УПК 62-52:629.12.06.

Довгань Н.Н., Чупина К.В. Проектирование систем автоматичес­кого управления судового электропривода: Метод. указ. к курс. проект. - Влади­восток: Дальрыбвтуз, 2007.- 42 с.

Рецензент: В.Я.Молочков, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Электрооборудование и автоматика судов»

© Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, 2007 г.

ВВЕДЕНИЕ

Теоретической основой для проектирования и эксплуатации систем автоматического управле­ния (САУ) ЭП является теория автоматического управления, основ­ные положения которой изучаются в дисциплине "Теория автоматического управления".

Основной целью учебного проектирования является развитие у студентов навыков самостоятельного творчества и способности использования теоретических знаний, полученных при изучении различных дисциплин, для реализации конкретного проекта.

Работу над проектом следует вести в следующей последова­тельности. На основании анализа технического задания выбирают­ся элементы силовой части автоматизированного электропривода и разрабатывается структура его управления. Определяются мате­матические модели всех элементов САУ, в результате чего состав­ляется структурная схема, характеризующая динамические свой­ства системы. Используя структурную схему САУ, решают задачи синтеза и анализа, включающие в себя выбор типов регуляторов и расчет параметров их настройки, контроль устойчивости систе­мы, расчет переходного процесса и определение показателей ка­чества регулирования.

Реальные САУ являются нелинейными, однако на первом эта­пе исследований целесообразно осуществить линеаризацию систе­мы. Методы исследования линейных систем достаточно хорошо от­работаны и описаны в литературе. Однако, как показывает опыт руководства учебным проектированием, студенты испытывают серьезные трудности, связанные с практическим использованием положений теории автоматического управления.

В методических указаниях изложены этапы проектирования САУ судового электропривода и приведены необходимые справоч­ные данные.

Анализ синтезированной САУ предполагается производить с использованием типовых пакетов прикладных программ.

1. Составление технического задания

Составление технического задания на проектирование являет­ся обязательной и важной частью любого технического проекта. На этапе составления технического задания решаются такие задачи, как исследование объекта управления, источника энергии, определение требований к системе управления. К ним относятся точность рабо­ты САУ как в статическом, так и в динамическом режимах, ее быст­родействие, характер переходных процессов, запасы устойчивости и т.д. Эти требования сформулированы в различных нормативных документах, важнейшим из которых для судовых систем являются Правила классификации и постройки морских судов Регистра РФ.

В учебном курсовом проектировании техническое задание на проектиро­вание выдается студенту преподавателем. Студенту необходимо его внимательно изучить и руководствоваться им в процессе выполне­ния проекта. Образец заполнения бланка задания на проектирова­ние приведен в приложении 1.

2. Выбор и расчет параметров силовых элементов

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

В схемах автоматизированного электропривода можно выделить элементы, относящиеся к силовой части ЭП, и элементы, составляю­щие систему его управления. Структура и элементный состав сило­вой части определятся на основании анализа технического задания на проектирование.

Рис. 1. Силовая часть ЭП

К силовой части ЭП (рис. 1) относятся: электродвигатель (Д) с редуктором (Р), управляемый преобразователь электрической энергии (УП), силовой трансформатор или токоограничивающий реак­тор, сглаживающий дроссель (Др), коммутационная аппаратура и пр. Выбор типа двигателя осуществляется по требуемой мощности, а также на основании анализа режима работы рабочего механизма (РМ) и характеристики питающей сети.

Методика выбора двигателя по указанным признакам достаточно полно описана в литературе [1, 9 и др.]. Там же имеются и технические данные на различные типы электродвигателей, часть которых приводится в Прил. 2. По каталожным данным определяется характеристики двигателя, которые потребуются на дальнейших этапах проектирования.

