Разработка системы преобразователь-двигатель с оптимальным управлением

Таблица 4.1 - технические характеристики 2ПБ112LУХЛ4

Параметр	Значение
Номинальная мощность, Рном, Вт	7300
Номинальное напряжение, Uном,В	110
Номинальная скорость вращения, nном, об/мин	1200
Максимальная скорость вращения, nmax, об/мин	1500
Коэффициент полезного действия, ηн, %	80
Сопротивление якоря, Rя, Ом	0,74
Сопротивление дополнительных полюсов  якоря, Rдп, Ом	0.74
Сопротивление обмотки возбуждения, Rв, Ом	303/80
Индуктивность якоря, Lя, мГн	12

 

4.2. Расчет и выбор  трансформатора

Рассчитаем напряжение двигателя, которое обеспечит заданное количество оборотов (по заданию n_зад = 1000 об/мин):

Uном = 110 В → n_ном = 1200 об./мин.

Uзад  → n_зад = 1000 об./мин.

Из данной пропорции определим  Uзад:

 В      (4.1)

 В

Рассчитаем входное напряжение для ИППН1:

 В      (4.2)

 В

где ϒ – коэффициент заполнения, принимающий значения от 0,05…0,95.

 

Рассчитаем входное напряжение для мостового неуправляемого выпрямителя:

 В      (4.3)

 В

где Ксх – коэффициент схемы выпрямителя, равный 2,34.

 

Для выбора трансформатора необходимо рассчитать линейные напряжения:

 В     (4.4)

 В

 В

 

Зная входное напряжение трансформатора (Uвх в = 190 В) и его выходное напряжение (Uвых = 166 В), определим коэффициент трансформации:

(4.5)

 

Выберем трёхфазный трансформатор ТПЗ-1,2 (1,2кВт), с характеристиками (данный трансформатор изготавливается под заказ):

Входное напряжение, В: 110;

Выходное напряжение, В: 100;

Габариты (ДхШхВ), мм: 430х210х378.

4.3. Расчет неуправляемого выпрямителя

Номинальный ток электродвигателя:

А     (4.6)

 А

 

Номинальная частота вращения электродвигателя:

 рад/с     (4.7)

 рад/с

 

Постоянная времени якорной  цепи:

 с     (4.8)

 мс

 

Найдем среднее значение выпрямленного  напряжения:

 В     (4.9)

 В

где U_ф – фазное напряжение сети вторичной обмотки трансформатора, В.

 

Найдем значение напряжения при  максимальных отклонениях питающего  напряжения:

 В    (4.10)

 В    (4.11)

 В

 В

где ΔU_с – отклонение напряжения питающей сети.

 

Качество выпрямленного напряжения для шестипульсной схемы выпрямления m=6 (коэффициент пульсации первой гармоники):

(4.12)

 

 

Среднее значение выпрямленного тока:

 А     (4.13)

Как видно, наибольший ток в нагрузке будет при наименьшем напряжении питания, т.е.:

 А

где P_ном – выходная мощность на нагрузке, Вт.

 

Т.к. питающая сеть трехфазная, то анодный  ток будет меньше выпрямленного  в три раза:

(4.14)

 А

 

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямительного  моста, определяется напряжением:

В     (4.15)

где – амплитудное значение фазного напряжения, которое равно:

 В     (4.16)

Максимальное обратное напряжение будет в случае:

 В

Коэффициент мощности выпрямителя:

(4.17)

 

_{где α – угол управления, для диодов α = 0.}

 

По найденным величинам (обратное напряжение и прямой ток диода) выберем элементы (VD1..VD6). К установке выберем диодный мост 26MT40, технические характеристики которого приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Технические характеристики 26MT40

 

4.4. Расчет импульсного преобразователя

Рассчитаем параметры ИППН. Коэффициент  заполнения в установившемся режиме работы двигателя будет равен:

(4.18)

где – номинальное напряжение питания цепи якоря ДПТ, для частоты вращения двигателя (рад/с):

 В    (4.19)

где - потокосцепление ДПТ, равное:

(4.20)

В

тогда:

(4.21)

 

Найдем значение коэффициента заполнения при возможных отклонениях значения выпрямленного напряжения:

(4.22)

(4.23)

 

Как известно, нормальная работа импульсного  преобразователя считается, если значение коэффициента заполнения лежит в  диапазоне: . Из полученных значений видим, что мы не выходим за рамки допустимых значений.

Длительность импульса управления будет равна:

 с      (4.24)

 

Исходя из современной технической  базы, определим, что преобразователь  будет работать на частоте f_ном = 30кГц, т.е. период импульсов будет равен:

(4.25)

 

Так как наиболее тяжелая работа для транзистора будет при  наибольшем коэффициенте заполнения, в расчетах учтем именно его:

 с

 

Для дальнейших расчетов ИППН необходимо вычислить коэффициенты:

(4.26)

(4.27)

где T_н – постоянная времени нагрузки (двигателя), определяется выражением:

(4.28)

где L_Н – индуктивность обмотки якоря, Гн;

R_Н – активное сопротивление обмотки якоря, Ом;

 

 

 

 

Ток нагрузки определим из выражения:

(4.29)

 

Эквивалентное активное сопротивление  нагрузки:

(4.30)

 

Определим среднее значение тока обратного  диода ИППН в наихудшем случае:

 

(4.31)

 

Максимальное значение тока транзистора:

(4.32)

В качестве обратного диода (VD7) выбираем 85EPF12, технические характеристики которого приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.3 – Технические характеристики 85EPF12

В качестве транзистора (VT1) выбираем IRG4PSH71UPBF, технические характеристики которого приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.4 – Технические характеристики IRG4PSH71UPBF

Входную индуктивность рассчитаем из соотношения:

(4.33)

где R’’ – эквивалентное омическое  сопротивление входного фильтра, Ом;

m – пульсность выпрямителя;

ω – круговая частота работы преобразователя.

