Система управления двигателем переменного тока

ЭАЭп 427записка.doc

Министерство образования Республики Беларусь
Белорусско – Российский Университет
По курсу “Элементы автоматизированного электропривода ”
Система управления двигателем переменного тока
ЭАЭП 427.00.00.000 ПЗ
Пояснительная записка
Анализ технических решений
Технические требования к электроприводу
Обоснование и выбор типа приводного двигателя
Обоснование выбор и описание функциональной и структурной
Разработка и описание принципиальной электросхемы и конструкции
блока определенного техническим заданием
Расчет и выбор элементов электропривода
Список использованной литературы
Современные высокие требования к производительности различных механизмов
изготовляемых изделий могут быть обеспечены только на основе автоматизации
ных электроприводов. Успех автоматизации зависит в значительной мере от
технических средств ее реализации т.е. от индивидуальных свойств всех
отдельных устройств или элементов совокупность которых образует
промышленную электромеханическую систему – автоматизированный
электропривод. Элементная база практически обеспечивающая автоматизацию и
реализующая требуемые свойства системы электропривода подлежит разработке
в ходе выполнения данного курсового проекта.
Целью данного проекта является приобретение навыков математического
описания взаимосвязи входных и выходных величин элементов
автоматизированного электропривода
составления структурных и функциональных схем определения параметров
расчетных схем анализа свойств элементов как звеньев динамической системы
а так же анализа возможных технических решений задачи автоматизации
Анализ задания на курсовой проект показал что реализация всех
технических требований возможна при организации частотного управления
электроприводом. Основу данного привода составляет преобразователь частоты
с промежуточным звеном постоянного тока и двигатель переменного тока. При
этом реверс привода обеспечивается возможностью реверса тока в схеме
привода обеспечиваемой управляемым выпрямителем. Рекуперативное торможение
осуществляется путем плавного изменения частоты питающего приводной
двигатель напряжения. При этом происходит постепенное переключение
двигателя с одной механической характеристики на другую. Привод работает в
тормозном режиме с отдачей энергии в сеть пока его рабочая точка
перемещается по участкам механических характеристик расположенных во
втором квадранте. Изменяя плавно и автоматически частоту можно получить
тормозной режим привода с малоизменяющимся моментом торможения.
К несомненным преимуществам частотного управления приводом относится
тот факт что при плавном регулировании частоты тока в статоре машины
можно получить плавное изменение скорости привода в широких пределах. При
этом необходимо отметить что потери от токов высших гармоник при частотном
регулировании привода переменного тока оказываются значительно ниже чем в
современных регулируемых приводах постоянного тока или в приводах
переменного тока регулируемых каким-либо иным способом. Этот факт дает
высокую оценку частотно-регулируемым приводам переменного тока в плане
энергетики. Однако у такой системы есть и недостатки наиболее существенным
из которых является проявление статизма высокого порядка в силовой части
при разомкнутой архитектуре системы управления. Кроме того при снижении
скорости может возникнуть область статической неустойчивости что неминуемо
приведет к разрыву системы по силовому каналу. Учет данных недостатков при
проектировании систем данного типа обуславливает сложность ее построения
однако возможность рационального и эффективного использования
электроэнергии при эксплуатации частотно-регулируемых приводов вносит
экономическую целесообразность их внедрения при выполнении сложных
требующих точного регулирования производственных задач.
Область применения данного типа приводов в силу их универсальности
довольно широка. Организация эффективного регулирования возможна как при
постоянном моменте нагрузки так и в тех случаях когда момент нагрузки
является функцией скорости привода ( крановая вентеляторная вязкая и т.
д.). В любом случае частотное регулирование привода требует применения так
называемых законов оптимального управления.
1Технические требования к электроприводу
В соответствии с техническим заданием определим требования
предъявляемые к проектируемому электроприводу:
Тип двигателя – асинхронный двигатель.
Мощность двигателя – 01 кВт.
Диапазон регулирования при статизме 10% D=100
Торможение – без торможения.
Реверс – отсутствует.
Наличие генераторного режима на регулировочных х-ках – отсутствует.
Наличие регуляторов – по необходимости.
Нагрузочная характеристика – М~2 .
Приведенный момент инерции мехр=4
Тип защит электропривода – перегрузка по току от перенапряжения
тепловая от токов нулевой последовательности
Виды блокировок – обрыв фазы.
Степень защиты от окружающей среды –IP-23.
Тип блока в преобразователе – силовой блок
Тип датчика в электроприводе – датчик давления в нагревательных
2 Обоснование и выбор типа приводного двигателя
В соответствии с техническим заданием привод должен строиться на
основе двигателя переменного тока. Задана так же и мощность двигателя – 01
кВт и скорость - 750 обм. Необходимо учесть что скорость привода должна
регулироваться частотным преобразователем. В соответствии с заданием
наилучшем выбором будет привод немецкой фирмы Siemens так как
отечественные аналоги с подобными параметрами отсутствуют. Выбираем привод
следующей марки : - 1LA7073-8AB.
Характеристики выбранного двигателя:
Рном = 012 кВт ; Uном = 220380 В ; n0 = 750 обмин ; ном = 053 ;
cosφном =064 ; Sном = 005 ; Sк =027 ; к = 22 ; п =17 ; IпIном
=22 ; J = 00009 кг*м2
Степень защиты – IP-55
Способ охлаждения – ICA0041 (ГОСТ 20459-75).
Исполнение по способу монтажа – IM1001 (ГОСТ 2479-79).
Необходимо проверить соответствие техническому заданию обеспечиваемую
выбранным двигателем полосу пропускания.
При рассмотрении динамики привода переменного тока рассматриваются только
механические процессы без учета электромагнитных явлений. Анализируя
механические процессы тоже приходится идти на существенные упрощения
линеаризуя механическую характеристику на рабочем участке. В этом случае
передаточная функция асинхронного двигателя может быть представлена
апериодическим звеном первого порядка :
Тэм = JΣ0Sk 2Mk – электромеханическая постоянная времени
Мк Sк – соответственно критические момент и скольжение
= 2fс =n030 – синхронная скорость двигателя
JΣ = Jдвигателя + Jмеханизма – суммарный момент инерции привода.
Кд = ΔfΔ – передаточный коэффициент двигателя при частотном
При этом предельная полоса пропускания обеспечиваемая выбранным
двигателем может быть определена из соотношения:
пр д 0 – соответственно предельная и нулевая частота полосы
К – модуль АЧХ двигателя переменного тока.
Определим теперь модуль АЧХ:
В соответствии с (1.3) получаем:
При этом очевидно что [pic].
В соответствии с (1.2) получаем:
После упрощений получаем выражение по которому возможно определить
значение предельной частоты полосы пропускания двигателя:
И окончательно применяя методы решения биквадратных уравнений получаем
для определения предельной частоты полосы пропускания двигателя:
В выражении (1.5) учтено то что частота – величина физическая и не может
являться величиной отрицательной.
Для определения соответствия выбранного двигателя техническим требованиям
решим (1.5) численно для параметров двигателя 4АХ80В4 – 04
Тэм = JΣ0Sk 2Mk =[pic] =[pic]
[pic] [pic]- синхронная частота вращения ротора двигателя
[pic] (Гц)- частота питающей сети
[pic]- число пар полюсов.
Из формы записи (1.6) видно что синхронная частота вращения двигателя
зависит от частоты питающей сети по линейному закону следовательно
возможен переход от малых приращений в которых ожидается линейность
зависимости [pic]=f([pic]) к работе в конечных точках функции:
Окончательно получаем:
Выбранный двигатель обеспечивает необходимую полосу пропускания. Следует
отметить также и то что в силовом канале двигатель будет вносить
ограничения по максимальной частоте пропускания. Управляемый реверсивный
выпрямитель представляющий собой промежуточное звено постоянного тока
обладает полосой пропускания до 500 Гц; преобразователь частоты обладает
полосой пропускания до 10000 Гц следовательно система преобразователей в
состоянии обеспечить требуемую техническим заданием динамику привода.
. 1.3 Обоснование выбор и описание функциональной и
структурной схем электропривода
В соответствии с принятым техническим решением определим составляющие
функциональной схемы проектируемого привода.
Очевидно что силовая часть привода будет состоять из блока токовой защиты
(БТЗ) выполняющего роль первичного коммутатора и защищающего сеть от
коротких замыканий в схеме привода; управляемого реверсивного выпрямителя
(РУВ) представляющего собой промежуточное звено постоянного тока в системе
преобразователя частоты; фильтра (Ф) сглаживающего пульсации выпрямленного
напряжения и собственно преобразователя частоты на базе автономного
инвертора напряжения (ПЧ АИН) позволяющего сформировать первую гармонику
питающего приводной двигатель напряжения требуемой частоты.
