Расчёт основных параметров схемы "тиристорный преобразователь-двигатель"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА

Параметры двигателя:

Номинальная мощность: PН [кВт] 0,37

Номинальная скорость: nН [об/мин] 1000

Номинальное напряжение:Uном [B] 110

Номинальный ток: Iном [A] 4,2

Номинальный момент: MН [H*м] 3,61

Маховый момент: GD2 [кг*м] 0,053

Перегрузочная способность (кратность пускового тока): л 4

Число полюсов: 2p 4

Активное сопротивление обмотки якоря при 15 0 :Rя [Ом] 1,46

Число параллельных ветвей: 2а 2

Активное сопротивление обмотки добавочных полюсов: Rд [Ом] 0,75

Кратность момента инерции исполнительного механизма к моменту инерции двигателя: KJ = Jм/Jд 0,5

Постоянная времени управляемого силового преобразователя: Tусп [сек] 0,016

Максимальная скорость рабочей подачи: Vpmax [ мм/сек] 20

Цена импульса: h [ мм/имп] 0,05

Минимальный радиус воспроизводимой окружности: R [ мм ] 10

Ширина полузоны квазилинейной части преобразователя «код-наряжение»: Nш 64

Степень компенсации скоростной ошибки: y 0,25

Тип двигателя - МИ-32 со встроенным тахогенератором

Параметры нагрузки и силового преобразователя

Диапазон регулирования скорости: D 100

Тип схемы управления силового преобразователя - трехпульсная противопараллельная схема с уравнительными дросселями «КЕМТОК».

Значение коэффициентов силовой схемы:

Коэффициент схемы по напряжению: Кн 0,922

Коэффициент запаса по напряжению: Кu 1,1

Коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале: Ka 1,2

Коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в вентилях и обмотках трансформатора: KR 1,05

Коэффициент схемы по току вторичной обмотки: KT2 0,578

Коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной: KI 1,1

Коэффициент схемы по току первичной обмотки: KT1 0,47

Коэффициент схемы по мощности: KM 1,45

Коэффициент схемы по среднему току вентиля: KTB 0,333

Коэффициент схемы по максимальному напряжению вентиля: KHB 2,25

Силовая схема тиристорного электропривода представлена на рис. 1, содержит силовой трансформатор ТV, шесть тиристоров VS1-VS6, два ограничивающих реактора L1, L2 и якорь М двигателя постоянного тока.

Рис. 1. Силовая схема тиристорного электропривода

Дополнительные данные:

Коэффициент учитывающий индуктивность обмотки якоря для некомпенсированных машин: KL 8

Относительное значение индуктивной составляющей напряжения короткого замыкания трансформаторов типа ТТ: UL 0,09

Относительное значение активной составляющей напряжения короткого замыкания трансформатора, для трансформаторов типа ТТ: Ua 0,035

Частота сети:: ѓ[Гц] 50

1. расчёт основных параметров схемы «тиристорный преобразователь-двигатель»

1.1 Расчёт мощности силового трансформатора TV

Схема «тиристорный преобразователь-двигатель» предусматривает использование трансформатора с соединением обмоток звезда / звезда и первичным напряжением 380 В.

Теоретическое значение ЭДС вторичной обмотки:

0,922*110=101,42 [B]

Напряжение вторичной обмотки:

=1,1*1,2*1,05*101,42=140,57 [B]

Ток вторичной обмотки:

=1,1*0,578*4,2=2.67[A]

Ток первичной обмотки:

=[A]

Расчётная мощность трансформатора:

=1,45*1,1*1,2*1,1*110*4,2*10-3=0,973[кBт]

По мощности РТ выбираем типовой трансформатор из серии ТТ-6

1.2 Выбор силовых тиристоров VS

Среднее значение тока вентиля:

=0,333*4,2=1,399[A]

Максимальная величина обратного напряжения:

=2,25*1,1*1,2*1,05*110=343,04 [B]

Тип тиристора выбирается по среднему значению тока вентиля и максимальной величине обратного напряжения, прикладываемого к вентилю. Выбираем тиристор КУ202И1.