 

 

 

 

Емкость конденсатора найдем из выражения:

(4.34)

 

S находится из выражения:

(4.35)

где k₁ – коэффициент пульсации первой гармоники;

q_вых – пульсация напряжения на выходе выпрямителя.

Зададимся значением q_вых = 5%:

 

 

 

 

В качестве конденсатора выбираем: К50-35 33 мкФ х 400В 85°C.

В качестве индуктивности выбираем: КИГ 270мкГн х 0.06МГц..20МГц.

4.5. Настройка САР  по току

Структурную схему преобразователя с нагрузкой на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. – Структурная схема  системы

 

где W_p(p) – передаточная функция регулятора;

k_пр – коэффициент передачи преобразователя;

T_m - постоянная времени преобразователя, с;

k_от – коэффициент передачи обратной связи по току;

R_a – сопротивление якорной обмотки двигателя, Ом;

Tэ – постоянная времени двигателя, с;

СФ – конструктивная постоянная двигателя.

 

(4.36)

 

Для широтно-импульсного преобразователя:

(4.37)

 

Для выпрямителя:

(4.38)

(4.39)

Как правило, для упрощения моделей  и удобства их симулирования, допускают, что механическая часть двигателя  более инерционная, чем электрическая. Тогда структурную схему системы  можно преобразовать до вида, как  показано на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. – Преобразованная структурная  схема системы

 

Передаточная функция разомкнутой  системы имеет вид:

(4.40)

 

Тогда передаточная функция регулятора равна:

(4.41)

 

В результате преобразований, мы получаем функцию ПИ-регулятор тока:

 

 

4.6. Настройка САР по скорости

Заменив контур регулирования скорости одной передаточной функцией, построим структурную схему контура скорости.

 

Рисунок 4.3. – Контур скорости САР

 

Передаточная функция разомкнутой  системы имеет вид:

(4.42)

 

где k_ос – коэффициент усиления обратной связи по скорости, определяется выражением:

(4.43)

 

а Т_м – конструктивная постоянная времени, определяется выражением:

с     (4.44)

где J – момент инерции двигателя, кг × м²;

 

 

 

Выразим передаточную функцию регулятора скорости:

(4.45)

 

 

4.7. Выбор и расчет принципиальной схемы регулятора

Принципиальная схема ПИ-регулятора указана на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4. – Принципиальная схема  ПИ-регулятора

 

В качестве операционных усилителей примем MC33077, их основные характеристики вынесены в таблицу 4.5.

Таблица4.5 – Основные характеристики операционного усилителя MC33077

Параметр	Значение
Число каналов	2
Напряжение питания, Uпит, В	2..18
Выходной ток, Iвых, мА	26
Ток потребления, Iпотр, А	3,5

 

Параметры резисторов описываются  следующим уравнением:

(4.45)

(4.46)

т.е.:

 

 

 

 

Примем, что номинал конденсатора C1 равен 0,1мкФ. Значит:

 

 

 

Согласно ряду Е24 резистор R6 будет номиналом , резистор R4 будет номиналом .

Теперь подберем номиналы резисторов R3 и R1. Известно, что для операционного  усилителя их необходимо подбирать  так, чтобы входной резистор был  номиналом меньше входного сопротивления  ОУ, а выходной, не менее допустимого  нагрузочного сопротивления.

Исходя из этих условий, определим, что резистор R3 будет номиналом 100кОм. Значит:

 

 

Согласно ряду Е24 R1 будет номиналом 10 Ом.

 

4.8. Выбор датчиков тока и скорости

В качестве датчика тока целесообразно  выбрать датчик в интегральном исполнении, либо ферритовые кольца (пояс Раговского), т.к. эти способы не вносят большую  погрешность, чем вариант с шунтированием. А также подобные устройства имеют  малоточный информационный выход (в  некоторых исполнениях – логический), что значительно упрощает согласование датчика с регулятором.

В качестве датчика тока выберем IR2177S, параметры которого приведены в  таблице 4.6.

В качестве датчика скорости выберемвстроенный тахогенератор. Тахогенераторы – морально устаревшая, однако достаточно надежная и не требующая дополнительного питания техника. В данном случае использование тахогенератора вызвано именно по причине простоты настройки САР.

Таблица 4.6 – Основные характеристики датчика тока IR2177S

Параметр	Значение
Максимальное выдерживаемое  напряжение, Voff, В	1200
Максимальный измеряемый ток, Is, А	50
Выходное напряжение, Vout, В	0..25