Разработка электроприводов прессовых машин

-коэффициент формы тока для заданной схемы выпрямления и соответствующего этой схеме угла проводимости

-коэффициент, учитывающий условия охлаждения тиристоров

-коэффициент формы тока для классификационной схемы выпрямления.

Среднее значение тока , протекающего через тиристор, определяется из выражения:

 (5.18)

Тиристоры обладают небольшой перегрузочной способностью по току, в связи, с этим при работе силовой схемы на якорь электродвигателя среднее значение тока тиристора следует определять с учетом возможных перегрузок по току, возникающих при пуске электродвигателя:

Поэтому максимальное значение тока нагрузки  следует определять из условия:

 (5.19)

где –коэффициент кратности пускового тока электродвигателя ().

 (5.20)

Выбор тиристора по току производится на основании вычисленного предельного значения тока  с учетом условия:

 (5.21)

При выборе тиристоров по напряжению необходимо исходить из напряжения (ЭДС) холостого хода преобразователя с учетом возможного повышения напряжения питающей сети (обычно на 10-15%).

В паспортных данных на тиристоры указывается повторяющееся напряжение, определяемое как максимально допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к тиристору. Расчетное значение повторяющегося напряжения  для трехфазной мостовой схемы выпрямителя определяется из выражения [8]:

 (5.22)

где –коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (см. табл.);

-коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное перенапряжение на тиристорах ();

-коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения сети переменного тока на 5-10% ();

-коэффициент, учитывающий неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале ();

-коэффициент, учитывающий падение напряжения на элементах управляемого выпрямителя (;

-значение фазного напряжения сети

Таблица 5.2. Значения коэффициентов для трехфазной мостовой схемы выпрямления.

По расчетному значению повторяющегося напряжения  находят паспортное значение повторяющегося напряжения . При этом должно выполняться условие:

 (5.23)

Выбираем тиристор по [9] Т171-320 (). Основные характеристики тиристора:

-ток в открытом состоянии (средний) постоянный ();

-ток в закрытом состоянии постоянный (;

-напряжение управления постоянное (

-напряжение на тиристоре в открытом состоянии (

-длительно допустимое повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии (

-время включения (

Тип рекомендуемого охладителя: 0181-110

5.2 Расчет сглаживающего дросселя

Индуктивность сглаживающего реактора, включаемого последовательно с обмоткой якоря ДПТ НВ, выбирается из условий:

1. Обеспечение непрерывности тока якоря в определенном диапазоне

нагрузок и частот вращения двигателя;

2. Ограничение амплитуды переменной составляющей тока якоря электродвигателя.

Отметим, что уровень пульсаций должен составлять от 2 до 15 % от номинального тока якоря.

Индуктивность сглаживающего дросселя определим по формуле [7]:

 (5.24)

где – относительная величина эффективного значения пульсаций первой гармоники выпрямленного напряжения;

-относительная величина эффективного значения пульсаций первой гармоники выпрямленного тока;

-индуктивность цепи якоря двигателя;

-угловая частота первой гармоники выпрямленного напряжения

где m-число фаз преобразователя

Индуктивность цепи якоря электродвигателя:

 (5.25)

где –для компенсированных машин постоянного тока;

2р=4 – число полюсов электродвигателя;

-номинальная частота вращения вала электродвигателя.

 (5.26)

Величина может быть найдена из графика:

Предельный угол регулирования,

,

где –скорость вращения электродвигателя, соответствующего нижнему пределу его регулирования;

-сопротивления якорной цепи

-конструктивный коэффициент электродвигателя

Тогда

По графику зависимости определяем , тогда

Величина пульсации  диктуется условиями проектирования стандартных двигателей и не должна превышать 2…5%

По полученным данным  выбираем сглаживающий дроссель типа СРОМ 1000/10У1 с параметрами:

Постоянный ток

Масса

5.3 Регулировочная характеристика преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена с учетом выбранных элементов и их параметров по уравнению:

 (5.28)

 (5.29)

Подставляя в уравнение значения угла а от 0 до 90°, получим таблицу значений для построения регулировочной характеристики:

Таблица 5.3 Значение функции

Полученная характеристика приведена на рисунке 5.6.

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя от угла регулирования  при неизменном моменте на валу (равном номинальному) определена из уравнения:

 (5.30)

где –суммарное активное сопротивление якорной цепи системы ТП – Д:

 (5.31)

где –сопротивление сглаживающего дросселя

-динамическое сопротивление тиристора

тогда  (5.32)

 (5.33)

Таблица 5.4 Значения функции

Регулировочная характеристика преобразователя при номинальной нагрузке электродвигателя приведена на рисунке 5.6.