Принятое техническое решение позволяет применить стандартные (типовые)
схемы управления РУВ и ПЧ АИН. При этом необходимо обеспечить оптимальность
управления приводом по условию минимальности потерь. В случае вентиляторной
нагрузки закон оптимального частотного управления примет вид:
.Из данного соотношения видно что одновременно с регулированием частоты
необходимо осуществлять и регулирование напряжения питания приводного
двигателя. То есть системы управления РУВ и ПЧ АИН должны быть
взаимосвязаны. Необходимую взаимосвязь систем управления возможно
реализовать при помощи блока логического управления (БЛУ) представляющего
собой логическую систему формирующую сигнал задания напряжения для РУВ и
сигнал задания частоты для ПЧ АИН в соответствии с приведенным выше законом
управления. БЛУ будет осуществлять так же коррекцию процесса управления в
зависимости от сигналов датчиков организующих требуемые техническим
заданием блокировки и защиты.
Рассмотрим подробнее функциональную схему системы управления.
Оптимальным способом управления РУВ очевидно будет являться раздельное
управление вентилями. При раздельном управлении отпирающие тиристоры РУВ
импульсы подаются только на одну группу вентилей находящуюся в работе
другая группа при этом закрыта. В связи с этим отсутствует необходимость в
уравнительных реакторах. Это снижает инерционность тиристорного
преобразователя повышает его быстродействие а также снижает
массогабаритные показатели.
Входной координатой РУВ является сигнал задания напряжения выходной –
выпрямленная ЭДС определяемая как средняя на интервале проводимости
величина в установившемся режиме Ed и в переходных процессах ed.
Функции формирования управляющих импульсов сдвига по фазе управляющих
импульсов согласования начала фазы управляющего импульса с началом
соответствующей фазы сети возлагаются на систему импульсно-фазового
управления (СИФУ). Система управления РУВ кроме СИФУ1 и СИФУ2 управляющих
либо выпрямительной группой (ВГ) тиристоров либо инверторной (ИГ) в
зависимости от требуемого режима работы содержит еще и логическое
переключающее устройство (ЛПУ) выполняющее автоматическое переключение
работы ВГ и ИГ. ЛПУ в составе системы управления РУВ выполняет следующие
) выбор вентильной группы для работы в зависимости от знака управляющего
Uу – разности задающего напряжения и напряжения обратной связи;
) запрещение открытия неработающей группы при наличии тока в работающей
) запрещение снятия отпирающих импульсов с работающей группы при
протекании в ней тока;
Для реализации перечисленных функций требуется информация о наличии
тока в вентильных группах и о знаке управляющего сигнала. Эта информация
поступает в ЛПУ с датчиков проводимости вентилей ДПВ1 и ДПВ2.
Очевидно так же и то что необходимо обеспечить временную паузу перед
вступающей в работу группы вентилей. Длительность требуемой паузы
соответствует времени восстановления запирающих свойств тиристоров
вышедших из работы для исключения появления сквозных цепей протекания
сверхтоков. Выходным сигналом ДПВ является импульс поступающий в СИФУ и
разрешающий включение в работу вентилей той или иной группы.
Необходимо отметить то что при пуске в работу РУВ в цепи фильтра Ф
начнется процесс заряда конденсаторов. Большая емкость конденсаторов
обусловит протекание в цепях тирис- торного преобразователя сверхтоков
что неминуемо приведет к выходу из строя вентилей. Для ограничения этих
токов в цепь фильтра на время заряда конденсаторов необходимо ввести
сопротивление. Вывод токоограничивающего сопротивления необходимо
осуществить при наличии на выходе фильтра напряжения равного не менее 70%
от установившегося при данном угле управления значения. Контроль за этим
значением осуществляет датчик напряжения выходной сигнал которого
подается на регулятор напряжения и на БЛУ. БЛУ в свою очередь формирует
сигнал выведения токоограничивающего резистора из цепи фильтра.
Регулирование основной (Ed) и косвенной (Id) выходных координат
осуществляется при помощи регуляторов напряжения и тока выходной сигнал
которых должен скорректировать значение угла управления РУВ.
Еще одним необходимым элементом системы управления РУВ является
выходной усилительный каскад – блок драйверов (БДр). На него возлагается
функция усиления маломощного сигнала управления вентилями РУВ
сформированного СИФУ до значений требуемых паспортными данными
конкретного типа тиристоров. Кроме того БДр обеспечивает размножение
управляющих импульсов по тиристорам и потенциальную развязку СИФУ и
Рассмотрим теперь систему управления частотным преобразователем.
Для того чтобы автономный инвертор частоты обладал свойствами
инвертора напряжения необходимо обеспечить постоянство напряжения питания
инвертора независимо от тока нагрузки. При значительном внутреннем
сопротивлении РУВ условие Ud=const может быть обеспечено с помощью
сильной отрицательной обратной связи по напряжению. Т. к. полярность Ud
не изменяется то рекуперация энергии из цепи нагрузки в сеть переменного
тока возможна только лишь при изменении направления тока Id. Данный факт
обосновывает необходимость применения реверсивного выпрямителя.
Схема управления инвертором включает в себя задающий генератор
частоты (ЗГЧ) преобразующий аналоговый сигнал управления частотой в
колебания прямоугольной формы с частотой [p распределитель импульсов
(РИ) преобразующий колебания ЗГ в синхронизированную по частоте и по фазе
трехфазную систему импульсов и распределяющий импульсы управления по шести
каналам управления транзисторами инвертора; формирователь управляющего
импульса (ФИ) формирующий импульс управления транзисторами по
длительности и форме; а так же блок драйверов функции которого были
Поскольку регулирование скорости привода будет осуществляться
изменением частоты питающего напряжения то в системе управления
необходимо присутствие регулятора скорости корректирующего сигнал задания
частоты в зависимости от сигнала поступающего с датчика скорости.
Требуемые техническим заданием блокировки осуществляется при помощи
датчиков сигнал которых поступает в блок логического управления в свою
очередь формирующего требуемые запреты на работу привода.
Анализ наличия токов нулевой последовательности протекающих в
приводном двигателе производится при помощи датчика тока нулевой
последовательности включенного между
общей точкой обмоток приводного двигателя и землей.
Защита от перенапряжения и от сверхтоков осуществляется регуляторами
напряжения и тока имеющими отсечку по максимуму входной величины.
Информация о значениях контролируемых величин поступает на регуляторы в
качестве сигналов обратных связей по напряжению и по току через датчики
Тепловая защита двигателя осуществляется встроенной в статор
позисторной группой.
Рассмотрим теперь структурную схему проектируемого привода.
В общем случае структурная схема привода может быть представлена
[pic] рис.1 Структурная схема привода
На рисунке показаны каналы взаимодействия блоков привода. Особый
интерес представляет двигатель при частотном регулировании. Покажем что
при частотном регулировании асинхронный двигатель имеет два независимых
канала управления. Для этого воспользуемся элементами теории обобщенной
электрической машины.
Для анализа запишем уравнения обобщенной машины в осях xy:
В общем случае к обобщенной машине подведена сбалансированная
симметричная система напряжений: [pic][pic]
Воспользовавшись фазными преобразованиями получим реальные
переменные трехфазной машины:
Из (1.10) с учетом того что двигатель получает питание лишь со
стороны статора (двигатель – с короткозамкнутым ротором) получаем:
По аналогии можно выразить и остальные переменные трехфазной модели:
Значения токов статора и ротора реальной трехфазной машины получим
используя фазные преобразования:
Из (1.8) однозначно видно что момент на валу двигателя определяется
потокосцеплениями статора. При этом имеют место два управляющих
воздействия: [pic] и U1.
Для обеспечения необходимых оптимальных процессов при управлении
приводным двигателем между изменениями[pic] и U1 должна возникнуть
взаимосвязь – закон частотного управления.
Для простоты рассуждений рассмотрим случай частотного управления
при котором потокосцепление статора остается неизменным во времени:[pic]
Тогда уравнения (1.8) для статора в векторной форме примут вид:
Рассмотрим задачу без учета потерь в статоре машины Это даст
некоторую неточность при построении механических характеристик двигателя
при частотном регулировании - изменяющийся критический момент однако
характер нагрузки обозначенной техническим заданием (вентиляторная)
позволяет нам сделать это. Итак примем R1=0 тогда:
Если направить вектор напряжения статора [pic] и вектор
потокосцепления статора [pic]1 по вещественной оси x системы координат
xy то в проекциях получаем:
Выражение (1.16) представляет собой динамические электромеханическую
и механическую характеристики.
С учетом выбора оптимальных параметров машины можно считать что
двигатель работает на линейном участке характеристики при[pic]. При этом:
Введем в рассмотрение уравнение движения привода:
М и Мс – соответственно электромагнитный и статический
J – момент инерции двигателя
Рп – число пар полюсов приводного двигателя.
Введем в рассмотрение также базовые величины:
U1H – номинальное напряжение статора
[pic] - номинальная частота вращения двигателя
[pic] - номинальное потокосцепление статора
[pic] - действующее значение тока короткого замыкания
[pic] - момент короткого замыкания двигателя.
[pic] - электромеханическая постоянная времени
[pic] - электромагнитная постоянная времени.
С учетом вышеприведенных обозначений из выражений (1.16) и (1.18)
получим линеаризованные уравнения динамической механической и
электромеханической характеристик приводного двигателя:
На основании этих уравнений составлена линеаризованная структурная
схема приводного двигателя для одномассовой системы.
