Разработка системы преобразователь-двигатель с оптимальным управлением

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………….4

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР…………………………………………………………………………….8

2СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОЙ  ПРЕОБРАЗОВТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 10

3 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ ЭПС………….11

4 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ…………………………………………………………………………………….12

4.1. Выбор двигателя…………………………………………………………………………..12

4.2. Расчет и выбор трансформатора………………………………………………….12

4.3. Расчет неуправляемого выпрямителя………………………………………….13

4.4. Расчет импульсного преобразователя…………………………………………16

4.5. Настройка САР по току………………………………………………………………….21

4.6. Настройка САР по скорости……………………………………………………..…..22

4.7. Выбор и расчет принципиальной  схемы регулятора………………….24

4.8. Выбор датчиков тока и скорости………………………………………………….25

4.9. Выбор ШИМ-контроллера…………………………………………………….………26

4.10 Выбор драйвера…………………………………………………………………………..26

4.11. Выбор индицирующего устройства……………………………………………27

5 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СПРОЕКТИРОВАННОЙ  ЭПС……………………………..28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..31

Приложение А:моделирование силовой части ЭПС …………..…………………..31

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Схемную электронику условно  делят на два класса. К первому  классу относят электронные средства малой мощности, широко применяющиеся в системах автоматического управления и регулирования. Это различного рода усилители, генераторы и т. д. Назначение  элементов первого класса — генерирование и преобразование электрических сигналов определенной формы и амплитуды, осуществляющих передачу информации. Для таких электронных цепей основными характеристиками являются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, условия устойчивости работы и т. д. Такие же показатели, как коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, для них являются второстепенными, и их зачастую не учитывают.

Ко второму классу относят  электронные средства, применяющиеся  в различных системах и источниках электропитания. Электронные цепи второго класса служат для преобразования электрического тока и напряжения : переменного тока в постоянный, постоянного тока в переменный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение и др. К этому же классу относят электронные устройства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения.  Основными характеристиками электронных цепей второго класса являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие электрические характеристики. Схемная электроника второго класса служит энергетическим целям, поэтому ее часто называют энергетической электроникой, а устройства этого класса — преобразователями электрического тока.

 В настоящее время  широко применяются преобразователи с регулированием и стабилизацией напряжения, частоты, тока. При этом регулирование и стабилизация режима питаний предлагают наличие устройств, автоматически поддерживающих заданную величину тока, напряжения или частоты при изменении внешних усилий.

  Выпрямители средней  и большой мощности находят  применение для питания постоянным током различных промышленных объектов и установок.

Совместно с ведомыми инверторами  их используют для питания сети постоянного тока городского и железнодорожного транспорта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях, предназначенных для работы на двигатель постоянного тока.

Выпрямительные установки  средней и большой мощности выполняют преимущественно по многофазным схемам. Применение многофазных схем снижает загрузку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Вместе с тем существуют потребители постоянного тока, которые в силу тех или иных условий получают энергию от однофазных выпрямителей. Такие выпрямители применяют в железнодорожном транспорте на подвижном составе, электрифицированном на переменном токе. Их используют также в некоторых видах сварочных устройств, электровибраторов и т. д. В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входит встречная э. д. с. (двигатели постоянного тока, электролитические ванны) и реже — активное сопротивление. Встречная э. д. с. и активное сопротивление обычно сочетаются с последовательным соединением индуктивности, либо присущей самой нагрузке, либо дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока (применение простого индуктивного фильтра наиболее эффективно для выпрямителей средней  и  большой мощности).

Новые силовые полупроводниковые приборы широко используются как элементы электропитающих устройств радиоэлектронной аппаратуры небольшой мощности, а также в электротехнических устройствах большой мощности, осуществляющих генерирование, распределение и потребление электрической энергии. Таким образом, силовые полупроводниковые приборы стали одним из связующих звеньев между устройствами, применяемыми в электротехнике и радиоэлектронике. Появление мощных полупроводниковых приборов оказало влияние на все отрасли электротехнической промышленности и на многие области, где электроника прежде не принималась во внимание (освещение, нагревание и вентиляция, бытовые приборы, системы управлении автомобилем, станки и т. д.). Использование

мощных полупроводниковых  приборов в устройствах регулирования  мощностипозволило значительно увеличить их быстродействие, улучшить удельные характеристики (уменьшить размеры и вес), сократить расходы на обслуживание, увеличить срок службы и надежность и т. д. Разработка новых полупроводниковых преобразователей во многом определяется успехами в развитии силовых полупроводниковых приборов.

          В современных условиях, развитие  силовых полупроводниковых приборов  складывается в основном из  двух направлений: а) совершенствование  технологических способов изготовления приборов с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных показателей; б) разработка принципиально новых приборов. Особое внимание уделяется разработке и совершенствованию мощных приборов, работающих как переключатели электрического тока (тиристоры, силовые транзисторы). Такие приборы при незначительных внутренних потерях могут управлять огромными мощностями, подводимыми к нагрузке, что открывает широкие перспективы для их применения в различных областях техники, где требуется высокоэффективное регулирование режимов работы потребителя.

