Вибір тиристорного перетворювача і силового обладнання

Визначення параметрів електродвигуна

За заданими типом двигуна, його потужністю Р_Н, напругою на якорі U_ЯН, номінальною швидкістю обертання валу n_Н зі справочника [1] виписуємо загальні данні та обмоточні параметри двигуна:

· тип двигуна: ПБК 285/95

· номінальна потужність: Р_Н = 2950 кВт

· номінальна напруга якірного кола: U_ЯН = 900 В

· номінальна частота обертання: n_Н = 60 хв^-1

Загальні данні:

· номінальний момент: М_Н = 48 Т×м

· номінальний струм якірного кола: І_ЯН = 3580 А

· номінальна напруга обмотки збудження: U_ЗН = 100 В

· номінальний струм обмотки збудження: І_ЗН = 179 А

· перевантажувальна здатність: М_макс/М_н = 2,25

· маховий момент двигуна: GD_я² = 150 Т×м²

Обмоточні параметри двигуна:

1) обмотка якоря:

· число полюсів: 2р = 14

· число витків на полюс: w_ОЯ = 76,5

· величина опору за температури 15 °С: R_ОЯ15°С = 0,00762 Ом

2) паралельна обмотка:

· число полюсів: 2р = 14

· число витків на полюс: w_ОЗ = 52

· величина опору за температури 15 °С: R_ОЗ15°С = 6,415 Ом

3) додаткові полюса:

· число витків на полюс: w_ДП = 3

· величина опору за температури 15 °С: R_ДП15°С = 0,00164 Ом

4) компенсаційна обмотка:

· число витків на полюс: w_КО = 4

· величина опору за температури 15 °С: R_КО15°С = 0,00451 Ом

Вибір тиристорного перетворювача і силового обладнання

3.1 Вибір тиристорного перетворювача

Для вибору тиристорного перетворювача, необхідно визначитись з його номінальним випрямленим струмом та напругою, для цього використовуємо справочник [2, ст. 14]:

ІdН ³ ІЯН = 3580 А

(3.1)

UdН ³ (1,05¸1,15)×UЯН = (1,05¸1,15)×900 В

(3.2)

Отже, обрано електропривод КТЭУ-4000/930-1331313-200Т-УХЛ4. Його параметри:

· номінальний випрямлений струм: І_dН = 4000 А

· номінальна напруга: U_dН = 930 В

· кількість двигунів: однодвигунний

· режим роботи: реверсивний, зі зміною полярності напруги на якорі

· силова схема ТП: 6-пульсна мостова схема

· основний регульований параметр: швидкість, однозонне регулювання

· склад силової комутаційної апаратури: з лінійним контактором

· охолодження: індивідуальне, з забором повітря з навколишнього середовища

· вивід шин вентильних секцій: шини змінного струму виведено вгору, шини постійного струму виведено вниз

· номінальний струм збудження збуджувача: І_З = 200 А (бо І_ЗН = 179 А)

· виконання збуджувача: реакторне живлення (460 В)

· кліматичне виконання: УХЛ4 (експлуатація в районах з помірним і холодним кліматом)

Номінальна випрямлена напруга збуджувача при реакторному живленні збуджувача (виходить, що U_dном = 460 В) забезпечує запас на форсування a » 4, бо U_ЗН = 100 В.

В літературі [2, ст. 26] наведено схему силової частини електроприводу КТЭУ. Рекомендовано для І_dН = 4 кА вибирати число лінійних контакторів (КМ) рівним двом.

Рисунок 3.1 – Силова частина однодвигунного електроприводу серії КТЭУ потужністю 1000 – 5000 кВт

3.2 Вибір трансформатора та реактора

Для якірного кола обираємо масляний трансформатор [2, ст. 262, 281]:

· тип трансформатора: ТМП-6300/10У2

· мережева обмотка: S_Н = 5090 кВ×А, U_Н = 6 кВ

· вентильна обмотка: U_Н = 900 В, І_Н = 3270 А

· перетворювач: U_Н = 1050 В, І_Н = 4000 А

· втрати: DР_НХ = 9400 Вт, DР_КЗ = 30000 Вт

· напруга короткого замикання: U_К% = 6,8 %

· струм неробочого ходу: І_НХ% = 1 %

Для тиристорного збуджувача обираємо реактор [2, ст. 304]:

· тип реактору: РТСТ-165-0,25УЗ

· номінальна лінійна напруга мережі: U_ЛН = 410 В

· номінальний фазний струм: І_ФН = 165 А

· номінальна індуктивність фази: L_ФРН = 0,25 мГн

· активний опір обмотки: R_РН = 13 мОм

3.3 Вибір автоматичних вимикачів

З таблиці 2.5 [2, ст. 52] вибираємо вимикач для сторони постійного струму (для якірного кола, за даними перетворювача U_Н = 930 В, І_Н = 4000 А):

