Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО "Татнефть"

(2.2)

Значение параметров схемы замещения в именованных единицах определяются по формулам:

, (2.3)

(2.4)

где x, r - сопротивление, Ом

X, R - сопротивление, отн. ед.

Результаты расчета сопротивлений в именованных единицах представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Параметры схемы замещения в именованных единицах

Параметры	Хм	В номинальном режиме	При коротком замыкании
		Статора	Ротора
		R1	X1	R2	X2	R2п	Rкп	X2
Сопротивление в Ом	59,28	1,64	1,95	1,31	3,46	1,43	3,21	3,71

В силовую часть электропривода входят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и комплектный преобразователь частоты.

Условием выбора преобразователя частоты является соответствие номинального напряжения и тока тиристорного преобразователя номинальным параметрам двигателя, т.е.

UТПном > U1ном, IТПном > I1ном.

Для питания двигателя выбран комплектный электропривод типа АТО4 5,5 (рисунок 2.2.1). Данный преобразователь является тиристорным электроприводом с автономным инвертором напряжения.

Параметры тиристорного преобразователя представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Данные комплектного электропривода АТО4 5,5

Наименование	Размерность	Значение
Напряжение питающей сети, Ucном	В	380
Частота питающей сети, fном	Гц	50±2%
Число фаз, m	-	3
Номинальное напряжение выходное, линейное U1	В	0±380, ±2%
Номинальный ток, I1	А	11
Выходная частота, f1	Гц	0±400, ±0,05%
Ток перегрузки, Iдоп	%	150
Длительность перегрузки, t	с	60

Электропривод АТО4 5,5 предназначен для высокодинамичных электроприводов механизмов с высокими требованиями к регулированию параметров при четырехквадрантном управлении.

Рис. 2.1 Комплектный электропривод АТО4 5,5

B - силовой полууправляемый выпрямитель

ФС - силовой LC-фильтр звена постоянного напряжения;

ТК - тиристорный ключ реостатного торможения (тормозной ключ);

БТР - блок тормозного резистора.

АД ? асинхронный электродвигатель;

ИП ??источник питания (конвертор);

ДН ??датчик напряжения;

ФИ ??формирователь управляющих сигналов тиристоров (драйвер);

МК ? ?микропроцессорный контроллер.

Силовой канал В?ФС?АИН осуществляет двухступенчатое преобразование электрической энергии ??выпрямление сетевого напряжения с помощью нерегулируемого выпрямителя В и последующее инвертирование выпрямленного постоянного по величине напряжения посредством автономного инвертора напряжения АИН. Алгоритм ШИМ обеспечивает взаимосвязанное регулирование частоты F и величины U выходного напряжения по заданному закону, а также формирует синусоидальную форму кривой тока приводного АД.

Для реализации режима динамического (реостатного) торможения в звено постоянного тока электропривода включён тормозной тиристорный (IGBT), ключ ТК и внешний блок тормозного резистора БТР. Датчики тока ДТ и напряжения ДН в силовом канале электропривода служат для контроля, регулирования и измерения электрических параметров электропривода, в т.ч. для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимых отклонений напряжения.

Многоканальный источник питания ИП преобразует сетевое переменное напряжение или выпрямленное напряжение звена постоянного тока в систему напряжений постоянного тока требуемых уровней и степени стабильности, гальванически связанных и не связанных между собой, для питания устройств управления.

Микропроцессорный контроллер МК осуществляет формирование режимов работы электропривода с заданными параметрами с помощью сигналов управления: сигналов ШИМ - управления тиристорами АИН, сигналов защиты и аварийного отключения электропривода, приёма и передачи внешних управляющих, задающих и информационных сигналов.

2.3 Расчет и выбор элементов выходного фильтра

На выходе с автономного инвертора напряжения расположен фильтр. Наиболее распространенным видом выходного фильтра является LC - фильтр. Основным требованием, предъявляемым к фильтру, является обеспечение заданного коэффициента гармоник переменного напряжения в стационарном режиме.

Индуктивность фильтра определяется по формуле:

(2.5)

где Емакс - максимальное напряжение источника постоянного напряжения, В. В данном случае это напряжение в звене постоянного тока с учетом возможного превышения напряжения сети на 10%.

(2.6)

fк - несущая частота, так называемая коммутации ШИМ.

В электроприводе типа АТО несущая частота меняется программно. В данном случае fк=8 кГц. Предельная частота ограничена допустимой частотой переключения тиристоров, она составляет 10 кГц. Численное значение индуктивности фильтра определится:

(2.7)

К установке принимает реактор типа РТСТ - 20,5-2,02У3, параметры которого приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5 Техническая характеристика реактора РТСТ - 20,5-2,02У3

Наименование	Размерность	Значение
Номинальное линейное напряжение питающей сети, Uсном	В	410
Номинальный фазный ток, I1ном	А	20,5
Номинальная индуктивность фазы, Lр	мГн	2,02
Активное сопротивление обмотки, Rp	мОм	265

Емкость фильтра определится по формуле:

(2.8)

где Тк - период несущей частоты, с;

(2.9)

kr - коэффициент высших гармоник; kr=0,05;

Численное значение емкости фильтра:

(2.10)

К установке принимается конденсатор типа МБГО-1-400В-2,4мкФ±1_%. Дроссели включают в каждую фазу, последовательно с асинхронным двигателем, а конденсаторы соединяют в треугольник и включают параллельно двигателю. Соответственно конденсаторы существенно не влияют на общее сопротивление статорной цепи, поэтому сопротивлением фильтра при расчетах можно пренебречь.

