где – масса ходового винта.

1
Анализ требований задания
Спроектировать электропривод подачи металлорежущего станка,
осуществляющего преобразование вращательного движения ходового винта
в поступательное перемещение суппорта с помощью ходовой пары «винтгайка», требующего регулирования частоты вращения при постоянном
наибольшем допустимом моменте в диапазоне D со статической ошибкой, не
превышающей ∆доп.
Требуемая частота вращения двигателя на верхнем пределе диапазона
регулирования равна - 𝜔верх.
Механизм работает в длительном режиме с переменной нагрузкой.
Mхв,
H∙м
Mхв2
Mхв1
Mхв0
t2
t1
t, c
t3
Tц
Рис. 1. Нагрузочная диаграмма
Параметры нагрузочной диаграммы:
Mхв0 – момент на ходовом винте в режиме холостого хода, H×м;
Mхв1 – момент на ходовом винте при выполнении первой
технологической операции, H×м;
Mхв2 – момент на ходовом винте при выполнении второй
технологической операции, H×м;
t1 – время движения суппорта в режиме холостого хода, с;
t2 – время выполнении первой технологической операции, с;
Параметры кинематической цепи редуктор – ходовой винт:
iр – передаточное число редуктора;
р – КПД редуктора;
– радиус приведения кинематической ходовой пары «винт-гайка», м/рад;
dхв – диаметр ходового винта, м;
lхв – длина ходового винта, м.
Параметры суппорта:
Суппорт выполнен из стали и при расчете его массы может
рассматриваться как параллелепипед.
a – длина суппорта, м;
b – ширина суппорта, м;
c – высота суппорта, м.
2 Анализ кинематической схемы электропривода и
механизма подачи металлорежущего станка
Рис. 2. Кинематическая схема электропривода
Электродвигатель Ml через понижающий редуктор, показанный в виде
шестерни Т1 и зубчатого колеса Т2, приводит в движение ходовой винт ТЗ.
Преобразование вращательного движения ходового винта в поступательное движение
суппорта А1 по направляющим Е7, Е8 осуществляется с помощью ходовой пары
«винт-гайка» Т4. Соединение редуктора с двигателем и ходовым винтом
осуществляется с помощью муфт XI, Х2. Валы ВII и ВIII вращаются в подшипниках
Е1 - Е4, а ходовой винт ТЗ - в подшипниках Е5, Е6.
Одним
из
самых
важных
элементов
конструкции
станка являются
направляющие и кинематические передачи привода.
Направляющие обеспечивают заданное перемещение рабочих органов с
инструментом или заготовкой относительно других узлов станка. На них воздействуют
составляющие сил тяжести и резания.
Чтобы
обеспечить
точность
перемещения, устойчивость движений и
демпфирование колебаний подвижных узлов направляющие станков должны иметь
высокую износостойкость, жесткость и малый коэффициент трения. Малая величина
потерь трения позволяет снизить мощность привода.
Передаточное устройство является составной частью привода и служит для
передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительным устройствам.
Передаточное устройство изменяет количественные характеристики движения, такие,
как угловые и линейные скорости, моменты и усилия, преобразует виды движения.
Совокупность
различных
элементов
передаточного
устройства
образует
кинематическую цепь станка.
На основании анализа кинематической схемы подачи составляем
расчетную схему электропривода.
C12
C23
J1
J2
ω1
ω2
m3
Mхв
vc
M
M1c
Рис. 3. Расчетная схема электропривода (трехмассовая система)
J1 - момент инерции ротора двигателя;
М - электромагнитный момент двигателя;
M1С - статический момент на валу двигателя;
1 - частота вращения ротора двигателя;
с12 - коэффициент жесткости зубчатой передачи и муфты XI;
J2 – момент инерции редуктора;
2 - частота вращения ходового винта;
с23 - коэффициент жесткости вала ВIII, муфты Х2 и ходового винта;
MХВ - момент на ходовом винте;
m3 - масса суппорта;
vc- линейная скорость суппорта
В соответствии с рис. 3 сосредоточенными являются массы ротора, редуктора
и суппорта. Упругие связи считаем безынерционными.
Различные части ЭП на кинематической схеме (рис. 2 ) двигаются с разными
скоростями. Выполним приведение сил и моментов к одной базовой (расчетной)
скорости, в качестве которой обычно принимают частоту вращения ротора двигателя.
