Костромской государственный технологический университет, 2004 2 page

, (1.1)

где t_p - время работы; t_п - время паузы; t_ц = t_p + t_п - время цикла.

Стандартные значения относительной продолжительности включения составляют 15, 25, 40 и 60% при общей продолжительности цикла не больше 10 мин.

Пусковые потери в этом режиме практически не оказывают влияния на повышение температуры частей машины.

Пользуясь диаграммами, приведенными на рис.1.2, и таблицами вариантов задания (табл. 1.2, 1.3 и 1.4), определяем режим работы электропривода для своего варианта.

Рис.1.2. Нагрузочные диаграммы механизмов

1.1.2. Расчет эквивалентного момента на валу электродвигателя

Расчет эквивалентного момента на валу электродвигателя проводится в два этапа.

Во-первых, требуется рассчитать эквивалентный момент сопротивления на валу механизма за время работы в течение одного цикла по формуле [2]:

(1.2)

Эта формула применяется для ступенчатой нагрузочной диаграммы с постоянными значениями моментов сопротивления на валу механизма для каждой ступени. В случае, если нагрузочная диаграмма содержит наклонные трапецеидальные участки, их надо предварительно заменить эквивалентными ступенями.

Значение момента такой эквивалентной ступени на i -том трапецеидальном участке с начальным значением момента М_нач и конечным М_кон может быть рассчитано по формуле:

(1.3)

Это значение и подставляется затем на i-том участке в (1.2).

Во-вторых, требуется определить эквивалентный момент М_экв на валу двигателя (используется табл.1.5).

Для определения эквивалентного момента на валу двигателя необходимо воспользоваться формулой:

M_экв=M_мэ×K_з /(h_п×i_п), (1.4)

где М_экв - эквивалентный момент на валу двигателя, Н×м;

М_мэ - эквивалентный момент сопротивления на валу

механизма, Н×м;

К_з - коэффициент запаса (принять в пределах 1,1-1,3);

h_п - КПД редуктора;

i_п - передаточное число редуктора.

1.1.3. Определение необходимой скорости вращения электродвигателя

Требуется найти наибольшую угловую скорость w_max и частоту вращения электродвигателя n_max.

Для нахождения этих параметров надо воспользоваться формулами:

w_max=i_n×w_мmax, (1.5)

где w_max - максимальная угловая скорость двигателя, рад/с;

w_мmax - максимальная угловая скорость механизма, рад/с.

n_max=w_max×30/p, (1.6)

где n_max - максимальная частота вращения электродвигателя, об/мин.

1.1.4. Определение мощности электродвигателя

Для определения мощности электродвигателя необходимо рассчитать эквивалентную и расчетную мощности на валу двигателя.

Рассчитываем эквивалентную мощность Р_экв на валу двигателя при наибольшей угловой скорости.

Этот расчет производится следующим образом:

Р_экв=М_экв×w_max (1.7)

Определяем расчетную мощность на валу электродвигателя Р_расч с учетом режима его работы и допустимого по условиям нагрева вращающего момента.

Для продолжительного, кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы расчетная мощность на валу электродвигателя определяется по-разному.

Для продолжительного режима:

Р_расч=Р_экв. (1.8)

Для повторно-кратковременного режима расчетная мощность на валу электродвигателя определяется следующим образом:

1) Для двигателя, рассчитанного на повторно-кратковременный режим работы, находится относительная продолжительность включения [2,4]:

e=å t_{р i} /t_ц, (1.9)

где t_рi - время включения, мин;

t_ц - время рабочего цикла, мин.

2) Выбирается стандартная продолжительность включения e_ст, близкая к найденной e.

3) Расчетная мощность находится как [2,4]

(1.10)

Для двигателя рассчитанного на продолжительный режим работы:

(1.11)

где P_т - коэффициент термической перегрузки,

T_н - постоянная времени нагрева электродвигателя.