Начальный угол управления определяется из следующего выражения:

 (5.34)

где –среднее значение выпрямленного тока, равное номинальному току электродвигателя;

-номинальное напряжение электродвигателя, тогда

 (5.35)

Также из этой характеристики можно графически определить напряжение задатчика скорости, в данном случае

6 ОПИСАНИЕ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Структурная схема разомкнутого электропривода

Структурная схема разомкнутого электропривода, выполненного по принципу тиристорный преобразователь - ДПТ НВ с регулированием частоты вращения путем изменения напряжения на якоре состоит из двух основных частей - тиристорного преобразователя и ДПТ НВ с нагрузкой. Структурная схема разомкнутого электропривода приведена на рисунке 6.1.

В общем случае тиристорный преобразователь состоит из двух звеньев:

1. Система импульсно-фазного управления (СИФУ) с входным устройством.

2. Силовая схема.

В инженерных расчетах передаточную функцию тиристорного преобразователя в режиме непрерывного тока с достаточной для практических расчетов точностью, можно представить в виде:

 (6.1)

где – р - оператор дифференцирования;

-коэффициент усиления тиристорного преобразователя на линейном участке регулировочной характеристики;

-постоянная времени тиристорного преобразователя.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя на линейном участке его регулировочной характеристики определяем по формуле:

 (6.2)

где –напряжение регулирования, необходимое для изменения угла регулирования на 90 градусов.

Напряжение регулирования  обычно составляет от 5 до 10В [9].

Рассчитаем постоянную времени трехфазного мостового управляемого выпрямителя:

где  –постоянная времени, равная половине периода пульсаций выпрямленного напряжения;

-постоянная времени фильтра на входе СИФУ

 (6.3)

m=6 – количество пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного.

Структурная схема ДГТТ НВ при изменении напряжения на якоре и постоянном потоке возбуждения строится в соответствии с системой уравнений:

 (6.4)

где –электромагнитная постоянная времени якорной цепи;

е–ЭДС двигателя;

М–электромагнитный момент двигателя;

- динамический момент двигателя;

J- момент инерции двигателя с механизмом, приведенный к валу двигателя.

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи для мостовой схемы преобразователя определяется по формуле:

 (6.5)

Индуктивность якорной цепи определяем по формуле:

 (6.6)

-индуктивность якорной обмотки двигателя

-индуктивность сглаживающего дросселя

Определяем активное сопротивление якорной цепи:

 (6.7)

-активное сопротивление обмотки якоря двигателя

-динамическое сопротивление тиристора

Электромеханическую постоянную времени  электропривода определяем по формуле:

 (6.8)

Между постоянными времени электропривода выполняется соотношение:

 (6.9)

6.2 Статизм в разомкнутой системе регулирования

Оценкой стабильности рабочей скорости электропривода при различных нагрузках является статизм механической характеристики двигателя. Количественной оценкой статизма может служить номинальный перепад скорости ,соответствующий изменению момента двигателя от М=0 до М=

Анализ электромеханических свойств ДПТ НБ целесообразно начать с рассмотрения статических режимов работы. Уравнение статической механической характеристики двигателя имеет следующий вид:

 (6.10)

Рассчитаем скорость холостого хода:

, (6.12)

где -рассчитанное напряжение на якоре

Номинальный электромагнитный момент:

 (6.13)

При построении статистических характеристик необходимо определить значения напряжения на якоре  и  соответственно при работе двигателя на верхней  и  нижней частотах вращения:

Рассчитаем скорость холостого хода:

Теперь подставляя рассчитанные значения напряжения на якоре получим:

По полученным данным характеристику разомкнутой системы:

Статическая ошибка разомкнутой системы на верхнем пределе регулирования определяется по формуле:

 (6.15)

Статическая ошибка разомкнутой системы на нижнем пределе регулирования равна:

 (6.16)

Таким образом, проведенный расчет статической ошибки разомкнутой системы показывает, что статическая ошибка на нижнем пределе регулирования (26%) значительно превышает допустимую (), поэтому необходимо синтезировать и исследовать замкнутую систему электропривода.

7. СИНТЕЗ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭКСТРУДЕРА

На базе операционного усилителя DА1 реализован регулятор скорости (РС) с соответствующими цепями коррекции, а на базе операционного усилителя DА2 - регулятор тока (РТ),

Задающий сигнал поступает на вход РС через резистор R2 и устанавливается с помощью потенциометра RP1.

Выходной сигнал РС является задающим для РТ. Выходной сигнал РТ поступает на систему импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем (СИФУ).

Датчиком скорости (ДС) является тахогенератор BR1 с возбуждением от постоянных магнитов, жестко закрепленных на валу двигателя, а датчиком тока (ДТ) - шунт RS1 в цепи якоря. Для согласования уровней напряжения шунта и напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя DА2, в канал обратной связи по току включен усилитель напряжения (УН) [10].