Перейдем к рассмотрению блока преобразователей.
Тиристорный преобразователь может рассматриваться как нелинейное звено
с запаздыванием. Тиристор представляет собой неполностью управляемый ключ.
Если тиристор находится в рабочем режиме то воздействовать на него
практически невозможно до прекращения в нем тока. Управляющее воздействие
может быть оказано только лишь на следующий ключ который должен вступить в
действие по прошествии времени равного длительности функционирования
одного ключа которому соответствует угол [pic]. Таким образом неизбежно
запаздывание которое может измениться в пределах соответствующих углам 0-
[pic]. Чем меньше число фаз m тем запаздывание будет больше. При частоте
сети 50Гц и числе фаз равном трем запаздывание составляет 00066 с.
Фактически запаздывание будет зависеть от момента подачи управляющего
импульса. Несколько больше запаздывание может быть при переходе из
инверторного режима в двигательный.
Система импульсно-фазового управления вносит существенные фазовые
сдвиги величины угла управления [pic] относительно управляющего напряжения.
Эти сдвиги определяются инерционностью элементов входящих в состав СИФУ. С
учетом инерционности СИФУ передаточная функция тиристорного
преобразователя напряжения принимает вид:
КТП – переменный передаточный коэффициент зависящий от угла
регулирования и нагрузки преобразователя
Т =00066 – запаздывание
ТТП – постоянная времени СИФУ.
Частотный преобразователь в составе силового канала привода может
рассматриваться как безынерционное звено. Его передаточная функция имеет
вид: КЧП. КЧП – переменный передаточный коэффициент зависящий от задающего
По-другому дело обстоит с системой управления преобразователем
В качестве задающего генератора используются генераторы прямоугольных
колебаний. В функциональном отношении ЗГ может рассматриваться как
безынерционное звено с линейной характеристикой и передаточным
Возникая в каждый полупериод задающего генератора импульсы передаются
поочередно на выходные каналы 123456.В результате импульсы следуют в
каждом отдельном канале с частотой [pic]. Таким образом относительно
каждого выходного канала РИ оказывается делителем частоты с передаточным
коэффициентом КРИ = fРИ fЗГ = 1 3.
Полученные синхронизирующие импульсы усиливаются и расширяются с
помощью формирователя импульсов ФИ т. е. приобретают параметры
необходимые для надежного открывания
транзисторов инвертора. Функционально формирователь управляющих импульсов
представляет собой усилительное звено с передаточным коэффициентом
(коэффициентом усиления) КФИ.
В целом система управления инвертором представляет собой
безынерционное звено с результирующим передаточным коэффициентом
К = fn UУf = КЗГ КРИ КФИ = КЗГ КФИ 3
С учетом выведенной передаточной функции системы управления
инвертором передаточная функция преобразователя частоты примет вид:
Инерционность преобразователя частоты реально имеет место но
поскольку постоянная времени много меньше постоянной времени тиристорного
преобразователя то учет ее необходим лишь при рассмотрении
быстродействующих систем у которых частота среза довольно велика.
Расчет регуляторов тока и напряжения довольно затруднителен ввиду
того что при частотном управлении в режимах пуска торможения и длительном
режиме работы они должны иметь различную структуру. Поэтому расчет
регуляторов произведем исключительно для длительного режима работы.
Определим структуру датчика скорости. Для этого определим передаточную
функцию объекта компенсации контура скорости. Объект компенсации контура
скорости включает в себя: частотный преобразователь с его системой
управления электромагнитную часть двигателя механическую часть двигателя
и датчик скорости представленный тахогенератором:
КДС – передаточный коэффициент датчика скорости
ТДС - постоянная времени датчика скорости обусловленная
наличием фильтра и потенциальной развязки.
Настройку регулятора скорости произведем на модульный оптимум. Вид
желаемой передаточной функции контура скорости при этом:
[pic] - постоянная времени контура скорости подлежащая
компенсации;[pic] Передаточную функцию регулятора
скорости найдем из соотношения WЖКС WОККС.
Полученная структура регулятора соответствует пропорционально –
интегро - дифференциальному регулятору.
Передаточную функцию регулятора тока найдем аналогично.
Вид желаемой передаточной функции:
Поскольку для современных тиристорных преобразователей время
запаздывания СИФУ мала и составляет примерно 00066 с ее можно не
учитывать и принять равной 0. Тогда передаточная функция регулятора тока
будет приведена к виду:
Полученный регулятор имеет структуру пропорционально – интегрального.
Для нахождения передаточной функции регулятора напряжения свернем
контур тока и найдем его передаточную функцию при замкнутой обратной связи.
Примем ранее обоснованное допущение: [pic] тогда получаем выражение
для объекта компенсации контура напряжения:
В данном случае малой постоянной времени контура является постоянная
преобразователя ТТП.
Желаемая передаточная функция:
Передаточная функция регулятора напряжения:
Структурная схема привода представлена в графической части проекта.
1 Разработка и описание принципиальной электросхемы и
конструкции блока определенного техническим заданием
В соответствии с техническим заданием разработке в ходе выполнения
курсового проекта подлежат датчик состояния (проводимости) вентилей
силового преобразователя напряжения и задающее генераторное устройство для
преобразователя частоты.
Функциональной нагрузкой датчика проводимости вентилей является
определение в каждый момент времени наличия тока в вентильной группе.
Принцип действия датчика таков что он реагирует на состояние вентилей VS1
VS3 VS5 – проводящее или непроводящее. Если тиристоры VS1 VS3 VS5
заперты то мостовая вентильная группа не проводит ток а вентильные мосты
V1 V2 V3 напротив пропускают ток через диоды оптопар V4 V5 V6. Этот
ток обусловлен трехфазным напряжением питания вентильной группы силового
преобразователя и ограничен сопротивлением резисторов R1 R2 R3. Оптопары
пропускают ток от источника с напряжением +15В через резистор R4 при этом
напряжение на базе транзистора VT1 близко к нулю и транзисторы VT1 VT2
заперты. Выходное напряжение максимально и соответствует логической
единице. Если хотя бы один из тиристоров VS1 VS3 VS5 проводит ток то
соответствующая цепь состоящая из резистора и однофазного моста
оказывается замкнутой накоротко. Ток через диод оптопары обращается в нуль
и оптопара запирается в результате чего ток через резистор R4 не проходит.
На базе транзистора VT1 появляется большое положительное напряжение
переводящее VT1 в режим насыщения. Падение напряжения на резисторе R6
полностью открывает транзистор VT2 и выходное напряжение приобретает
минимальное значение близкое к нулю и соответствующее логическому нулю.
Схема электрическая принципиальная дискретного датчика проводимости
вентилей силового преобразователя приведена в графической части курсового
Произведем выбор элементной базы разрабатываемого датчика.
В качестве оптоключа выбираем оптопару АОУ 103А (ОСТ 11.336.919 – 81):
прямое напряжение входа UП.В = 50 (В)
максимальное обратное напряжение входа UО.В =200 (В)
номинальный входной ток включения IВ = 002 (А)
выходной ток IВЫХ = 0055 (А).
Расчет сопротивлений R1-R3 произведем исходя из соображений что ток
протекающий во входной цепи оптопары не должен превышать номинального тока
При этом мощность рассеяния резисторов R1 – R3 составляет:
Исходя из расчетов выбираем R1 – R3: ТВП-4-5-11кОМ[pic]2% В (ряд
Диодные мосты реализуем на базе выпрямительных диодов выбор которых может
быть осуществлен исходя из условий:
Выбираем диоды VD1 – VD12: КД 105Д (ТУ16 – 729.192 – 81):
Выбор величины сопротивления R4 осуществим исходя из соображений что
его назначением является ограничение тока протекающего через элементы
оптопары. Величина тока не должна превышать IВЫХ =0055 (А). Значение
сопротивления R4 найдем из соотношения:
Мощность рассеяния при этом составляет:
Исходя из расчетов выбираем R4: МЛТ-4-1-300Ом[pic]5% В (ряд Е24).
Выбираем транзисторы VT1VT2: КТ 502Б (аАО.336.183 ТУ):
UКОЛЛЕКТОР-ЭММИТЕР = 200 (В)
IКОЛЛЕКТОР = 300 (мА).
Величину сопротивления R5 найдем из соотношения:
Исходя из расчетов выбираем R5: ТВО-3-5-50Ом[pic]2% В (ряд Е24).
Величина сопротивления R6 может быть найдена исходя из соображений
что напряжение на выходе датчика проводимости вентилей должна
соответствовать уровню логической единицы – 45 (В).
Исходя из расчетов выбираем R6: С2-1-05Ом[pic]02% В (прецизионный ряд).
Рассмотрим теперь возможную реализацию задающего генераторного
устройства для преобразователя частоты на базе автономного инвертора
Генератор прямоугольных колебаний может быть реализован на базе
операционного усилителя с обратными связями. При этом положительная
обратная (ПОС) связь по своему действию должна быть опережающей по
отношению к отрицательной обратной связи (ООС) тогда цепь ПОС обеспечит
переход схемы из одного состояния в другое а ООС ограничит время
пребывания схемы в определенном состоянии.