Для кратковременного режима расчетная мощность на валу двигателя, рассчитанного на продолжительный режим работы, определяется [2]

, (1.12)

1.1.5. Выбор электродвигателя по каталожным данным

Выбор двигателя по частоте вращения и по мощности необходимо производить по условиям:

n_ном ³ n_мах,

(1.13)

Для электропривода постоянного тока, используемого в данной работе, предлагается выбрать двигатель серии ПБСТ (см. приложение П1). Двигатели ПБСТ предназначены для работы в электроприводах с диапазоном регулирования до 1:2000. Они выполняются как со встроенным тахогенератором (ПБСТ), так и без него (ПБС). Двигатели предназначены для эксплуатации в продолжительном режиме работы S1 и допускают работу в кратковременном режиме S2 с длительностью рабочего периода 60 мин. Двигатели допускают перегрузку по току до 4×I_ном в течение 10 с при номинальном возбуждении.

Электродвигатели работают в невзрывоопасной, не содержащей ядовитых паров средах.

Двигатели этой серии изготовляются независимого возбуждения, без стабилизирующей последовательной обмотки. Они также допускают регулирование частоты вращения вверх от номинальной при кратковременных режимах регулированием напряжения на якоре.

Условия охлаждения двигателей при снижении скорости не ухудшаются, поэтому допустимый по условиям нагрева момент при изменении скорости можно считать постоянным и равным номинальному моменту электродвигателя.

Двигатели изготавливают со встроенным тахогенератором типа ТС-1М.

Двигатели и тахогенераторы должны допускать следующие средние повышения температуры обмоток и коллектора: 85°С для двигателей постоянного тока с изоляцией класса В; 105°С для двигателей постоянного тока с изоляцией класса F.

Выбор двигателя производится по таблицам (Приложение 1) или по справочникам [5].

Возможно применение электродвигателя другого типа, но для этого необходимо знать все его параметры, а также выбрать к нему тахогенератор.

1.1.6. Проверка электродвигателя по условию перегрузки

Для выполнения этой проверки необходимо рассчитать потребляемый ток двигателя.

В процессе работы двигатель не всегда работает на номинальную нагрузку, поэтому ток, протекающий по якорю двигателя, не всегда равен номинальному току двигателя.

Рабочий ток двигателя находится из условия:

I_пот=М_экв / (k×Ф_ном), (1.14)

При расчетах электромеханических свойств двигателей k и Ф отдельно, как правило, не используются. Удобнее оперировать произведением этих величин k×Ф=С.

Значение С, соответствующее номинальному значению тока возбуждения, а следовательно, и потока, определяется по паспортным данным двигателя для установившегося номинального режима:

C = U_ном /w_ном - I_ном×R_яд /w_ном, (1.15)

где С - конструктивный коэффициент двигателя;

U_ном - номинальное напряжение двигателя, В;

I_ном - номинальный ток двигателя, А;

R_яд - сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;[1]

w_ном - номинальная угловая скорость вращения двигателя, с^-1.

Для того чтобы двигатель не был перегружен и смог разогнаться до номинальной скорости, должно соблюдаться условие:

М_max ³ М_cmax, (1.16)

где М_max =(2¸2,5)×М_ном - максимальный момент электродвигателя, Н×м;

М_cmax - наибольший за рабочий цикл момент сопротивления на валу электродвигателя (приведенный к валу двигателя), Н×м.

Если это условие соблюдается, то делается вывод о пригодности выбранного электродвигателя к работе с данной нагрузкой. Если не соблюдается, то необходимо выбрать двигатель большей мощности.

1.2. Выбор управляемого преобразователя

1.2.1. Краткий обзор существующих управляемых преобразователей

Вследствие специфики промышленности Костромской области применение электропривода рассмотрим на примере текстильного производства.

Наибольшее распространение в тиристорных электроприводах постоянного тока текстильных машин получили трехфазные схемы тиристорных преобразователей.

