Министерство Образования

Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра ЭАПУ

Выпускная квалификационная работа бакалавра

ТИРИСТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПЕРЕДВИЖНОГО СТОЛА ПРОДОЛЬНО-СТРОГАННОГО СТАНКА С МАССОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ 18 ТОНН

План – график работ с указанием стадий и этапов:

Содержание:

1.Введение………………………………………………………………………… 5

2.Исходные данные……………………………………………………………….. 6

3.Расчет и выбор номинальных мощностей электродвигателя………………. 8

4.Расчет передаточного числа редуктора, выбор типа редуктора……………11

5. Расчет силовой части вентильного ЭП для ЯЦ двигателя ……………….. 15

5.1Расчет силового трансформатора………………………………………..15

5.2 Проверка и выбор тиристоров……………………………………….….16

5.3 Выбор катодного дросселя………………………………………….…. 17

5.4 Расчет параметров силовой цепи электропривода…………………… 18

6.Расчет и выбор элементов цепи возбуждения двигателя………………… 20

6.1 Выбор силового трансформатора тиристорного преобразователя… 20

6.2 Проверка и выбор тиристоров……………………………………….. 20

6.3Расчет параметров цепи возбуждения электропривода……………… 21

7. Выбор комплектного УВП…………………………………………………… 23

8. Математическая модель ДПТ с НВ………………………………………. 31

8.1 Математическая модель ДПТ с НВ………………………………….. 31

8.2 Статические характеристики ДПТ с НВ…………………………….. 32

9. Синтез двухзонной замкнутой системы регулирования частоты

вращения ДПТ с НВ…………………………………………………………… 34

10. Синтез контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя……………. 35

10.1. Расчет контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя…….. 35

10.2.Синтез контура регулирования скорости (КРС) …………………… 36

10.3. Синтез контура регулирования магнитного потока……………… 37

10.4. Синтез вычислителя и регулятора ЭДС…………………………… 39

11. Статические и динамические характеристики системы ТП-Д…………. 41

11.1 Статические характеристики системы ТП-Д……………………… 41

11.2 Динамические характеристики системы ТП-Д……………………. 43

12. Вывод……………………………………………………………………….. 49

13.Заключение…………………………………………………………………. 50

14. Литература…………………………………………………………………. 51

Внимание!
Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3326, цена оригинала 500 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word

Введение.

Продольно-строгательный металлорежущий станок является одним из основных видов технологического оборудования для различной обработки деталей. Он представляет собой промышленную установку, обеспечивающую перемещение обрабатываемой детали, относительно металлорежущего инструмента, для придания этому изделию требуемой формы.

Производительность, точность и качество обработки детали на металлорежущем станке зависят от возможностей автоматизированного электропривода. Все это требует разработки быстродействующих и высокоточных (как в статических, так и в динамических режимах) электроприводов.

В данной работе предусматривается разработка электропривода передвижения стола продольно-строгального станка по системе ВП-двигатель.

Регулирования частоты вращения ДПТ с НВ осуществляется двумя способами:

1. Первая зона регулирования. Для управления ДПТНВ в диапазоне абсолютных скоростей от нуля до естественной электромеханической характеристики, соответствующей U_я=±U_н , в однозонных и двухзонных СУЭП применяется так называемое регулирование с постоянством момента, которое достигается путем изменения напряжения якорной цепи в интервале (0…±U_н) при постоянстве магнитного потока двигателя и его равенстве номинальному значению (Ф=Ф_н).

2. Вторая зона регулирования. Для управления скоростью ДПТНВ выше естественной характеристики (по модулю) в двухзонных СУЭП применяется регулирование с постоянством мощности, которое достигается путем ослабления (снижения) магнитного потока (Ф<Ф_н). при номинальном напряжении на якоре (U_я=±U_н).

Исходные данные.

Характеристика объекта, для которого разрабатывается ЭМС.

Необходимые сведения о технологическом оборудовании.

Разрабатываемая ЭМС должна обеспечивать режимы пуска, торможения, реверса и двухзонное регулирование скорости от нуля до номинального режима работы, уменьшением напряжения на якоре, и дальнейшее увеличение скорости ослаблением магнитного потока двигателя. Для питания двигателя применяется преобразователь по системе «генератор-двигатель» с асинхронным гонным двигателем. Кинематическая схема ЭМС представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Цикл работы электропривода передвижения стола продольно-строгательного стана характеризуется следующими операциями:

разгон стола при прямом ходе до скорости vmin;

движение стола вхолостую на скорости vmin;

движение стола при резании на скорости vmin;

разгон стола до рабочей скорости при прямом ходе vмех;

установившееся движение на рабочей скорости при прямом ходе vмех;

торможение до скорости vmin;

установившееся движение при резании на скорости vmin; установившееся движение вхолостую на скорости vmin; реверсирование стола на обратный ход до максимальной

скорости vmax;

установившееся движение при обратном ходе на максимальной

скорости vmax;

реверс стола на прямой ход до скорости vmin.

Длина обрабатываемой детали Lд=8,2 м

Масса стола mс=13×103 кг

Масса детали mд=18×103 кг

Максимальное усилие резания Fp=145 кН

Диаметр зубчатого колеса Dк=0,3 м

Данные о входных и выходных характеристиках технологического процесса.

Режим работы – длительный.

Продолжительность включения ПВ=100%

Скорость прямого хода Vmex=0,35м/с

Максимальная корость обратного хода Vmax=0,6 м/с

Ускорение при прямом ходе a1=0,8 м/с2

Ускорение при обратном ходе a2=0,9 м/с2

Скорость входа и выхода из металла Vmin=6,5×10-2 м/с

Путь резания на Vmin Lpmin=1,5×10-2 м/с

Путь холостого хода на Vmin Lomin=5×10-2 м/с

КПД механизма =0,95

Перечень используемых источников энергии их характеристики.

