Система управления двигателем переменного тока

Система управления двигателем переменного тока

Содержание

Введение

. Анализ технических решений

.1       Технические требования к электроприводу

.2       Обоснование и выбор типа приводного двигателя

.3       Обоснование, выбор и описание функциональной и структурной схем электропривода

. Расчетная часть

.1 Разработка и описание принципиальной электросхемы и конструкции блока, определенного техническим заданием

.2 Расчет и выбор элементов электропривода

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Современные высокие требования к производительности различных механизмов и качеству изготовляемых изделий могут быть обеспечены только на основе автоматизации промышленных электроприводов. Успех автоматизации зависит в значительной мере от технических средств ее реализации, т.е. от индивидуальных свойств всех отдельных устройств или элементов, совокупность которых образует промышленную электромеханическую систему - автоматизированный электропривод. Элементная база, практически обеспечивающая автоматизацию и реализующая требуемые свойства системы электропривода, подлежит разработке в ходе выполнения данного курсового проекта.

Целью данного проекта является приобретение навыков математического описания взаимосвязи входных и выходных величин элементов автоматизированного электропривода, составления структурных и функциональных схем, определения параметров расчетных схем, анализа свойств элементов как звеньев динамической системы, а так же анализа возможных технических решений задачи автоматизации электропривода.

Анализ задания на курсовой проект показал, что реализация всех технических требований возможна при организации частотного управления электроприводом. Основу данного привода составляет преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока и двигатель переменного тока. При этом реверс привода обеспечивается возможностью реверса тока в схеме привода, обеспечиваемой управляемым выпрямителем. Рекуперативное торможение осуществляется путем плавного изменения частоты питающего приводной двигатель напряжения. При этом происходит постепенное переключение двигателя с одной механической характеристики на другую. Привод работает в тормозном режиме с отдачей энергии в сеть, пока его рабочая точка перемещается по участкам механических характеристик, расположенных во втором квадранте. Изменяя плавно и автоматически частоту, можно получить тормозной режим привода с малоизменяющимся моментом торможения.

К несомненным преимуществам частотного управления приводом относится тот факт, что при плавном регулировании частоты тока в статоре машины, можно получить плавное изменение скорости привода в широких пределах. При этом необходимо отметить, что потери от токов высших гармоник при частотном регулировании привода переменного тока оказываются значительно ниже, чем в современных регулируемых приводах постоянного тока, или в приводах переменного тока, регулируемых каким-либо иным способом. Этот факт дает высокую оценку частотно-регулируемым приводам переменного тока в плане энергетики. Однако у такой системы есть и недостатки, наиболее существенным из которых является проявление статизма высокого порядка в силовой части при разомкнутой архитектуре системы управления. Кроме того, при снижении скорости может возникнуть область статической неустойчивости, что неминуемо приведет к разрыву системы по силовому каналу. Учет данных недостатков при проектировании систем данного типа обуславливает сложность ее построения, однако, возможность рационального и эффективного использования электроэнергии при эксплуатации частотно-регулируемых приводов вносит экономическую целесообразность их внедрения при выполнении сложных, требующих точного регулирования производственных задач. Область применения данного типа приводов, в силу их универсальности, довольно широка. Организация эффективного регулирования возможна как при постоянном моменте нагрузки, так и в тех случаях, когда момент нагрузки является функцией скорости привода (крановая, вентеляторная, вязкая и т. д.). В любом случае частотное регулирование привода требует применения так называемых законов оптимального управления.

1. Анализ технических решений

1.1 Технические требования к электроприводу

В соответствии с техническим заданием, определим требования, предъявляемые к проектируемому электроприводу:

Тип двигателя - асинхронный двигатель.

Мощность двигателя - 0,1 кВт.

Диапазон регулирования при статизме 10% D=100

Пуск - управляемый.

Торможение - без торможения.

Реверс - отсутствует.

Наличие генераторного режима на регулировочных х-ках - отсутствует.

Наличие регуляторов - по необходимости.

Нагрузочная характеристика - М~ω² .

Приведенный момент инерции Ј_мех/Ј_р=4

Тип защит электропривода - перегрузка по току, от перенапряжения, тепловая, от токов нулевой последовательности

Виды блокировок - обрыв фазы.

Степень защиты от окружающей среды -IP-23.

Тип блока в преобразователе - силовой блок

Тип датчика в электроприводе - датчик давления в нагревательных установках

1.2 Обоснование и выбор типа приводного двигателя

В соответствии с техническим заданием, привод должен строиться на основе двигателя переменного тока. Задана так же и мощность двигателя - 0,1 кВт и скорость - 750 об/м. Необходимо учесть, что скорость привода должна регулироваться частотным преобразователем. В соответствии с заданием наилучшем выбором будет привод немецкой фирмы Siemens, так как отечественные аналоги с подобными параметрами отсутствуют. Выбираем привод следующей марки: - 1LA7073-8AB.