Для приводов малой мощности (2…5 кВт) обычно применяются однофазные или трехфазные нулевые схемы выпрямления. Трехфазная мостовая, а также другие шестипульсные схемы используются для приводов средней и большой мощности.

Для электроприводов поточных линий текстильной промышленности предпочтение отдают обычно трехфазной мостовой схеме, позволяющей достичь лучшего использования питающего трансформатора, снизить величину пульсаций тока и уменьшить зону прерывистых токов по сравнению с трехфазной нулевой схемой, использовать вентили с меньшим обратным напряжением по сравнению с другими схемами.

Применение реверсивных тиристорных преобразователей целесообразно в раскатных и накатных машинах, когда возможен генераторный режим работы электродвигателя, для получения управляемых тормозных режимов оборудования, обладающего большим моментом инерции (сновальные, шлихтовальные машины), а также в оборудовании с малонатяжной проводкой ткани, трикотажного полотна и других легкодеформируемых материалов, когда невозможно использовать нереверсивные преобразователи в связи с нелинейностью их характеристик.

Системы управления вентильными преобразователями строятся, как правило, по вертикальному принципу. В качестве опорного напряжения чаще используется стабилизированное пилообразное напряжение.

Схемы управляемых преобразователей принято разделять в соответствии со следующими классификационными признаками:

- по способу реализации встречного соединения в комплектах на стороне постоянного тока;

- по числу фаз подводимого к тиристорным комплектам напряжения;

- по схемам комплекта.

В названии схемы реверсивного управляемого выпрямителя отражаются в том же порядке все перечисленные признаки. Как пример, название одного из вариантов схемы могло бы выглядеть следующим образом: схема встречно-параллельная трехфазная нулевая с совместным управлением.

Основным при делении схем реверсивных управляемых выпрямителей принято считать первый признак - «по способу реализации встречного соединения комплектов», в соответствии с которым различают две большие группы:

- встречно-параллельные схемы;

- перекрестные схемы (восьмерки),

каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

На рис.1.3, а и б приведены две реализации встречно-параллельной схемы: на базе трехфазной нулевой (рис.1.3, а) и шестифазной нулевой схемы (рис.1.3, б).

Рис.1.3, в и г представляет также две реализации, однако уже перекрестной схемы: одна (рис.1.3, в) - на базе однофазной мостовой, а другая - трехфазной мостовой (рис.1.3, г) схемы комплекта.

Рис.1.3. Реализации встречно-параллельных (а и б) и перекрестных (в и г) вариантов управляемого тиристорного преобразователя

Подробнее с различными типами преобразователей, используемых для питания двигателей постоянного тока, можно познакомиться в книге Шипилло В.П. «Автоматизированный вентильный электропривод» [6].

1.2.2. Выбор управляемого преобразователя

Для питания электродвигателя от сети переменного тока предлагается выбрать трехфазный комплектный вентильный преобразователь серии УКЭ-Л, (устройство которого описано в приложении 2.) или серии ПТ3Р (см. П3).

Преобразователь серии УКЭ-Л является нереверсивным трехфазным зависимым преобразователем с фазовым управлением, предусматривающим возможность работы на два вида нагрузки: на двигатель постоянного тока в варианте управляемого выпрямителя или на асинхронный двигатель в варианте тиристорного регулятора напряжения. Вариант реализуемого преобразователем регулятора задается соответствующей схемой соединения тиристоров на стороне нагрузки.

Устройство обеспечивает возможность построения электроприводов постоянного тока с обратной связью по скорости и ЭДС двигателя (напряжению с “IR”-компенсацией). Устройство может быть использовано в качестве централизованного (группового) источника питания взаимосвязанных электроприводов поточных линий в режиме работы с обратной связью по напряжению. Устройство может быть использовано для регулирования и стабилизации тока и напряжения нагрузки в различного рода установках, а также для осуществления плавного (безударного) пуска и торможения трехфазных асинхронных электродвигателей мощностью до 55 кВт.

