Разработка вентильного электропривода

Функциональная и структурная схема(моя).dwg

Белорусско-Российский университет гр. АЭП-071
Функциональная схема ЭП
структурная схема ЭП
Напряжение между контрольными точками
Схема электрическая принципиальная датчика контроля состояния вентилей
к блоку логики управления
Схема электрическая принципиальная системы ипульсно-фазового управления
Датчик тока Allegro Microsystem
Конденсатор K73-1-M75-1 мкФ±5%
Конденсатор K73-1-M75-0.27 мкФ±5%
Конденсатор K73-1-M75-0.15 мкФ±5%
кОм±5% ОЖО 467.120ТУ
5-20кОм±5% ОЖО 467.120ТУ
5-75Ом±5% ОЖО 467.120ТУ
5-130Ом±5% ОЖО 467.120ТУ
5-10кОм±5% ОЖО 467.120ТУ
5-360Ом±5% ОЖО 467.120ТУ
5-70Ом±5% ОЖО 467.120ТУ

Начало.doc

Технические требования к электроприводу4
Обоснование и выбор электродвигателя5
1 Выбор электродвигателя5
2 Расчет полосы пропускания спектра частот электродвигателя и преобразователя5
Обоснование выбор и описание функциональной и структурной схем электропривода10
1 Обоснование выбор и описание функциональной схемы электропривода10
2 Описание и построение структурной схемы электропривода13
Разработка и описание принципиальной электросхемы заданных элементов электропривода16
1 Разработка и описание принципиальной электросхемы датчика контроля состояния вентилей16
2 Разработка и описание принципиальной электросхемы системы импульсно-фазового управления16
Расчет и выбор элементов электропривода18
1 Расчет и выбор элементов датчика контроля состояния вентилей18
2 Расчет и выбор элементов системы импульсно-фазового управления18
Цель курсовой работы является разработка вентильного ЭП мощностью 5 кВт имеющего диапазон регулирования скорости D = 100 и нагрузочной характеристикой: Рс = const.
Вентильные двигатели (синхронные машины) занимают промежуточное положение между двигателями постоянного тока и переменного. В вентильных двигателях коммутация обмоток в отличие от механического коммутатора (коллектора) осуществляется по сигналам датчика положения ротора а возбуждение – располагаемыми на роторе постоянными магнитами.
На первом этапе выполнения курсовой работы необходимо разработать функциональную схему электропривода отражающую общее устройство и принципиальное содержание блоков ЭП в целом и отдельных его элементов.
На втором этапе необходимо разработать структурную схему системы регулирования поясняющую общее математическое представление и описание процессов преобразования и распределения электрической и механической энергии в системах ЭП.
На третьем этапе выполнения курсовой работы требуется разработать схемы электрические принципиальные отдельных блоков и элементов входящих в состав ЭП и выбрать элементную базу на которой они будут реализовываться.
В заключительной части работы следует произвести расчет и выбор всей элементной базы приведенной на принципиальных схемах ЭП.
Технические требования к электроприводу
Согласно заданию к курсовому проекту следует реализовать электропривод со следующими характеристиками:
Таблица 1 – Технические характеристики электропривода
Мощность на валу электродвигателя
Диапазон регулирования
Режим работы электродвигателя
Рассчитать с нагрузкой и без нагрузки
Динамическое управляемое
Наличие генераторного режима
Нагрузочная характеристика
Приведенный момент инерции
Тип защиты электродвигателя
Максимальная токовая
Неправильный порядок чередования фаз
Датчик контроля состояния вентилей
СИФУ или СИУ (аналоговые)
Реализация условий энергосбережения
В системе с преобразователем
Обоснование и выбор электродвигателя
1 Выбор электродвигателя
В соответствии с заданием по курсовому проектированию тип приводного электродвигателя – вентильный двигатель (ВД). Мощность на валу электродвигателя составляет Р2=5 кВт.
Помимо мощности основными критериями в выборе электродвигателя являются режим работы и характер нагрузки.