Полупроводниковые преобразователи  потребляют очень малую мощность управления, их коэффициент усиления превышает 100 000. Они почти безынерционны. Отсутствие контактов, подвижных и вращающихся частей, возможная универсальность создания отдельных блоков преобразователей, постоянная готовность к работе и другие особенности открыли широкую возможность их применения.

благодаря специфическим  свойствам полупроводниковых вентилей разработаны и разрабатываются совершенно новые типы преобразователей. К ним относятся выпрямители, в которых в одном блоке объединены и трансформатор и преобразователь. Такие выпрямители экономически выгодны, так как не требуют специальных помещений, могут эксплуатироваться на открытых площадках, не нуждаются в соединительных шинах, имеют единую масляную систему охлаждения. Мощность одного такого преобразователя может быть огромной (десятки мегаватт).

Перспективными являются импульсные преобразователи постоянного напряжения на тиристорах. Такие преобразователи на средние и большие мощности могут

применяться в электрифицированном  городском и ж/д транспорте постоянного тока вместо релейных и пусковых реостатов, так как их К.П.Д. очень высок

Импульсные преобразователи  на тиристорах могут быть использованы для автоматизации различных режимов работы механизмов и машин (например, автоматическое поддержание постоянной скорости независимо от нагрузки двигателей постоянного тока).

Дальнейшее совершенствование  полупроводниковых вентилей, а также  оптимальное сочетание динамических параметров вентилей с электрическими режимами преобразователя при его проектировании, использование эффективных методов исследования преобразователей будут способствовать разработке преобразовательных устройств с высокими технико-экономическими показателями.

 

 

 

 

 

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Постоянный прогресс в  области силовой электроники, связанный  в первую очередь с появлением все более совершенных силовых  полупроводниковых приборов, открывает пути улучшения и создания новых схемотехнических решений, повышения энергетических и динамических показателей, расширения сферы использования силовой электроники в народном хозяйстве. В этих условиях значительно возрастает роль автоматического управления в силовой электронике. Это обусловлено такими основными факторами:

• повышение требований к качеству и быстродействию регулирования выходных координат преобразователей электроэнергии в режимах автоматической стабилизации и программного управления;
• необходимость повышения качества входных энергетических показателей преобразователей с целью улучшения их электромагнитной совместимости;
• интенсивная разработка новых классов преобразователей с усложненными законами автоматического управления.

Для двигателей существуют следующие способы регулирования  скорости вращения:

1. реостатный. Здесь изменение величины сопротивления реостата влечет за собой изменение напряжения на нем (энергии, которая выделяется в виде тепла) и соответственно изменение на якорной обмотке, что приводит к увеличению или уменьшению скорости вращения электродвигателя. Этот способ имеет крайне низкий коэффициент полезного действия, однако имеет достоинство – простоту реализации;
2. ограничение механической энергии за счет выделения потерь в потребителе. Это достигается путем несимметричного включения асинхронного двигателя, за счет дроссельного регулирования энергии, шунтирования якорной цепи в ДПТ. Этот способ также не отличается высоким КПД и имеет сравнительно простую схемную реализацию.

Существуют  более экономичные способы регулирования  скорости вращения ДПТ. Они заключаются во введении регулятора в цепь, который ограничивает потребление электрической энергии из сети. При этом электроэнергия не рассеивается в виде тепла, как при первых двух способах:

3. с помощью системы генератор-двигатель. В этом случае часть энергии потребителя передается обратно к источнику питания с помощью генератора, который вращается при помощи двигателя.
4. регулирование скорости вращения двигателя с помощью управляемого преобразователя. Этот способ ограничивает потребление энергии путем регулирования угла открытого состояния вентилей (α), путем изменения частоты питающего напряжения.

Регулирование может осуществляться вручную либо автоматически, используя обратные связи или регуляторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОЙ  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

 

 

Структурная схема преобразователя  представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема преобразователя

 

ТР – трансформатор. Понижает фазное напряжение на входе выпрямителя;

В –выпрямитель. Преобразует переменное напряжение сети в постоянное;

Ф – активный фильтр. Сглаживает пульсации  на выходе выпрямителя;

ИППН1 - импульсный преобразователь  постоянного напряжения первого рода. Поддерживает постоянное напряжение на нагрузки на заданном уровне;

ДПТ – двигатель постоянного  тока;

ДС – датчик скорости;

ДТ – датчик тока;

САР – система автоматического  регулирования;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Оцифровывает сигнал, поступающий на микроконтроллер;

МК – микроконтроллер;

Д – драйвер. Отвечает за согласование управляющего;

ИУ – индикаторное устройство.

 

3 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ ЭПС

 

Принципиальная схема преобразователя  представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. – Принципиальная схема силовой части преобразователя

 

Диоды VD1…VD6 образуют выпрямительный мост. Выпрямленное напряжение фильтруется  конденсатором C1 и в момент импульса на силовой транзистор подается в  нагрузку – на двигатель. Напряжение заряжает выходной конденсатор. В момент снятия импульса управления противо - э.д.с. обмоток двигателя, а также заряженный конденсатор открывают обратный диод, и накопленная энергия замыкается через него.

 

4 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Выбор двигателя

По заданным параметрам нагрузки выбираем двигатель постоянного тока мощностью 7,3 кВт типа 4ПБ73LУХЛ8, технические характеристики которого вынесены в таблицу 4.1.