В курсовом проектировании по дисциплине "Теория автоматического управления" в качестве исполнительного двигателя рекомендуется использовать машину постоянного тока независимого возбуждения, для которой необходимо определить:

активное сопротивление якорной цепи:

_,

где - активное сопротивление якоря и дополнитель­ных полюсов при температуре 20°С (П2);

=1.2 - температурный коэффициент;

коэффициент передачи (усиления) двигателя по ЭДС

,

где К, Ф - конструктивный коэффициент и магнитный поток двигателя;

Uд.ном. , Iд.ном. - номинальные значения напряжения и тока;

= [1/c] - номинальное значение угловой скорости вращения.

Индуктивность якоря двигателя определяется по его техническим данным:

_,

где Т_д - электромагнитная постоянная времени, или приближенно по формуле:

,

где 2p_n - число полюсов;

К_к - коэффициент компенсаций машины (при наличии компенсационной обмотки К_к = 0,25 - 0,3 , а при ее отсутствии - К_к = 0,4 - 0,6).

Коэффициент передачи редуктора принимается таким, чтобы при номинальной частоте вращения двигателя обеспечить верхнюю границу заданного диапазона регулирования частоты вращения вала рабочего механизма с некоторым запасом ЭП по скорости:

,

где - коэффициент запаса ЭП по скорости.

Регулирование частоты вращения ЭП при переменном возмущаю­щем воздействии, моменте сопротивления М_с, со стороны рабочего механизма для машины постоянного тока независимого возбуждения осуществляется за счет изменения напряжения на зажимах якоря, либо изменением потока возбуждения. Второй способ регулирования скорости применяется в основном в системах двухзонного регулирования, в которых регулирование в диапазоне до номинального значения осуществляется за счет изменения якорного напряжения, а выше номинального - изменением потока возбуждения.

В курсовом проекте можно ограничиться первым способом регулирования. Для его реализации необходимо выбрать управляемый преобразователь (УП). В качестве УП в судовых ЭП применяются, тиристорные преобразователи, электромашинные усилители, генера­торы (система Г-Д), магнитные усилители и некоторые другие. Рекомендации по проектированию СAP с различными типами УП приве­дены в [1, 2, 6, 9 и др.].

В последние годы в судовых ЭП широкое распространение, благодаря своим преимуществам, получили статические преобразователи электроэнергии: тиристорные преобра­зователи (ТП) и широтно-импульсные преобразователи (ШИП) на тиристорах или транзисторах (для маломощных ЭП). В курсовом проекте в качестве УП рекомендуется выбрать стандартный ТП (Прил.З.).

Тиристорный преобразователь состоит из силового блока (СБ) и системы импульсно-фазового управления (СИФУ). СИФУ предназначена для формирования управляющих импульсов, открывавших тиристоры СБ в моменты времени, соответствующие величине регулирующего сигнала Up, который поступает от регулирующего блока CAP. Кроме этого на вход СИФУ подается напряжение смещения Uсм, определяющего начальный угол естественного открывания тиристоров.

Если для работы рабочего механизма необходим реверсив­ный ТП, то в нем используются два силовых блока: СБ - "вперед" и СБ - "назад", переключение которых осуществляется специальным логическим устройством [l].

Выбор ТП (Прил. 3) осуществляется из условия:

,

где - минимальная мощность УП;

Р_д, η_д - мощность и КПД двигателя.

Подключение ТП к питающей сети осуществляется через силовой трансформатор (СТ) или напрямую через токоограничивающий реактор (ТОР) (рис.3.).

Рис. 3. Схема подключения ТП

Если линейные напряжения ТП и сети не равны, то необходим СТ, для которого линейное напряжение вторичной обмотки должно отвечать условию:

где К_сх - коэффициент схемы,

а требуемая мощность

,

где - номинальная мощность ТП;

К_ст - коэффициент использования СТ по мощности;

Uтп.н, Iтп.н - номинальное выпрямленное напряжение и ток ТП.