Приведение моментов на ходовом винте к валу двигателя осуществляется с
помощью следующих соотношений:
пр
𝑀хв0 =
пр
𝑀хв1 =
пр
𝑀хв2 =
𝑀хв0
18
=
≈ 1,752 (Н ∙ м)
𝑖𝑝 ∙ 𝜂мп 12 ∙ 0,856
𝑀хв1
45
=
≈ 4,381 (Н ∙ м)
𝑖𝑝 ∙ 𝜂мп 12 ∙ 0,856
𝑀хв2
80
=
≈ 7,788 (Н ∙ м)
𝑖𝑝 ∙ 𝜂мп 12 ∙ 0,856
где 𝜂мп – коэффициент полезного действия механической передачи вал
двигателя – ходовой винт.
Определим КПД механической передачи вал двигателя – ходовой винт.
В соответствии с рис. 3 можем записать:
𝜂мп = 𝜂м2 ∙ 𝜂р ∙ 𝜂пп = 0,982 ∙ 0,9 ∙ 0,99 = 0,8557164 ≈ 0,856,
где
𝜂м – КПД упругой муфты;
𝜂р – КПД редуктора;
𝜂пп – КПД пары подшипников, установленных на ходовом винте.
В табл. 1 приводятся значения коэффициентов полезного действия различных
элементов кинематической цепи электропривода подачи.
Таблица 1. КПД элементов.
Элементы кинематической цепи
Упругая муфта
Винтовая пара «винт-гайка
Пара подшипников качения
качения»
Пара подшипников скольжения
Значения КПД
0,98
0,9 - 0,95
0,99 - 0,995
0,98 - 0,99
Определяем момент инерции ходового винта:
𝐽хв =
2
𝑚хв ∙ 𝑑хв
35,291 ∙ 0,082
=
≈ 0,056 (кг ∙ м2 ),
4
4
где 𝑚хв – масса ходового винта.
Определим массу ходового винта:
𝑚хв
2
𝜋 ∙ 𝑑хв
∙ 𝑙хв
3,142 ∙ 0,082 ∙ 0,9
= 𝑉хв ∙ 𝛾ст =
∙ 𝛾ст =
∙ 7,8 ∙ 103 ≈ 35,291 (кг),
4
4
где 𝑉хв – объем ходового винта;
𝛾ст – плотность стали (𝛾ст = 7,8 ∙ 103 кг/м3 ).
Момент инерции суппорта будет равен:
𝐽𝑐 = 𝑚𝑐 ∙ 𝜌2 = 611,52 ∙ 0,082 ≈ 3,914 (кг ∙ м2 )
Масса супорта:
𝑚𝑐 = 𝑚3 = 𝑉𝑐 ∙ 𝛾ст = 𝑎 ∙ 𝑏 ∙ 𝑐 ∙ 𝛾ст = 0,14 ∙ 0,7 ∙ 0,8 ∙ 7,8 ∙ 103 = 611,52 (кг),
где 𝑉𝑐 – объем суппорта.
Приведем параметры ходового винта и суппорта к скорости ходового
винта. При этом суммарный момент инерции суппорта и ходового винта
равен:
𝐽∑ = 𝐽хв + 𝐽𝑐 = 0,056 + 3,914 = 3,97 (кг ∙ м2 )
Приведем параметры движения на ходовом винте к валу двигателя.
Суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, определяем на
основании закона сохранения импульса движения:
𝐽пр =
Пренебрегая
𝐽∑ 3,97
=
= 0,028 (кг ∙ м2 )
𝑖𝑝2
122
влиянием упругих
связей, считаем коэффициенты
жесткости С12 и С23 бесконечно большими. Это позволяет заменить
трехмассовую механическую часть ЭП одной эквивалентной массой с
моментом инерции J, и перейти к одномассовой расчетной схеме (рис. 4). В
качестве момента нагрузки Мс рассматривается приведенный к валу двигателя
пр
момент ходового винта 𝑀хв .
J
ω
M
Mc
Рис. 4 Одномассовая расчетная схема
Полный момент инерции электропривода:
𝐽 = 𝐽пр + 𝐽1 = 0,028 (кг ∙ м2 ),
где 𝐽1 – момент инерции ротора двигателя.
Моментом инерции ротора двигателя пренебрегаем ввиду его
незначительной величины.
3. Анализ возможных вариантов и выбор системы
электропривода подачи металлорежущего станка.