1.3 Определение индуктивности и активного сопротивления якорной цепи

Индуктивность обмотки якоря:

Индуктивное сопротивление трансформатора, приведённое к цепи выпрямленного тока:

Индуктивность трансформатора, приведённая к контуру двигателя:

Индуктивность одного реактора при двух ограничивающих реакторах с ограничением уравнительного тока до 30 % от номинального:

Тогда индуктивность якорной цепи будет:

Активное сопротивление трансформатора, приведённое к цепи выпрямленного тока:

Сопротивление, вносимое за счёт перекрытия анодных токов:

Сопротивление щёточного контакта:

Сопротивление реактора:

Тогда суммарное сопротивление цепи якоря:

Где

Суммарное эквивалентное сопротивление якорной цепи:

1.4 Определение статических и динамических параметров силового преобразователя и двигателя

Электромагнитная постоянная двигателя:

Суммарный момент инерции, приведённый к валу двигателя:

Где - момент инерции двигателя

- момент инерции приведённый к валу двигателя

Электромеханическая постоянная времени двигателя:

Где

Где

Коэффициент передачи двигателя по управляющему воздействию:

Коэффициент передачи управляемого силового тиристорного преобразователя:

где - максимальное напряжение на выходе регулятора тока.

Коэффициент передачи тахогенератора-датчика скорости:

Коэффициент передачи двигателя по возмущающему воздействию:

2. РАСЧЁТ И РЕАЗИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ПО УСЛОВИЯМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОПТИМУМА

Структурная схема контура тока представлена на рис.2

Рис. 2. Структурная схема контура тока

Настроим контур на технический оптимум. Желаемая передаточная функция будет иметь вид:

Где ,так как принимаем за малую постоянную времени токового контура, а -за большую постоянную времени.

В качестве датчика тока обратной связи по току используем сопротивление добавочных полюсов:

-коэффициент передачи датчика тока.

Из структурной схемы на рис.2 следует, что передаточная функция разомкнутого контура тока :

Приравняем правые части выражений и , из этого равенства выразим передаточную функцию тока :

Из этого выражения следует, что регулятор тока должен быть реализован схемой ПИ-регулятора, приведённой на рис.3

Рис.3. Принципиальная схема ПИ- регулятора тока

В схеме регулятора тока используются два выхода операционного усилителя с входными сопротивлениями Rвх1 и Rвх2, предназначенные, соответственно, для подачи задающего сигнала UЗД и сигнала обратной связи по току UОСТ. В структурной схеме на рис.2 эти воздействия суммируются непосредственно, в связи с чем необходимо выполнить эквивалентное приведение сигналов к одному входу. При подаче напряжения обратной связи по току на второй вход соответствующая составляющая напряжения на выходе операционного усилителя:

Так как

Поэтому такой же сигнал создаётся при подаче на первый вход воздействия

Отсюда следует, что для приведения к первому входу достаточно увеличить сигнал обратной связи в раз, принимая в место, величинут.е.

Зная , что , а максимально допустимый ток якоря равен , получим :

Причём так как

Передаточная функция ПИ-регулятора на базе операционного усилителя с RC-цепью обратной связи относительно сигнала на первом входе имеет вид:

Приравнивая теперь соответствующие коэффициенты приp в выражениях и , получим систему выражений:

Добавляя выражение

Можно рассчитать параметры регулятора тока, задавшись, например, ёмкостью мкФ, по следующим выражениям:

3. расчет и реализация регулятора скорости ПО УСЛОВИЯМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОПТИУМА

Структурная схема контура скорости представлена на рис. 4.:

Рис. 4. Структурная схема контура скорости

Настроим контур скорости на технический оптимум. Так как то примем за малую постоянную времени контура скорости ,а электромеханическую постоянную времени -за большую постоянную времени контура скорости.

Известно, что желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости имеет вид:

Из структурной схемы скоростного контура следует, что передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Приравнивая правые части выражения и и из этого выражения выразим передаточную функцию регулятора скорости :

Из выражения видно, что регулятор скорости представляет собой ПИ- регулятор, то есть

Принципиальная схема регулятора скорости приведена на рис. 5

Рис. 5. Принципиальная схема регулятора скорости при настройке на ТО

Рассчитаем параметры схемы, допуская, что

Аналогично тому, как при расчёте в контуре тока сигнал обратной связи по скорости, приведённый к первому входу регулятора скорости равен:

Задавшись Ом, получим



Так как

где а

Известно, что , поэтому можно представить

4. СИНТЕЗ КОНТУРА ПОЛОЖЕНИЯ БЕЗ СХЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ СКОРОСТНОЙ ОШИБКИ

Упрощённая структурная схема следящего электропривода по одной координате имеет вид представленный на рис.6.