В судовых системах, главным образом, используется ТП c трехфазной мостовой схемой выпрямления, имеющей следующие харак­теристики [3]:

Ксх = 2,34; Кст = 1,045;

Lст = 2Lст.ф - индуктивность СТ,

Rст = 2Rст.ф - активное сопротивление СТ,

q* = 2 - число одновременно проводящих тиристоров.

m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период питающей сети,

Lтор = 2Lтор.ф - индуктивность ТОР (при питании ТП непосредственно от сети),

Rтор = 2Rтор.ф - активное сопротивление ТОР.

Технические данные на некоторые типы СТ и ТОР приведены в Прил.4 и Прил.5.

Активное сопротивление фазы СТ определяется:

,

ΔР_кз - потери короткого замыкания СТ (Прил.З.);

- номинальный ток фазы вторичной обмотки СТ;

- номинальное фазное напряжение вторичной обмотки;

S_н, кВА - номинальная мощность СТ.

Полное активное сопротивление ТП:

,

где - динамическое сопротив­ление;

U_т = (0,5 – 1), В - падение напряжения на тиристоре;

I_т - среднее значение тока тиристора выпрямительной схемы (для трехфазной мостовой схемы );

I_d.н. - номинальное значение среднего выпрямленного тока, следует принять равным номинальному току двигателя);

- коммутационное сопротив­ление выпрямительной схемы ТП;

f - частота питавшей сети.

Индуктивность фазы СТ, приведенная ко вторичной обмотке:

,

где - индуктивное сопротивление фазы СТ;

- полное сопротив­ление фазы СТ;

U_кз, % - напряжение к.з. СТ (Прил. 4).

Для расчета коэффициента передачи ТП – К_тп - необходимо построить его регулировочную характеристику U_тп=f(U_р), используя регулировочные характеристики СИФУ (Прил. 3):

где U_{тп н} - номинальное выпрямленное напряжение ТП (Прил. 3).

На графике U_тп=f(U_р) определяются две рабочие точки, соответствующие границам заданного диапазона регулиро­вания ω1 и ω2:

,

где - полное сопротив­ление якорной цепи;

R_др - сопротивление сглаживающего дросселя.

Рис.4. Построение регулировочной характеристики ТП Uтп (U_p)

Проверка на необходимость сглаживающего дросселя в якорной цепи будет сделана ниже, поэтому на данном этапе расчета можно приближенно принять:

где ΔU_др=(0.005 – 0.01)U_дн - падение напряже­ния на дросселе.

Из рис. 4 видно, что регулировочная характеристика TП нелинейна в рабочем диапазоне. Линеаризуя ее методом хорд, определим усредненный коэффициент передачи ТП:

.

При работе тиристорного ЭП иногда бывает необходима установка в якорной цепи сглаживающего дросселя (Др). Необходимость в дросселе возникает на малых частотах регу­лирования, когда в результате больших значений угла управ­ляющих импульсов в якорной цепи может воз­никнуть режим прерывистых токов. При этом, если собственная индуктивность якоря двигателя оказывается недостаточной, в работе рабочего механизма могут возникнуть пульсации, а бортовая сеть "засоряется" высокочастотными гармониками. С целью устранения этого нежелательного эффекта необходима проверка на требуемую индуктивность якорной цепи L_я.pacч., которая рассчитывается по условию допустимости пульсаций тока машины:

,

где e_е - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного напряжения, определяемая по графику (рис. 5) для (рис. 4);

i_e - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного тока (для двигателей серии П можно принять i_е = 0,02);

- угловая частота пульсаций.

Рис. 5. График зависимости е_е()

Условие необходимости дросселя:

,

где - индуктивность якорной цепи ТП-Д без учета дросселя.

Если неравенство выполняется, то необходимо выбрать дроссель (Прил. 5) с индуктивностью:

и номинальным током:

.

В заключении следует перечислить все выбранные элементы силовой цепи с указанием их типов и основных параметров, составить принципиальную схему силовой части ЭП, а также определить результирующие значения активного сопротивления якорной цепи ЭП

,

и индуктивности якорной цепи

,

где R_др, L_др - параметры выбранного дросселя (Прил. 6).