2.4 Расчет и выбор элементов сглаживающего фильтра

Сглаживающие дроссели устанавливаются в звене постоянного тока низковольтных агрегатов и служат для снижения переменной составляющей тока через конденсаторы фильтра и уменьшения зоны прерывистых токов при работе электропривода. Конденсатор предназначен для замыкания реактивной составляющей тока статора.

Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:

(2.11)

где qвх - коэффициент пульсаций на входе фильтра;

qвых ??коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01…0,1; выберем qвых=0,01.

Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле:

(2.12)

где n - число пульсаций выпрямителя; для трехфазной мостовой схемы n=6;

a-----угол управления вентилей выпрямителя; ?=0?, так как напряжение регулируется в АИН.

(2.13)

Численное значение коэффициента сглаживания:

Емкость фильтра принимается из расчета 100 мкФ на 1 кВт мощности двигателя. Расчетная мощность фильтра определится:

(2.14)

К установке выбирается конденсатор типа МБГО-1-400 В-390мкФ±1_%.

Индуктивность фильтра определяется по формуле:

 (2.15)

(2.16)

К установке принимает реактор типа ФРОС-250/0,5У3 параметры, которого представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 Техническая характеристика реактора ФРОС- 250/0,5У3

Наименование	Размерность	Значение
Номинальный постоянный ток, I1ном	А	320
Номинальная индуктивность фазы, Lр	мГн	4,2
Активное сопротивление обмотки, Rp	мОм	11,5

Разработка структурной схемы силовой части.

Силовая часть электропривода состоит из преобразователя частоты и электродвигателя. Структурная схема силовой части представлена на рисунке 2.1

Рис. 2.1 Структурная схема силовой части электропривода

Динамические свойства преобразователя частоты совместно с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно учтены апериодическим звеном с передаточной функцией:

(2.17)

где KПЧ ??эквивалентный передаточный коэффициент преобразователя.

(2.18)

где Udмакс ??номинальное фазное напряжение на выходе преобразователя, В; Uупр макс ??максимальное напряжение системы управления, В.

Численное значение коэффициента передачи преобразователя частоты:

ТТЧ ??эквивалентная постоянная времени преобразователя, с. Она складывается из времени задержки включения ШИМ и времени, затрачиваемого процессором на преобразование и вычисление сигналов (Тпр=1 мс).

Время задержки ШИМ определится:

(2.19)

Численное значение постоянной времени преобразователя:

(2.20)

Электродвигатель представляется передаточными функциями электромагнитной и механической частей, представленных апериодическим и интегрирующим звеньями, соединенными последовательно.

Электромагнитная часть представляет из себя передаточную функцию от напряжения статора к току статора:

 (2.21)

где R????суммарное сопротивление двигателя определяется по формуле:

(2.22)

здесь Rф2 ??активное сопротивление выходного фильтра на выходе АИН, Ом;

R1 ??активное сопротивление обмотки статора, Ом;

R2 ??приведенное активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

k2 ??коэффициент электромагнитной связи ротора.

Взаимная индуктивность асинхронного двигателя определится:

(2.23)

Индуктивность рассеяния статора:

(2.24)

Полная индуктивность фазы статора:

(2.25)

Индуктивность рассеяния ротора:

(2.26)

Полная индуктивность фазы ротора:

(2.27)

Индуктивность рассеяния асинхронного двигателя:

(2.28)

или по приближенной формуле

(2.29)

В дальнейших расчетах L ??0,0071 Гн.

Коэффициент электромагнитной связи ротора определяется по формуле:

(2.30)

Численное значение суммарного сопротивления двигателя определится:

Электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя определяется по формуле:

 (2.31)

Электромагнитный момент двигателя формируется на основании уравнения:

(2.32)

где рп ??число пар полюсов обмотки статора, рп=2.

Механическая часть асинхронного двигателя представляется интегрирующим звеном с передаточной функцией:

Структурная схема силовой части системы ПЧ -АД смоделирована в программе Simulink. Вид модели представлен на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 Структурная схема электропривода в числовом виде

Рис. 2.3 Схема исследования по задающему воздействию

Момент статической нагрузки Мс=26,7 Н·м соответствует номинальному моменту двигателя, который определятся:

(2.33)

Рис. 2.4?Переходная характеристика по задающему воздействию

Переходная характеристика характеризует силовую часть электропривода как апериодическое звено с коэффициентом усиления K=21,9.Время переходного процесса в системе равно tпп.зад=0,415 с.

