Электропривод вращателя бурового станка СБШ-320

• контур регулирования тока якоря (КРТЯ).
• контур регулирования скорости (КРС).   

На рис. 7 представлена структурная схема двухконтурной системы регулирования скорости.  

 

Расчет производится в соответствии с методикой изложенной в [8].

1. Расчет механической части электропривода:

передаточная функция  механической части двигателя в абсолютных единицах имеет следующий вид:

где С - конструктивный коэффициент двигателя:

R_Я.140° - полное активное сопротивление якоря эквивалентного двигателя в пересчета на температуру 140°С:

 

R_Я.140°= (R_Я.20°+ R_ВП20°)×(1+a×Dt);

 

где: a = 0,004 (¹/_°С) – температурный коэффициент меди; Dt=140°-20°=120°С – разность температуры, где 140° - максимальная температура для изоляции класса нагревостойкости F;

 

R_Я.140°= (0,0118+0,0086)×(1+0,004×120)= 0,0302 Ом;

 

- номинальная скорость вращения;

 

 В×с;

Электромеханическая постоянная времени электропривода:

 

где: R_ЯS - полное сопротивление якорной цепи в пересчете на температуру 140°С; J_S - полная инерция привода приведенная к эквивалентному двигателю;

 

R_ЯS = R_Р×(1+a×Dt)+R_Я.140° = 0,265×(1+0,004×120)+0,0302 = 0,4224 Ом;

 

 с;

 

Тогда передаточная функция механической части двигателя в абсолютных единицах будет равна:

 

 

2. Расчет электрической  части электропривода:

 

Передаточная функция  электрической части двигателя в абсолютных единицах:

 

Постоянная времени  якорной цепи:

 

 с;

;

 

;

 

где: К = 0,6 – коэффициент учитывающий размагничивающее действие якоря, в данном случае для некомпенсированных машин постоянного тока;

р = 2 – число пар полюсов;

 

 

3. Расчет передаточной  функции тиристорного преобразователя  ТП:

 

;

 

k_ТП - коэффициент передачи тиристорного преобразователя, равный:

 

 

где: E_d0 – среднее значение выпрямленной ЭДС; E_d0 ~ U_НДВ;

U_У =10 В – напряжение управляющего сигнала на выходе регулятора тока;

 

 

Т_ТП =(0,01¸0,02) с – постоянная времени ТП.

 

Передаточная функция тиристорного преобразователя будет равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Синтез регулятора тока

 

При синтезе регулятора тока пренебрегаем влиянием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, что сказывается на точности регулирования тока, незначительно влияет на динамические показатели, но существенно упрощается синтез регулятора. При этом передаточная функция объекта регулирования КРТЯ примет вид:

;

 

Желаемая передаточная функция разомкнутого КРТЯ:

 

 

где: К_ОТ – коэффициент передачи обратной связи по току;

а_Т = 2 – коэффициент отношения постоянных времени при настройке на модульный оптимум;

Т_m = Т_ТП = 0,01 – суммарная некомпенсированная постоянная времени при настройке на модульный оптимум;

 

Передаточная функция регулятора тока:

 

 

Как видно из выражения  – это ПИ регулятор тока, где: Т_ИТ – постоянная интегрирования;

 

 

 

где: I_СТОП – стопорный ток двигателя;

U_З.max = 10 В – максимальное задание по току;

 

I_СТОП = 2,5×I_Н.ДВ = 2,5×325 = 812,5 А;

 

 

 с;

 

 

Сигнал пропорциональный току якорной цепи двигателя снимается с шунта, который ставят для гальванической развязки. Поскольку I_СТОП =812,5 А, то из стандартного ряда выбираем шунт: I_ШН = 1000 А,  U_ШН = 0,075 В.

 

 

4.3 Синтез регулятора  скорости

 

Передаточная функция  объекта регулирования КРС:

 

Если раскрыть скобки и пренебречь членом перед р², в силу его незначительной маленькой величины, получим:

 

Желаемая передаточная функция разомкнутого КРС:

 

где: К_ОС – коэффициент обратной связи по скорости; а_С = 2 – отношение постоянных времени в оптимизированном контуре регулирования скорости при настройке на модульный оптимум;

В итоге получаем передаточную функцию регулятора скорости:

 

 

Наибольшее выходное напряжение задатчика интенсивности, т.е. максимальное задание по скорости:

U_ЗСmax=К_ОС×w_О;

 

где: w_О – скорость идеального холостого хода; U_ЗСmax = 10 В;

 

Из этого выражения  следует:

 

с^-1;

 

 

 

Для ограничения динамического  тока якоря двигателя в режимах  пуска и торможения используют задатчики  интенсивности, которые преобразуют  скачкообразный сигнал на входе в сигнал, изменяющийся линейно во времени, на выходе с ограничением напряжения.

Датчиком скорости буду использовать тахогенератор типа ПТ-22 [5]:

 

Номинальная скорость вращения:              nНТГ =	800 об/мин;
Номинальное напряжение на выходе:        UНТГ=	230 В;
Номинальный ток якоря:                                 IЯ =	0,5 А.