Устройство предназначено для построения индивидуальных и взаимосвязанных (многодвигательных) электроприводов машин постоянного тока и поточных линий текстильной, легкой, полиграфической промышленности, а также промышленности по производству химических волокон и т.д.

При проектировании электропривода выбор тиристорного преобразователя должен производиться с учетом возможной его нагрузки по току:

I_{d ном} ³ К_зап×I_пот, (1.17)

где I_{d ном} - номинальный ток преобразователя, А.

Коэффициент запаса (К_зап =1,1 – 1,3) учитывает нестабильность момента статического сопротивления технологических машин, определяемого в основном силами трения, затрудняющими процесс пуска электродвигателя после длительного останова.

Выбор преобразователя производится по таблицам приложения П3.

1.3. Выбор согласующего трасформатора

Согласующие трансформаторы предназначены для обеспечения питания тиристорных комплектов и согласования питающего напряжения с номинальным током и напряжением работы тиристорных комплектов.

В качестве согласующих трансформаторов применяются как однофазные, так и трехфазные трансформаторы.

В данном курсовом проекте будем использовать трехфазный согласующий трансформатор, параметры которого приведены в таблицах приложения П3 и П4.

1.4. Выбор датчика тока

В качестве датчика тока часто применяют шунт с калиброванным (нормированным) выходным напряжением 0.075 В (75 мВ) при протекании номинального тока шунта (5, 10, 15, 25, 500, 100, … А). Шунт обладает собственной индуктивностью, что накладывает ограничение на его применение при измерении мгновенных значений тока в электроприводах с широтно-импульсным управлением. В связи с тем, что на выходе шунта имеем низкое напряжение 0-75 мВ, устанавливается промежуточный усилитель Ат (рис.1.4, а).

Рис.1.4. Датчики тока: а) шунт; б) на основе трансформатора тока

В ряде случаев, особенно для нереверсивных электроприводов, используются более простые датчики на основе трансформаторов тока ТА (рис.1.4, б).

Обычно номинальный выходной ток нормируется и составляет I_2н=5А при номинальном первичном токе I_{d ном}. В схеме (рис.1.4, б) после выпрямителя устанавливается балансное сопротивление R_б, обеспечивающее нормированный ток во вторичной цепи трансформатора ТА. Напряжение с балансного сопротивления поступает на потенциометр R_п1, причем сопротивление R_п1 выбирается выше на порядок и более, чем сопротивление балансного резистора (R_б<<R_п1), тогда коэффициент потенциометрической связи не зависит от R_б [7].

В электротехнических средствах автоматизации в последнее время идет замена таких традиционных устройств, как шунт, трансформатор тока, магнитный усилитель, на электронные датчики тока. Такие модульные датчики тока предназначены для бесконтактного измерения постоянного, переменного и импульсного токов по изменению магнитной индукции, создаваемой этими токами. Они широко используются для комплектации инверторов, тиристорных и транзисторных преобразователей, выпрямителей, в системах управления электродвигателями, контурах регулирования устройств автоматики и следящих систем [7].

Рис.1.5. Электронный датчик тока

Модуль датчика тока (рис.1.5, а) состоит из замкнутого магнитовода с зазором, изготовленного из магнитомягкого материала и компенсационной обмотки, намотанной на магнитопровод. В зазоре магнитопровода смонтирован датчик Холла, сигнал с которого поступает на электронный усилитель и запитывает компенсационную обмотку таким образом, что величина магнитного потока в магнитопроводе стремиться к нулю. При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой замкнутым магнитопроводом, в нем наводится магнитное поле. Датчик Холла, реагирующий на это поле, и усилитель создают в компенсационной обмотке ток, пропорциональный измеряемому току и компенсирующий его магнитное поле. Таким образом, магнитопровод ненасыщен, и поле в нем стремится к нулю.

Коэффициент передачи обратной связи по току находится как

(1.18)

где R_изм - измерительное сопротивление, Ом;

R_э - полное активное сопротивление якорной цепи системы[2] «преобразователь-двигатель», Ом;

U_выхДТ - выходное напряжение датчика тока (для рассматриваемых датчиков можно принять U_выхДТ=2,5 В), [7];

К_тт - коэффициент трансформации по току (см. приложение 5).