Рис. 2.5 ?Частотные характеристики по задающему воздействию

Частотные характеристики показывают, что система является статической, так как наклон низкочастотной части ЛАХЧ нулевой.

Система:

??обладает достаточным быстродействием, частота среза ?ср=190 рад/с;

??устойчива с запасом по фазе 59,8 ??и запасом по амплитуде 16,8 дБ.

Исследование влияния возмущения - статической нагрузки на силовую часть системы ПЧ - АД осуществляется в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 2.4.6. Отличие от схемы, изображенной на рисунке 2.4.3 состоит в местах расположения контрольных точек Input и Output .

Результаты исследования системы представлены на рисунках 2.7 и 2.8.

Рис. 2.6 Схема исследования по возмущающему воздействию

Рис. 2.7 ?Переходная характеристика по возмущающему воздействию

Система ПЧ-АД обладает низким быстродействием (время переходного

процесса tпп.возм=0,412 с). Время переходного процесса скорости при единичном скачке задающего сигнала (tпп.зад=0,415 с) почти не отличается от времени переходного процесса при наличии возмущения. Причем низкое быстродействие системы связано с достаточно большим моментом инерции. Поэтому и коэффициент усиления в системе низкий.

 (2.34)

Рис. 2.8 Частотные характеристики по возмущающему воздействию

3. Специальная часть проекта

3.1 Особенности ПЧ основанных на IGBT-транзисторах

Преобразователь построен по принципу двухзвенного преобразования энергии с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. Функциональная схема преобразователя представлен на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Функциональная схема преобразователя

Силовая часть преобразователя включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель (входной выпрямитель), звено постоянного тока (звено ПТ), трехфазный мостовой инвертор (инвертор) и блок торможения. Входной выпрямитель включает в себя цепь предварительного заряда емкостей звена постоянного тока, обеспечивающую ограничение тока заряда и плавное нарастание напряжения на конденсаторах. В преобразователях мощностью 5,5-37кВт входной выпрямитель является неуправляемым, при этом отключение звена постоянного тока преобразователя осуществляется с помощью встроенного электромагнитного реле. В преобразователях мощностью 45-90кВт входной выпрямитель является полууправляемым и выполняет функцию отключения звена постоянного тока преобразователя.

Звено постоянного тока представляет собой емкостной фильтр, служащий источником постоянного напряжения для инвертора. Для уменьшения пульсаций тока в звене постоянного тока и снижения гармонических составляющих тока как в обмотках двигателя, так и потребляемого из сети рекомендуется использование внешнего дросселя постоянного тока, подключаемого к клеммам L1 и L2 преобразователя. При отсутствии дросселя постоянного тока клеммы L1 и L2 соединяются перемычкой, поставляемой в комплекте с преобразователем.

Инвертор, построенный на IGBT-транзисторах, преобразует напряжение звена постоянного тока в переменное напряжение заданной частоты и амплитуды. Блок торможения представляет собой встроенный ключ управления внешним тормозным резистором, подключаемым к клеммам В1 и В2 преобразователя и предназначен для реализации режима динамического торможения двигателя (при необходимости реализации высоких темпов торможения).

Драйверы силовых ключей входного выпрямителя и инвертора обеспечивают управление соответственно тиристорами и затворами IGBT, формируют сигналы защит, а также осуществляют гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. В преобразователях мощностью 5,5-37кВт драйвера силовых ключей входного выпрямителя отсутствуют.

Система датчиков преобразователя включает в себя датчики напряжения на входе и в звене постоянного тока преобразователя, датчики выходного тока, а также датчик температуры силовой части преобразователя. Источник питания обеспечивает формирование питающих напряжений, необходимых для работы преобразователя. Также имеется гальванически развязанный канал питания 24В (250мА) для питания внешних устройств, подключаемых к интерфейсному модулю. Контроллер управления управляет согласованной работой всех модулей преобразователя и реализует большинство защитных и сервисных функций. Контроллер расширений включает в себя набор средств взаимодействия с внешними управляющими устройствами. В состав контроллера расширений входят:

* 3 аналоговых выхода (4.20мА) с индивидуальной гальванической развязкой, предназначенные для мониторинга параметров электропривода. Функциональное назначение каждого выхода может быть определено пользователем.

* 2 аналоговых входа (0.20мА или 0.10В) с индивидуальной гальванической развязкой, один из которых предназначен для подключения задатчика уставки и датчика технологического параметра;

* 8 дискретных входов типа "сухой контакт" с групповой гальванической развязкой, для приема управляющих сигналов от устройств автоматики. Функциональное назначение каждого дискретного входа может быть определено пользователем.

* 3 релейных выхода (~250VAC, 3A или 30VDC, 3A), имеющие нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. Функциональное назначение выходов:

- работа/останов;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6