Электропривод с двигателями постоянного тока

При выполнении расчетов будем ориентироваться на комплектный регулируемый реверсивный электропривод. Приципиальные схемы привода и их описание приведены в [2], [4], [5]. Силовая часть тиристорного электропривода обычно выполняется по трехфазной нулевой или мостовой схеме. Питание силовой части осуществляется от сети промышленной частоты напряжением 380В через разделительный трансформатор. Для повышения жесткости механических характеристик в электроприводе использована отрицательная обратная связь по скорости.

 

7.2.1 Расчет мощности и выбор силового трансформатора и вентилей преобразователя

 

Вначале определяется необходимое вторичное напряжение при заданном напряжении сети (первичной обмотки). При этом также надо учитывать некоторые коэффициенты запаса:

К_и – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий допускаемое по ПУЭ снижение напряжения сети, К_и=1,05;

К_a - коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентиля при максимальном управляющем сигнале (для нереверсивных преобразователей принимают К_a=1, для реверсивных К_a=1,2);

К_R - коэффициент, учитывающий падение напряжения при нагрузке в вентилях и обмотках трансформатора, а также наличие угла коммутации (можно принимать К_R=1,05).

Подводимое к схеме выпрямления напряжение

 

U2ф=Udн·Кн·К_и·К_a·К_{R ,} (7.12)

 

где Кн- коэффициент схемы, его значение приведено в табл. 2.1.

Расчетное действующее значение тока во вторичной обмотке определяется исходя из необходимого выпрямленного тока Id по формуле:

 

I2=K_i×K_T2×Id, (7.13)

 

где K_i - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной (по опытным данным K_i=1,05…1,1);

K_T2 – коэффициент, представляющий собой отношение действующего значения соответствующего фазного тока к выпрямленному току, значения которого приведены для чисто активной нагрузки в таблице 2.1. При индуктивно-активной нагрузке или при работе на встречную ЭДС этими значениями можно пользоваться как приближенными.

 

Таблица 7.1

Наименование схемы	КН	Ки макс	КТ2	КТ1	КМ
Двухполупериодная мостовая	1,11	1,57			1,11
Трехфазная нулевая	0.854	2,09	0,577	0,817	1,345
Трехфазная мостовая	0,427	1,05	0,815	0,817	1,045

 

Расчет типовой мощности трансформатора производится с учетом нагрева первичной и вторичной обмоток трансформатора при помощи коэффициента K_M (обоснование значений коэффициентов K_T1, K_T2 и K_M приводится в курсе “Промэлектроника”). Таким образом, типовая мощность трансформатора для преобразователя, питающего якорь двигателя, может быть расчитана по формуле

 

S_T=K_Н×K_u Kα×K_R×K_i×K_M×UdId

 

Трансформатор выбирается по типовой мощности и необходимому вторичному напряжению и проверяется по нагреву первичным током

I₁=K_i×K_T1×Id

 

с учетом коэффициента трансформации.

Для выбранного трансформатора активное и индуктивное сопротивление обмоток на фазу определяются, как

 

;

 

.

 

Выбор вентилей силовой схемы производится по среднему значению тока через вентиль (с учетом условий охлаждения) и максимальному мгновенному значению напряжения, прикладываемому к вентилю.

 

7.2.2 Расчет индуктивности и выбор сглаживающих реакторов

(дросселей)

 

Сглаживающие реакторы выполняют две функции: ограничивают пульсации тока в якорной цепи и обеспечивают работу в зоне непрырывных токов.

Величина относительных пульсаций I^*_e принимается не более 0,02 и расчитывается как

 

, (7.14)

 

где - относительная величина ЭДС пульсаций;

I_ном - номинальный ток;

L_др,L_я,L_Т - индуктивность сглаживающего реактора (катодного дросселя), якоря двигателя и трансформатора;

w₀=2pfm - угловая частота пульсаций;

f - частота сети;

m - число фаз (для трехфазной мостовой схемы m =6).

На основании специальных расчетов получены кривые зависимости от угла открывания и числа фаз. Величина берется для максимального угла открывания a_макс, соответствующего минимальной скорости двигателя Приводы, рассматриваемые в данном проекте, предназначены для частых пусков и торможений и поэтому примем =0,24 для мостовой и =0,52 для нулевой схем выпрямления.

Из выражения (7.14) получим общую индуктивность цепи:

 

, (7.15)

 

а по ней – искомое значение L_др. При наличии уравнительных реакторов индуктивность их добавляется в левую часть (7.15).