Промышленная трехфазная сеть переменного тока

Напряжение питающей сети Uсети=380 В

Частота питающей сети fсети=50 Гц

Сведения об условиях эксплуатации технологического и электрического оборудования.

Станок предназначен для эксплуатации в закрытом помещении с естественной вентиляцией. Температура окружающей среды меняется от +10 до +25ºС.

Скорость движения механизма:

;

;

.

3. Расчет и выбор номинальных мощностей электродвигателя.

Рассчитаем интервалы времени:

1. Разгон от 0 до Vmin.

2. Движение на холостом ходу со скоростью Vmin.

3. Время движения при резании на скорости Vmin

4. Время разгона стола до рабочей скорости прямого хода

5. Время резания со скоростью Vмех

6. Торможение со скорости Vмех до скорости Vmin.

7. Время выхода резца из металла со скоростью Vmin

8. Время пробега на холостом ходу со скоростью Vmin.

9. Торможение от скорости Vmin до 0.

10. Прямой ход детали

11. Время разгона стола при обратном ходе с 0 до Vmax

12. Время установившегося движения стола при обратном ходе на Vmax

13. Время торможения стола от Vmax до 0

14. обратный ход детали

Произведем расчёт усилий, развиваемых механизмом на каждом участке.

Сила трения стола о направляющие:

Где μ=0.06 -коэффициент трения, mc=13000 кг -масса стола,

mд=18000 кг -масса детали

Суммарная сила, противодействующая ходу стола при резании.

, где Fрез=145•10³ Н -сила резания

Рассчитаем нагрузочную диаграмму механизма без учета динамических нагрузок.

Тахограмма и нагрузочная диаграмма представлены на рисунке 2

С помощью нагрузочной диаграммы найдем эквивалентную мощность двигателя:

Расчётная мощность двигателя.

V

Vмех

а1 а1

Vmin Vmin

0 t

а2 а2

Vmax

M

tp1 ty1 ty2 tp2 ty3 tт1 ty4 ty5 tт2 tp3 ty6 tт3

M1

0

M1 M1 t

M2

Рис. 2. Тахограмма и нагрузочная диаграмма механизма без учета динамических нагрузок

4. Система «двигатель -редуктор».

Выбираем двигатели серии 2П. Двигатели выбираются по мощности из условия:

По [1] выбираем приводной двигатель: 2ПН280МУХЛ4 (эквивалентный двигатель П-102)

Таблица 1

Pн, кВт Uн, В Iн, А nн об/мин Nmax об/мин КПД,

% Мн, Н*м

Мmax, Н*м Rя, Ом

75 220 385 1000 2250 88,5 716,33 1,86 1334,74 0,016

Rдп, Ом Rв, Ом m, кг рп Iвн, А Wв Jдв Jсум ,А

0,0083 22,8 830 2 6,5 850 2,2 2,75 904

Сопротивления обмоток даны при температуре 20 оС.

Для двигателя из табл. 1 рассчитываем передаточное число и из [2] выбираем редуктор

Характеристики системы «двигатель -редуктор» приведены в таблице 2.

Таблица 2

Тип двигателя ,

Н•м²

Тип редуктора

,

Н•м² , кг•м²

2ПН280МУХЛ4 2,2 43,86 Ц2-250 41,34 2,75 4699,74

Диапазон регулирования.

Минимальная скорость вращения двигателя:

Номинальная скорость вращения двигателя:

.

Диапазон регулирования:

.

Допустимая относительная погрешность регулирования скорости .

Нагрузочная диаграмма механизма.

Тахограмма двигателя имеет тот же вид, что и тахограмма механизма, и рассчитывается по следующим формулам:

Найдём моменты на отрезках движения:

1. Разгон от 0 до Vmin.

2. Движение на холостом ходу со скоростью Vmin.

3. Резание на скорости Vmin.

4. Разгон от Vmin до Vмех.

5. Резание со скоростью Vмех.

6. Торможение со скорости Vмех до скорости Vmin.

7. Резание на скорости Vmin.

8. Движение на холостом ходу со скоростью Vmin.

9. Торможение от скорости Vmin до 0.

10. Разгон при обратном ходе детали.

11. Движение со скоростью Vmах

12. Торможение при обратном ходе детали

Нагрузочная диаграмма двигателя с учетом статических и динамических нагрузок приведена на рисунке 3.

Мдв

Мр2

Мр1 Му2 Му3 Му4 Мт3

Му1 Мт1 Му5

Му6

t

Мт2

Мр3

tp1 ty1 ty2 tp2 ty3 tт1 ty4 ty5 tт2 tp3 ty6 tт3

Рис. 3. Нагрузочная диаграмма двигателя.

Проверка электродвигателя на перегрузочную способность и по нагреву.

Проверка на перегрузочную способность

Найденные по параметрам нагрузочной диаграммы значения Mэ(ПВст%) и Mmax позволяют проверить двигатель по условиям нагрева и перегрузки.

Найдем перегрузочную способность двигателя:

Следовательно двигатель проходит на перегрузочную способность.

Проверка мощности электродвигателя по нагреву

Проверка мощности электродвигателя по нагреву осуществляется косвенным способом – по величине эквивалентного (среднеквадратичного) момента электродвигателя за один цикл работы электропривода.

Для электродвигателя продолжительного режима (ПВст%=100%) величину эквивалентного момента определяют по выражению

.

Эквивалентный момент двигателя за рабочий цикл:

∑_(i=1)^n▒〖M_i^2 t_i 〗= 〖699.86〗^2∙0.081+2∙〖73.36〗^2∙0.769+〖656.32〗^2∙0.231∙

∙2 +1〖262.64〗^2∙0.356+〖656.32〗^2∙22.92+〖50〗^2∙0.356+〖532.96〗^2∙

∙0.081+7〖55.47〗^2∙0.667+〖125.76〗^2∙13.176+〖608.75〗^2∙0.667=1.155∙10^7

< Выбранный двигатель проходит по нагреву.

