Министерство Образования Российской Федерации

Тольяттинский Государственный Университет

Н.А.Калинина, М.Н. Третьякова

Тиристорный электропривод с подчиненным управлением

Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию

для студентов электротехнических и электромеханических специальностей вузов

Тольятти 2004

УДК 62-83 (075.8)

ББК 31.291

К17

Калинина Н.А., Третьякова М.Н. Тиристорный электропривод с подчиненным управлением. Учебн.пособие.- Тольятти ТГУ, 2004.

В разделах 1,2,3 рассмотрены вопросы проектирования и расчета автоматизированных электроприводов, в установившихся режимах, начиная с выбора мощности двигателя и кончая обеспечением требуемой точности регулирования в заданном диапазоне за счет введения в систему различных типов обратных связей, в том числе отсечки по току. Даны рекомендации по выбору элементов электропривода.

В разделе 4 рассматриваются динамические режимы работы автоматизированных электроприводов и вопросы обеспечения их устойчивости с помощью контурных регуляторов при подчиненном регулировании параметров.

Пособие предназначено для целевой подготовки студентов специальностей 18.01, 10.04, 20.05, 18.08.02.

Ил. 32. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: Производство технологического оборудования Волжского автомобильного завода (главный конструктор В.В. Шленов);

д.т.н. профессор О.А. Шлегель

Научный редактор д.п.н. проф. Н.П. Бахарев

Утверждено научно  методическим советом ТГУ

© Тольяттинский государственный

университет, 2004 г.

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование электропривода ведется на основании технического задания, в котором отражены все особенности производственного процесса: характер изменения статического момента, необходимые пределы регулирования скорости, плавность и точность регулирования; требуемый набор механических характеристик, условия пуска и торможения, характер переходных процессов и т.д.

При проектировании нерегулируемого привода необходимо использовать двигатели переменного тока. Для установок малой и средней мощности  асинхронные короткозамкнутые, а для установок большой мощности  синхронные двигатели. Двигатели переменного тока проще конструктивно и более надежны, чем двигатели постоянного тока.

Значительно сложнее решить задачу о выборе типа регулируемого привода. В этом случае следует очень подробно и глубоко проанализировать техническое задание и произвести технико-экономическое сопоставление возможных вариантов.

В основном выбор типа привода зависит от требований, предъявляемых к качеству регулирования скорости и к качеству переходных процессов. Для глубокого регулирования скорости и хорошей управляемости могут использоваться только приводы с индивидуальными преобразователями. Это, в основном, приводы постоянного тока. Из приводов переменного тока с ними могут конкурировать по своим свойствам и характеристикам только приводы с частотным или частотно-токовым управлением, которые находят всё большее распространение в промышленности, несмотря на высокую сложность.

Из используемых в промышленности приводов постоянного тока преобладают приводы с тиристорными преобразователями, которые выпускаются серийно на широкий диапазон мощностей. В большинстве случаев эти приводы снабжаются системой управления, построенной по принципу подчиненного регулирования.

Проектирование автоматизированного электропривода, представляющего собой совокупность различных элементов, связанных между собой в единую замкнутую систему, является достаточно сложной задачей с неоднозначным решением. В связи с этим детальная программа проектирования автоматизированного электропривода не может иметь универсального характера. Ниже приведен лишь общий порядок проектирования при условии, что тип привода уже выбран. Порядок расчета автоматизированного электропривода:

I. Выбор мощности двигателя по нагрузочной диаграмме и тахограмме рабочего механизма.

2. Выбор и расчет силового преобразователя на основании данных выбранного двигателя.

3. Статический расчет автоматизированного электропривода. Выбор структурной схемы привода, выбор элементов схемы и расчет их параметров согласно требуемой точности, требуемому диапазону регулирования скорости.

4. Динамический расчет автоматизированного электропривода. Выявление соответствия качественных показателей переходного процесса требуемым и выбор корректирующих устройств.

5. Математическое моделирование спроектированного электропривода, позволяющее убедиться в правильности произведенного расчета электропривода и исследовать влияние параметров и нелинейностей электропривода на его качественные показатели.

I. ВЫБОР МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРУЗОЧНЫМ ДИАГРАММАМ

Выбор двигателя - ответственный этап проектирования электропривода. Одно из требований к двигателю - надежность его работы при минимуме капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Это требование может быть удовлетворено только при выборе двигателя соответствующей мощности. Применение двигателя завышенной мощности приводит к повышению капитальных затрат, снижению КПД, а для асинхронных двигателей - к ухудшению коэффициента мощности. Применение двигателей заниженной мощности может привести к снижению производительности рабочей машины, возникновению аварий и сокращению гарантированного срока службы двигателя из-за повышенного его нагрева.