Выбор датчика тока производится по номинальному выпрямленному току преобразователя в соответствии приложением 5.

1.5. Выбор уравнительного реактора

При согласованном управлении вентильными группами a₁+a₂=p сумма средних значений напряжений равна нулю, но сумма мгновенных напряжений отлична от нуля. Ток в уравнительном контуре имеет пульсирующий характер. Индуктивность уравнительных дросселей L_ур, ограничивающих среднее значение уравнительного тока, можно определить по выражению:

L_ур=I_ур^*×Е_do/(2×p×f_c×I_ур.доп), (1.19)

где I_ур^* - нормированное значение уравнительного тока, зависящее от схемы выпрямления и угла регулирования. Приближенно можно принять:

- для однофазной мостовой схемы I_ур^*=2;

- для трехфазной нулевой схемы I_ур^*=1,5;

- для трехфазной мостовой схемы I_ур^*=0,7.

Е_do - максимальная ЭДС тиристорного преобразователя[3], В;

I_ур.доп - допустимый статический уравнительный ток, можно принять I_ур.доп=0.2×I_ном.

Имеется определенная взаимосвязь между выбором параметров уравнительных и сглаживающих дросселей в смысле оптимального проектного решения. Если уравнительные дроссели выбраны не насыщающимися, то в большинстве случаев они могут одновременно выполнять роль и сглаживающего дросселя. Если дроссель оказывается насыщающимся за счет тока двигателя, то индуктивность другого дросселя должна быть выбрана так, чтобы дроссель мог полностью воспринять уравнительное напряжение и ограничить ток до допускаемой величины [8].

1.6. Выбор тахогенератора

Электродвигатели серии ПБСТ оснащаются встроенными тахогенераторами серии ТС-1М [5].

Коэффициент передачи тахогенератора вычисляется по формуле

(1.20)

где n - число оборотов в минуту вала тахогенератора;

е_тг - ЭДС тахогенератора, соответствующая числу об/мин его вала, В.

Тахогенератор серии ТС-1М имеет следующие параметры:

номинальная мощность якорной цепи тахогенератора, Вт 5

номинальная ЭДС тахогенератора, В.... 100

номинальная частота вращения тахогенератора, об/мин 3000

тип возбуждения.......постоянные магниты

1.7. Расчет параметров цепи «тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока» [7,9]

Рассчитываются следующие параметры:

Сопротивление якорной цепи двигателя[4]:

R_яцд=b_т×(R_я+R_дп)+R_щ, (1.21)

где b_т =1.46 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагреве обмотки якоря двигателя ПБСТ 1-3 габарита и b_т =1.54, 4-6 габарита;

R_дп - сопротивление добавочных полюсов при 15^оС, Ом;

R_щ = U_щ / I_ном - сопротивление щеточного контакта, Ом.

где U_щ примем равным 2В.

Величины всех сопротивлений приведены в таблицах приложения 1.

Активное сопротивление трансформатора:

R_т=DР_кз / (I_dном)², (1.22)

где DР_кз – потеря мощности в опыте КЗ.

Данные для расчета параметров трансформатора и преобразователя приведены в приложении П3 и П4.

Максимальная ЭДС тиристорного преобразователя:

Е_do = k_сх×U_2ф, (1.23)

где k_сх - коэффициент схемы выпрямления (для трехфазной мостовой схемы k_схф=2.34, k_схл=1.34);

U_2ф - фазное напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора, В.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя при использовании системы управления с пилообразным напряжением определяется

, (1.24)

где Е_d = C×w_ном + I_пот×R_яцд - ЭДС двигателя при рабочей нагрузке, В;

U_у^max - максимальное напряжение цепи управления (поскольку планируется использование стандартной блочной системы регуляторов, то максимально допустимое напряжение управления надо принять U_у^max = 10 В) [10].