· тип вимикача: ВАТ-42-6300/10-Л-У4

· номінальний струм: І_Н = 4000 А

· номінальна напруга: U_Н = 930 В

· кількість вимикачів: один

З таблиці 2.2 [2, ст. 52] вибираємо вимикач для сторони змінного струму (для тиристорного збуджувача, за його номінальним струмом І_Н = 200 А):

· тип вимикача: А3716Б

· номінальний струм ТПЗ: І_Н = 200 А

· номінальна напруга: U_Н = 380 В

4 Визначення параметрів та сталих часу об’єкту управління

Спочатку визначимо необхідні для подальшого синтезу величини опорів та приведемо їх до температури 80°С:

Знайдемо активний опір обмотки збудження:

(4.1)

де: - температурний коефіцієнт (величина для мідної обмотки);

- прийнята робоча температура;

- температура, для якої задано величину опору

Сумарний активний опір кола обмотки збудження:

(4.2)

Знайдемо активний опір якоря двигуна при нагріві до 80°С:

(4.3)

Приведений до вторинної обмотки активний опір первинної обмотки трансформатора:

(4.4)

де: ;

- пульсність схеми.

Фіктивний опір трансформатора:

(4.5)

Сумарний активний опір якірного кола:

(4.6)

Визначимо величини індуктивностей.

Знайдемо індуктивність якоря двигуна:

мГн

(4.7)

де: - коефіцієнт для компенсованих тихохідних машин, [3];

Знайдемо індуктивність живлячого трансформатора, приведену до кола випрямленого струму:

мГн

(4.8)

Сумарна індуктивність якірного кола:

мГн

(4.9)

Використовуємо криву намагнічення для двигунів серії ПБК з каталога [1, ст. 169] для визначення індуктивності обмотки збудження. Звідки отримуємо номінальний потік збудження: F_Н = 0,29 Вб

Вб

А А

Для лінійної зони кривої (при зменшенні потоку збудження) криву можливо лінеарізувати:

(4.10)

Поток розсіювання при номінальному струмі двигуна (індукція в повітряному зазорі Тл):

Вб

(4.11)

де - коефіціент розсіяння

Індуктивність розсіяння:

Гн

(4.12)

Індуктивність обмотки збудження:

Гн

(4.13)

Визначення сталих часу.

Стала часу кола обмотки збудження:

с

(4.14)

Стала часу контуру вихревих струмів:

с

(4.15)

Стала часу якірного кола:

с

(4.16)

Електромеханічна стала часу:

с

(4.17)

де: - сумар-ний момент інерції;

- стала двигуна.

5 Синтез системи автоматичного КЕРУВАННЯ

Рисунок 5.1 – Структурна схема синтезуємої системи підпорядкованого регулювання швидкості

Система підпорядкованого регулювання складаєтся з трьох контурів. Для кожного контуру пегулювання синтезуємо свій регулятор. Регулятор струму збудження обираємо ПІ-типу. При виборі його параметрів виходимо з умов компенсації великих сталих часу контуру. Оптимізацію контуру проводимо за модульним оптимумом. Не забуваємо й про обмеження величини струму збудження на максимальному (рівному номіналу) та мінімальному рівні. Регулятор струму якоря обираємо ПІ-типу. При виборі його параметрів виходимо з умов компенсації великих сталих часу контуру. Оптимізацію контуру проводимо за модульним оптимумом. Обмеження величини струму якоря реалізуємо, обмежуючи вихід регулятора швидкості. Регулятор швидкості вибираємо ПІ-типу для досягнення астатизму системи за навантаженням. На вході системи встановимо задавач інтенсивності.

5.1 Синтез контуру регулювання струму збудження

Рисунок 5.2 – Структурна схема КРСЗ

На схемі зображено - мала некомпенсована стала часу контуру:

с

(5.1)

де с - стала часу тиристорного перетворювача;

с - стала часу, яка служить мірою інерційності операційного підсилювача, залежить від серії уніфікованих елементів;

с - стала часу давача струму збудження.

Розрахуємо - коефіціент підсилення ТПЗ:

(5.2)

де В – максимальна ЕРС ТПЗ.