Характеристики выбранного двигателя:

Р_ном = 0,12 кВт ; U_ном = 220/380 В ; n₀ = 750 об/мин ; ή_ном = 0,53 ; cosφ_ном =0,64 ; S_ном = 0,05 ; S_к =0,27 ; μ_к = 2,2 ; μ_п =1,7 ; I_п/I_ном =2,2 ; J = 0,0009 кг*м²

Степень защиты - IP-55

Способ охлаждения - ICA0041 (ГОСТ 20459-75).

Исполнение по способу монтажа - IM1001 (ГОСТ 2479-79).

Необходимо проверить соответствие техническому заданию обеспечиваемую выбранным двигателем полосу пропускания.

При рассмотрении динамики привода переменного тока рассматриваются только механические процессы, без учета электромагнитных явлений. Анализируя механические процессы, тоже приходится идти на существенные упрощения, линеаризуя механическую характеристику на рабочем участке. В этом случае передаточная функция асинхронного двигателя может быть представлена апериодическим звеном первого порядка:

_д(р) = К_д/ (1+ Т_мр) (1.1)

где: Т_эм = J_Σω₀S_k / 2M_k - электромеханическая постоянная времени,

М_к, S_к - соответственно критические момент и скольжение,

ω₀ = 2πf_с =πn₀/30 - синхронная скорость двигателя,

J_Σ = J_{двигателя} + J_{механизма} - суммарный момент инерции привода.

К_д = Δf/Δω - передаточный коэффициент двигателя при частотном регулировании.

При этом, предельная полоса пропускания, обеспечиваемая выбранным двигателем, может быть определена из соотношения:

 (1.2)

где: Ωпр д, Ω0 - соответственно предельная и нулевая частота полосы пропускания;

К - модуль АЧХ двигателя переменного тока.

Определим теперь модуль АЧХ:

  (1.3)

В соответствии с (1.3) получаем:

При этом, очевидно, что .

В соответствии с (1.2) получаем:

 (1.4)

После упрощений получаем выражение, по которому возможно определить значение предельной частоты полосы пропускания двигателя:

И окончательно, применяя методы решения биквадратных уравнений, получаем выражение для определения предельной частоты полосы пропускания двигателя:

 (1.5)

В выражении (1.5) учтено то, что частота - величина физическая и не может являться величиной отрицательной.

Для определения соответствия выбранного двигателя техническим требованиям решим (1.5) численно для параметров двигателя 4АХ80В4 - 04

Т_эм = J_Σω₀S_k / 2M_k =

 =

 (1.6)

где: , - синхронная частота вращения ротора двигателя,

, (Гц)- частота питающей сети,

- число пар полюсов.

Из формы записи (1.6) видно, что синхронная частота вращения двигателя зависит от частоты питающей сети по линейному закону, следовательно, возможен переход от малых приращений, в которых ожидается линейность зависимости =f(), к работе в конечных точках функции:

К_д = Δf/Δω = (1.7)

Окончательно получаем:

Выбранный двигатель обеспечивает необходимую полосу пропускания. Следует отметить также и то, что в силовом канале двигатель будет вносить ограничения по максимальной частоте пропускания. Управляемый реверсивный выпрямитель, представляющий собой промежуточное звено постоянного тока, обладает полосой пропускания до 500 Гц; преобразователь частоты обладает полосой пропускания до 10000 Гц, следовательно, система преобразователей в состоянии обеспечить требуемую техническим заданием динамику привода.

1.3 Обоснование, выбор и описание функциональной и структурной схем электропривода

автоматизированный электропривод электросхема

В соответствии с принятым техническим решением, определим составляющие функциональной схемы проектируемого привода.

Очевидно, что силовая часть привода будет состоять из блока токовой защиты (БТЗ), выполняющего роль первичного коммутатора, и защищающего сеть от коротких замыканий в схеме привода; управляемого реверсивного выпрямителя (РУВ), представляющего собой промежуточное звено постоянного тока в системе преобразователя частоты; фильтра (Ф), сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения и, собственно, преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения (ПЧ АИН), позволяющего сформировать первую гармонику питающего приводной двигатель напряжения требуемой частоты.