Рис. 6. Структурная схема следящего электропривода по одной координате

Синтез желаемой ЛАХ контура положения без учета схемы компенсации скоростной ошибки выполним в следующем порядке:

Определяем координаты контрольной точки (см. приложение 1) и строим запретную зону, ниже которой не может проходить желаемая ЛАХ. Частоту контрольной точки выбираем из условия обхода окружности заданного радиуса с результирующей тангенциальной скоростью, равной максимальной рабочей скорости подачи

[c-1] ;

Ординату точки находим на основании выражения для амплитуды ошибки при замене ее на допустимую ошибку, т.е. при замене требуемого неравенства < предельным равенством

;

следовательно в плоскости ЛАХ ордината будет равна

Допустимая ошибка, окончательно спроектированного следящего электропривода координаты, не должна превышать удвоенной цены импульса. Для синтеза на первом этапе принимаем завышенное значение условно допустимой ошибки:

,

где = y =0,25 - заданная степень компенсации скоростной ошибки.

Запретная зона частотной области определяется двумя прямыми: прямой, проведенной влево от контрольной точки под наклоном и прямой, проведенной вправо от этой точки до оси абсцисс под наклоном (см. приложение 1). Точка пересечения этой прямой с осью определяет значение граничной частоты . Желаемая ЛАХ в низкочастотной области должна проходить на 1дБ выше запретной зоны.

4.1 Синтез среднечастотной части желаемой ЛАХ

Выбираем показатель колебательности , а по нему постоянные времени, соответствующие сопрягающим частотам:

;

;

трансформатор тиристор преобразователь сопротивление

Так как в диапазоне частот

от до желаемая ЛАХ среднечастотной части проводится под наклоном . Слева эта прямая может быть ограничена сопряжением с характеристикой низкочастотной области, проходящей над запретной зоной с наклоном . В этом случае частота среза получается графически и требуется проверка по запасу устойчивости по амплитуде, который должен находиться примерно в пределах на частоте и в пределах на частоте .

В высокочастотной области при > желаемая ЛАХ проводится под наклоном .

Построим ЛАХ нескорректированной разомкнутой системы по контуру положения на основании структурной схемы на рис. 6, которая имеет вид:

,

где .

Параметры нескорректированной системы определяются следующим образом:

- коэффициент передачи дискретно-аналогового преобразователя

;

где ; - ширина полузоны квазилинейной части преобразователя ''код - напряжение'', зависящая от числа двоичных разрядов реверсивного счетчика.

- коэффициент передачи редуктора

.

Определяем коэффициент передачи нескорректированной разомкнутой системы:

,

где .

По найденным параметрам нескорректированной системы строим ЛАХ.

ЛАХ строится в следующем порядке:

а) определяется = [dБ];

б) находится частота сопряжения [дек];

в) через точку на оси ординат проводится прямая под наклоном до частоты сопряжения , т.к. в передаточной функции нескорректированной системы присутствует одно интегрирующее звено;

г) на частоте сопряжения , прямая меняет наклон с на , что определяется наличием апериодического звена в передаточной функции нескорректированной системы.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ РЕГУЛЯТОРА ПОЛОЖЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Построим ЛАХ регулятора положения, как разность желаемой ЛАХ и ЛАХ нескорректированной системы (см. приложение 1).

По виду ЛАХ регулятора положения определяем соответствующую ему передаточную функцию и её параметры.

По виду передаточной функции регулятора положения выполняем его реализацию на операционном усилителе с расчётом R-C элементов его схемы. Рис. 7

рис. 7



Сравнивая соответствующие коэффициенты при операторе р в передаточных функциях (*) и (**) получим систему уравнений для расчета RC-элементов схемы регулятора положения.

Задавшись Rвх1 = 10000 Ом с помощью системы уравнений (***) определим Rос1, Свх, Rвх2, Cос, Rос2 по выражениям:

Для чего найдем:

Тс=4Тусп=40,016=0,064 [c] , отсюда

Свх =(Тс - Т3)/Rвх1=(0,064-0,023)/10000=0,0000041 [мкФ];

Зная Свх найдем Rос1 = КрпRвх1 , где Крп найдем из выражения

= 18 [дБ];

Rос1 = КрпRвх1 = 7,9410000=79400 [Ом];

Rвх2= Т3/Свх= 0,023/0,0000041 = 5609,76 [Ом];

Сос=Т1-Т2/Rос1=0,5-0,245/79400=0,00000321 [мкФ];

Rос2=Т2/Cос=0,245/0,00000321 = 76323,99 [Ом];

6. ОПРЕДИЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

СКСО превращает следящий электропривод координат в комбинированную систему управления, в которой наряду с замкнутым по положению каналом появляется дополнительно разомкнутый канал, позволяющий в принципе сделать систему инвариантной к входному воздействию.