Индуктивность трансформатора определяется, как

 

L_Т=x_Т×2pf,

 

а индуктивность якорной цепи двигателя по эмпирической формуле

 

,

 

где коэффициент C_x=0,5…0,6 для некомпенсированных машин и C_x =0,25 – для скомпенсированных. Номинальный ток реактора должен быть не менее номинального тока двигателя.

.

Значение индуктивности , найденное по условию сглаживания пульсаций, необходимо проверить по условию ограничения зоны прерывистых токов

(7.16)

 

Минимальный статический ток нетрудно определить, зная минимальный момент сопротивления М_{с мин.}. Гранично-непрерывный ток I_{г непр.} растет с увеличением угла регулирования, поэтому его следует рассчитать при угле

 

(7.17)

 

Если окажется то, задавшись условием

следует, исходя из формулы (7.17), найти новое значение Lяц, а затем по

(7.15) ндуктивность сглаживающего дросселя L_др.

При расчете систем, работающих в режиме частных пусков и торможений, проверять индуктивность L_яц по гранично-непрерывному току не надо.

 

7.2.3 Определение параметров привода и построение

электромеханических характеристик

 

Эквивалентное внутреннее сопротивление преобразователя

 

R_пр=R_Т+п×R_дТ+R_к.

 

Для мостовых схем R_Т вдвое больше (сопротивление двух фазных обмоток).

Значение коммутационного сопротивления

 

,

 

где m - число фаз (для мостовых схем m=6);

x_T - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, определяемое по напряжению корткого замыкания трансформатора e как x_T=e_кз/I_2H .

Величина п указывает число последовательного соединенных тиристоров (для мостовых схем удвоенное).

Характеристику разомкнутой системы строим в режиме непрерывных токов по формуле

 

для нескольких значений a .

 

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи равна

 

Т_я=(L_др+L_я+L_Т)/R_э,

 

где эквивалентное сопротивление якорной цепи R_э

 

R_э=R_я+R_пр.

Далее производится расчет статических характеристик привода в замкнутой системе с обратной связью по скорости.

 

8 Расчет переходных режимов и построение нагрузочных диаграмм электропривода

 

Переходные режимы при пуске и торможении электроприводов в данном курсовом проекте можно рассчитать без учета электромагнитной инерции двигатели, т.е. принимая, во внимание только механическую инерцию системы электропривод – рабочая машина, характеризуемую общим моментом инерции .

Универсальным методом расчета переходных режимов, пригодным для электроприводов с механической характеристикой любого вида и легко реализуемым на ПЭВМ, является метод кусочно-линейной аппроксимации. При этом пусковые и тормозные механические характеристики разбиваются на участки настолько малые, что их можно заменить прямыми линиями. Каждый -ый участок характеризуется начальной скоростью , начальным моментом , конечной скоростью и конечным моментом .

Электромеханическую постоянную времени электропривода на рассматриваемом участке механической характеристики рассчитывают по формуле

 

(8.1)

 

При этом при отрицательной жесткости участка характеристики (2) . Примерами характеристик с отрицательной жесткостью являются пусковые характеристики и характеристика противовключения двигателя. Если участок характеристики имеет положительную жесткость , то .

Время работы (разгона или торможения) электропривода на данном участке характеристики может быть рассчитано по формуле

 

, (8.2)

 

где значения моментов и должны подставляться со своими знаками, т.е. для двигательного режима знак (+), для режима торможения знак (-).

Время разгона электропривода от скорости до скорости определяется суммированием времен работы на каждом из аппроксимированных участков характеристик

 

 

Аналогично можно рассчитать время торможения от начальной скорости ( скорости, при которой двигатель переключается на тормозной режим ) до скорости в конце -го участка торможения .

Путь, проходимый электроприводом за время работы на рассматриваемом участке (угол поворота вала электродвигателя), может быть приближенно рассчитан по формуле:

 

 

Путь, проходимый электроприводом при пуске или торможении за время (когда скорость изменяется от до ) определяется по соотношению:

Для скоростей и - границ участков механических характеристик, по соответствующим скоростным (электромеханическим) характеристикам можно определить значения тока в силовой цепи двигателя и .

Принимая, что во времени ток на рассматриваемом участке движения изменяется по линейному закону, определяют среднеквадратичное значение тока на - ом участке по формуле:

 

Величина, характеризующая нагрев двигателя за время , при этом рассчитывается по соотношению:

 

Расчет переходных процессов в приводе по схеме ТП-Д производится на ПЭВМс использованием структурных схем типовых элементов электропривода.