Принятое техническое решение позволяет применить стандартные (типовые) схемы управления РУВ и ПЧ АИН. При этом необходимо обеспечить оптимальность управления приводом по условию минимальности потерь. В случае вентиляторной нагрузки, закон оптимального частотного управления примет вид:

Из данного соотношения видно, что одновременно с регулированием частоты необходимо осуществлять и регулирование напряжения питания приводного двигателя. То есть, системы управления РУВ и ПЧ АИН должны быть взаимосвязаны. Необходимую взаимосвязь систем управления возможно реализовать при помощи блока логического управления (БЛУ), представляющего собой логическую систему, формирующую сигнал задания напряжения для РУВ и сигнал задания частоты для ПЧ АИН в соответствии с приведенным выше законом управления. БЛУ будет осуществлять так же коррекцию процесса управления в зависимости от сигналов датчиков, организующих требуемые техническим заданием блокировки и защиты.

Рассмотрим подробнее функциональную схему системы управления. Оптимальным способом управления РУВ, очевидно, будет являться раздельное управление вентилями. При раздельном управлении, отпирающие тиристоры РУВ импульсы подаются только на одну группу вентилей, находящуюся в работе, другая группа при этом закрыта. В связи с этим отсутствует необходимость в уравнительных реакторах. Это снижает инерционность тиристорного преобразователя, повышает его быстродействие, а также снижает массогабаритные показатели.

Входной координатой РУВ является сигнал задания напряжения, выходной - выпрямленная ЭДС, определяемая как средняя на интервале проводимости величина в установившемся режиме Ed и в переходных процессах ed.

Функции формирования управляющих импульсов, сдвига по фазе управляющих импульсов, согласования начала фазы управляющего импульса с началом соответствующей фазы сети возлагаются на систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Система управления РУВ кроме СИФУ1 и СИФУ2, управляющих либо выпрямительной группой (ВГ) тиристоров, либо инверторной (ИГ), в зависимости от требуемого режима работы, содержит еще и логическое переключающее устройство (ЛПУ), выполняющее автоматическое переключение работы ВГ и ИГ. ЛПУ в составе системы управления РУВ выполняет следующие функции:

1)      выбор вентильной группы для работы в зависимости от знака управляющего напряжения ∆Uу - разности задающего напряжения и напряжения обратной связи;

)        запрещение открытия неработающей группы при наличии тока в работающей группе;

)        запрещение снятия отпирающих импульсов с работающей группы при протекании в ней тока;

Для реализации перечисленных функций требуется информация о наличии тока в вентильных группах и о знаке управляющего сигнала. Эта информация поступает в ЛПУ с датчиков проводимости вентилей ДПВ1 и ДПВ2.

Очевидно так же и то, что необходимо обеспечить временную паузу перед включением вступающей в работу группы вентилей. Длительность требуемой паузы соответствует времени восстановления запирающих свойств тиристоров, вышедших из работы для исключения появления сквозных цепей протекания сверхтоков. Выходным сигналом ДПВ является импульс, поступающий в СИФУ и разрешающий включение в работу вентилей той или иной группы.

Необходимо отметить то, что при пуске в работу РУВ в цепи фильтра Ф, начнется процесс заряда конденсаторов. Большая емкость конденсаторов обусловит протекание в цепях тиристорного преобразователя сверхтоков, что неминуемо приведет к выходу из строя вентилей. Для ограничения этих токов в цепь фильтра на время заряда конденсаторов необходимо ввести сопротивление. Вывод токоограничивающего сопротивления необходимо осуществить при наличии на выходе фильтра напряжения, равного не менее 70% от установившегося при данном угле управления значения. Контроль за этим значением осуществляет датчик напряжения, выходной сигнал которого подается на регулятор напряжения и на БЛУ. БЛУ в свою очередь формирует сигнал выведения токоограничивающего резистора из цепи фильтра.

Регулирование основной (Ed) и косвенной (Id) выходных координат осуществляется при помощи регуляторов напряжения и тока, выходной сигнал которых должен скорректировать значение угла управления РУВ.

Еще одним необходимым элементом системы управления РУВ является выходной усилительный каскад - блок драйверов (БДр). На него возлагается функция усиления маломощного сигнала управления вентилями РУВ, сформированного СИФУ, до значений требуемых паспортными данными конкретного типа тиристоров. Кроме того, БДр обеспечивает размножение управляющих импульсов по тиристорам и потенциальную развязку СИФУ и силовых вентилей.

Рассмотрим теперь систему управления частотным преобразователем.

Для того, чтобы автономный инвертор частоты обладал свойствами инвертора напряжения, необходимо обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки. При значительном внутреннем сопротивлении РУВ, условие Ud=const может быть обеспечено с помощью сильной отрицательной обратной связи по напряжению. Т. к. полярность Ud не изменяется, то рекуперация энергии из цепи нагрузки в сеть переменного тока возможна только лишь при изменении направления тока Id. Данный факт обосновывает необходимость применения реверсивного выпрямителя.