Упрощенная структурная схема комбинированной системы показана на рисунке 6.

Преобразуем эту схему (рис. 8) и запишем передаточную функцию, соответствующую этой схеме и учитывающую влияние замкнутого и разомкнутого каналов.

Рис.8 Преобразованная структурная схема следящего электропривода по одной координате

, (2)

где .

Запишем выражение (2) как

где - передаточная функция контура положения в замкнутом состоянии без схемы компенсации.

Рис.9

Для удобства анализа и синтеза комбинированной системы она может быть представлена одноконтурной замкнутой системой с некоторой эквивалентной передаточной функцией в разомкнутом состоянии (рис. 9).

Эта эквивалентная передаточная функция находится из условия:

и равна

. (3)

Пусть при синтезе следящего электропривода асимптотическая ЛАХ корректированной разомкнутой системы имеет вид -20, -40, -20, -40 дБ/дек (см. приложение 1).

Тогда

где - добротность по скорости одноконтурной следящей системы;

[ дБ],

постоянные времени, соответствующие сопрягающим частотам.

Добротность по скорости и эти постоянные времени определяются непосредственно по асимптотической ЛАХ корректированной одноконтурной системы (рис. 9).

Следует учесть, что - передаточная функция схемы компенсации скоростной ошибки. Значение размерного коэффициента в зависит от заданной степени компенсации , которая равна отношению проектируемой скоростной ошибки в комбинированной системе к скоростной ошибке в той же системе без учета схемы компенсации, т.е.

. (4)

С учетом выражения (4), после некоторых преобразований, получим

. (5).

Разделим числитель и знаменатель в последней формуле на и представим полученный многочлен знаменателя в виде произведения двух сомножителей с эквивалентными постоянными времени

где эквивалентная добротность по скорости с учетом действия схемы компенсации скоростной ошибки; эквивалентные постоянные времени

Рассчитаем значения кэ, Тэ1, Тэ2, Т4 по следующим формулам:



Теперь, по полученным значениям кэ, Тэ1, Тэ2, Т4 строим ЛАФЧХ эквивалентной системы (рис.8).

Для чего определяем

;

;

;

;

;

;

[дБ];

В дальнейших расчетах в качестве скорректированной разомкнутой системы следящего электропривода одной координаты следует считать эквивалентную передаточную функцию

7. РАСЧЕТ КОНТУРНОЙ ОШИБКИ ПРИ ВОСПРОИЗВДЕНИИ ОКРУЖНОСТИ

Так как передаточные функции следящих электроприводов в замкнутом состоянии по координатам Х и Y совпадают на всем диапазоне частот, т.е. , то при воспроизведении окружности заданного радиуса R на плоскости X-Y получается окружность, но большего радиуса , равного:

.

Контурная ошибка в этом случае для определенной круговой частоты обхода окружности будет постоянной и равной

. (6)

Для выявления влияния радиуса окружности и линейной скорости обхода на величину контурной ошибки, выражение (6) представим в виде:

и вычислим при на определенном диапазоне частот, зависящем от реального радиуса воспроизводимой окружности.

Вычислим величину F непосредственно по формуле

,

для чего сначала построим фазовую частотную характеристику разомкнутой скорректированной системы (см. приложение 1, приложение 2) по ней определим при соответствующей частоте, причем угол поэтому .

Расчет для построения фазовой характеристики проведем в Microsoft Office Excel 2007 (см. приложение 2)

После чего определяем по логарифмической амплитудной характеристике разомкнутой скорректированной системы (см. приложение 1, ) из условия: ; и фазовой характеристики той же системы (см. приложение 1, приложение 2) величину при равной следующим значениям:

=1, В=148,8;

=2, В=36,3;

=3, В=14,88;

=4, В=9,33;

=5, В=7,41;

=6, В=6,17;

=7, В=5,37;

=8, В=4,79;

=9, В=4,17;

=10, В=3,76;

=11, В=3,47;

=12, В=3,13;

=13, В=2,95;

=14, В=2,49;

=15, В=2,51;

=16, В=2,4;

=17, В=2,24;

=18, В=2,09;

=19, В=2;

=20, В=1,91;

Далее построим кривую зависимости контурной ошибки от круговой частоты обхода окружности при постоянной линейной скорости, равной максимальной скорости рабочей подачи. При этом примерный диапазон частот выбрать от до , где .