В соответствии с заданием по курсовому проектированию электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме S3 при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки (рабочие периоды tp) чередуются с периодами отключения машины (паузами t0) причем как рабочие периоды так и паузы не настолько длительны чтобы превышение температуры частей машины могли достигнуть установившихся значений.
По заданию двигатель должен обеспечить возможность регулирования скорости с постоянством мощности. Требуется обеспечить диапазон 1:100.Для обеспечения заданного диапазона регулирования необходимо применение 3-х ступенчатого редуктора со следующими передаточными числами ступеней: i1=2 i1=4 i3=5.
В соответствии с вышеизложенным выбираем вентильный двигатель 2ДВУ215S со следующими характеристиками:
- тип возбуждения постоянные магниты;
- класс нагревостойкости F;
- номинальная мощность 13 кВт;
- напряжение в звене постоянного тока 520 В;
- ток в звене постоянного тока 217 А;
- коэффициент полезного действия 087;
- номинальный момент инерции 00294 кг*м2.
Степень защиты IP55 подразумевает следующие виды защиты:
- проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено полностью. Однако пыль не может проникать в количестве достаточном для нарушения работы.
- защита от водяных струй: струя воды выбрасываемая на оболочку в любом направлении не должна оказывать вредного воздействия на электродвигатель.
Класс нагревостойкости F характеризуется температурой 155 С.
2 Расчет полосы пропускания спектра частот электродвигателя и преобразователя
Определим сопротивление обмоток электродвигателя:
Определим индуктивность обмоток электродвигателя по формуле Уманского-Линвилля:
Электромагнитная постоянная двигателя:
По структурной схеме вентильного двигателя определим передаточную функцию вентильного двигателя без нагрузки.
Подставим числовые данные получим:
Построим АЧХ полученной передаточной функции в среде Matlab 7.6.
Рисунок 2.1 – Амплитудно-частотная характеристика двигателя без нагрузки.
При определении полосы пропускания воспользуемся следующим выражением:
По виду АЧХ определим значение радс. Таким образом полоса пропускания электродвигателя без нагрузки составляет:
Рассчитаем полосу пропускания электродвигателя с нагрузкой.
Согласно заданию курсовой работы приведенный момент инерции механизма равен . Тогда суммарный момент инерции электропривода равен:
Передаточная функция двигателя под нагрузкой:
Рисунок 2.2 – Амплитудно-частотная характеристика двигателя с учетом нагрузки.
Рассчитаем полосу пропускания спектра частот преобразователя. Рассчитаем коэффициент передачи автономного инвертора:
где - максимальное значение ЭДС вентильного преобразователя при угле управления α=0;
- напряжение управления.
Рассчитаем постоянную времени автономного инвертора:
С учетом этого запишем передаточную функцию преобразователя:
Рисунок 2.3 – Амплитудно-частотная характеристика преобразователя.
По виду АЧХ определим значение радс. Таким образом полоса пропускания преобразователя составляет:
Обоснование выбор и описание функциональной и структурной схем электропривода
1 Обоснование выбор и описание функциональной схемы электропривода
В соответствии с заданием по курсовому проектированию проектируемый электропривод строится на базе вентильного двигателя. С учетом выбранного двигателя электропривод строится на базе вентильного двигателя с постоянными магнитами.
При составлении функциональной схемы электропривода в соответствии с техническими требованиями отметим характерные особенности проектируемого электропривода:
- тип преобразователя – тиристорный;
- пуск – управляемый;
- торможение – динамическое управляемое;
- типы защиты электропривода - нулевая тепловая токовая максимальная токовая от перенапряжений;
- вид блокировок – неправильный порядок чередования фаз;
- тип блока – система импульсного управления автономным инвертором (аналоговая);
- тип датчика – потока электродвигателя.
С учетом типа преобразователя будем использовать трехфазную мостовую схему управляемого выпрямителя (УВ) для питания автономного инвертора (АИ) напряжения.
Источником питания служит трехфазная сеть переменного тока с напряжением 380 В.
Автономный инвертор питается от источника постоянного тока следовательно необходимо обеспечить преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока мы применяем управляемый выпрямитель собранный по мостовой схеме элементной базой которого являются тиристоры.