Схема управления инвертором включает в себя задающий генератор частоты (ЗГЧ), преобразующий аналоговый сигнал управления частотой в колебания прямоугольной формы с частотой ; распределитель импульсов (РИ), преобразующий колебания ЗГ в синхронизированную по частоте и по фазе трехфазную систему импульсов и распределяющий импульсы управления по шести каналам управления транзисторами инвертора; формирователь управляющего импульса (ФИ), формирующий импульс управления транзисторами по длительности и форме; а так же блок драйверов, функции которого были описаны выше.

Поскольку регулирование скорости привода будет осуществляться изменением частоты питающего напряжения, то в системе управления необходимо присутствие регулятора скорости, корректирующего сигнал задания частоты в зависимости от сигнала, поступающего с датчика скорости.

Требуемые техническим заданием блокировки осуществляется при помощи датчиков, сигнал которых поступает в блок логического управления, в свою очередь формирующего требуемые запреты на работу привода.

Анализ наличия токов нулевой последовательности, протекающих в приводном двигателе, производится при помощи датчика тока нулевой последовательности, включенного между общей точкой обмоток приводного двигателя и землей.

Защита от перенапряжения и от сверхтоков осуществляется регуляторами напряжения и тока, имеющими отсечку по максимуму входной величины. Информация о значениях контролируемых величин поступает на регуляторы в качестве сигналов обратных связей по напряжению и по току через датчики напряжения и тока.

Тепловая защита двигателя осуществляется встроенной в статор позисторной группой.

Рассмотрим теперь структурную схему проектируемого привода.

В общем случае, структурная схема привода может быть представлена следующим рисунком.

Рис.1 Структурная схема привода

На рисунке показаны каналы взаимодействия блоков привода. Особый интерес представляет двигатель при частотном регулировании. Покажем, что при частотном регулировании асинхронный двигатель имеет два независимых канала управления. Для этого воспользуемся элементами теории обобщенной электрической машины.

Для анализа запишем уравнения обобщенной машины в осях x,y:

 (1.8)

В общем случае, к обобщенной машине подведена сбалансированная симметричная система напряжений:

 (1.9)

Воспользовавшись фазными преобразованиями, получим реальные переменные трехфазной машины:

 (1.10)

Из (1.10) с учетом того, что двигатель получает питание лишь со стороны статора (двигатель - с короткозамкнутым ротором), получаем:

 (1.11)

По аналогии можно выразить и остальные переменные трехфазной модели:

 (1.12)

Значения токов статора и ротора реальной трехфазной машины получим, используя фазные преобразования:

 (1.13)

Из (1.8) однозначно видно, что момент на валу двигателя определяется потокосцеплениями статора. При этом имеют место два управляющих воздействия:  и U₁.

Для обеспечения необходимых оптимальных процессов при управлении приводным двигателем, между изменениями и U₁ должна возникнуть взаимосвязь - закон частотного управления.

Для простоты рассуждений рассмотрим случай частотного управления, при котором потокосцепление статора остается неизменным во времени: Тогда уравнения (1.8) для статора в векторной форме примут вид:

 (1.14)

Рассмотрим задачу без учета потерь в статоре машины, Это даст некоторую неточность при построении механических характеристик двигателя при частотном регулировании - изменяющийся критический момент, однако характер нагрузки, обозначенной техническим заданием (вентиляторная) позволяет нам сделать это. Итак, примем R₁=0, тогда:

 (1.15)

Если направить вектор напряжения статора  и вектор потокосцепления статора ₁ по вещественной оси x системы координат x,y, то в проекциях получаем:

 (1.16)

Выражение (1.16) представляет собой динамические электромеханическую и механическую характеристики.

С учетом выбора оптимальных параметров машины, можно считать, что двигатель работает на линейном участке характеристики при. При этом:

 (1.17)

Введем в рассмотрение уравнение движения привода:

, (1.18)

где: М и М_с - соответственно электромагнитный и статический моменты двигателя,

J - момент инерции двигателя,

Р_п - число пар полюсов приводного двигателя.

Введем в рассмотрение также базовые величины:

 - номинальная частота вращения двигателя,

 - номинальное потокосцепление статора,

 - действующее значение тока короткого замыкания ротора,

 - момент короткого замыкания двигателя.

Обозначим:

 - электромеханическая постоянная времени,

 - электромагнитная постоянная времени.

С учетом вышеприведенных обозначений, из выражений (1.16) и (1.18) получим линеаризованные уравнения динамической механической и электромеханической характеристик приводного двигателя:

 (1.19)

На основании этих уравнений составлена линеаризованная структурная схема приводного двигателя для одномассовой системы.

Перейдем к рассмотрению блока преобразователей.