Для
осуществления
предусматриваются
управляемые
автоматического
преобразователи
регулирования
и
регуляторы,
позволяющие автоматически под действием обратных связей осуществлять
регулирование координат электропривода. Наиболее широко используются
вентильные преобразователи напряжения постоянного тока и преобразователи
частоты и соответствующие системы электропривода: система тиристорный
преобразователь – двигатель постоянного тока (ТП-ДПТ), преобразователь
частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД).
Выше перечисленные системы имеют ряд преимуществ и недостатков.
Анализ которых при учете предъявляемых технических требований позволяет
осуществить правильный выбор системы регулирования.
Системы ПЧ-АД представляются технически более сложными по
сравнению с системой регулирования выпрямленным напряжением, так как
требует дополнительных ступеней преобразования электрической энергии.
Системы ТП-ДПТ технически проще реализуема, обладает достаточно
высоким быстродействием и КПД.
Двигатели постоянного они обладают высоким пусковым моментом,
возможностью широко регулировать скорость, легко реверсируются, имеют
практически линейные регулировочные характеристики, экономичны. Эти
достоинства ДПТ часто ставят их вне конкуренции в приводах, требующих
широких и точных регулировок.
Из рассмотренных вариантов с учетом требуемого задания наиболее
целесообразным считаю выбор системы ТП-ДПТ, с двигателем постоянного
тока независимого возбуждения.
4. Расчет мощности и выбор двигателя
Правильный выбор двигателя имеет большое значение, поскольку
оказывает определяющее влияние на первоначальные затраты, стоимость
эксплуатационных расходов, обеспечение всех технологических режимов
работы и необходимых динамических и статических характеристик Мощность
электродвигателя выбирается, исходя из необходимости обеспечения
заданной механической перегрузки двигателя.
Исходными данными для выбора двигателя по мощности могут служить
средняя мощность на валу, среднеквадратичное значение мощности, средний
момент и средняя скорость, среднеквадратичный момент и средняя скорость.
В данном случае параметры нагрузочной диаграммы ЭП заданы в виде
ступенчатого графика зависимости М=f(t), поэтому при выборе мощности
двигателя
можно
воспользоваться
методом
Эквивалентный момент определяется по формуле:
эквивалентного
момента.
пр
𝑀экв
пр
пр
(𝑀хв0 )2 ∙ 𝑡1 + (𝑀хв1 )2 ∙ 𝑡2 + (𝑀хв2 )2 ∙ 𝑡3
√
=
=
𝑇ц
1,7522 ∙ 29 + 4,3812 ∙ 46 + 7,7882 ∙ 35
=√
≈ 5,304 (𝐻 ∙ м)
110
Расчетная мощность электродвигателя определяется по формуле:
𝑃расч = 𝑘з ∙ 𝑀экв ∙ 𝜔верх = 1,3 ∙ 5,304 ∙ 190 = 1310,088 (Вт),
где 𝑘з -
коэффициент запаса, учитывающий динамические режимы
работы электродвигателя, когда он работает с повышенными моментами
(𝑘з = 1,1 ÷ 1,3).
Преобразование частоты вращения 𝜔 к скорости вращения n
осуществляется по формуле:
𝑛верх =
30 ∙ 𝜔верх 30 ∙ 190
=
≈ 1814,131 (об/мин),
𝜋
3,142
где 𝑛верх – скорость вращения электродвигателя в верхнем пределе
диапазона регулирования D.
Тогда скорость вращения двигателя на нижнем пределе диапазона
регулирования 𝑛ниж определяем по формуле:
30 ∙ 𝜔верх 𝑛верх 1814,131
=
=
≈ 7,257 (об/мин)
𝜋∙𝐷
𝐷
250
На основании расчетных данных выбираем электродвигатель по
𝑛ниж =
справочнику [1] с учетом следующих условий:
𝑃ном ≥ 𝑃расч
𝑛ном ≥ 𝑛верх
𝑀ном ≥ 𝑀экв
где 𝑃ном – мощность двигателя в номинальном режиме;
𝑛ном – скорость вращения двигателя в номинальном режиме;
𝑀ном – момент двигателя в номинальном режиме.
Выбираем двигатель постоянного тока 2ПН100LУХЛ4. Параметры
двигатели приведены в таблице 2.
Таблица 2. Параметры ДПТ 2ПН100LУХЛ4.