Для управления управляемым выпрямителем используется система импульсно-фазового управления (СИФУ). Сигналы на СИФУ поступают с блока логики-управления ( БЛУ) и регулятора скорости (РС). Также на СИФУ поступает сигнал с блока динамического управляемого торможения (БУДТ) обеспечивающий уменьшение подводимого напряжения к автономному инвертору (АИ) при динамическом торможении.
Функциональная схема управляемого выпрямителя представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Функциональная схема управляемого выпрямителя.
Для питания обмотки статора электродвигателя будем применять автономный инвертор напряжения с параллельной двухступенчатой индивидуальной коммутацией. Такие инверторы по своим свойствам наиболее близки к инверторам на полностью управляемых вентилях.
Для обеспечения генераторного режима в автономном инверторе предусмотрены обратные диоды VD7 VD12.
Управление работой автономного инвертора осуществляется системой управляющих сигналов подаваемых на тиристоры схемы.
Система управления автономными инверторами состоит из трех функциональных устройств: формирователь импульсов (ФИ) распределитель импульсов (РИ) и драйверов (ДР) .
Рассматриваемая система управления позволяет осуществить следующее:
- включение силового тиристора сразу после окончания процесса коммутации;
- выключение проводящих силовых тиристоров при поступлении сигнала защиты преобразователя;
- переход в режим динамического торможения и обеспечение реверса при поступлении управляющих сигналов.
На формирователь импульсов (ФИ) автономного инвертора поступают сигпалы от датчика положения ротора (ДПР) и блока контроля состояния силовых вентилей. От блока формирователя импульсов (ФИ) сигнал поступает на блок распределитель импульсов (РИ). Также на блок распределитель импульсов(РИ) поступают сигналы от блока реверса (БР) и блока управляемого динамического торможения (БУДТ).
Тиристоры автономного инвертора получают импульсы от системы управления через выходные формирователи импульсов – драйверы. Помимо формирования отпирающих импульсов драйверы обеспечивают гальваническую развязку.
Функциональная схема автономного инвертора представлена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Функциональная схема автономного инвертора.
Для обеспечения ручного релейного включения и отключения силовой части от питающей сети будем применять автоматический выключатель QF1 с комбинированным расцепителем.
Для обеспечения дистанционного включения и отключения силовой части от питающей сети будем применять магнитный пускатель КМ1. Дистанционное релейное отключение необходимо для оперативного управления преобразователем при выполнении технологического процесса установки. Магнитный пускатель КМ1 также обеспечивает нулевую защиту.
Для обеспечения защиты от токов глухого короткого замыкания на стороне переменного тока устанавливаем быстродействующие предохранители FU2 на стороне постоянного тока вводятся быстродействующие предохранители FU5 FU6.
Для обеспечения защиты от перенапряжения тиристоров в управляемом выпрямителе применяем RC-цепочку включенную параллельно тиристору.
Для ограничения пульсаций выпрямленного напряжения используем емкостной фильтр C7.
Для обеспечения дистанционного управления преобразователем помимо магнитного пускателя будем использовать кнопки «Пуск» и «Стоп» а также для обеспечения защиты цепи управления используем предохранитель FU1.
Для обеспечения защиты от неправильного чередования используем блок контроля чередования фаз (БКЧФ).
Кроме вышеперечисленных элементов функциональная схема электропривода содержит следующие блоки:
- блок питания (БП) подающего управляющее напряжение на элементы системы управления электроприводом;
- блок логики-управления (БЛУ) вырабатывающий управляющие импульсы;
- блок задания (БЗ) выполняющий функции задания скорости;
- задатчик интенсивности (ЗИ);
- датчик скорости (ДС). Назначением датчика скорости является преобразование скорости вращения двигателя в пропорциональное ему напряжение;
- датчик тока (ДТ) предназначенный для контроля величины тока в цепи преобразователя;
- регулятор скорости (РС) регулятор тока (РТ) служат для преобразования управляющего сигнала;
- датчик контроля состояния вентилей (ДСВ) в автономном инверторе;
- блок контроля состояния вентилей (БКСВ);
- датчик положения ротора (ДПР).