Контурная ошибка определяется по формуле:

Расчет контурной ошибки проведем в Microsoft Office Excel 2007 (см. приложение 3)

8. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УПРОЩЕННОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рисунке 11 приведена упрощенная принципиальная схема двухконтурной системы регулирования скорости реверсивного тиристорного электропривода с регулированием тока якоря. Силовые цепи показаны на схеме условно, в однолинейном исполнении. Системы импульсно-фазового управления (СИФУ-В и СИФУ-Н) осуществляют согласованное регулирование напряжения обеих групп преобразователей (условно ТВ и ТН), получая общий управляющий сигнал от ПИ-регулятора тока РТ. Сигнал обратной связи по току якоря снимает с выхода датчика тока ДТ и подает на входное сопротивление rвх2 РТ. Назначение ДТ, включенного на шунт rш , является преобразованием тока якоря а пропорциональное ему напряжение , соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления, а также гальваническая развязка якорной цепи двигателя и цепей управления. Сигнал задания с выхода П-регулятора скорости РС подается на другой вход РТ с сопротивлением rвх1. Напряжение обратной связи по скорости с якорем тахогенератора ТГ поступает на вход РС с сопротивлением rвх4, а напряжение задания скорости с выхода задатчика интенсивности ЗИ или непосредственно на входное сопротивление rвх3. Ограничение максимального тока якоря осуществляется с помощью блока УОТ . При выборе ПИ-регулятора скорости на его входе, как правило, используется входной фильтр.



Рис.12

9. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ БЛОЧНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ ЧПУ

Блочно-функциональная схема, воспроизводящая части системы ЧПУ представлена на рис.13.

Рис. 13.

Программная автоматическая система управления электроприводом (АСУ ЭП) одной координаты с импульсным датчиком положения, для случая контурной обработки изделия, содержит внутренний аналоговый контур регулирования скорости с регулятором РС и внешний цифровой контур регулирования положения. Сигнал ошибки по положению после преобразования его преобразователем «код - напряжение» (ПКН) в аналоговое напряжение воздействует на вход регулятора положения (РП).

Ошибка фиксируется реверсивным счетчиком (РСч) как разность числа программных импульсов, поступающих от интерполятора, и импульсов отработки с датчика обратной связи (ДОС) и схемы формирования импульсов отработки (СФИО). Интервалы между импульсами определяются характером задания и отработки его электроприводом. Поэтому вполне реален случай, когда импульсы задания и отработки совпадают по времени. Для того чтобы исключить возможность неправильной работы РСч в результате одновременного поступления импульсов на оба его входа, предусмотрена схема синхронизации (СС). Она обеспечивает наличие обязательного временного интервала между импульсами, поступающими на входы сложения (+) и вычитания (-) счётчика. Этот интервал составляет не менее половины периода тактовых импульсов, поступающих на СС от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Тактовые импульсы поступают на входы блоков синхронизации (БС1-БС4) в виде двух последовательностей А и Б частоты , сдвинутых относительно друг друга на половину периода. Программные импульсы синхронизируются импульсами последовательности А при движении «Вперёд» блоком БС1 , а «Назад» - блоком БС2. Импульсы отработки синхронизируются в БС3 или БС4 импульсами последовательности Б.

Логическая часть схемы построена на триггерах с раздельными входами (RS-триггеры). При отсутствии входных импульсов нулевые состояния триггеров подтверждаются тактовыми импульсами соответственно А и Б.

Преобразователь «код - напряжение» (ПКН) преобразует ошибку, вычисляемую РСч, в дискретном виде в управляющее напряжение переменного тока .

Схема компенсации скоростной ошибки (СКСО) формирует аналоговый сигнал, пропорциональный частоте входных импульсов, и представляет собой дискретно - аналоговый преобразователь типа «частота-напряжение». Задаваемая скорость по координате пропорциональна частоте входных импульсов. Таким образом, для электропривода СКСО выполняет роль формирователя сигнала, пропорционального входной скорости, т.е. производной от основной входной величины - перемещения. Система электропривода при этом становится комбинированной, содержащей, кроме основного замкнутого контура по пути, еще канал управления по входной скорости.

список литературы

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние. 1982. -392 с., ил.

Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ: Учебное пособие для вузов: -Л.: Энергоатомиздат, 1990. -512с.

Лебедев А.М., Орлова Р.Т., Пальцев А.В. Следящие электроприводы станков с ЧПУ-М.: Энергоатомиздат, 1988. -223с.

Р. Шёнфельд, Э. Хабигер Автоматизированные электроприводы. -Л.: Энергоатомиздат 1985. -464с.

Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Часть 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат: Учеб. пособие для вузов. -Екатеринбург. Изд-во Урал. гос. проф.-пед.ун-та, 1997. -279с.

Размещено на Allbest.ru

...