Эквивалентное сопротивление трансформатора, обусловленное перекрытием токов в фазах преобразователя при коммутации вентилей:

R_к = 0.5×U_кз×Е_do/I_dном, (1.25)

где U_кз – напряжение КЗ в относительных единицах.

Полное активное сопротивление якорной цепи:

R_э = R_яцд+R_т+R_изм+R_к+R_ш, (1.26)

где R_ш = 0.1×R_яцд - сопротивление шин, Ом.

R_изм – измерительное сопр. (учитывают лишь для контактных датчиков).

Индуктивность обмотки якоря двигателя [3]:

(1.27)

где р - число пар полюсов двигателя (для двигателей серии ПБСТ число пар полюсов р=2, g=0,25).

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке [11], Ом: (1.28)

где k_схI = I_2ф / I_dn ≈ 0,82.

Индуктивность рассеяния трансформатора, Гн:

L_т=X_т /w_с, (1.29)

где w_с = 2×p×f_с,

f_с - частота питающей сети, Гц.

Суммарная индуктивность якорной цепи двигателя:

L_э=L_яцд+L_ур+2×L_т. (1.30)

Электромагнитная постоянная якорной цепи:

Т_яц = L_э / R_э. (1.31)

Электромеханическая постоянная:

Т_мц= J_∑ × R_э / С², (1.32)

где J_∑=1,15×J_д+J_m / i_п² - полный приведенный момент инерции системы, состоящий из момента инерции двигателя, момента инерции механизма, приведенного к валу двигателя, и момента инерции передаточного механизма, учитываемого как 15% от момента инерции двигателя.

1.8. Обоснование необходимости применения замкнутой системы управления электроприводом

Для обоснования применения замкнутой системы электропривода необходимо найти требуемое абсолютное снижение угловой скорости электропривода, абсолютное снижение угловой скорости электропривода в разомкнутой системе и сравнить их между собой.

1) Находим требуемое абсолютное снижение угловой скорости электропривода при номинальной нагрузке:

(1.33)

где d_з - заданный статизм в системе электропривода в относительных единицах,

ω _0min - скорость идеального Х.Х. двигателя на нижней границе диапазона регулирования.

2) Находим действительное абсолютное снижение угловой скорости электропривода в разомкнутой системе:

Dw_р = R_э×I_пот / C. (1.34)

3) Для целесообразности применения замкнутой системы управления электроприводом необходимо соблюдение условия:

Dw_р > Dw_з, (1.35)

где Dw_з - заданное максимальное изменение скорости в замкнутой системе.

Если данное условие выполняется, то для получения характеристик электропривода, удовлетворяющих заданным требованиям, необходимо применить замкнутую систему управления электроприводом.

Введем следующие понятия:

- статизм разомкнутой системы по отношению к максимальной скорости идеального холостого хода:

d_р=Dw_р / w _{0 max}; (1.36)

- статизм замкнутой системы (заданный статизм) по отношению к минимальной скорости холостого хода:

d_з=Dw_з /w _{0 min}; (1.37)

D=w _{0 max} /w _{0 min} - заданный диапазон регулирования скорости (1.38)

Статизм разомкнутой системы в данном случае вычисляется:

. (1.39)

Скорость идеального холостого хода на верхней и нижней границах регулирования находим из выражения

(1.40)

(1.41)

1.9. Выводы по разделу

В данной главе сделали выбор элементов системы электропривода: электродвигателя (с проверкой его по перегрузке) и тахогенаратора, управляемого выпрямителя, согласующего трансформатора, сглаживающего реактора; рассчитали параметры якорной цепи системы «преобразователь-двигатель»; обосновали необходимость применения замкнутой системы управления электроприводом.

Для удобства дальнейших расчетов запишем все найденные значения в таблицу.

Сводная таблица расчетных параметров. Таблица 1.6.

раздел 2. Расчет статики электропривода