2 Описание и построение структурной схемы электропривода
На структурной схеме изображают звенья САР (которым ставят в соответствие передаточные функции звеньев или операторы выполняемых ими нелинейных преобразований) связи и узлы (точки разветвления связей).
На вход структурной схемы подается сигнал задания скорости электропривода Uзс.
Сигнал задания скорости попадает на задатчик интенсивности. Структурная схема задатчика интенсивности показа на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Структурная схема задатчика интенсивности.
Темп изменения выходного сигнала задатчика определяется уровнем ограничения Q нелинейного элемента и постоянной времени Ти интегратора .
Сигнал с задатчика интенсивности поступает на сумматор где он суммируется с отрицательным сигал обратной связи по скорости. Далее сигнал попадает на регулятор скорости сигнал с которого суммируется с отрицательным сигналом обратной связи по мощности после чего попадая на регулятор мощности.
Передаточная функция автономного инвертора и управляемого выпрямителя представлена инерционным звеном 1-го порядка:
Рисунок 3.4 – Структурная схема силового преобразователя.
При математическом описании электрического двигателя примем следующие допущения:
- магнитодвижущие силы созданные фазными токами синусоидально распределены вдоль воздушного зазора;
- машина симметрична;
- насыщение и потери в стали отсутствуют;
- не учитываются емкости внутри обмоток и между ними;
- работа происходит на линейных участках характеристик;
- электромагнитный момент двигателя прямо пропорционален току статора.
При сделанных допущениях согласно вентильный двигатель можно представить инерционным звеном первого порядка:
Для упрощения структурной схемы примем что механическая часть привода представлена одномассовой расчетной схемой. Тогда уравнение движения двигателя для приведенной схемы имеет вид:
Записав уравнение в операторной форме можем составить структурную схему двигателя вместе с механической частю приведенную на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Структурная схема двигателя и механической части.
Разработка и описание принципиальной электросхемы заданных элементов электропривода
1 Разработка и описание принципиальной электросхемы датчика контроля состояния вентилей
Принцип работы датчика контроля состояния силовых вентилей состоит в том чтобы определить открыт силовой ключ в данный момент или нет. Сущность работы блока контроля состояний вентилей заключается в следующем: если открыт один вентиль в плече автономного инвертора то сигнал поступающий от данного блока на систему формирования импульсов автономного инвертора не влияет на работу автономного инвертора; если же одновременно открыты оба вентиля в одном плече автономного инвертора то сигнал поступающий с данного блока блокирует работу автономного ивертора.
Базовым элементом в датчике контроля состояния вентилей является датчик тока (RS) включенный после каждого солового вентиля. Датчик тока представляет собой микросхему компании Allegro Microsystem принцип работы которой основан на эффекте Холла. Датчик имеет малогабаритные параметры благодаря тому что были объединены на одном кристалле все составные элементы: проводника через который протекает измеряемый ток датчик Холла схемы усиления и коррекции измеренного сигнала. При отсутствии тока напряжение на выходе датчика равно половине напряжения питания. Если датчик показывает наличие тока в цепи то соответственно вентиль находящийся в данной цепи открыт если ток отсутствует то вентиль закрыт. Сигнал с датчика тока поступает на компаратор. После компаратора сигнал поступает на логический элемент 2И-НЕ. На логический элемент поступают сигналы о состянии двух вентилей находящихся в одном плече автономного инвертора.
Схема электрическая принципиальная разработанного датчика контроля состояния вентилей приведена на листе ЭАЭП 736.01.000 Э3. Расчет и выбор элементов схемы датчика приведен в пункте 5.1.
2 Разработка и описание принципиальной электросхемы системы импульсно-фазового управления
Описание принципа работы СИФУ покажем на примере одного канала (рис. 4.1) для управления одним тиристором управляемого инвертора.
Рисунок 4.1 – Принципиальная схема одного канала СИФУ.