Коэффициент загруженности двигателя:

Выбранная номинальная мощность электродвигателя удовлетворяет требованиям по нагреву и на перегрузочную способность, причём, запас мощности по нагреву составляет 11,3%. Таблица 3.

Мощ-ность,

кВт Напря-жение,

В Частота вращения, об/мин КПД,

% Сопротивление обмотки

при 15°С, Ом

номи-

нальная макси-

мальная якоря добавочных полюсов возбуж-дения

75 220 1000 2250 88,5 0,016 0,0083 22,8

Номинальный ток якоря:

5. Расчет силовой части вентильного ЭП для ЯЦ двигателя [2, стр 12].

5.1. Расчет силового трансформатора.

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

где k1 = 1,07 – коэффициент запаса по напряжению сети;

k2 = 1,1 — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

k3= 1,03 — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в вентиле, обмотках трансформатора;

kс = 2,34 – коэффициент, устанавливающий зависимость между средневыпрямленным напряжением преобразователя и напряжением вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора, токи фаз вторичной и первичной обмоток трансформатора:

Где ля мостовой схемы выпрямления , , ;

Типовая мощность трансформатора:

.

По мощности, напряжению вторичной обмотки и току вторичной обмотки мы выбираем трансформатор. Т.к. подходящего трансформатора нет, изготавливаем трансформатор на заказ, с расчетными параметрами.

Принимаем потери мощности трансформатора в режиме К.З. Рка = 2 % и напряжение К.З. трансформатора Uк = 8 %;

Приведенное к вторичной обмотке активное сопротивление одной фазы трансформатора:

Реактивное сопротивление одной фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:

.

Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора:

В дальнейшем расчёте будем использовать данные параметры приведенные в таблице 4.

Таблица 4.

U1л, В U2, В SТ, кВА I2, А Rт, Ом Xт, Ом Lт, мГн

380 220 107,53 237,55 0,0127 0,04044 0,1288

5.2 Проверка и выбор тиристоров

Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производим, по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания.

Допустимый ток двигателя Iдоп = 2Iн = 2 •385=770А;

Среднее значение тока, протекающего через тиристор:

где для 3-х фазной мостовой схемы.

Значение тока, приведенное к классификационным параметрам тиристоров:

где – коэффициент запаса по току;

– коэффициент зависящий от схемы выпрямления, угла проводимости и от формы тока;

– коэффициент учитывающий условия охлаждения.

Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре:

.

где — линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора;

— коэффициент запаса по напряжению;

Амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки:

U2mф = .

Амплитуда базового тока при К.З.:

,

где х2k = Xт, r2k = Rт.

Определим по зависимости (рисунок 4) значение :

Рисунок 4.

следовательно .

Ударный ток короткого замыкания:

.

По рассчитанным данным: среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания выбираем тиристор Т171-200. Данные приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Тип Uпор, В Umax, В Imaxcp, А Iyд, кA I2tтир,

А2• c (du/dt), мкс

Т171-320 1,05 300…1600 320 7 200000 160

Примечание. Uпор – пороговое напряжение; Umax – максимальное обратное напряжение; Imaxcp – максимальный средний ток в прямом направлении; Iyд – ударный ток тиристора; I2tтир – защитный показатель тиристора, характеризующий термодинамическую стойкость тиристора при кратковременных перегрузках; (du/dt) – максимальная допустимая скорость нарастания напряжения на тиристоре.

5.3. Выбор катодного дросселя.

Пульсации выпрямленного напряжения приводят к пульсациям выпрямленного тока, что существенно ухудшает режим коммутации в двигателе и увеличивают его нагрев. Одним из способов ограничения пульсаций тока является включение в цепь нагрузки катодного дросселя.

В симметричных мостовых и нулевых схемах амплитудные значения гармонических составляющих выпрямленного напряжения Udnm связаны с его средним значением Ud0.

Из напряжения преобразователя при работе электропривода в номинальном режиме найдём :

;

.

Найдём средневыпрямленное напряжение при угле регулирования, равном нулю:

Значение напряжения при минимальной скорости вращения двигателя определяется:

.

Определим из равенства максимальный угол регулирования при минимальной скорости :

.

Амплитудные значения гармонических составляющих выпрямленного напряжения Udnm зависят от среднего значения угла регулирования α

,

где p=6 – пульсность для трехфазно й мостовой схемы;

k=1– кратность гармоники т.е. отношение порядкового номера гармоники к числу пульсаций. Наибольшую амплитуду имеет основная гармоника k=1.

Необходимая величина индуктивности цепи выпрямленного тока:

Так как машина без компенсационной обмотки, то % =7 %,

Найдём индуктивность катодного дросселя для двигателя:

.

Т.к. индуктивность катодного дросселя оказалась отрицательной, то это свидетельствует о том, что при принятом уровне пульсации тока катодный дроссель не нужен. Тогда действительный уровень пульсации тока первой гармоники с учетом приведенной индуктивности трансформатора равен:

Значение гранично-непрерывного тока якоря двигателя равно:

, где граничный коэффициент

индуктивное сопротивление питаю

5.4. Расчет параметров силовой цепи электропривода.

Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель–преобразователь:

Сопротивление преобразователя для трехфазной мостовой схемы:

Коммутационное сопротивление

где пульсность трехфазной мостовой схемы.

Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигатель–преобразователь:

.

Индуктивность преобразователя для трехфазной мостовой схемы:

Напряжение преобразователя при работе электропривода в номинальном режиме:

.