 

 с^-1;

 

Коэффициент передачи тахогенератора:

 В×с;

 

Напряжение, снимаемое  с тахогенератора при номинальной  скорости вращения двигателя:

U’_НТГ = К_ТГ×w_Н=2,746×78,5 = 215,56 В;

 

Для ограничения U’_НТГ до 10 В (допустимого напряжения по входу на усилителе). Поставим делитель напряжения с коэффициентом передачи:

 

Структурная схема электропривода в абсолютных единицах приведена на рис.8.

 

4.4 Пересчет структурной схемы в относительных единицах

Для расчета структурной  схемы привода в о.е. необходимо принять базисные данные:

 

 

Базовый ток                                         Iб = Iстоп =	812,5 А;
Базовая угловая скорость                  Wб = wн =	78,5 с-1;
Базовый момент                              Мб = Мном =	1273,8 Н×м;
Еб = Ендв = UН.ДВ – IН.ДВ×RЯ =305-325×0,0302=	295,185 В;
Базовое значение выходных сигналов регуляторов                                                  UЗб=	10 В;
Базовое сопротивление	0,908 Ом;

 

Номинальный момент:

;

Сопротивление якорной  цепи:

 

 о.е.;

 

Инерционная постоянная времени привода:

 о.е.;

 

Передаточная функция электрической части в о.е.:

 

Передаточная функция  механической части двигателя в  о.е.:

 

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя в о.е.:

;

 

Передаточная функция тиристорного преобразователя в о.е.:

 

 

Передаточная функция  регулятора тока в о.е.:

 

 

Передаточная функция  регулятора скорости:

 

;

 

Конструктивный коэффициент  двигателя в о.е.:

 

;

 

Коэффициент обратной связи  по току:

 

;

 

Коэффициент обратной связи  по скорости:

 

;

 

Структурная схема электропривода в относительных единицах приведена на рис.9.

 

 

5 Анализ статических и динамических свойств электропривода

Статическая ошибка по скорости при номинальном токе якоря [8]:

 

 с^-1;

 

Статическая ошибка в  процентном отношении:

 

 %;

 

 

Жесткость электромеханической  характеристики:

 

;

 

Жесткость рабочего участка  можно увеличить за счет увеличения коэффициента отрицательной обратной связи по скорости, при этом уменьшается угловая скорость идеального холостого хода.

 

Более удобным способом повышения жесткости характеристики является введение жесткой положительной обратной связи по току на регулятор скорости. Изменяя коэффициент обратной связи можно изменять жесткость характеристики в широких пределах, тем самым уменьшить статическую ошибку по скорости до допустимых пределов.

 

Расчетная динамическая ошибка по скорости при линейном нарастании задающего сигнала:

Dw_ДИН=а_С×а_Т×Т_m×e_о;

 

где: e_о – ускорение привода;

 

 с^-2;

 

где: t_П = 1,06 с – время пуска с учетом сенсомоторной реакции машиниста;

 

Dw_ДИН=2×2×0,01×79,83 = 3,2 с^-1;

 

Динамическая ошибка в процентном отношении:

 %;

 Суммарная ошибка по скорости (в переходном процессе, обусловленном изменением задающего воздействия по линейному законы):

 

Dw_S=Dw_СТ+Dw_ДИН = 7,235 +3,8 =11,035 с^-1;

 

Суммарная ошибка в процентном отношении:

 

 %.

 

Значение динамической ошибки регулирования тока якорной  цепи двигателя:

 

 А;

 

Динамическая ошибка по току в процентном соотношении:

 

 %;

 

Статическая нагрузка:

 

 А;

 

Статическая нагрузка в  процентном соотношении:

 

 %;

 

Пусковой ток:

 

I_П = I_СТОП - DI_ДИН=812,5 -29,5 = 783 А;

 

Ток отсечки:

I_ОТС = 0,8×I_СТОП = 0,8×812,5 = 650 А.

 

 

 

Далее в программе Matlab в разделе Simulink создаем математическую модель-схему выбранного двигателя. В модель вводим результаты расчета структурной схемы в относительных единицах. Результатом модели будет график преходных процессов – пуска и торможения (останова).  На графике изображают:

1. Величину статической ошибки по скорости Dw_СТ;
2. Суммарную ошибку по скорости Dw_S ;
3. Значение динамической ошибки регулирования тока якорной цепи двигателя .

 

Модель-схема в разделе Simulink отображена на рис. 10. График переходных процессов (пуска торможения) представлен на рис.11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Описание принципиальной  схемы.

 

На рис.12 представлена принципиальная схема управляемого электропривода на основе комплектного тиристорного преобразователя серии КТЭУ-500/440-УХЛ3. Данный преобразователь выполнен реверсивным. Реверс необходим при свинчивании бурового става. А в процессе бурения он не нужен.

Силовая часть  привода:

Привод питается от внешней  сети переменного тока напряжением 380 В через силовой трансформатор TV1, и масляный выключатели QF1, QF2 и QF3 (защитные автоматические выключатели), установленные последовательно с тиристорами.

Обмотки возбуждения  двигателя включены параллельно  через выпрямительный мост VD3-VD6, трансформатор TV2 и масляный выключатель QF2.