реверсивного электропривода



Рисунок 6. Функциональная схема управления электропривода

Электропривод состоит из блока управления БУ, электродвигателя постоянного тока М со встроенным тахогенератором ВR, трансформатора, , регулятора скорости, пусковой аппаратуры (контакты «Запуск», «Сброс защит»). При необходимости в цепь якоря двигатели М включается сглаживающий дроссель L.

Управление тиристорами производится от одноканальной СИФУ, Переключение импульсов управления с комплекта тиристоров «В» на комплект тиристоров «Н» преобразователя производится блоком логического устройства ЛПУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП. Сигнал заданного направления тока на вход ЛПУ поступает с выхода нелинейного звена НЗ. Звенья НЗ и ФПЕ образуют устройство линеаризации характеристик электропривода в режиме прерывистого тока (РПТ). При этом коэффициент передачи НЗ обратно пропорционален коэффициенту передачи, а коэффициент передачи ФПЕ имеет зависимость типа у = arcsin У(У - относительная ЭДС двигателя) и компенсирует внутреннюю отрицательную связь по ЭДС двигателя. С помощью устройства линеаризации осуществляется поддержание примерно одинакового коэффициента усиления линеаризованного таким образом преобразователя. Для согласования реверсивного сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой УО служит переключатель характеристик ПХ, управляемый ЛПУ (ключи «В» и «Н»).

Блок защиты осуществляет блокирование выхода Регулятора РС и снятие управляющих импульсов при включении и срабатывании защит. Кнопка S1 осуществляет установку триггеров защиты блока БЗ в начальное состояние (сброс защит). Контактами «В1», «Н1» реле «В», «Н» (у потребителя) осуществляется подключение напряжения к задатчику скорости, а контактом «Р» -- деблокирование РС через блок БЗ.

При реверсировании сигнала Uзад реверсируется сигнал на входе ЛПУ (с НЗ). Ток в силовой цепи начинает спадать. Как только с выхода ДП на вход ЛПУ поступит сигнал, разрешающий переключение (ток равен нулю), с выхода ЛПУ поступит сигнал разрешения выдачи импульсов Up на ФИ1 и БЗ.

При этом с БЗ на управляющий орган УО поступает сигнал, переводящий углы в б макс. Данный сигнал поступает на УО с БЗ и при срабатывании одной из защит.

4.2.1 Система импульсно - фазового управления РТП

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для преобразования постоянного управляющего напряжения в последовательность управляющих импульсов соответствующей фазы, подаваемых на управляющие переходы тиристоров силовых вентильных комплектов.

СИФУ, поочередно управляющая двумя группами вентилей реверсивного преобразователя, выполнена по вертикальному принципу и состоит из канала управления, который формирует управляющие импульсы на тиристоры анодной и катодной группы.

Функциональная схема СИФУ приведена на рисунке 7:



Рисунок 7. Функциональная схема СИФУ тиристорного преобразователя

СИФУ состоит из следующих основных узлов:

- источника синхронизирующего напряжения -- ИСН;

- формирователя импульсов -- ФИ1;

- управляющего органа -- УО;

- усилителей импульсов -- УИ”a” и УИ”x”;

- вводных устройств--ВУ

4.2.2 Логическое переключающее устройство - ЛПУ

Логическое устройство ЛУ осуществляет управление силовыми комплектами вентилей преобразователя и выполняет следующие функции:

- выбор нужного комплекта вентилей в зависимости от знака входного сигнала Uнз путем включения соответствующих ключей направления работы («Вперед» или «Назад»);

- переключение комплектов тиристоров преобразователя на бестоковом интервале, что достигается введением блокировки в ЛУ по сигналу датчика проводимости тиристоров;

- формирование задержки в момент снятия импульсов с работавшего ранее комплекта и подачи их на вступающий в работу комплект.

4.2.3 Блок питания

Блок питания обеспечивает питание всех цепей управления постоянным стабилизированным напряжением 15В, нестабилизированными напряжениями 24В, 12В.

Стабилизатор напряжением 15В собран по схеме двухканального стабилизатора с общей точкой и последовательно включенными транзисторами. Усилители постоянного тока в цепи обратной связи стабилизатора собраны на операционных усилителях.

4.3 Выбор аппаратуры управления и защиты

4.3.1 Датчик проводимости вентилей

Датчик проводимости вентилей (ДПВ) предназначен для контроля состояния («открыт» -- «закрыт») тиристоров и работает по принципу контроля падения напряжения на переходе анод-катод тиристоров.

4.3.2 Регулятор скорости

Регулятор скорости (PC) выполнен на двух операционных усилителях и построен по схеме, обеспечивающей диапазон регулирования скорости не менее 10000. Регулятор скорости выполнен двухканальным. Первый канал - усилитель (1) обеспечивает усиление сигнала и быстродействие, второй канал -- усилитель (2), по входу включенный параллельно, осуществляет компенсацию температурной и временной нестабильности регулятора.

4.3.3 Адаптивное устройство

Адаптивное устройство АУ позволяет линеаризовать структуру электропривода в режиме прерывистых токов. АУ состоит из нелинейного звена НЗ и функционального преобразователя ЭДС ФПЕ. Нелинейное звено имеет характеристику, обратную характеристике управляемого выпрямителя в РПТ и выполнено на операционном усилителе с нелинейной обратной связью.

4.3.4 Схема ограничения тока якоря (УЗТ)

Схема ограничения тока якоря обеспечивает, в зависимости от подключения, ограничение тока якоря на заданном уровне («токовая отсечка») и зависимое ограничение функции скорости вращения. Принцип работы схемы токоограничения основан на ограничении выходного напряжения PC, которое определяет максимальный заданный ток якоря.

4.4 Защита и сигнализация

В электроприводе предусмотрены защиты при аварийных ситуациях.

Все виды защит при срабатывании воздействуют на триггер на элементах DD2.2 и DD2.3 и через элемент DD2.1 воздействуют на управляющий орган УО, переводя управляющие импульсы в положение бmax.В электроприводе также осуществляется блокировка регулятора, блокировка управляющих импульсов.

4.4.1 Максимальная токовая защита и защита от короткого замыкания. Защита при коротких замыканиях осуществляется при помощи силового автомата и устройства, устанавливающего угол регулирования тиристоров в положение бmax.

4.4.2 Защита от токовых перегрузок

Осуществляется интегратором, собранном на операционном усилителе. Напряжение на выходе операционного усилителя пропорционально входному согласно зависимости: U=f(I-Iуставки)dt, где Iуставки тока устанавливается переменным резистором. Эта защита может быть использована и для тепловой защиты двигателя.

4.4.3 Защита от понижения напряжения питающей сети

Срабатывает при снижении напряжения фазы более чем на 15%.

Также предусмотрена защита от перегрева двигателя; защита от перегрева преобразователя; блокировка регулятора.

4.4.4 Сигнализация

В схеме электропривода предусмотрено 8 светодиодных индикатора.

Индикатор зеленого свечения включается при наличии напряжения питания (электропривод включен).

Включение остальных индикаторов (свечение красное) сигнализирует о срабатывании защит.

В схеме также предусмотрен контакт на входном разъеме для подключения внешней индикации о срабатывании общего триггера защит.

Заключение

В результате проделанного курсового проекта произведен расчет параметров и выбор элементов тиристорного преобразователя, предназначенного для системы регулирования скорости реверсивного двухзонного электропривода главного движения токарного станка.

...