Угол регулирования, соответствующий номинальному режиму работы:

.

По величине номинального угла регулирования следует сделать заключение о запасе по напряжению преобразователя.

Коэффициент запаса по напряжению преобразователя:

,

где — минимально угол управления, необходимый для надежного открытия тиристоров.

Определим максимальное значение ЭДС преобразователя:

Коэффициент преобразователя

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигатель–преобразователь:

.

Электромеханическая постоянная времени электропривода:

где Jå – приведенное значение момента инерции привода .

.

Максимальное значение выпрямленной ЭДС преобразователя:

,

где ,

.

6. Расчет и выбор элементов цепи возбуждения двигателя.

6.1. Выбор силового трансформатора тиристорного преобразователя.

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Принимаем k1 = 1,07; k2 = 1,1; k3 = 1,03, тогда

.

Коэффициент трансформации трансформатора, токи фаз вторичной и первичной обмоток трансформатора:

Для мостовой схемы выпрямления , , ;

Типовая мощность трансформатора:

.

По мощности, напряжению вторичной обмотки и току вторичной обмотки заказываем трансформатор на заводе изготовителя так как типовых трансформаторов с заданными параметрами не изготавливается.

Приведенное к вторичной обмотке активное сопротивление одной фазы трансформатора:

Принимаем потери мощности трансформатора в режиме К.З.Рка = 2 % и напряжение К.З. трансформатора Uк = 7 %;

Реактивное сопротивление одной фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:

0 = 2fс=314рад/с;

.

В дальнейшем расчёте будем использовать данные параметры.

6.2. Проверка и выбор тиристоров

Выбор и проверка тиристоров, принятых к установке в преобразователе, производим, по трем параметрам: по среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания.

Среднее значение тока, протекающего через тиристор:

Принимаем допустимый ток двигателя Iдоп = 6,609А;

для 3-х фазной мостовой схемы.

Значение тока, приведенное к классификационным параметрам тиристоров принимаем , ,

Максимальное амплитудное напряжение на тиристоре:

— линейное действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора; — коэффициент запаса по напряжению

.

Амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки:

U2mф = .

Амплитуда базового тока при К.З.:

,где х2k = Xт, r2k = Rт.

Определим по зависимости (рис. 3.1) значение :

ctg = r2k/х2k = 0,24; .

Ударный ток короткого замыкания:

.

По рассчитанным данным: среднему току, максимальному амплитудному значению напряжения на тиристоре и ударному току внутреннего короткого замыкания выбираем тиристор Т171-200 с приведенными параметрами в таблице 6

Таблица 6.

Тип Uпор, В Umax, В Imaxcp, А Iyд, кA I2tтир,

А2• c (du/dt), мкс

Т112-10 1,25 100…1200 10 0,15 200 20

Примечание. Uпор – пороговое напряжение; Umax – максимальное обратное напряжение; Imaxcp – максимальный средний ток в прямом направлении; Iyд – ударный ток тиристора; I2tтир – защитный показатель тиристора, характеризующий термодинамическую стойкость тиристора при кратковременных перегрузках; (du/dt) – максимальная допустимая скорость нарастания напряжения на тиристоре.

6.3. Расчет параметров цепи возбуждения электропривода.

Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигатель–преобразователь:

Сопротивление преобразователя для трехфазной мостовой схемы:

Коммутационное сопротивление

где пульсность трехфазной мостовой схемы.

Электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения двигатель–преобразователь:

Эквивалентная индуктивность цепи возбуждения двигатель–преобразователь: .

Индуктивность преобразователя для трехфазной мостовой схемы:

Максимальное значение выпрямленной ЭДС преобразователя:

,

где ,

.

Значение ЭДС якоря

7. Выбор комплектного УВП.

Электроприводы серии ЭПУ1М-2Д предназначены для создания реверсивных систем управления электродвигателями постоянного тока с двухзонным регулированием скорости. В состав электропривода серии ЭПУ1М входит блок станочный модернизированный БСМ. Допускаются изменения принципиальной схемы и замена элементов, не влияющих на технические характеристики привода.

Силовая схема электропривода.

Основу силовой схемы якорных тиристорных преобразователей ТПЯ составляет 3-х фазная мостовая схема, выполненная на силовых таблеточных тиристорах с применением блоков импульсных трансформаторов.

Электропривод главного движения (ЭПУ1-2Д) выполнен с принудительным охлаждением, при этом в преобразователях защита производится автоматами. Такой электропривод выполняется по трансформаторным реверсивным схемам. Тиристорный преобразователь возбудителя ТПВ выполнен по однофазной мостовой схеме на выпрямленное напряжение в 220 В и содержит два оптронных тиристорных модуля. Привод выполнен с обратной связью по скорости.

Блок управления БС( преобразователь).

Принципиальная электрическая схема блока управления БС3403Д приведена в приложении на рисунке 5.

В состав блока управления входят:

тиристорный преобразователь якорный – ТПЯ;

тиристорный преобразователь возбуждения – ТПВ;

трансформатор тока Т1…Т4;

трансформатор питания Т5;

вентилятор;

предохранители F1…F4;

блок управления №1 и №2 (панели Е1 и Е2);

блок межплатных соединений (панель Е3);

блок питания (панель Е4) и блок датчика проводимости (панель Е10);

блок датчика напряжения и защит (панель Е5);

Блок управления №I(панель СИФУ и логики – E1)

Принципиальная электрическая схема блока представлена в приложении на рисунке 6.

В двухзонном реверсивном приводе панель Е1 включает в себя:

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) : предназначена для преобразования постоянного управляющего наряжения в последовательность управляющих импульсов соответствующей фазы, подаваемых на управляющие электроды тиристоров силовых вентильных комплектов. СИФУ состоит из следующих основных узлов:

Источника синхронизирующего напряжения – ИСН;

Формирователей импульсов – ФИ1…ФИ3;

Управляющего органа – УО;

Усилителей импульсов — УИ;

Вводных устройств – ВУ.