Тиристорный преобразователь может рассматриваться как нелинейное звено с запаздыванием. Тиристор представляет собой неполностью управляемый ключ. Если тиристор находится в рабочем режиме, то воздействовать на него практически невозможно до прекращения в нем тока. Управляющее воздействие может быть оказано только лишь на следующий ключ, который должен вступить в действие по прошествии времени, равного длительности функционирования одного ключа, которому соответствует угол . Таким образом, неизбежно запаздывание, которое может измениться в пределах, соответствующих углам 0-. Чем меньше число фаз m, тем запаздывание будет больше. При частоте сети 50Гц и числе фаз, равном трем, запаздывание составляет 0,0066 с. Фактически, запаздывание будет зависеть от момента подачи управляющего импульса. Несколько больше запаздывание может быть при переходе из инверторного режима в двигательный.

Система импульсно-фазового управления вносит существенные фазовые сдвиги величины угла управления  относительно управляющего напряжения. Эти сдвиги определяются инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. С учетом инерционности СИФУ, передаточная функция тиристорного преобразователя напряжения принимает вид:

 (1.20)

К_ТП - переменный передаточный коэффициент, зависящий от угла регулирования и нагрузки преобразователя,

Т =0,0066 - запаздывание,

Т_ТП - постоянная времени СИФУ.

Частотный преобразователь в составе силового канала привода может рассматриваться, как безынерционное звено. Его передаточная функция имеет вид: К_ЧП. К_ЧП - переменный передаточный коэффициент, зависящий от задающего сигнала.

По-другому дело обстоит с системой управления преобразователем частоты.

В качестве задающего генератора используются генераторы прямоугольных колебаний. В функциональном отношении ЗГ может рассматриваться как безынерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффициентом:

К_ЗГ = f_ЗГ / U_Уf (1.21)

Возникая в каждый полупериод задающего генератора, импульсы передаются поочередно на выходные каналы 1,2,3,4,5,6.В результате импульсы следуют в каждом отдельном канале с частотой . Таким образом, относительно каждого выходного канала РИ оказывается делителем частоты с передаточным коэффициентом К_РИ = f_РИ / f_ЗГ = 1 / 3.

Полученные синхронизирующие импульсы усиливаются и расширяются с помощью формирователя импульсов ФИ, т. е. приобретают параметры, необходимые для надежного открывания

транзисторов инвертора. Функционально формирователь управляющих импульсов представляет собой усилительное звено с передаточным коэффициентом (коэффициентом усиления) К_ФИ.

В целом система управления инвертором представляет собой безынерционное звено с результирующим передаточным коэффициентом

К = f_n / U_Уf = К_ЗГ К_РИ К_ФИ = К_ЗГ К_ФИ / 3 (1.22)

С учетом выведенной передаточной функции системы управления инвертором, передаточная функция преобразователя частоты примет вид:

 (1.23)

Инерционность преобразователя частоты реально имеет место, но поскольку постоянная времени много меньше постоянной времени тиристорного преобразователя, то учет ее необходим лишь при рассмотрении быстродействующих систем, у которых частота среза довольно велика.

Расчет регуляторов тока и напряжения довольно затруднителен ввиду того, что при частотном управлении в режимах пуска, торможения и длительном режиме работы, они должны иметь различную структуру. Поэтому, расчет регуляторов произведем исключительно для длительного режима работы.

Определим структуру датчика скорости. Для этого определим передаточную функцию объекта компенсации контура скорости. Объект компенсации контура скорости включает в себя: частотный преобразователь с его системой управления, электромагнитную часть двигателя, механическую часть двигателя и датчик скорости, представленный тахогенератором:

 (1.24)

где: К_ДС - передаточный коэффициент датчика скорости,

Т_ДС - постоянная времени датчика скорости, обусловленная наличием фильтра и потенциальной развязки.

Настройку регулятора скорости произведем на модульный оптимум. Вид желаемой передаточной функции контура скорости при этом:

 (1.25)

где:  - постоянная времени контура скорости, подлежащая компенсации;, Передаточную функцию регулятора скорости найдем из соотношения W_ЖКС / W_ОККС.

Полученная структура регулятора соответствует пропорционально - интегро-дифференциальному регулятору.

Передаточную функцию регулятора тока найдем аналогично.

 (1.26)

Вид желаемой передаточной функции:

 (1.27)

где:  - малая постоянная времени контура тока; ,

 (1.28)

Поскольку для современных тиристорных преобразователей время запаздывания СИФУ мала и составляет примерно 0,0066 с, ее можно не учитывать и принять равной 0. Тогда передаточная функция регулятора тока будет приведена к виду:

 (1.29)

Полученный регулятор имеет структуру пропорционально - интегрального.

Для нахождения передаточной функции регулятора напряжения, свернем контур тока и найдем его передаточную функцию при замкнутой обратной связи.