Назначение задающего генераторного устройства требует чтобы схема
была построена по принципу преобразования задающего напряжения в частоту
прямоугольных колебаний. Схематическое решение задающего генераторного
устройства представлено в графической части проекта.
Принцип работы ЗГУ заключается в следующем:
Управляющее напряжение подается на вход схемы через резистивный
делитель напряжения R1R2. Сопротивления делителя подобраны таким образом
чтобы коэффициент усиления был равен единице. На выходе микросхемы DA1
формируется сигнал уровня определяемого уровнем напряжения задания.
Начинается заряд конденсатора C3 через резистор R4. На выходе микросхемы
DA2 формируется возрастающий сигнал. Нарастание уровня сигнала на выходе
DA2 будет происходить до уровня Uогр задаваемого в цепи ПОС. По достижении
сигналом на выходе DA2 уровня ограничения (+5В). По достижении сигналом на
выходе DA2 уровня ограничения цепь ПОС обеспечит снижение уровня сигнала
на выходе DA2. Конденсатор С3 начинает разряжаться. Необходимая крутизна
фронтов сгенерированных импульсов обеспечивается компаратором DA4.
В итоге на выходе схемы генерируются прямоугольные импульсы с
Рассчитаем и произведем выбор элементной базы ЗГУ.
Зададимся уровнями напряжения управления:
[pic](В)–максимальное значение управляющего напряжения
соответствующая частоте импульсов на выходе схемы 150 (Гц) обеспечивающей
вращение двигателя с номинальной скоростью.
[pic] (В) – минимальное значение управляющего напряжения
соответствующая частоте импульсов на выходе схемы 15 (Гц) обеспечивающей
вращение двигателя с минимальной скоростью соответствующей заданному
диапазону регулирования 10.
UОГР = 5 (В) – напряжение ограничения.
С учетом того что коэффициент усиления микросхемы DA1 должен быть
равен 1 возможно определить соотношение сопротивлений R2R3:
Для соотношения (2.1) можно записать:
Зададимся значением емкости С3: С3=[pic] (Ф) тогда:
Ввиду того что токи протекающие через сопротивления схемы малы и
составляют порядка миллиампер а так же с учетом того что рабочие
напряжения схемы малы выбор элементов схемы будем вести лишь по
номинальным параметрам.
Зададимся требуемой мощностью рассеяния резисторов 0125 (Вт).
Выбираем сопротивления: R2R3=R5R6 -
МЛТ-4-0125-1Ом[pic]002% В.
Выбираем конденсатор С3: КСА-2-10-65В-1мкФ[pic] 2%-В.
Схема реализована на базе операционного усилителя (микросхемы DA1
Компаратор DA4: К554СА2
2 Расчет и выбор элементов электропривода
Условия выбора магнитного пускателя КМ2:
UНОМ.—номинальное напряжение катушки аппарата;
UУ—номинальное напряжение цепи управления; UУ= 220 (В).
IНОМ.—номинальный ток контактов аппарата;
IНОМ НАГР.—номинальный ток нагрузки; IНОМ НАГР =3.6 (А).
UНОМКОНТ.—номинальное напряжение контактов аппарата;
UСЕТИ—линейное напряжение силовой сети (380 В).
Выбираем магнитный пускатель КМ2: ПМЛ 2210 ( ТУ 16-523.554-82).
Параметры магнитного пускателя ПМЛ 2210:
номинальный ток вспомогательной цепи: (10А);
номинальное напряжение по изоляции: 660 (В);
мощность включения катушки: 200 (ВА);
мощность удержания катушки: 20 (ВА);
механическая износостойкость: 16 млн. циклов при 3600 вклч:
коммутационная износостойкость: 1 млн. циклов при 1200 вклч
Выбор вводного автоматического выключателя QF1 осуществим исходя из
Выбираем автоматический выключатель АЕ2023 10054У2А (ТУ 16-
2.064-82) со следующими характеристиками:
Количество максимальных электромагнитных расцепителей – 3.
Износостойкость: количество циклов включения 100000; при токе
Выбор тиристоров выпрямителя осуществим исходя из условий:
[pic] - требуемая величина тока тиристора (А).
IdH = 36 (А) – номинальный ток нагрузки
КЗi = 25 – коэффициент запаса по току учитывающий
пусковой ток двигателя
КОХЛ = 25 – коэффициент учитывающий условия
[pic] - расчетное напряжение тиристора (В).
КЗU = 15 – коэффициент запаса по напряжению
учитывающий возможные перенапряжения на тиристоре.
UОБР.МАКС = [pic](В) – максимальное значение
напряжения прямого и обратного.
Выбираем тиристор со следующими параметрами:
наименование – Т112-10-7 (ГОСТ 14.069-72)
максимальный ток – 10 (А)
номинальное напряжение – 700 (В).
Выбор транзисторов частотного преобразователя осуществим исходя из условий:
[pic] - значение выпрямленного напряжения тиристорного
преобразователя при нулевом угле управления с учетом падений напряжений в
Выбираем транзистор со следующими параметрами:
наименование: КТ828Б (аАО.336.183 ТУ)
номинальное напряжение коллектор – эммитер 600 (В)
номинальный ток коллектора 5 (А).
Расчет величин сопротивления и емкости RC – цепей защиты тиристоров от
Выбор конденсаторов осуществляем по следующим параметрам:
Расчет емкости конденсатора производим по формуле:
IH—действующее значение тока через вентиль; IH=36 (А).
UН—действующее значение линейного напряжения; [pic](В).
Выбираем конденсаторы С1-С12 следующего типа: МБГП-05мкФ-1000В.
Резистор вместе с конденсатором служит для защиты тиристоров от
коммутационных пере напряжений.
Rн[pic]RРАСЧЕТНОЕ=120 Ом.
Расчетная мощность рассеяния сопротивления будет равна:
IR—ток который будет протекать через резистор при максимальном
напряжении приложенном к RC-цепочке.
Выбираем резисторы R1-R12: МЛТ-1-120 Ом [pic]5%.
Конденсаторы фильтра могут быть выбраны на основании практических
руководств сове- тающих на каждый киловатт мощности нагрузки
ставить100мкФ емкости.
Выбираем: С14 С15 – К50-19-10-600В-200мкФ[pic]5%-В.
Выбор резистора R13 осуществим исходя из следующих условий:
Поскольку время включения резистора R13 мало то выбор можно вести только
по номиналу сопротивления и по рабочему напряжению с учетом того что
мощность рассеяния резистора весьма велика. Выбираем резистор R13: ТВО-3-
00-100Ом[pic]5% В (ряд Е24).
Выбор магнитного пускателя КМ1 осуществим исходя из условий:
Еd0—линейное напряжение силовой сети (586 В).
Выбираем контактор КМ1: КТ 6014 ТУ 16-523.554-82.
Параметры контактора КТ 6014:
номинальный ток вспомогательной цепи: (12А);
В ходе выполнения данного курсового проекта последовательно были
пройдены все этапы проектирования защит и автоматического управления
электроприводом как электромеханической системой. Были рассмотрены варианты
применения изученных в теоретическом курсе элементов автоматизированного
электропривода в рамках решения поставленной технической задачи.
Итогом выполнения проекта стала работоспособная система обеспечивающая
выполнение всех требуемых технологией процессов.
Парфенович О. Н. Элементы автоматизированного электропривода.
указания к курсовому проектированию. Могилев ММИ1996 г.-10 с.
Единый стандарт конструкторской документации. Справочное пособие. Изд.
переработанное и дополненное. Мн. Издательство стандартов1990 г.-
Ковчин С. А. Сабинин Ю. А. Теория электропривода: Учебник для вузов.
Энергоатомиздат 2000-496 с.
Терехов В. М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для
вузов. - М.: Энергоатомиздат 1987 г.- 224 с.
Справочник по проектированию автоматизированного электропривода. Под
ред. Елесеева В. А. Шинянский В. Ф. М.: Высшая школа 1988 г.-406
Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чиженко.
Киев: Техника. 1978 г. – 400 с.
Яльвет Дж. Датчики в системах управления электроприводами: Пер. с
англ. Под ред. А. С. Яроменка. М.: Энергоатомиздат1998 г. – 360 с.