формирователь импульсов возбудителя (ФИВ) – предназначен для формирования управляющих импульсов в источнике питания обмотки возбуждения двигателя. Формирователь работает только совместно с формирователем импульсов ФИ1 и включает в себя следующие функциональные узлы:

фильтр (Ф) на элементах R1, R2, C1, двух пороговых элементов (ПЭ1, ПЭ2) на транзисторах V1…V4;

формирователь синхронизирующих импульсов (ФСИ) на микросхеме Д1;

генератор пилообразного напряжения (ГПН) на элементах V6, C2, A1.1;

нуль орган (НО) на микросхеме А2.1;

RS – триггер (элементы Д4.2, Д4.4);

Усилитель импульсов (V33, V34).

логическое устройство (ЛУ) – осуществляет управление силовыми комплектами вентилей преобразователя и выполняет следующие функции:

выбор нужного комплекта вентилей в зависимости от знака входного сигнала путем включения соответствующих ключей, определяющих требуемое направление тока преобразователя;

переключение комплектов тиристоров преобразователя на бестоковом интервале, что что достигается введением блокировки в ЛУ по сигналу датчика проводимости тиристоров;

формирование выдержки времени между моментом снятия импульсов с работающего раннее комплекта и подачей их на вступающий в работу комплект.

Блок управления №II(панель регуляторов и защит – E2)

Принципиальная электрическая схема блока представлена в приложении на рисунке 7.

Панель 2 включает в себя:

Задатчик интенсивности (ЗИ) – предназначен для формирования темпа нарастания сигнала задания поступающего с задатчика скорости;

Регулятор скорости (РС) – ПИ-регулятор РС выполнен на операционном усилителе А2. На входе РС суммируются сигнал задания, поступающий с ЗИ и сигнал обратной связи, пропорциональной скорости или ЭДС.

Нелинейное звено (НЗ) – НЗ выполнено на усилителе А3.1 с нелинейной обратной связью на диодах V7…V12. Нелинейное звено имеет характеристику обратную регулировочной характеристике управляемого выпрямителя в режиме прерывистого тока, что обеспечивает постоянный коэффициент непрерывного и прерывистого токов.

Переключатель характеристик (ПХ) – преобразователь ПХ служит для согласования однополярной регулировочной характеристикой СИФУ с реверсивным сигналом с НЗ и выполнен на операционном усилителе А3.2 и транзисторном ключе V13.

Функциональный преобразователь ЭДС (ФПЕ) – управляющее напряжение на входе НЗ представляет сумму сигналов, пропорциональных величине тока и ЭДС двигателя. Сигнал, пропорциональный ЭДС двигателя формируется с помощью ФПЕ, имеющего арксинусную характеристику и выполненного на операционном усилителе А4.2.

Узел соответствия (УС) – предназначен для выпрямления соответствия скорости вращения заданному значению.

Узел зависимого токоограничения (УЗТ) — Обеспечивает, в зависимости от подключения, ограничения тока якоря на заданном уровне и зависимое ограничение в функции скорости вращения. Принцип работы схемы основан на ограничении выходного напряжения РС, которое определяет максимальный заданный ток якоря.

Выпрямитель (В2) – предназначен для преобразования реверсивного сигнала датчика напряжения в однополярный сигнал. Узел выполнен на операционных усилителях А7.2, А8.1.

Регулятор тока возбуждения (РТВ) – предназначен для задания и поддержания на заданном уровне тока возбуждения двигателя. РТВ выполнен на операционном усилителе А8.2. Задание тока осуществляется резистором R78.

Узел защиты (УЗ). Он обеспечивает следующие виды защиты:

максимально-токовая защита и защита от короткого замыкания;

от перегрева двигателя (от токовых перегрузок);

от перегрева преобразователя (в том числе по причине возникновения вентиляции);

от исчезновения напряжения питающей сети в цепи управления и силовой цепи (в том числе по причине сгорания предохранителей);

от обрыва цепи тока возбуждения;

от обрыва цепи тахогененератора;

от неправильного чередования фаз двигателя;

от превышения максимальной скорости двигателя;

блокировка выхода регулятора РС в функции скорости двигателя;

от перенапряжений на двигателе;

Блок межплатных соединений (Е3)

Блок питания — обеспечивает питание всех цепей управления постоянным стабилизированным напряжением и нестабилизированным напряжением.

Блок датчиков проводимости вентилей (Е10) — предназначен для контроля состояния («открыт» — «закрыт») тиристоров и работает по принципу контроля падения напряжения на переходе анод-катод тиристоров.

Блок датчиков напряжений и защит (Е5).

Процедура первого включения.

Соединить все составные части между собой и подключить к сети. Далее производится проверка и наладка электропривода.

Проверка-наладка электропривода производится с использованием следующих приборов класса точности 1,5:

цепь якоря – амперметр М42100 с соответствующим шунтом, выбирается ориентировочно равным 1,5Iном блока вольтметра М42100 500-0-500 В;

цепь возбуждения – амперметр М42100 прямого включения, выбирается по паспортным данным двигателя;

осциллограф С1-83;

тахометр – Т410-Р, 30-3000 об/мин;

Подать питания на систему управления и цепь возбуждения. При этом на лицевой панели блока должны загореться светодиоды: V34 – «Вкл.», V52 – «∑», V70 – «Uc<Ucmin».

Проконтролировать ток возбуждения и отрегулировать при необходимости резистором R78 на передней панели блока требуемый ток возбуждения.

Подключить напряжение питания к силовой цепи. На лицевой панели блока должны погаснуть светодиоды V52 и V70.