На представленной схеме транзистор VT1 резистор R3 и конденсатор С1 представляют собой генератор пилообразного напряжения синхронизированный с сетью через трансформатор TV1. На компараторе DA1 осуществляется сравнение пилообразного напряжения и напряжения управления Uу в результате чего на выходе DA1 формируются прямоугольные импульсы фронт которых выделяется дифференцирующей цепочкой R8C2 и через выходной драйвер выполненный на базе транзистора VT2 поступает на управление соответствующего тиристора управляемого выпрямителя.
Опишем принцип работы выходного драйвера СИФУ. При подаче управляющего сигнала с дифференцирующей цепочки открывается коллекторно–эмитерный переход транзистора VT2 в результате чего по контуру [Uп-TV2-VT2-0] пройдет ток вызывающий управляющий сигнал на вторичной обмотке импульсного трансформатора. Кроме того трансформатор преобразует пачку импульсных сигналов в один сигнал шириной 60 градусов. Для фильтрации этого сигнала устанавливаем конденсатор. Для создания контура разряда тока устанавливаем параллельно вторичной обмотке трансформатора диод VD2. Установим диод VD1 для обеспечения одностороннего контура протекания энергии в цепи управления.
Схема электрическая принципиальная системы импульсно-фазового управления приведена на листе ЭАЭП 736.02.000 Э3. Расчет и выбор элементов схемы датчика приведен в пункте 5.2.
Расчет и выбор элементов электропривода
1 Расчет и выбор элементов датчика контроля состояния вентилей
Выберем датчик тока ACS754SCB компании Allegro Microsystem со следующими характеристиками:
- диапазон измеряемых токов -200 200 А;
- однополярное питание 5 В;
- потребляемый ток 8 мА;
- выходное сопротивление 1 Ом при выходном токе 12 мА;
- сопротивление первичного проводника 01 мОм;
- исключительно стабильное выходное напряжение смещения;
- максимальное напряжение питания 16 В;
-совокупная ошибка на выходе во всем диапазоне ±1% ;
- полоса пропускания 35 кГц;
- рабочая температура -20 85ºС;
- максимально допустимое напряжение 3 кВ.
Выбираем микросхему К1401СА1 содержащую 4 компаратора.
Выбираем микросхему К561ЛА9 содержащую три логических элемента 2И-НЕ.
Выбираем микросхему К176ЛЕ10 содержащую три логических элемента 3ИЛИ-НЕ.
2 Расчет и выбор элементов системы импульсно-фазового управления
Для расчета и выбора элементов СИФУ сначала необходимо сделать предварительный выбор силового тиристора.
Условие выбора тиристоров:
где Umax=520 В Iт.ср=217 А.
Исходя из вышеизложенного выбираем тиристор Т131-40 ТУ-729.377-79 со следующими параметрами:
- ток включения не более 02 А;
- время включения 63-100 мкс;
- время обратного восстановления 8 мкс;
- повторяющееся импульсное напряжение 100-1200 В;
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение 720 В;
- максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 40 А;
- максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии 628 А;
Установим резистор (R10) в контур Uп-R10-VT2-0 с целью ограничения тока. Принимаем падение напряжения на трансформаторе равным 0.5 В и падения напряжения на эммитерно - коллекторном переходе в открытом состоянии равным 0.5 В. Считая что ток необходимый для открытия тиристора Iвкл=02 А. Рассчитаем необходимое сопротивление ограничивающего резистора.
Подставив значения получим:
Выбираем импульсный транзистор ВС807 со следующими параметрами:
Максимально допустимый ток в к-э переходе: 0.5 А
Максимально допустимое рабочее напряжение: 45 В
Частота коммутации мкс
Макс. напр. к-э (Uкэо макс.В) 45
Предельная частота (fгр.МГц) 100
Максимальная рассеиваемая мощность Вт0.31
Определим потери мощности транзистора:
ΔPнас- потери мощности насыщения:
ΔPотс- потери мощности отсечки:
ΔPпер- потери мощности переключения:
Тогда максимальные потери мощности транзистора исходя из :
Т.к. выбор транзистора произведен верно.