ЭАЭп 060записка.doc

Анализ и описание системы электропривод – рабочая машина 5
1 Количественная оценка вектора состояния или тахограммы требуемого
процесса движения . 5
2 Колличественная оценка моментов и сил сопротивления. 7
3 Составление расчетной схемы механической части электропривода. 10
4 Построение нагрузочной диаграммы и механической характеристики
Анализ и описание систем электропривод – сеть и электропривод - оператор
Выбор принципиальных решений. 14
1 Построение механической части электропривода. 17
2 Выбор типа электропривода 18
3 Выбор способа регулирования электропривода. 20
4 Оценка и сравнение выбора вариантов. 24
Расчет силового электропривода. 24
1 Расчет параметров и выбор электропривода. 25
2 Расчет параметров и выбор силового преобразователя. 25
Расчет статических и электромеханических характеристик двигателя и
Расчет переходных процессов в электроприводе за цикл работы. 29
Проверка правильности расчёта мощности и окончательный
Разработка схемы электрической принципиальной 34
1 Разработка схемы силовых цепей цепей управления и защиты. 35
2 Выбор элементов схемы. 3
Список использованных источников 45
Современные высокие требования к производительности раз личных
механизмов и качеству изготовляемых изделий могут быть обеспечены только
на основе автоматизации промышленных электроприводов. Успех автоматизации
зависит в значительной мере от технических средств ее реализации т.е. от
индивидуальных свойств всех отдельных устройств или элементов совокупность
которых образует промышленную электромеханическую систему –
автоматизированный электропривод. Элементная база практически
обеспечивающая автоматизацию и реализующая требуемые свойства системы
электропривода подлежит разработке в ходе выполнения данного курсового
Целью данного проекта является приобретение навыков математического
описания взаимосвязи входных и выходных величин элементов
автоматизированного электропривода
составления структурных и функциональных схем определения параметров
расчетных схем анализа свойств элементов как звеньев динамической системы
а так же анализа возможных технических решений задачи автоматизации
Анализ задания на курсовой проект показал что реализация всех
технических требований возможна при организации частотного управления
электроприводом. Основу данного привода составляет преобразователь частоты
с промежуточным звеном постоянного тока и двигатель переменного тока. При
этом реверс привода обеспечивается возможностью реверса тока в схеме
привода обеспечиваемой управляемым выпрямителем. Рекуперативное торможение
осуществляется путем плавного изменения частоты питающего приводной
двигатель напряжения. При этом происходит постепенное переключение
двигателя с одной механической характеристики на другую. Привод работает в
тормозном режиме с отдачей энергии в сеть пока его рабочая точка
перемещается по участкам механических характеристик расположенных во
втором квадранте. Изменяя плавно и автоматически частоту можно получить
тормозной режим привода с малоизменяющимся моментом торможения.
К несомненным преимуществам частотного управления приводом относится
тот факт что при плавном регулировании частоты тока в статоре машины
можно получить плавное изменение скорости привода в широких пределах. При
этом необходимо отметить что потери от токов высших гармоник при частотном
регулировании привода переменного тока оказываются значительно ниже чем в
современных регулируемых приводах постоянного тока или в приводах
переменного тока регулируемых каким-либо иным способом. Этот факт дает
высокую оценку частотно-регулируемым приводам переменного тока в плане
энергетики. Однако у такой системы есть и недостатки наиболее существенным
из которых является проявление статизма высокого порядка в силовой части
при разомкнутой архитектуре системы управления. Кроме того при снижении
скорости может возникнуть область статической неустойчивости что неминуемо
приведет к разрыву системы по силовому каналу. Учет данных недостатков при
проектировании систем данного типа обуславливает сложность ее построения
однако возможность рационального и эффективного использования
электроэнергии при эксплуатации частотно-регулируемых приводов вносит
экономическую целесообразность их внедрения при выполнении сложных
требующих точного регулирования производственных задач.
Область применения данного типа приводов в силу их универсальности
довольно широка. Организация эффективного регулирования возможна как при
постоянном моменте нагрузки так и в тех случаях когда момент нагрузки
является функцией скорости привода ( крановая вентеляторная вязкая и т.
д.). В любом случае частотное регулирование привода требует применения так
называемых законов оптимального управления.
Технические требования к электроприводу
Тип двигателя Асинхронный с к.з. ротором
Мощность двигателя 01кВт
Диапозон регулирования при статизме 100
Полоса пропускания частот Рассчитать
Торможение Без торможения
Наличие генераторного режима на Отсутствует
регулировочных характеристиках
Наличие регуляторов По необходимости
Нагрузочная характеристика M=const
Приведенный моментинерции JмехJp 4
Типы защиты электропривода Нулевая от перенапряжений
максимальная токовая
Виды блокировок Обрыв фазы
Тип блока (элемента) преобразователяСиловой блок
Тип элемента-датчика Давления в нагнетательных установках
Нагрузочная характеристика [pic]
Тип преобразователя Транзисторный
Условия энергосбережения В электродвигателе
Таблица 1 - Исходные данные
Обоснование и выбор типа приводного двигателя
В соответствии с техническим заданием привод должен быть асинхронным с
короткозамкнутым ротором. Задана так же и мощность двигателя – 01 кВт и
скорость - 750 обм. Необходимо учесть что скорость привода должна
регулироваться частотным преобразователем. В соответствии с заданием
наилучшем выбором будет привод немецкой фирмы Siemens так как
отечественные аналоги с подобными параметрами отсутствуют. Выбираем привод
следующей марки - 1LA7073-8AB.
Характеристики выбранного двигателя:
двигателя кВт % % кг*м2
Таблица 1 – Параметры электродвигателя
LA7 - трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым
– высота оси вращения: 71 мм.
– исполнение ротора двигателя: средний «L».
– колличество полюсов: 8.
А – конструкция: односкоростной.
В – класс ротора: 13.
Степень защиты – IP-55
Способ охлаждения – вентеляторное охлаждение.
Исполнение по способу монтажа – IM В3 это соответствует тому что
двигатель имеет лапы и фланец.
Необходимо рассчитать по техническому заданию обеспечиваемую выбранным
двигателем полосу пропускания.
При рассмотрении динамики привода переменного тока рассматриваются
только механические процессы без учета электромагнитных явлений.
Анализируя механические процессы тоже приходится идти на существенные
упрощения линеаризуя механическую характеристику на рабочем участке. В
этом случае передаточная функция асинхронного двигателя может быть
представлена апериодическим звеном первого порядка :
Wд(р) = Кд (1+ Тмр) (1.1)
Тэм = JΣ0Sk 2Mk – электромеханическая постоянная времени
Мк Sк – соответственно критические момент и скольжение
= 2fс =n030 – синхронная скорость двигателя
JΣ = Jдвигателя + Jмеханизма – суммарный момент инерции привода.
Кд = ΔfΔ – передаточный коэффициент двигателя при частотном
При этом предельная полоса пропускания обеспечиваемая выбранным
двигателем может быть определена из соотношения:
пр 0 – соответственно предельная и нулевая частота полосы
К – модуль АЧХ двигателя переменного тока.
Определим теперь модуль АЧХ:
В соответствии с (1.3) получаем:
При этом очевидно что [pic].
В соответствии с (1.2) получаем:
После упрощений получаем выражение по которому возможно определить
значение предельной частоты полосы пропускания двигателя:
И окончательно применяя методы решения биквадратных уравнений
получаем выражение для определения предельной частоты полосы пропускания
В выражении (1.5) учтено то что частота – величина физическая и не
может являться величиной отрицательной.
Подставим номинальные параметры двигателя 1LA7073-8AB
В полученные формулы:
Тэм = JΣ0Sk 2Mk =0.023
[pic] [pic]- синхронная частота вращения ротора двигателя [pic] (Гц)-
частота питающей сети
[pic]- число пар полюсов.
Из формы записи (1.6) видно что синхронная частота вращения двигателя
зависит от частоты питающей сети по линейному закону следовательно
возможен переход от малых приращений в которых ожидается линейность
зависимости [pic]=f([pic]) к работе в конечных точках функции:
Кд = ΔfΔ =[pic] (1.7)
Окончательно получаем:
Отсюда следует что максимальная частота пропускания равна 241 Гц.
Обоснование выбор и описание функциональной и
структурной схем электропривода
4 Разработка схемы электрической функциональной системы управления
В настоящее время всё более широкое применение находят
полупроводниковые аналоговые аналого-цифровые цифровые и
микропроцессорные системы управления вентильными преобразователями т.к.
они имеют ряд преимуществ перед электромагнитными системами: высокое
быстродействие надежность малая потребляемая мощность габариты.
В зависимости от того в одном или нескольких каналах вырабатываются
управляющие импульсы для каждого вентиля преобразователя системы
управления подразделяются на одно- и многоканальные а в зависимости от
принципа изменения фазы управляемого импульса - на горизонтальные
вертикальные дискретные и цифровые.
Кроме того системы управления могут быть подразделены на синхронные и
асинхронные. При синхронном способе импульсно-фазового управления отсчет
угла подачи импульса управления производится от определенной фазы
напряжения сети. При асинхронном способе отсчет импульса управления
производится от момента подачи предыдущего импульса.
Рассмотрим одноканальную синхронную аналого-цифровую систему
управления для трехфазного выпрямителя с раздельным управлением группами
В рассмотренной системе начало фазы регистрируется блоком
синхронизации БС и подаётся в виде команды "ПУСК" на цифровой ключ К. Ключ
К начинает пропускать импульсы с генератора эталонной частоты (ГЭЧ) на
счётчик импульсов СЧИ. Система сравнения выдаёт команду на закрытие ключа К
и на блок формирователя импульсов ФИ далее на выходной каскад ВК и на
фазосдвигающие устройства ФСУ1 и ФСУ2.На входе обоих выходных
формирователей ВФ1 и ВФ2 установлены логические элементы И связанные с
устройством раздельного управления УРУ. Если логический сигнал на выходе
УРУ R1=1то ВФ1 подаёт управляющие импульсы на вентили первого вентильного
комплекта создающего выходной ток преобразователя положительной
полярности. При выходном сигнале УРУ R2=1 вступает в работу ВФ2
управляющие импульсы поступают на вентили второго комплекта формирующего
отрицательную полярность выходного тока. Одновременное включение комплектов
исключается введением логического запрета R1*R2=0.