Установить на выходе задатчика скорости сигнал . Подать сигнал «Работа». При правильном подключении тахогенератора скорость двигателя должна быть равна нулю.

Подключить потенциальный вход осциллографа к к.т. 50 (выход датчика тока), а второй – к к.т. « » на передней панели блока.

Включить сигнал «Работа» и проконтролировать по осциллографу следующую форму тока якоря в к.т. 50, на рисунке 8.

Рис. 8. Ток якоря

Если форма тока якоря значительно отличается от указанной, наблюдаются «рывки» двигателя, то необходимо подстроить регулировку резистором R26 на плате СИФУ.

Обеспечить при максимальную скорость двигателя резисторами R6, R7 и уровень сигнала в к.т. 25 около 10 В резистором R94.

Предварительно наладочным задатчиком скорости установить напряжение на якоре двигателя для исполнения 230 В ориентировочно 150 В, контролируя ток якоря по амперметру и осциллографом, осуществить реверс двигателя.

Ориентировочная форма тока представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Ток якоря при реверсе

При необходимости резистором R39 на передней панели добиться формы тока якоря в режимах реверса, близкой к прямоугольной.

Установить по двигателю требуемый ток отсечки резистором R25 на передней панели блока, контролируя сигнал с шунта осциллографом в режиме реверса на скоростях, несколько меньших номинальной.

Задатчиком скорости плавно разгонять двигатель до номинальной скорости. Для исполнения блока на 230 В при напряжении на якоре 220 В должно начаться снижение тока возбуждения (переход во вторую зону). При необходимости отрегулировать переход во вторую зону резистором R82 на передней панели. Скорость двигателя при этом будет близка к номинальной. Разогнать двигатель на скорость и, переключив осциллограф в к.т.13, проконтролировать форму напряжения на выходе регулятора скорости РС в режиме реверса. (Рисунок 10).

Рис. 10. Напряжение на выходе регулятора

При необходимости добиться снижения выхода резистором R19 на передней панели блока (вступает УЗТ в работу).

Поставить задатчик скорости в положение «0» и отрегулировать «настройку нуля» резистором R13, добиться исключения самохода двигателя.

Установить требуемый темп разгона привода, подбирая резистор R5 на передней панели блока в пределе до 470 кОм.

Корректирующие цепи (C8, R21, R97) подбираются из условий оптимизации переходных процессов электропривода. При этом помнить, что увеличение сопротивления резистора R97 приводит к возрастанию отсечки, и наоборот. Увеличение резистора R21 до 100-200 кОм повышает быстродействие системы регулирования, там, где требуется повышенное быстродействие главного привода. Выбор коррекции регулятора скорости (стабилизация) производится для наихудшего режима – непрерывного тока.

Рис. 5. Силовая схема БСМ 3403

Рис. 6. Схема блока управления №1

Рим.7 Принципиальная электрическая схема блока

8. Математическая модель ДПТ с НВ.

8.1 Математическая модель ДПТ с НВ.

При математическом описании процессов в ДПТНВ используем следующую систему наиболее распространенных допущений.

1. Цепь якоря двигателя моделируется как генератор электродвижущей силы (ЭДС) с последовательно включенными активным сопротивлением и индуктивностью, не зависящими от нагрузки. Влияние реакции якоря на магнитный поток возбуждения не учитывается или считается полностью скомпенсированным. Взаимная индуктивность обмоток якоря и возбуждения равна нулю за счет расположения щеток на геометрической

нейтрали. Падение напряжения в щеточно-коллекторном узле пренебрежимо мало. Влияние вихревых токов и потерь на перемагничивание (гистерезис) на динамические характеристики не учитывается, что допусти- мо для машин малой и средней мощности.

2. Обмотки двигателя питаются от сетей постоянного тока бесконечной мощности (с пренебрежимо малыми внутренними активным сопротивлением и индуктивностью). Пульсации питающих напряжений отсутствуют.

Электропривод имеет одномассовую (абсолютно жесткую) кинематическую схему с постоянным приведенным моментом инерции исполнительного органа механизма. Люфты в кинематической передаче отсутствуют. Механические потери на трение в двигателе и передаче приведены к моменту сопротивления нагрузки.

С учетом принятых допущений электромагнитные и электромеханические процессы в ЭП описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений [ 3, стр 24 ]:

Структурную схема ДПТНВ как объекта управления (ОУ), приведена на рис. 11, где ОХН – об- ратная характеристика намагничивания.

Рис. 11. Структурная схема ДПТНВ как объекта управления (ОУ).

8.2 Статические характеристики ДПТ с НВ.

Уравнения скоростных характеристик:

Скоростная характеристика электропривода:

,

Скоростная характеристика, обеспечивающая номинальную скорость двигателя, описывается следующими точками:

при : ,

при : ,

Характеристика, обеспечивающая минимальную скорость вращения двигателя, описывается следующими точками:

при : ,

при : ,

Характеристика, обеспечивающая максимальную скорость вращения двигателя (вторая зона регулирования):

Характерные точки:

при : ,

при : ,

Скоростные характеристики приведены на рисунке 12.

Рис. 12. Скоростные характеристики ДПТ сНВ

9. Синтез двухзонной замкнутой системы регулирования частоты вращения ДПТ с НВ.

Функциональная схема двухзонной замкнутой системы регулирования частоты вращения ДПТ с НВ рис. 13

Рисунок 13. Функциональная схема двухзонной СПР скорости тиристорного ЭП постоянного тока.