Примем ранее обоснованное допущение: , тогда получаем выражение для объекта компенсации контура напряжения:

 (1.30)

В данном случае малой постоянной времени контура является постоянная преобразователя Т_ТП.

Желаемая передаточная функция:

 (1.31)

где:  - малая постоянная времени контура напряжения; .

Передаточная функция регулятора напряжения:

 (1.32)

Структурная схема привода представлена в графической части проекта.

2. Расчетная часть

.1 Разработка и описание принципиальной электросхемы и конструкции блока, определенного техническим заданием

В соответствии с техническим заданием, разработке в ходе выполнения курсового проекта подлежат датчик состояния (проводимости) вентилей силового преобразователя напряжения и задающее генераторное устройство для преобразователя частоты.

Функциональной нагрузкой датчика проводимости вентилей является определение в каждый момент времени наличия тока в вентильной группе. Принцип действия датчика таков, что он реагирует на состояние вентилей VS1, VS3, VS5 - проводящее или непроводящее. Если тиристоры VS1, VS3, VS5 заперты, то мостовая вентильная группа не проводит ток, а вентильные мосты V1, V2, V3, напротив, пропускают ток через диоды оптопар V4, V5, V6. Этот ток обусловлен трехфазным напряжением питания вентильной группы силового преобразователя и ограничен сопротивлением резисторов R1, R2, R3. Оптопары пропускают ток от источника с напряжением +15В через резистор R4, при этом напряжение на базе транзистора VT1 близко к нулю и транзисторы VT1, VT2 заперты. Выходное напряжение максимально и соответствует логической единице. Если хотя бы один из тиристоров VS1, VS3, VS5 проводит ток, то соответствующая цепь, состоящая из резистора и однофазного моста, оказывается замкнутой накоротко. Ток через диод оптопары обращается в нуль, и оптопара запирается, в результате чего ток через резистор R4 не проходит. На базе транзистора VT1 появляется большое положительное напряжение, переводящее VT1 в режим насыщения. Падение напряжения на резисторе R6 полностью открывает транзистор VT2, и выходное напряжение приобретает минимальное значение, близкое к нулю и соответствующее логическому нулю.

Схема электрическая принципиальная дискретного датчика проводимости вентилей силового преобразователя приведена в графической части курсового проекта.

Произведем выбор элементной базы разрабатываемого датчика.

В качестве оптоключа выбираем оптопару АОУ 103А (ОСТ 11.336.919 - 81):

. прямое напряжение входа, U_П.В = 50 (В),

. максимальное обратное напряжение входа, U_О.В =200 (В),

. номинальный входной ток включения, I_В = 0,02 (А),

. выходной ток, I_ВЫХ = 0,055 (А).

 (Ом).

При этом мощность рассеяния резисторов R1 - R3 составляет:

 (Вт).

Исходя из расчетов, выбираем R1 - R3: ТВП-4-5-11кОМ2% В (ряд Е24).

Диодные мосты реализуем на базе выпрямительных диодов, выбор которых может быть осуществлен исходя из условий:

. ,

2. .

Выбираем диоды VD1 - VD12: КД 105Д (ТУ16 - 729.192 - 81):

. = 600 (В),

.  = 300 (мА).

Выбор величины сопротивления R4 осуществим исходя из соображений, что его назначением является ограничение тока, протекающего через элементы оптопары. Величина тока не должна превышать I_ВЫХ =0,055 (А). Значение сопротивления R4 найдем из соотношения:

 (Ом).

Мощность рассеяния при этом составляет:

 (Вт).

Исходя из расчетов, выбираем R4: МЛТ-4-1-300Ом5% В (ряд Е24).

Выбираем транзисторы VT1,VT2: КТ 502Б (аАО.336.183 ТУ):

1.       U_{КОЛЛЕКТОР-ЭММИТЕР} = 200 (В),

2.       I_{КОЛЛЕКТОР} = 300 (мА).

Величину сопротивления R5 найдем из соотношения:

 (Ом).

Мощность рассеяния при этом составляет:

 (Вт).

Исходя из расчетов, выбираем R5: ТВО-3-5-50Ом2% В (ряд Е24).

Величина сопротивления R6 может быть найдена исходя из соображений, что напряжение на выходе датчика проводимости вентилей должна соответствовать уровню логической единицы - 4,5 (В).

 (Ом).

Исходя из расчетов, выбираем R6: С2-1-0,5Ом0,2% В (прецизионный ряд).

Рассмотрим теперь возможную реализацию задающего генераторного устройства для преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения.

Генератор прямоугольных колебаний может быть реализован на базе операционного усилителя с обратными связями.