УРУ представляет собой логическое устройство на вход которого поступает
информация о полярности выходного тока преобразователя iвых. При реверсе
направления тока с положительного на отрицательное УРУ при достижении
нулевого значения тока устанавливает R1=0 и включение вентилей первого
комплекта запрещается. Через время выдержки достаточное для восстановления
вентилями первого комплекта запирающих свойств на выходе УРУ формируется
R2=1 и включаются вентили второго комплекта.
5 Расчет и выбор элементов силовой части преобразователя.
5.1 Расчет параметров и выбор трансформатора.
Силовой трансформатор служит для изменения переменного напряжения с
целью согласования напряжения сети с выходным напряжением преобразователя
а также для гальванической развязки сети и цепи нагрузки. Кроме того
трансформатор служит для ограничения тока короткого замыкания.
Исходными данными для расчета трансформатора служат номинальные
средние значения выпрямленного тока и напряжения определяемые по
паспортным данным электродвигателя.
Максимальное значение ЭДС преобразователя при угле управления a=0
[pic] - падение напряжения на активном сопротивлении силового
[pic] - коэффициент запаса по напряжению учитывающий возможные снижения
напряжения сети на 10%;
[pic] - действующее значение ЭДС фазы вторичной обмотки силового
[pic] - коэффициент непрямоугольности тока в обмотке силового
- коэффициент тока вторичной обмотки;
Коэффициент трансформации:
- действующее значение фазного тока первичной обмотки A;
Расчетное значение мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора
Расчетная мощность силового трансформатора ВА:
По полученному значению расчетной мощности выбираем трансформатор ТСП1-
307 - УХЛ4 у которого:
Уточняем коэффициент трансформации:
Номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора А:
Активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора Ом:
Полное сопротивление фазы трансформатора Ом:
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора Ом:
Индуктивность фазы вторичной обмотки трансформатора Гн:
5.2 Расчет параметров и выбор тиристоров.
Тиристоры выбирают по допустимым значениям тока и напряжения учитывая
Наиболее часто используется воздушное (естественное или принудительное) и
водяное охлаждение. Водяное охлаждение лучше воздушного но по конструкции
намного сложнее поэтому его применяют только в мощных приводах. Для
охлаждения используем воздушный способ с постановкой тиристора на типовой
семирёберный охладитель.
- коэффициент допустимой перегрузки по току силовой части;
[pic] - коэффициент учитывающий условия охлаждения (используется
естественное охлаждение Vохл=0);
[pic] - коэффициент учитывающий отклонение напряжения питающей сети от
По расчетным значениям тока и напряжения выбираем тиристор Т-122-10 у
которого Iоткрmax=10А Uобрmax=800B.
Выбранный тиристор проверяем на устойчивость при внешних коротких
5.3 Расчет и выбор сглаживающего дросселя.
Пульсация выпрямленного напряжения приводит к пульсация тока нагрузки
увеличивающим нагрев электродвигателя и ухудшают его коммутацию. Величина
пульсации тока зависит от схемы выпрямления угла управления и
индуктивности контура нагрузки. С целью уменьшения пульсации тока и
расширения зоны коммутации двигателя в цепь нагрузки включают сглаживающий
Выбор сглаживающего дросселя определяется критериями:
Величина индуктивности сглаживающего дросселя должна определять
допустимый уровень пульсаций тока нагрузки с учетом диапазона регулирования
выходной координаты преобразователя.
Величина индуктивности сглаживающего дросселя определяет зону
прерывистых токов нагрузки.
[pic] - температурный коэффициент учитывающий приведение сопротивления
обмоток электродвигателя к рабочей температуре;
Номинальная скорость вращения вала радс:
[pic] - минимальное значение ЭДС преобразователя при номинальном токе
[pic] - максимальный угол управления для заданного диапазона регулирования
выходного напряжения;
Относительная величина действующего значения первой гармоники выпрямленного
Максимальная выпрямленная ЭДС:
Рассчитываем индуктивность якоря:
[pic] - относительная величина действующего значения первой гармоники тока
Индуктивность всей цепи:
5.4 Расчет и выбор элементов защиты.
Выбор магнитного пускателя KM1.
Магнитные пускатели выбираются по следующим условиям:
- по номинальному току нагрузки IН.П.≥IН
- по номинальному напряжению катушки аппарата UН=UФ
- по номинальному напряжению контактов аппарата UН.КОНТ≥UЛ.
Номинальный ток нагрузки вычислен IН =8 A.
Из стандартного ряда выбирается номинальный ток магнитного пускателя
IН.П. = 10А. Напряжение питания в схеме управления UФ= 220В т.е. UН =
0В. Напряжение сети силовой части UЛ = 380В следовательно UН.КОНТ ≥
Был выбран магнитный пускатель ПМЛ-1000 (ТУ 16-89 ИГФР.644236.033ТУ)
ГОСТ 50460-92 со следующими параметрами:
Номинальный ток нагрузки 10 А
номинальное напряжение катушки 220 В
номинальное напряжение контактов 380 В
мощность включения катушки 7 ВА
количество вспомогательных контактов 1з
мощность включения РКМ1_ВКЛ. = 84ВА
мощность удержания РКМ1_УДЕРЖ. = 9.5ВА
Для выбора элементов защиты необходимо подсчитать токи в цепи
управления . Максимальный ток включения (максимально возможный ток в схеме)
будет протекать тогда когда сработает пускатель KM1. В такой ситуации ток
может быть вычислен по формуле:
Iмакс.вкл=Pкм1.вклUф=84220=038 A
Максимальный рабочий ток будет тогда когда работает пускатель KM1 .
Тогда ток можно вычислить по формуле:
Iраб.макс=Pкм1.удерж.Uф=95220=0.043 A
Выбор автоматического выключателя QF1.
Автоматические выключатели защиты двигателей с комбинированным
расцепителем особенно удобны для управления небольшими машинами когда
требуется простое и надежное оборудование. Широкий ряд дополнительных
блоков встраиваемые и настенные корпуса расширяют возможности применения
автоматических выключателей защиты двигателей и позволяют использовать их в
условиях высокой запыленности влажности и химической агрессивности внешней
среды. Для выбора автомата необходимо чтобы напряжение и ток контактов был
больше или равен напряжению и току сети.
Рассчитаем ток установки защиты автоматического выключателя.
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора А:
Установившееся значение тока короткого замыкания [1]:
Ток установки электромагнитного расцепителя:
Ток теплового расцепителя А [1]:
Выбираем автоматический выключатель АП-50 Б3МТ (ТУ16-522.148-80) со
следующими параметрами:
Номинальное напряжение автомата 380 B
Номинальный ток автомата 10 A
Номинальный ток максимального расцепителя 100A
Выбор предохранителя в цепи управления осуществляется по следующим
- IН ВСТ ≥ IРАБ. МАКС+0.1*IВКЛ.МАКС.
По формуле (2.5) из [4] номинальный ток плавкой вставки
IН ВСТ ≥ 0.043+ 0.1 * 038 = 0.081A
Был выбран предохранитель ПРС-6 (ТУ16-522.112-74) с параметрами:
номинальный ток основания 6А
номинальное напряжение 220В
с плавкой вставкой ПВД(Ш) (ТУ16-522.112-74) со следующими
номинальный ток плавкой вставки 1А;
предельная отключающая способность 100кА.
Выбор быстродействующих предохранителей:
В случаях приводимых к коротким замыканиям в линиях нагрузки возникают
большие токи. Выход из этой ситуации - специальный быстродействующий
предохранитель предназначенный для защиты ключевых элементов изделий на
основе полупроводниковых структур.
Предохранитель выбирается из следующих условий:
Исходя из этого выбираем быстродействующий предохранитель серии ПП61 с
номинальными параметрами:
Выбор кнопочных выключателей SB1 и SB2.
Кнопочные выключатели выбираются по соотношениям:
В нашем случае UН ≥ 220 В
а ток IН ≥ IВкл. Макс т.е. IН≥ 038 А.
Выбираем кнопочные выключатели серии КМЕ5101 У3 (для SB1 размыкающий
контакт) и КМЕ5110 У3 (для SB2 замыкающий контакт) с параметрами [11] (ТУ
- номинальный ток контактов 3 А
- номинальное напряжение контактов 220 В
- потребляемая мощность 2.5 Вт
- степень защиты IP00
- форма толкателя грибовидная
- коммутационная износостойкость 1 млн. циклов
- механическая износостойкость [pic] млн. циклов.
Защиту тиристоров то коммутационных перенапряжений осуществляется
включением параллельно вентилям индивидуальных R-C цепочек.