Коефіціент зворотного зв’язку за струмом збудження знаходимо з умови масимуму сигналу давача струму збудження при номінальному струмі збудження:

(5.3)

де - максимальна напруга на виході давача струму збудження

Передавальна функція регулятору струму збудження:

(5.4)

де - стала часу інтегрування розімкненого КРСЗ

При налагоджуванні на МО:

с

(5.5)

Передавальна функція замкненого КРСЗ:

(5.6)

5.2 Синтез контуру регулювання струму якоря

Рисунок 5.3 – Структурна схема КРСЯ

Так як маємо Т_М, що майже в 2 рази перевищує Т_я, і так як Т_М набагато більше за Т_m=0,003, то впливом зворотної ЕРС двигуна можно знехтувати, так як реальні перехідні процеси мало відрізняються від розрахункових.

Синтезуємо ПІ-регулятор струму якоря з наступною передавальною функцією:

(5.7)

Використовуючи оптимізацію за МО, отримуємо:

с

(5.8)

Коефіціент зворотного зв’язку за струмом якоря обираємо за умовою, щоб при струмі упору вихідний сигнал давача струму не перевищував максимально дозволеного значення напруги (10 В) для блоків УБСР. Враховуємо при цьому перерегулювання за струмом:

(5.9)

де - струм упору.

Коефіціент підсилення КРСЯ пропорційний частоті обертання двигуна w, тому доцільно вести настроювання регулятора струму якоря при w=w_макс. Частота w може змінюватия у доволі великих межах, що робить контур нелінійним. З метою лінеарізації КРСЯ, тобто для того, щоб забезпечити незмінність коефіціента підсилення КРСЯ, використовуємо наступну схему:

Рисунок 5.4 – Схема лінеарізації КРСЯ

де - коефіціент підсилення дільника;

.

де ;

- максимальне значення напруги на виході давача швидкості.

Передавальна функція замкненого КРСЯ:

(5.10)

5.3 Синтез контуру регулювання швидкості

Рисунок 5.5 – Структурна схема КРШ

Для отримання сигналу пропорційного частоті обертання валу двигуна w, вибираємо тахогенератор постійного струму [2, ст. 180]:

· тип тахогенератору: ТП212

· номінальна частота обертання: n_Н,ТГ = 200 хв^-1

· опір навантаження: не меньше, ніж R_навТГ = 1,2 кОм

· діапазон вимірювання швидкостей: D_ТГ = 1:200

· вихідна напруга при номінальній частоті обертання: U_НвихТГ = 200 В

Коефіціент передачі тахогенератора:

(5.11)

де

На виході тахогенератора необхідно встановити дільник, отриманий за домомогою двох резисторів (рис. 5.6), з метою обмеження вихідної напруги на рівні допустимому для блоків УБСР (із запасом на перерегулювання).

(5.12)

Одночасно коефіціент передачі дільника дорівнює:

(5.13)

Задаємось R₁=47 кОм, тоді:

(5.14)

Перевіримо величину :

(5.15)

На виході дільника паралельно резистору R₁ встановлюємо фільтруючий конденсатор C_Ф ємністю C_Ф = 0,47 мкФ для згладжування пульсацій вихідної напруги тахогенератора. Це може бути неполярний багатослойний конденсатор на стандартну напругу 50 В.

Рисунок 5.6 – Деталізована схема давача швидкості

На виході дільника встановлюємо давач напруги, який являє собою інерційну ланку з постійною часу Т_ДН = 0,001 с.

Стала часу фільтра, утвореного дільником R₁, R₂ та C_Ф:

с

(5.16)

Далі, запишемо сталу часу фільтру із урахуванням інерційності давача напруги :

с

(5.17)

За вимогами завдання на курсовий проект система повинна бути астатичною першого порядку за збурюючим впливом. Ця умова виконується при використанні ПІ-регулятору швидкості, який настроюємо на симетричний оптимум:

(5.18)

де , - настроювання на симетричний оптимум [4];

.

Коефіціент підсилення КРСЯ пропорційний потоку двигуна Ф, тому доцільно вести настроювання регулятора швидкості при Ф=Ф_мін. Аналогічно з контуром регулювання струму якоря, поток Ф може змінюватия у доволі великих межах, що робить контур нелінійним. З метою лінеарізації КРШ, тобто для того, щоб забезпечити незмінність коефіціента підсилення КРШ, використовуємо схему рис. 5.7. Принцип лінеарізації випливає з відношення , де знаходиться в знаменнику передавальної функції РШ (5.18).

(5.19)

Рисунок 5.7 – Схема лінеарізації КРШ

5.4 Синтез задавача інтенсивності

Рисунок 5.8 – Структурна схема ЗІ

Час підрозгону до максимальної швидкості, розраховуємо для середнього значення магнітного потоку :

с

(5.21)

де А – струм якоря двигуна при рогоні;

В×с;

Нм – статичний момент на валу

двигуна при розгоні.

Стала інтегрування задавача інтенсивності:

с

(5.22)

де В – обмеження напруги на виході ЗІ;

В – напруга завдання на ЗІ.