Анализ механических характеристик разомкнутой системы ТП - ДПТ, показал, что разомкнутая система не обеспечивает требуемую жесткость в заданном диапазоне, а кроме того не предусматривает ограничение тока якоря. В связи с этим необходимо синтезировать замкнутую систему электропривода.

7.1 Подчиненное регулирование координат электропривода

Структурная схема электропривода постоянного тока, с подчиненным регулированием координат, содержащая два разомкнутых контура: внутренний -контур регулирования тока и внешний - контур регулирования скорости, показана на рисунке 7.2. Контур регулирования тока подчинен контуру регулирования скорости [11].

На этой схеме отдельные блоки электропривода представлены типовыми динамическими звеньями. Задачей синтеза является определение передаточных функций регулятора тока и скорости и расчет корректирующих элементов.

В настоящее время в электроприводе при создании замкнутых систем автоматизированного электропривода широкое; применение нашел принцип последовательной коррекции или так называемого подчиненного регулирования.

Объект регулирования представляется в виде последовательно соединенных звеньев, выходными параметрами которого являются существенные координаты объекта, например ток, напряжение, ЭДС, магнитный поток, момент, скорость, положение.

Для управления каждой из координат организуется отдельный регулятор, образующий с объектом контур, замкнутый соответствующей обратной связью. Регуляторы соединяются последовательно, так что выход одного является входом другого.

Структурная схема системы с подчиненным регулированием параметров показана на рисунке 7.3.

Выходные параметры  отдельных звеньев объекта управления(ОУ1, ОУ2, ОУЗ) подаются на датчики обратных связей (ДОС1, ДОС2, ДОС3), откуда сигналы обратной связи  подаются на регуляторы (PI, P2,I P3).

Поэтому регулирование каждой координаты подчинено регулированию предыдущей. Система с подчиненным регулированием позволяет настраивать каждый контур отдельно, начиная с внутреннего, и делать это независимо от настройки внешнего контура. В таких системах достаточно просто осуществляется ограничение значений параметров путем ограничения выходного параметра предыдущего контура.

Управляющим воздействием является сигнал задания U 3 . К отдельным блокам объекта управления (или каждому из них) может быть приложено возмущающее воздействие, а сам объект управления может иметь более сложную структуру, чем показано на рисунке 7.3.

Преимущества подчиненного регулирования заключаются в упрощении решения задачи регулирования координат, облегчении наладки, сокращении сроков пуска объектов, в широких возможностях унификации узлов управления различными объектами.

Недостаток подчиненного регулирования - некоторый проигрыш по быстродействию, связанный с последовательным воздействием на систему через внутренние контуры, а не сразу на входное звено объекта управления. Указанный недостаток для применения в электроприводе не является принципиальным, а перечисленные выше преимущества имеют решающее значение. Поэтому подчиненное регулирование координат нашло широкое применение в электроприводе.

Обычно объект управления описывается математически и разбивается на звенья с известными передаточными функциями. В большинстве случаев известна передаточная функция замкнутой системы и желаемая передаточная функция разомкнутой системы управления, которая выбирается, исходя из требований к динамике объекта управления.

Принцип подчиненного регулирования значительно облегчает поиск передаточных функций регуляторов и реализацию желаемого управления. Оптимизацию системы с последовательной коррекцией начинают с внутреннего контура, последовательно переходя к внешним. При переходе к внешнему контуру передаточную функцию подчиненного контура упрощают, аппроксимируя контур звеном первого порядка. Ошибка аппроксимации при этом несущественна. Новую некомпенсируемую постоянную времени выбирают с учетом быстродействия внутреннего контура и датчика обратной связи. Аналогичным образом поступают при переходе к следующему контуру.

В системах электропривода есть звенья как с большими, так и с малыми постоянными времени. Компенсация всех постоянных времени нереальна и просто нецелесообразна, поскольку система в таком случае стала бы не защищенной от помех, поэтому компенсируют только большие и средние постоянные времени, такие как электромагнитная постоянная времени якорной цепи  и электромеханическая постоянная времени  привода. Малые постоянные времени (тиристорного преобразователя, фильтров на выходах усилителей, датчиков обратных связей и т.п.) оставляют некомпенсированными.

Передаточные функции регуляторов выбирают с таким расчетом, чтобы получить достаточно быстро протекающий переходной процесс с малым перерегулированием - оптимальный переходной процесс. Эту процедуру называют оптимизацией системы.

При выборе желаемой передаточной функции замкнутого контура за некомпенсируемую малую постоянную времени  принимают малую постоянную времени объекта управления.

Для выбора желаемой передаточной функции был предложен так

называемый технический оптимум (оптимум по модулю), соответствующий

передаточной функции колебательного звена:

 (7.1)

Передаточная функция (7.1) замкнутого контура, настроенного на технический оптимум, соответствует передаточной функции колебательного звена с коэффициентом демпфирования равным

Колебательное звено (7.1) образуется замыканием входа и выхода звена с передаточной функцией:

 (7.2)

Выражение (7.2) представляет собой передаточную функцию разомкнутого контура, настроенного на технический оптимум.