При выборе мощности двигателя основными исходными данными являются требуемые моменты, которые должны быть приложены к валу механизма, требуемые скорости и ускорения рабочего органа меха­низма. Эти требования должны быть известны из технического зада­ния. Задача выбора мощности двигателя осложняется тем, что в об­щем случае момент, развиваемый двигателем, не равен моменту статической нагрузки, а их разность - динамический момент - зависит от суммарного момента инерции привода, в который входит и момент инерции двигателя. Поэтому, когда динамические режимы играют за­метную роль, задача решается в два этапа:

предварительно выбирается двигатель;

двигатель проверяется по перегрузочной способности и по наг­реву.

В частном случае, когда динамические режимы отсутствуют, выбор двигателя производится непосредственно по требуемым статическому моменту и скорости.

Рассмотрим выбор мощности двигателя для общего случая.

Исходные данные для выбора двигателя обычно представляются в виде нагрузочных диаграмм моментов рабочего механизма M_РМ(t), тахограмм его скорости ω_РМ(t) и момента инерции механизма J_M..Моменты статической нагрузки и момент инерции, приведенные к валу двигателя, определяются выражениями:

Предположим, что нагрузочная диаграмма приведенных моментов и тахограмма механиз­ма известны и имеют вид, изображенный на рис. 1.1 (верхние два графика).

Для предварительного выбора двигателя по известной нагрузоч­ной диаграмме находят средний момент статической нагрузки:

; (1.1)

где М_сi  момент статической нагрузки на i-ом интервале;

t_i  продолжительность i-го интервала;

n  число интервалов.

Номинальный момент искомого двигателя:

, (1.2)

где = 1,1…1,3 коэффициент, учитывающий динамические режимы работы привода.

В качестве номинальной скорости берут , если регулиро­вание однозонное вниз от основной скорости, или, если ре­гулирование однозонное вверх от основной скорости. По найденный величинамМ_Н и ω_Н выбирают двигатель по каталогу и опреде­ляй его момент инерции (прил.1).

где GD² – маховый момент двигателя.

М_С

М_С2

М_С1

М_С3

t

t₁ t₂ t₃ t₀

t_Ц

0 t

t_n t_торм

M

M₁

М_С2

М_С1

М_С3

0 t

-М₂

-М₃

Рис.1.1.Нагрузочные диаграммы приведенных статических моментов и тахограммы рабочего механизма и нагрузочная диаграмма моментов двигателя.

После того, как двигатель предварительно выбран, переходят к построению нагрузочной диаграммы двигателя, т.е. зависимости М(t). Это построение сводится к решению уравнения движения привода:

,

где  суммарный момент инерции двигателя и приведенного к валу двигателя момента инерции механизма.

На рис.1.1 внизу показана нагрузочная диаграмма моментов двигателя, построенная в предположении, что при изменении скорости момент двигателя является величиной постоянной и отсутствует электрическая инерционность двигателя.

Нагрузочная диаграмма двигателя служит основой для проверки предварительно выбранного двигателя по перегрузочной способности и по нагреву.

Проверка по перегрузочной способности сводится к проверке выполнения условия

Мтах Мдоп(1.3) где Мтах  максимальный момент из нагрузочной диаграммы двигателя;

Мдоп  допустимый по перегрузке момент двигателя.

Для двигателя постоянного тока нормального исполнения

Мдоп =(2…2,5) Мн; (в скобках указан коэффициент допустимой механической перегрузки для асинхронного двигателя с учетом возможного снижения нап­ряжения питания на 10%

Мдоп = 0,8 Мкр;

для синхронного двигателя нормального исполнения

Мдоп =(2…2,5) Мн.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели дополнительно проверяются по пусковому моменту. Для нормального пуска должно выполняться условие

Мс max < M_П ,

где Мс max  максимальный момент статической нагрузки, при котором должен выполняться пуск привода;

Мкр  критический момент асинхронного двигателя;

М_П  пусковой момент двигателя;

Мн  номинальный момент двигателя.

Проверка по нагреву, сводящаяся к оценке фактической температуры изоляции обмоток двигателя и сравнению ее с допустимой, также выполняется с использованием нагрузочных диаграмм двигателя.

В этом случае целесообразно воспользоваться методами эквивалёнтных величин [I] и, в частности, методом эквивалентного момента, если магнитный поток двигателя постоянен в течение всего цикла работы.

Эквивалентный момент для ступенчатой нагрузочной диаграммы вычисляется по формуле

. (1.4)

Величина эквивалентного момента сопоставляется с номинальным моментом, и если

М_ЭКВ ≤ М_Н, двигатель удовлетворяет требовани­ям допустимого нагрева.

Если выбранный двигатель удовлетворяет условиям перегрузочной способности и допустимого нагрева, то на этом его выбор заканчива­ется. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет указанным усло­виям, то выбирается другой двигатель (как правило большей мощности) и проверка повторяется.