Определим величину емкости:
[pic] - расчетное обратное напряжение тиристора В.
Выбираем конденсатор МБГО-01 мкФ 1000В ±10%.
Принимаем сопротивление резистора R=50 Ом.
Рассчитаем ток проходящий через конденсатор:
Выбираем резистор МЛТ-0.5-50 Ом ±10% ГОСТ 7113-77.
Математическое моделирование силовой части преобразователя.
1 Разработка математического описания эквивалентной схемы замещения
силовой части преобразователя.
Данный в задании трехфазный реверсивный управляемый выпрямитель
можно представить в виде обобщенной схемы замещения(рис 2.1.1 :
Ea..Ec - фазы вторичных обмоток трансформатора
L1..L3 - индуктивности обмоток трансформатора
Rфтр1..Rфтр3 - активное сопротивление обмоток трансформаторов
VS1..VS6 - вентили включенные в отдельную фазу
(UВ1..(UВ6 - падение напряжения на вентилях в открытом состоянии
Ld=LЯ+(LЯЦ - индуктивность цепи нагрузки ДПТ
Rd=RЯ+(RЯЦ - активное сопротивление цепи нагрузки ДПТ
(UЩ - падение напряжения на щеточных контактах ДПТ
EЯ - противо-ЭДС якоря ДПТ
Схема замещения тиристора состоит из следующих частей:
) падение напряжения на тиристоре.
В целом при симметрии фаз обмоток трансформатора принимается условие:
2 Разработка математического описания силовой части преобразователя.
1.1 Работа преобразователя на активную нагрузку.
При активной нагрузке можно выделить два режима работы
) режим непрерывных токов когда 0ap6.
) режим прерывистых токов когда p6a5p6. (временные диаграммы для
этого режима представлены в приложении).
Выпрямленное напряжение и ток имеют одинаковую форму и трехкратные
пульсации за период. Изменяя угол управления можно регулировать среднее
значение выпрямленной ЭДС преобразователя.
Среднее значение выпрямленной ЭДС преобразователя:
) для режима непрерывных токов
где Edo - максимальное значение выпрямленной ЭДС преобразователя В
где Е2ф - действующее значение вторичной фазной ЭДС
) для режима прерывистых токов
1.2 Работа преобразователя на активно - индуктивную нагрузку с
При активно - индуктивной нагрузке преобразователь может работать
также в двух режимах. При этом зона прерывистых токов зависит как от
величины угла управления так и от соотношения активного Rd и индуктивного
Xd сопротивлений нагрузки.
Если выполняется соотношение XdRd>10 то ток в нагрузке можно
считать идеально сглаженным.
В зависимости от величины углов управления мы можем получить режим
прерывистого тока нагрузки (при больших углах управления) либо режим
непрерывного тока нагрузки.
При работе управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
выделяют два интервала работы:
) работа одного вентиля.
) работа двух вентилей (коммутация вентилей).
Схема замещения вентильного преобразователя для интервала работы одного
вентиля (представлена на
Описание работы выпрямителя в соответствии с дискретными состояниями схемы
)Режим непрерывных токов (0ap6).
В момент времени t1 подаётся управляющий импульс на тиристор VS1.Угол
отпирания равен 25 электрическим градусам. На интервале времени t1-t2 на
нагрузке формируется фазное напряжение Ua и протекает ток обусловленный
этим напряжением. На тиристоре VS1 на этом интервале времени напряжение
равно нулю или если быть точным то так как тиристор обладает некоторым
малым активным сопротивлением то напряжение на нём повторяет форму тока в
рассматриваемом контуре и ничтожно мало. В момент времени t3 подаётся
управляющий импульс на тиристор VS2который отпирает его. Ток вызванный
напряжением Ua продолжает спадать но тиристор VS2 тоже открыт и ток
обусловленный напряжением Ub нарастает в цепи нагрузки; таким образом
происходит коммутация тока с одного вентиля на другой. Напряжение на
нагрузке в момент коммутации равно полусумме фазных напряжений Ua и Ub (см.
схему замещения рис.2.1.1.2).Напряжение на тиристоре VS1 продолжает
оставаться равным нулю так как он открыт.В момент времени t3-t4 нагрузка
попадает под напряжение Ub а тиристор под линейное напряжение Uab. В
момент времени t4-t5 происходит коммутация тока с вентиля VS2 на вентиль
VS3.Нагрузка в этот момент попадает под полусумму фазных напряжений Ub и Uc
т.е. под (Ub+Uc)2. На тиристоре VS1 напряжение на этом интервале времени
равно Ua-(Ub+Uc)2. На следующем интервале времени t5-t6 работает тиристор
VS3 и нагрузка принимает на себя напряжение Uc а тиристор VS1 напряжение
Uac. Дальше период повторяется и процессы соответственно тоже.
)Режим прерывистых токов (p6a5p6).
отпирания равен 60 электрическим градусам. На интервале времени t1-t2
(см.схему замещения рис.2.1.1.1.) тиристор VS1 открыт к нагрузке
прикладывается напряжение Ua и протекает ток Ivs1.В момент времени когда
мгновенное значение напряжения Ua станет меньше чем противо-эдс
двигателя(он же и является нагрузкой) на нагрузке формируется постоянное
напряжение равное противо-эдс двигателя а ток в цепи прерывается(интервал
времени t2-t3).Естественно что напряжение на тиристоре VS1 равно нулю (на
интервале времени t1-t2 он открыт).На интервале времени t2-t3 на тиристоре
формируется напряжение Ua-Ed (схема рис.2.1.1.1.).В момент времени t3
подаётся управляющий импульс на тиристор VS2он отпирается если мгновенное
значение фазного напряжения Ub больше чем противо-эдс нагрузки(мы должны
это предусмотреть) и нагрузка попадает под напряжение Ub. В цепи протекает
ток Ivs2 до момента времени t4когда мгновенное значение фазного напряжения
Ub становится меньше чем противо-эдс нагрузки Еd. В этот момент времени ток
Ivs2 прерывается и на интервале времени t4-t5 напряжение на нагрузке снова
становится равным противо-эдс Ed. В промежуток времени t3-t4 на тиристор
VS1 падает линейное напряжение Uab а на интервале t4-t5-напряжение Ua-Ed.
В момент времени t5 подаётся управляющий импульс на тиристор VS3он
отпирается и в промежутке времени t5-t6 нагрузка находится под напряжением
Uc. В цепи протекает ток Ivs3а на тиристоре VS1 формируется линейное
напряжение Uac. В момент времени t6 ток в цепи нагрузки опять прерывается
так как мгновенное значение фазного напряжения Uс становится меньше чем
противо-эдс двигателя и на нагрузке формируется напряжение равное противо-
эдс двигателя(интервал времени t6-t7).Тиристор VS1 опять попадает под
напряжение Ua-Ed. Дальше период опять повторяется и процессы соответственно
Падением напряжения на вентиле в открытом состоянии пренебрегаем т.к.
В схеме введены следующие обозначения:
Eа - ЭДС вторичной обмотки трансформатора фазы А
L1 - индуктивность рассеяния обмотки трансформатора фазы А
Rфтр1 - активное сопротивление обмотки трансформатора фазы А
Eя - противо-ЭДС двигателя
Rd - активное сопротивление нагрузки
Ld - индуктивность нагрузки.
Этой схеме соответствует следующее дифференциальное уравнение:
Ea(Sin((t+() - Eя = ((L1+Ld)(didd(t + (Rd+R1)(id
Схема замещения вентильного преобразователя для интервала работы двух
вентилей (коммутация) (представлена на рис.2.1.1.2):
3 Разработка математической модели и расчёт переходных процессов.
С помощью ЭВМ смоделируем работу нереверсивного трехфазного
управляемого выпрямителя на активно-индуктивной нагрузке с противо-ЭДС.
Угол регулирования принимаем равным 34.51(. При этом угле
регулирования действующие значения напряжения и тока на нагрузке равны
номинальным параметрам ДПТ. Т.о номинальный угол управления составляет
Графики переходных процессов приведены в приложении.
Для контура содержащего цепь постоянного тока и фазу вентиль которой
включен справедливо следующее уравнение электрического равновесия:
Угол открытия тиристоров при котором действующие значения напряжений и
токов на нагрузке равны номинальным:
Полное сопротивление контура:
Постоянная времени контура:
Коэффициент отношения напряжений отнесенный к амплитуде фазного напряжения
вентильной обмотки трансформатора.
Конструктивная постоянная двигателя (ранее рассчитана):
Минимальный угол включения тиристора при данном а:
Максимальный угол включения тиристора при данном а:
Режим прерывистого тока нагрузки:
Решение вышеуказанного дифференциального уравнения выглядит следующим
образом т.е.пульс тока нагрузки вызванный проводимостью вентиля VS1 фазы
А вторичной обмотки трансформатора равен:
что соответствует открытию тиристора с углом в 60 градусов:
Режим непрерывного (глубоко пульсирующего тока):
что соответствует углу открытия тиристора в 50 градусов:
Так как ток считаем глубоко пульсирующим то коммутация тока вентилей
протекает почти мгновенно.