Управляющее напряжение подается на вход схемы через резистивный делитель напряжения R1,R2. Сопротивления делителя подобраны таким образом, чтобы коэффициент усиления был равен единице. На выходе микросхемы DA1 формируется сигнал уровня, определяемого уровнем напряжения задания. Начинается заряд конденсатора C3 через резистор R₄. На выходе микросхемы DA2 формируется возрастающий сигнал. Нарастание уровня сигнала на выходе DA2 будет происходить до уровня U_огр, задаваемого в цепи ПОС. По достижении сигналом на выходе DA2 уровня ограничения (+5В). По достижении сигналом на выходе DA2 уровня ограничения, цепь ПОС обеспечит снижение уровня сигнала на выходе DA2. Конденсатор С3 начинает разряжаться. Необходимая крутизна фронтов сгенерированных импульсов обеспечивается компаратором DA4.

В итоге на выходе схемы генерируются прямоугольные импульсы с частотой f_и:

 (2.1)

Рассчитаем и произведем выбор элементной базы ЗГУ.

Зададимся уровнями напряжения управления:

(В) - максимальное значение управляющего напряжения, соответствующая частоте импульсов на выходе схемы 150 (Гц), обеспечивающей вращение двигателя с номинальной скоростью.

 (В) - минимальное значение управляющего напряжения, соответствующая частоте импульсов на выходе схемы 15 (Гц), обеспечивающей вращение двигателя с минимальной скоростью, соответствующей заданному диапазону регулирования 10.

U_ОГР = 5 (В) - напряжение ограничения.

С учетом того, что коэффициент усиления микросхемы DA1 должен быть равен 1, возможно определить соотношение сопротивлений R₂,R₃:

Для соотношения (2.1) можно записать:

.

Зададимся значением емкости С3: С3= (Ф), тогда:

 (Ом).

Ввиду того, что токи, протекающие через сопротивления схемы малы и составляют порядка миллиампер, а так же с учетом того, что рабочие напряжения схемы малы, выбор элементов схемы будем вести лишь по номинальным параметрам.

Зададимся требуемой мощностью рассеяния резисторов 0,125 (Вт).

Выбираем сопротивления:

R₂,R₃=R₅,R₆ - МЛТ-4-0,125-1Ом0,02% В.

R₄ - МЛТ-4-0,125-13кОм5% В.

Выбираем конденсатор С₃: КСА-2-10-65В-1мкФ 2%-В.

Схема реализована на базе операционного усилителя (микросхемы DA1 -DA3) К553УД2:

U_{ПИТАНИЯ}= (В),

U_ВЫХОДА=10 (В),

R_ВХОДА=300 (кОм),

R_ВЫХОДА=300 (кОм).

Компаратор DA4: К554СА2

U_{ПИТАНИЯ}= (В),

 (нс),

 (В).

2.2 Расчет и выбор элементов электропривода

Условия выбора магнитного пускателя КМ2:

. U_{НОМ .} =U_У,

где: U_НОМ.-номинальное напряжение катушки аппарата;

U_У-номинальное напряжение цепи управления; U_У= 220 (В).

. I_НОМ.>= I_{НОМ НАГР.},

где: I_НОМ. - номинальный ток контактов аппарата;_{НОМ НАГР} - номинальный ток нагрузки; I_{НОМ НАГР} =3.6 (А).

. U_{НОМ КОНТ.}>=U_СЕТИ,

где: U_{НОМКОНТ.}-номинальное напряжение контактов аппарата;_СЕТИ-линейное напряжение силовой сети (380 В).

Выбираем магнитный пускатель КМ2: ПМЛ 2210 ( ТУ 16-523.554-82).

Параметры магнитного пускателя ПМЛ 2210:

U_НОМ =220 В;

I_НОМ=16 А;_{НОМ КОНТ}=380 В;

номинальное напряжение по изоляции: 660 (В);

мощность включения катушки: 200 (ВА);

мощность удержания катушки: 20 (ВА);

механическая износостойкость: 16 млн. циклов при 3600 вкл/ч:

коммутационная износостойкость: 1 млн. циклов при 1200 вкл/ч

Выбор вводного автоматического выключателя QF1 осуществим исходя из условий:

1.

.

.

Выбираем автоматический выключатель АЕ2023 10054У2А (ТУ 16-522.064-82) со следующими характеристиками:

Количество максимальных электромагнитных расцепителей - 3.

Износостойкость: количество циклов включения 100000; при токе расцепителей 63000.

Выбор тиристоров выпрямителя осуществим исходя из условий:

.

.

где:  - требуемая величина тока тиристора, (А).

I_dH = 3,6 (А) - номинальный ток нагрузки,

К_Зi = 2,5 - коэффициент запаса по току, учитывающий пусковой ток двигателя,

m = 3 - число фаз,

К_ОХЛ = 2,5 - коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

;

 - расчетное напряжение тиристора, (В).