В системе ЭП, схема которой изображена на рис. X, используется т.н. зависимое управление ослаблением магнитного потока, основанное на замкнутой системе регулирования ЭДС. Преимущества зависимого управления потоком заключаются в более высоком быстродействии и возможности эффективного учета колебаний напряжения сети, питающей силовой преобразователь Пя, путем коррекции задающего воздействия по ЭДС двигателя во второй зоне регулирования Е_(я.з) таким образом, чтобы при «просадках» сети ЭП не «застревал» в окрестности границы зон регулирования вследствие ограниченности величины е_п . Для этого следует выполнить требование E_(я.з)≤k_е k_з^(-1) (max⁡(E_п )-λ_i I_н R_э), где максимальное значение ЭДС преобразователя max⁡(E_п ) зависит от текущего напряжения питающей сети; λ_i – принятая при настройке КРТ перегрузочная способность ЭП по току якоря; k_е – коэффициент обратной связи по ЭДС; k_з^ =1.05…1.15– коэффициент запаса по напряжению. Уровень ограничения выходного сигнала РЭ сверху должен соответствовать заданию номинального магнитного потока двигателя, а снизу – допустимой кратности ослабления поля.

10. Синтез контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя.

10.1. Расчет контура регулирования тока (КРТ) якоря двигателя.

Внутренним контуром в системе подчиненного регулирования скорости тиристорного электропривода является контур тока. Оптимизация параметров контура тока проводится при следующих допущениях:

• режим тока якорной цепи двигатель–преобразователь непрерывный;

•тиристорный преобразователь является звеном, его передаточная функция:

.

Здесь Kп=26,271 – коэффициент усиления управляемого вентильного преобразователя, который определяется выбранной точкой линеаризации;

Тп = 0,003 с – постоянная времени системы управления преобразователем;

• пренебрегаем влиянием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя.

Структурная схема контура тока представлена на рисунке 14.

Рисунок 14. — Структурная схема контура регулирования тока.

Штриховой линией показан канал действия внутренней обратной связи по ЭДС двигателя. В контуре тока электромагнитная постоянная якорной цепи Тя.э является компенсируемой, а постоянная времени управляемого преобразователя некомпенсируемой постоянной времени контура.

При настройке контура тока на технический оптимум желаемая передаточная функция разомкнутого контура тока имеет вид:

.

Передаточная функция регулятора тока согласно структурной схеме (рисунок 8) определяется из условия:

.

В результате передаточная функция регулятора тока:

,

где — пропорциональная составляющая,

— интегральная составляющая.

Так как регулятор тока является ПИ-регулятором, то коэффициент обратной связи по току определяется из соотношения:

,

где

Uрсmax=10В – напряжение насыщения выхода регулятора скорости, при реализации регуляторов на интегральных микросхемах с питанием .

Произведём расчёт регулятора:

;

;

.

— ПИ-регулятор тока.

10.2. Синтез контура регулирования скорости (КРС) с настройкой на СО.

Контур скорости является внешним по отношению к контуру тока. Структурная схема контура скорости электропривода при тех же допущениях показана на рисунке 15.

Рисунок 15 — Структурная схема контура регулирования скорости.

При синтезе регулятора скорости передаточная функция замкнутого контура тока равна:

Т.к. некомпенсируемая постоянная времени мала, то пренебрегаем величиной :

Тогда некомпенсируемой малой постоянной времени в контуре скорости является величина:

, а компенсируемой постоянной времени – электромеханическая постоян¬ная времени электропривода ТМ.

Произведем настройку на симметричный оптимум.

Желаемая передаточная функция в системе настроенной на симметричный оптимум: .

Из равенства передаточной функции разомкнутого контура ско¬рости и желаемой:

.

определяем передаточная функция регулятора;

При настройке на симметричный оптимум регулятор скорости является пропорционально-интегральным (ПИ):

,

где – коэффициент пропорциональной и интегральной части регулятора скорости;

Произведём расчёт регулятора скорости:

;

;

— полученный ПИ-регулятор скорости.

Чтобы уменьшить величину перерегулирования переходных процессов от действия управления, на входе СПР установим фильтр, передаточная функция которого имеет вид:

.

10.3. Синтез контура регулирования магнитного потока настройка на модульный оптимум.

Структурная схема синтезированного КРМП в операторной форме приведена на рис. 16.

Рис. 16. Структурная схема синтезированного КРМП в операторной форме

Здесь приведены следующие обозначения:

Uзф – напряжение задания магнитного потока; Iв – ток возбуждения двигателя; Wрмп – передаточная функция регулятора магнитного потока;

Uув – напряжение управления;

Кпв–коэффициент усиления вентильного преобразователя;

Тпв – постоянная времени преобразователя;

Кф – коэффициент обратной связи по магнитному потоку;

ХН- Кривая намагничичвания ДПТ.

Фest – вычисленная оценка магнитного потока;

eпв– ЭДС преобразователя цепи возбуждения

Тиристорный преобразователь является звеном, передаточная функция которого: .

Здесь Kп= Еп max/Uзmax=262,5/10 = 26.25 – коэффициент усиления управляемого вентильного преобразователя, который определяется выбранной точкой линеаризации; Тп = 0,003 = с – постоянная времени системы управления преобразователем;

Для замыкания обратной связи в КРМП используют нелинейное звено, соответствующее характеристике намагничивания (ХН) и позволяющее вычислить значение магнитного потока по измеренному току возбуждения. Коэффициент обратной связи определяется стандартным путем исходя из отношения максимального уровня задающего воздействия на входе КРМП и номинального значения магнитного потока: кф=max(Uзф)/Фн

Для ограничения колебательности переходных процессов рекомендуется в качестве расчетных Твэ и kн принимать их значения, соответствующие минимальному магнитному потоку.

При настройке контура регулирования магнитного потока на технический оптимум желаемая передаточная функция разомкнутого КРТ имеет вид:

.

Преобразуем структурную схему к следующему виду Рис.17.