Определим параметры конденсатора – фильтра:
Uc - расчетное значение на обкладках конденсатора.
Сc- расчетное значение емкости конденсатора.
Kn- коэффициент пульсаций. Примем Kn=0.95.
- частота пульсаций. Определяется из выражения:
Рассчитаем величину С3:
Тогда выбираем конденсатор К73-1-М75-0.15 мкФ ±5%.
Для унификации выберем диод BAT54S SOT23 со следующими параметрами:
- максимальное постоянное обратное напряжение 30 В;
- максимальный прямой ток 05 А;
- максимальное время обратного восстановления 0005 мкс;
- максимально допустимый прямой импульсный ток 06А;
- максимальный обратный ток 25 мкА;
В качестве компаратора DA1 выберем компаратор К521СА1 со следующими параметрами:
- коэффициент усиления 750;
- напряжение смещения нуля 75 мВ;
- входной ток 75 мА;
- величина предельного дифференциального напряжения 5 В;
- величина предельного синфазного напряжения 4 В;
- напряжения питания +12 В -6 В.
Рассчитаем дифференцирующую цепочку R8-C2 стоящую на выходе компаратора DA1.
где - напряжение на выходе компаратора - падение напряжения на диоде - ток необходимый для открытия транзистора.
Таким образом выбираем резистор МЛТ-0125-360 Ом±5%.
Рассчитаем емкость конденсатора С2:
где - время включения силового тиристора.
Выбираем конденсатор К73-1-М75-0.27 мкФ +5%.
В качестве резистора R9 выберем резистор МЛТ-0125-20 кОм±5%.
Установим резистор (R3) в контур +Uп-R3-VT1-0 с целью ограничения тока. Принимаем падения напряжения на эммитерно - коллекторном переходе в открытом состоянии равным 0.5 В. Рассчитаем необходимое сопротивление ограничивающего резистора.
Таким образом выбираем резистор МЛТ-0125-75 Ом±5%.
Рассчитаем входной резистор (R5) компаратора DA1:
где - входной ток компаратора.
Выбираем резистор МЛТ-0125-130 Ом±5%.
В качестве конденсатора С1 выбираем конденсатор К73-1-М75-1 мкФ±5%.
В качестве согласующего трансформатора TV1 выберем трансформатор ТПК-1 со следующими параметрами:
- напряжение на первичной обмотке 220 В50 Гц;
- напряжение на вторичной обмотке 12В;
- номинальный ток обмотки 0125 А;
- максимальная выходная мощность 9 Вт;
- тип магнитопровода ШI-10б×12 55;
- габаритные размеры мм 27×32×25;
- производитель Транслед.
Рассчитаем резистор R1:
Выбираем резистор МЛТ-0125-24 кОм±5%.
В качестве резистора R2 выбираем резистор МЛТ-0125-20 кОм±5%.
В ходе курсовой работы была разработана система управления электроприводом на основе вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов.
Данная система управления построена по классической схеме управления электроприводом переменного тока с применением неуправляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. Управление скоростью двигателя осуществляется изменением частоты питающего напряжения.
Также в ходе курсовой были разработаны схемы электрические принципиальные системы импульсно-фазового управления и датчика контроля состояния силовых вентилей был произведен расчет и выбор элементов схем.
Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» Могилев
Теория электропривода: Учебник для вузов. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение 2000.-496 с.: ил.
Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов.-М.: Энергоатомиздат 1987.-224 с.: ил.
Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е исправленное. М.: Энергия 1977. - 431 с.
Кислицин А.Л. Синхронные машины: Учебное пособие по курсу«Электромеханика». – Ульяновск: УлГТУ 200. – 108с.
Титов М.П. Частотно-регулируемый синхронный электродвигатель. Братск: БрИИИ. 1988. – 144 с.
Резисторы конденсаторы трансформаторы дроссели коммутационные устройства РЭА: Справ. Н.Н. Акимов Е.П. Ващуков В.А. Прохоренко Ю.П. Ходоренок – Мн.: Беларусь 1944. – 591 с.: ил.
Микроконтроллеры AVR С.М. Рюмик 2005 г.