К_ЗU = 1,5 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные перенапряжения на тиристоре.

U_{ОБР.МАКС} = (В) - максимальное значение напряжения, прямого и обратного.

U_ТР = 465,3 (В).

Выбираем тиристор со следующими параметрами:

наименование - Т112-10-7 (ГОСТ 14.069-72),

максимальный ток - 10 (А),

номинальное напряжение - 700 (В).

Выбор транзисторов частотного преобразователя осуществим исходя из условий:

. ,

. ,

где:  - значение выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя при нулевом угле управления с учетом падений напряжений в контурах нагрузки.

Выбираем транзистор со следующими параметрами:

наименование: КТ828Б, (аАО.336.183 ТУ)

номинальное напряжение коллектор - эммитер 600 (В),

номинальный ток коллектора 5 (А).

Расчет величин сопротивления и емкости RC - цепей защиты тиристоров от перенапряжения.

Выбор конденсаторов осуществляем по следующим параметрам:

1. C_нС;

. U_нU_обр.max.

Расчет емкости конденсатора производим по формуле:

где: I_H-действующее значение тока через вентиль; I_H=3,6 (А).

U_Н-действующее значение линейного напряжения; (В).

Выбираем конденсаторы С1-С12 следующего типа: МБГП-0,5мкФ-1000В.

Резистор вместе с конденсатором служит для защиты тиристоров от коммутационных пере напряжений.

Выбор резисторов:

1.       P_нP_РАС

2.       R_нR_{РАСЧЕТНОЕ}=120 Ом.

Расчетная мощность рассеяния сопротивления будет равна:

,

где: I_R - ток, который будет протекать через резистор при максимальном напряжении, приложенном к RC-цепочке.

 (Вт).

Выбираем резисторы R1-R12: МЛТ-1-120 Ом 5%.

Конденсаторы фильтра могут быть выбраны на основании практических руководств, сове- тающих на каждый киловатт мощности нагрузки ставить100мкФ емкости.

Выбираем: С14, С15 - К50-19-10-600В-200мкФ5%-В.

Выбор резистора R13 осуществим исходя из следующих условий:

 (Ом).

Поскольку время включения резистора R13 мало, то выбор можно вести только по номиналу сопротивления и по рабочему напряжению с учетом того, что мощность рассеяния резистора весьма велика. Выбираем резистор R13: ТВО-3-2000-100Ом5% В (ряд Е24).

Выбор магнитного пускателя КМ1 осуществим исходя из условий:

1.       U_{НОМ .} =U_У

. I_НОМ.>= I_{НОМ НАГР},

где: I_НОМ.-номинальный ток контактов аппарата;

. U_{НОМ КОНТ.}>=E_d0,

Е_d0-линейное напряжение силовой сети (586 В).

Выбираем контактор КМ1: КТ 6014 ТУ 16-523.554-82.

Параметры контактора КТ 6014:

U_НОМ =220 В;

I_НОМ=60 А;

·   U_{НОМ КОНТ}=660 В;

·   номинальный ток вспомогательной цепи: (12А);

·   номинальное напряжение по изоляции: 660 (В);

·   мощность включения катушки: 200 (ВА);

·   мощность удержания катушки: 20 (ВА);

·   механическая износостойкость: 16 млн. циклов при 3600 вкл/ч:

коммутационная износостойкость: 1 млн. циклов при 1200 вкл/ч

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта последовательно были пройдены все этапы проектирования защит и автоматического управления электроприводом как электромеханической системой. Были рассмотрены варианты применения изученных в теоретическом курсе элементов автоматизированного электропривода в рамках решения поставленной технической задачи.

Итогом выполнения проекта стала работоспособная система, обеспечивающая выполнение всех требуемых технологией процессов.

Список использованной литературы

1.       Парфенович О. Н. Элементы автоматизированного электропривода. Методические

указания к курсовому проектированию. Могилев, ММИ,1996 г.-10 с.

.        Единый стандарт конструкторской документации. Справочное пособие. Изд. 3-е

переработанное и дополненное. Мн. Издательство стандартов,1990 г.-225 с.

.        Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат, 2000-496 с.

.        Терехов В. М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г.- 224 с.

.        Справочник по проектированию автоматизированного электропривода. Под ред. Елесеева В. А., Шинянский В. Ф. М.: Высшая школа, 1988 г.-406 с.

.        Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чиженко. Киев: Техника. 1978 г. - 400 с.

.        Яльвет Дж. Датчики в системах управления электроприводами: Пер. с англ. Под ред. А. С. Яроменка. М.: Энергоатомиздат,1998 г. - 360 с.