Рис.17. Структурная схема синтезированного КРМП

Передаточная функция разомкнутой системы:

Получим формулу для определения передаточной функции регулятора. Для этого приравняем ПФ контура в разомкнутом состоянии к ПФ системы, настроенной на МО:

.

Получим передаточную функцию регулятора тока:

,

где , .

Произведём расчёт регулятора:

;

— полученный ПИ-регулятор магнитного потока.

10.4. Синтез вычислителя и регулятора ЭДС

Укрупненная структурная схема контура регулирования модуля ЭДС (КРЭ) двухзонного электропривода на базе ДПТНВ изображена на рис. 4.22.

Здесь: КЧОУ – компенсируемая часть объекта управления КРЭ; ея est – оценка ЭДС якоря двигателя (выходной сигнал ВЕ), КРМП- контур регулирования магнитного потока.

Рис. 18. Структурная схема КРЭ

Так как ЭДС двигателя недоступна для прямого измерения, в качестве датчика ВЕ используется специальный вычислительный алгоритм и, возможно, реализующее его отдельное устройство, обобщенно называемые «вычислителем ЭДС» и функционирующие на основе информации о напряжении и токе цепи якоря.

Компенсируемая часть ОУ описывается уравнением в приращениях

, где для упрощения задачи синтеза РЭ второе слагаемое приближенно можно считать «медленно» изменяющимся независимым возмущением. В этом случае КЧОУ формально становится безынерционной.

Преобразуем структурную схему к виду:

Рис. 19. Структурная схема КРЭ

Переходя к синтезу регулятора ЭДС, определим объект управления КРЭ. Математическую модель замкнутого КРМП согласно общепринятой методике аппроксимируем апериодическим звеном

, где — малая постоянная времени

Модель ВЕ имеет вид ., где =0,006.

Если постоянная времени относительно мала, ее относят к некомпенсируемым и складывают с , а передаточная функция КРЭ в разомкнутом состоянии принимает вид:

– суммарная малая постоянная времени КРЭ;

– определяемый стандартным путем коэффициент обрат- ной связи по ЭДС.

Отсюда следует, что регулятор КРЭ, настраиваемого на модульный оптимум, в данном случае должен быть интегральным (И):

, где .

Произведём расчёт регулятора:

11. Статические и динамические характеристики системы ТП-Д

11.1 Статические характеристики системы ТП-Д

Уравнения скоростных характеристик:

1. Скоростная характеристика, обеспечивающая номинальную скорость вращения двигателя:

,

Характерные точки:

при : ,

при : ,

где — электромеханическая постоянная времени.

2. Характеристика, обеспечивающая минимальную скорость вращения двигателя:

,;

где

Характерные точки:

при : ,

при : ,

3. Скоростная характеристика, обеспечивающая максимальную скорость вращения двигателя (вторая зона):

,

Характерные точки:

при : ,

при : ,

Скоростные характеристики системы ТП – Д изображены на Рис. 20

Рис.20. Скоростные характеристики системы ВП-Д

11.2 Динамические характеристики системы ТП-Д

Рис. 21. Структурная схема для моделирования регуляторов тока и скорости.

Рис. 22. Структурная схема для моделирования якоря двигателя.

Рис. 23. Структурная схема для моделирования регуляторов магнитного потока и ЭДС.

Рис.24. Структурная схема для моделирования обмотки возбуждения двигателя.

Рис. 25. Двухзонная система управления частотой вращения ДПТ с НВ с регулятором ЭДС

Рис.26. Переходные процессы при разгоне от 0 Vmin, а затем до Vмех

Рис.27. Переходные процессы торможении стола до нулевой скорости реверсе и последующем разгоне до

Рис.28. Переходные процессы при торможении стола со скорости с последующей остановкой.

Рис.29. Переходные процессы работы ЭП согласно заданной тахограмме и нагрузочной диаграмме, на протяжении всего цикла.

12. Вывод:

Статические и динамические показатели качества, полученные при моделировании согласно заданной тахограмме и нагрузочной диаграмме, находятся в пределах допустимых значений.

Данные полученные при моделировании изменяются в пределах 5% от расчетных значений. Следовательно моделирование и расчеты выполнены верно.

13.Заключение.

В данной выпускной квалификационной работе была разработана система “Тиристорный преобразователь – двигатель” для механизма передвижения продольно строгального станка. В частности, был произведен расчет и выбор двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, выполнена проверка двигателя по нагреву и на перегрузочную способность, рассчитана силовая часть вентильного ЭП, подобран управляемый вентильный преобразователь, построены статические характеристики двигателя и характеристики всей системы ВП-Д. Был произведен синтез СПР скорости тиристорного ЭП постоянного тока двумя способами: с зависимым и независимым способом управления ослаблением магнитного потока. Оба способа проверенны с помощью цифрового моделирования в программе Matlab. При их сравнении были отмечены преимущества и недостатки каждого из них. При моделировании всего цикла работы двигателя, согласно заданной тахограмме и нагрузочной диаграмме, было отмечено, что синтез произведен верно, все показатели качества системы, соответствую заданным.

14. Список литературы:

1. Теория электропривода / И.Д. Абакумов, НГТУ. — Новосибирск, 2008 – 72с.

Справочник./ Алексеев Ю.В., Рабинович В.Л. – М.: Энергоатомиздат, 1985 – 167с.

2. Автоматизированный электропривод: учеб. пособие/Г.М. Симаков. – Новосибирск: Издательство НГТУ, 2010. – 135с.

3. Автоматическое управление электроприводами. Часть 1. Регулирование координат электроприводов постоянного тока: учеб. пособие/В.В. Панкратов. — Новосибирск: Издательство НГТУ, 2013. – 215с.

4. Справочник по электрическим машинам. В 2 т. / Под общей ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1.- М.: Энергоатомиздат, 1988 – 456с.