Асимптотическая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) разомкнутого контура при настройке на оптимум по модулю приведена на рисунке 7.4, а на рисунке 7.5 - переходная функция замкнутого контура, которая описывается уравнением:

 (7.3)

Из рисунка 7.5 видно, что выходной сигнал звена с передаточной функцией (7.1) при единичном входном сигнале будет отрабатываться со следующими показателями качества переходного процесса: перерегулирование - 4,3%, врем; нарастания регулируемой величины до установившегося значения равно 4,71, время регулирования равно 8,4. За время регулирования принимают момент вхождения регулируемой величины в область значений, отличающихся от установившегося не более чем на 2%.

Оптимизация по модулю обычно используется для внутренних контуров регулирования тока.

Колебательное звено с передаточной функцией (7.1) не обеспечивает астатизма системы. Поэтому в случаях, когда требуется точное воспроизведение в статике при наличии посторонних возмущений, например в системах стабилизации скорости, применяется дополнительный интегральный регулятор (И - регулятор).

С целью повышения порядка астатизма контура (и всей системы) применяется настройка на симметричный оптимум. Передаточная функция разомкнутого контура в этом случае имеет вид:

 (7.4)

Тогда передаточная функция замкнутого контура, настроенного на симметричный оптимум:

 (7.5)

Асимптотическая (ЛАЧХ) разомкнутой системы при настройке на симметричный оптимум приведена на рисунке 7.6, а на рисунке 7.7 - переходная функция замкнутого контура, которая описывается уравнением:

 (7.6)

Как видно из рисунка 7.6, изломы ЛАЧХ расположены симметрично относительно частоты среза откуда и произошло название симметричный оптимум.

Из рисунка 7.7 видно, что выходной сигнал звена с передаточной функцией (7.4) при единичном входном сигнале будет отрабатываться со следующими показателями качества переходного процесса: перерегулирование - 43,4%, время нарастания регулируемой величины до установившегося значения равно 3,1, время регулирования - 16,5.

Настройка на симметричный оптимум обычно используется для контуров регулирования скорости.

Следует отметить, что системы, настроенные на симметричный оптимум, не имеют статической ошибки, однако большое значение перерегулирования требует принятия дополнительных мер по формированию задающего сигнала.

Синтез системы с подчиненным регулированием координат проводим при следующих допущениях:

а) тиристорный преобразователь совместно с системой управления рассматриваем как непрерывное инерционное звено, с передаточной функцией:

 (7.7)

б) наличие зоны прерывистых токов при синтезе не учитывается;

в) влиянием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя пренебрегаем, поскольку скорость ее изменения значительно меньше скорости изменения тока якоря.

7.2 Оптимизация контура регулирования тока

В качестве датчика тока в этой системе ЭП используется шунт RS1 падение напряжения на котором пропорционально току якоря  В результате сигнал обратной связи по току.

 (7.8)

где –коэффициент передачи обратной связи по току.

Рассмотрим работу контура регулирования тока с обратной связью по току, показанной на рисунке 7.1

Сигнал обратной связи  сравнивается с выходным сигналом РС (задающим сигналом скорости)  и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки регулирования тока)  подается на вход РТ, который усиливает этот сигнал и подает его на СИФУ.

Запишем выражение для сигнала рассогласования:

 (7.9)

В цепи обратной связи операционного усилителя DА2 установлены резистор R4 и конденсатор С2, что позволяет реализовать пропорционально-

интегральный регулятор тока якоря. Выходной сигнал регулятора тока

можно представить в виде суммы двух составляющих:

 (7.10)

где –коэффициент передачи регулятора тока;

-постоянная времени регулятора тока.

Синтез системы управления проводим на основании структурной схемы (рисунок 7.2).

Контур тока состоит из объекта регулирования - цепи якоря двигателя, силового преобразователя и регулятора тока. Контур замыкается обратной связью по величине напряжения, снимаемого с датчика тока, включенного в цепь якоря [11].

Коэффициент преобразования цепи обратной связи по току равен  Усложнение структурной схемы контура тока связано с появлением внутренней обратной связи по ЭДС.

Во многих случаях внутренней связью пренебрегают и рассматривают упрощенную структуру контура тока.

Рассмотрим параметры контура регулирования тока и оценим точность регулирования:

-суммарное сопротивление якорной цепи: Ом;

-постоянную времени преобразователя: .

Суммарная постоянная времени  приближенно учитывает запаздывание преобразователя и малые инерционности системы управления, поэтому ее можно принять в качестве меры для оценки суммарной постоянной некомпенсированных инерционных элементов контура тока, положив:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6