Для вентилей VS2 и VS3 решение аналогично за исключением сдвига фаз
напряжений Ub и Uc относительно фазы напряжения Ua на -120 и 120 градусов
На интервалах времени когда ток нагрузки равен нулю напряжение на всей
нагрузке равно противо-ЭДС двигателя.
Обратимся к программе MathCAD и решим вышеуказанное дифференциальное
уравнение с нулевыми начальными условиями:
- угол открытия тиристоров
-полное активное сопротивление контура
-полное индуктивное сопротивление контура
[pic] - частота сети
[pic] - напряжение вторичной обмотки трансформатора
[pic] - коэффициент отношения напряжений отнесенный к амплитуде фазного
напряжения вентильной обмотки трансформатора.
Расчёт регулировочной и внешней характеристик.
1 Расчёт регулировочной характеристики.
Расчёт будем проводить для номинальной нагрузки преобразователя.
Если учитывать активное сопротивление источника питания а также
падение напряжения на вентиле то регулировочная характеристика
определяется уравнением:
Найдём максимальный угол управления при Ud=0 по регулировочной
За счёт наличия потерь на элементах управляемого выпрямителя имеет место
зона нечувствительности к управляющему воздействию - это неизменность
напряжения на выходе преобразователя при изменении задающего воздействия
т.е. изменения угла управления преобразователем. В нашем случае она
составляет 2.505 градусов.
Найдём максимальное напряжение на выходе преобразователя при a=0:
Т.е получили запас по напряжению порядка 30 вольт.
1.1 Обеспечение формирования линейных регулировочных характеристик
управляемого выпрямителя
В современных управляемых вентильных преобразователях наибольшее
распространение получили полупроводниковые системы импульсно-фазового
управления (СИФУ) с вертикальным принципом управления.
Функциональная схема СИФУ с вертикальным принципом управления
представлена на рис.3.1.1. Генератор опорного напряжения (ГОН)
синхронизованный с напряжением сети формирует опорное напряжение Uo.
Последнее сравнивается с управляющим напряжением Uу на входе СИФУ. В момент
их равенства генератор импульсов (ГИ) формирует управляющий импульс Uи
подаваемый на управляющий электрод тиристора.
Рисунок 3.1.1 – Функциональная схема полупроводниковой СИФУ
свертикальным принципом управления
Вид регулировочных характеристик СИФУ α=f(Uу) и управляемого
преобразователя Ed=f(Uу) от формы опорного напряжения. Рассмотрим и
рассчитаем три вида опорного напряжения и посмотрим с каким опорным
напряжением характеристики будут более линейными.
Синусоидальное опорное напряжение определяется по формулам:
Пилообразное с линейной рабочей частью:
Треугольное опорное напряжение:
Рассчитаем данные регулировочные характеристики в среде Mathcad:
Возьмем амплитуду опорного напряжения Umo=2а Q=2*3 получим:
Из графиков видно что характеристика Ed более линейная поэтому для
обеспечения более линейной характеристики в качестве опорного напряжения
выбираем синусоидальное.
2 Расчёт внешних характеристик преобразователя.
Расчет внешней характеристики преобразователя в зоне непрерывных
токов нагрузки. Производим по формуле:
Расчет характеристики проводим для минимального и максимального углов
Минимальный угол управления принимаем равным 0°. Максимальный угол
Для максимального угла управления:
Минимальное значение напряжения по внешней характеристике:
Для минимального угла управления:
Результаты расчета сведем в таблицу:
Максимальное значение напряжения по внешней характеристике:
Выражение для расчета внешней характеристики граничного режима работы :
Полученное значение граничного тока подставляя в формулу получим значение
напряжения на нагрузке.
Границу условно принимаем линеаризованной для упрощения расчета.
В ходе расчета был получен реальный диапазон регулирования:
Dреальн - реальный диапазон регулирования:
где UЦП - падение напряжения цепей преобразователя:
Следовательно мы обеспечили необходимый диапазон регулирования это
удалось сделать из-за того что есть хороший запас по напряжению - порядка
Расчёт энергетических характеристик преобразователя
1 Расчёт КПД преобразователя.
КПД преобразователя характеризует отношение потребляемой из сети
активной мощности и мощности на стороне постоянного тока (3):
где Рd - мощность поступающая в нагрузку Вт.
Потери мощности в первичной обмотке трансформатора Вт:
Т.о. КПД преобразователя:
Делаем вывод что с уменьшением формирующегося напряжения уменьшается К.П.Д
преобразователя. Поэтому рекомендуется эксплуатировать данный
преобразователь с максимальным углом управления 76 градусов что
соответствует К.П.Д 60%.
2 Расчёт коэффициента мощности.
[pic] - потребляемая активная мощность(мощность первичной обмотки)Вт
-полная потребляемая мощность первичной обмоткиВт
Коэффициент мощности характеризует отношение потребляемой из сети активной
и полной мощности (3):
Можно также построить зависимость cosφ от отношения
Как видно из характеристики коэффициента мощности с увеличением
управляющего воздействия значительно уменьшается cosφа это очень плохо для
питающей сети и не соответствует нормам поэтому следует принять меры по
улучшению cosφ для нашего преобразователя. Наиболее лучшим и перспективным
на сегодняшний день является замена полууправляемых вентилей-тиристоров на
полностью управляемые транзисторы. С развитием полупроводниковой техники на
сегодняшний день а именно полевых транзисторов по JGBT-технологии на
средние и что главное на большие мощности это стало возможным.
В данном курсовом проекте был рассчитан и спроектирован реверсивный
трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом трансформатора.
Поочерёдно были проанализированы варианты технических решений силовой
части преобразователя проведено математическое моделирование переходных
процессов преобразователя рассчитаны и построены регулировочные внешние и
энергетические характеристики преобразователя.
Список использованных источников
Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и
систем управления технологическими процессами Под редакцией В.И.
Куповича Ю.Г. Барыбина М.Л. Самовера.- 3-е изд. перераб. и доп. Мю:
Энергоиздат 1982 г.-416с.
Преобразовательная техника. Руденко В. С. Сенько В. И. Чиженко И. М.
Киев Издательское объединение "Вища школа" 1978 г.- 424 с.
Промышленная электроника. Учебник для вузов.Под редакцией
В.А.Лабунцова.—М.:Энергоатомиздат1988.—320с.:ил.
Электронный справочник
Маевский О.А.Энергетические показатели вентильных преобразователей.-
М:Энергия1987.-320C.
Приложение А (обязательное)
Графики электромагнитных процессов в выпрямителе.
)Режим непрерывного тока нагрузки:
Напряжение на нагрузке
Напряжение на тиристоре
)Режим граничного тока нагрузки:
)Режим прерывистого тока нагрузки:
Приложение Б (информативное)
Математическая модель управляемого выпрямителя
[pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic]
Белорусско-Российский университет гр. AЭП 91

ЭАЭП 427 1.dwg

Схема функциональная электропривода
БДр - блок драйверовnБЗ - блок заданияnБКЧФ - блок кантроля правильности чередования фазnБЛУ - блок логического управленияnБП - блок питанияnБПЗ - блок позисторной защитыnБС - блок согласованияnБСг - блок сигнализацииnДН - датчик напряженияnДНТ - датчик нулевого токаnДПВ - датчик проводимости вентилейnДС - датчик скоростиnДТ - датчик токаnЗГУ - задающее генераторное устройствоnЛПУ - логическое переключающее устройствоnРИ - распределитель импульсовnРН - регулятор напряженияnРС - регулятор скоростиnРТ - регулятор токаnСИФУ - система импульсно-фазового управленияnФ - фильтрnФИ - формирователь импульсовn
Схема структурная электропривода
к выпрямительной группеnn
к инверторной группеnn
К выводам питания блоков
ЭАЭП 427.00.00.000 Д1
Электропривод. Схемы структурная и функциональная графики напряжений в n контрольных точках.n Документы прочие
Позисторы R16 - R18 размещать в статоре электродвигателя М1
Графики напряжений в контрольных точках
к выпрямительной nnгруппе
к инверторнойn nгруппе
Белорусско-Российскийnуниверситет гр. АЭП-091
ЭАЭП 060.00.00.000 Д1
Электропривод. Схемы nструктурная и функциональная графики напряжений в контрольных точках.n Документы прочие
БДр - блок драйверов
БКЧФ - блок кантроля правильности чередования фаз
БЛУ - блок логического управления
БПЗ - блок позисторной защиты
БС - блок согласования
БСг - блок сигнализации
ДН - датчик напряжения
ДНТ - датчик нулевого тока
ДПВ - датчик проводимости вентилей
ДС - датчик скорости
ЗГУ - задающее генераторное устройство
ЛПУ - логическое переключающее устройство
РИ - распределитель импульсов
РН - регулятор напряжения
РС - регулятор скорости
СИФУ - система импульсно-фазового управления
ФИ - формирователь импульсов
БРТ- блок рекуперативного торможения
KДН·KTП·KPT·(TДТ·p+1)