Мощность, Напряжение,
кВт
В
1,7
220
Частота вращения, об/мин
номинальная максимальная
2200
КПД,
%
4000
78
Сопротивление обмотеи при 15 °С,
Индуктивность
Ом
цепи якоря,
добавочных
мГн
якоря
возбуждения
полюсов
1,17
0,853
81
42
Вычислим недостающие данные.
Номинальный момент:
𝑀ном =
𝑃ном
1700
=
≈ 8,947 (Н ∙ м)
𝜔верх
190
Номинальный ток якоря:
𝐼а.н. =
𝑃ном
1700
=
≈ 9,907 (А)
𝑈а.н. ∙ 𝜂 220 ∙ 0,78
Постоянная двигателя:
с=
𝑀ном 8,947
=
≈ 0,903 (Н ∙ м/А)
𝐼а.н.
9,907
5. Расчет и выбор элементов силовой части
5.1. Расчет и выбор силового трансформатора
Определяем мощность на стороне выпрямленного тока:
𝑃𝑑 = 𝑈𝑑 ∙ 𝐼𝑑 = 𝑈а.н. ∙ 𝐼а.н. = 220 ∙ 9,907 = 2179,54 (Вт)
Так как нагрузкой выпрямителя является двигатель постоянного тока,
то за среднее значение выпрямленного напряжения Ud необходимо принять
номинальное напряжения питания двигателя, а за среднее значение
выпрямленного тока Id – ток якоря двигателя.
Силовой трансформатор, питающий тиристорный преобразователь,
выбирается по расчетным значениям полной мощности трансформатора Sт,
напряжения вторичной обмотки трансформатора U2ф, фазных токов I1ф, I2ф
соответственно первичной и вторичной обмоток.
Расчетное значение U2ф для режима непрерывного тока управляемого
выпрямителя находится по требуемому значению среднего значения
выпрямленного напряжения Ud :
𝑈2ф =
𝑈𝑑
220
=
≈ 77,557 (В)
𝑘сх ∙ 𝑘с ∙ 𝑘А ∙ 𝑘𝑅 2,339 ∙ 1,05 ∙ 1,1 ∙ 1,05
kc - коэффициент, учитывающий возможность понижения напряжения
сети переменного тока; численное значение коэффициента kc обычно
принимается равным 1,05÷1,1 , что соответствует снижению напряжения на
5-10% от номинального значения;
kА- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий неполное
открытие тиристорв при максимальном управляющем сигнале и обычно
составляет kА = 1÷1,15;
kR - коэффициент, учитывающий падение напряжения в управляемом
выпрямителе, принимается равным kR =1,05;
kсх - коэффициент схемы, для трехфазной мостовой схемы:
𝑘сх =
3 √6
≈ 2,339.
𝜋
Расчетное действующее значение фазного тока вторичной обмотки I2ф
определяется по величине выпрямленного тока Id:
𝐼2ф = 𝑘𝑖 ∙ 𝑘𝑖2 ∙ 𝐼𝑑 = 1,1 ∙ 0,8165 ∙ 9,907 ≈ 8,898 (А),
где ki - коэффициент непрямоугольности тока, учитывающий
отклонение формы тока от прямоугольной (обычно ki =1,05÷1,1);
𝑘𝑖2 =
𝐼2ф
𝐼𝑑
– коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для
2
трехфазной мостовой схемы 𝑘𝑖2 = √ ≈ 0,8165 ).
3
Расчетное действующее значение фазного тока первичной обмотки I1ф
находится из выражения:
𝐼1ф =
1
1
∙ 𝑘𝑖 ∙ 𝑘𝑖1 ∙ 𝐼𝑑 =
∙ 1.1 ∙ 0.8165 ∙ 9.907 ≈ 1.907 (А),
𝑘𝑚
4.665
где 𝑘𝑚 - коэффициент трансформации, определяемый по формуле:
𝑘𝑚 =
𝑈1ф
𝑤1
380
≈ 0,95
= 0,95
≈ 4,655,
𝑤2
𝑈2ф
77,557
где w1, w2 – число витков, соответственно, первичной и вторичной
обмоток.
Для трехфазной мостовой схемы выпрямления и при соединении
обмоток трансформатора в звезду:
𝑘𝑖1 =
𝐼1ф
2
= 𝑘𝑖2 = √ ≈ 0,8165
𝐼𝑑
3
ki1 - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления и соединения
обмоток трансформатора.
Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора
одинаковы и равны мощности трансформатора:
𝑆𝑚 = 𝑘с ∙ 𝑘А ∙ 𝑘𝑅 ∙ 𝑘𝑠 ∙ 𝑈𝑑 ∙ 𝐼𝑑 = 1,05 ∙ 1,1 ∙ 1,05 ∙ 1,05 ∙ 220 ∙ 9,907 ≈
≈ 2775,4 (В ∙ А)
где ks - коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора
(для трехфазной мостовой схемы выпрямления ks =1,05)
Выбор силовых трансформаторов осуществляется по условиям:
𝑈2ф ном ≥ 𝑈2ф
𝐼2ф ном ≥ 𝐼2ф
𝑈1ф = 𝑈сф
𝑆𝑚 ном ≥ 𝑆𝑚
где 𝑈2ф ном - номинальное фазное напряжение вторичной обмотки
трансформатора;
𝐼2ф ном - номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора;
𝑈1ф - номинальное фазное напряжение первичной обмотки
трансформатора; скотч
𝑈сф - фазное напряжение питающей сети.
𝑆𝑚 ном - номинальная полная мощность трансформатора.
Выбираем трансформатор ТСЗ-6,3/0,66-УХЛ-4
Сухие трансформаторы серии ТСЗ служат для понижения входного
напряжения мощностью от 250 до 1600 кВА, класса напряжения 6, 10 кВ, с
раздельными обмотками высокого и низкого напряжения, с напряжением
распределительной
сети
по
низкой
стороне
до
1
кВ,
питающей
непосредственных потребителей электроэнергии общего назначения. Силовой
сухой трансформатор с литой изоляцией, представляет собой альтернативу
широко
распространенным
масляным трансформаторам
ТМ и
трансформаторам ТМГ.
Преимущества трансформаторов ТСЗ:
- Экологичность. В указанной серии отсутствуют масла, что полностью
устраняет угрозу загрязнения прилегающей окружающей среды в виде
токсичных выделений и едких газов в случае их утечек или возгораниях.
- Обмотки трансформаторов ТСЗ негорючи, вследствие чего не могут
быть потенциальными источниками пожара.
-
Относительная
возможность
компактность
установки
большей
трансформаторов
мощности
обеспечивают
трансформаторов,
при
реконструкции объекта, в существующие трансформаторные отсеки.
- Повышенная устойчивость к негативным воздействиям окружающей
среды.
- Сухие трансформаторы не требуют частых осмотров, отсутствует
необходимость контроля над состоянием трансформаторного масла или
селикагеля, что снижает затраты на обслуживание.
- Оптимальный температурный режим для эксплуатации сухих
трансформаторов находится в пределах от -45°С до +40°С.
Все вышеперечисленное позволяет устанавливать трансформаторы ТСЗ
в местах, требующих повышенной безопасности - метрополитены, шахты,
жилые и общественные здания, в местах с повышенными требованиями к
охране
окружающей
сооружениях,
среды
курортных
(водозаборных
зонах),
на
станциях,
промышленных
спортивных
предприятиях,
металлургических комбинатах, химических производствах и т.п.
Ниже приведена расшифровка трансформаторов ТСЗ.
ТСЗ-6,3/0,66-УХЛ4:
Т — трансформатор;
С — сухой;
З – защищенный;
С – станционный;
6,3 — номинальная мощность, кВ*А;
0,66 – класс напряжения обмотки ВН, кВ;
УХЛ4 – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 1515069
ТСЗ – сухой трансформатор в защитном кожухе со степенью защиты IP20
Таблица 3. Основные параметры выбранного трансформатора
Тип
Степень
Номина
Номинальное
льная
напряжение, В
Схема и группа
ТСЗ-6,3/0,66УХЛ-4
IP-21
6,3
380
Напряжение
соединения
трансформатора защиты IP мощнос Обмот Обмотк
ть, кВА ка ВН
Потери, кВт
обмоток
а НН
Под
У/Ун-0; Д/Ун-
заказ
11
Размеры, мм
Масса,
короткого
кг
х.х.
к.з.
замыкания, %
L
B
H
0,04
0,15
3,8
490
250
400
Для выбранного трансформатора известны значения мощности
короткого замыкания Рк и напряжения короткого замыкания uк%,
определяемые из опыта короткого замыкания.
Отметим, что uк% приводится в процентах от номинального фазного
напряжения питающей сети переменного тока U1ф ном.
Определяем недостающие параметры трансформатора.
Фазный ток вторичной обмотки трансформатора:
𝐼2ф =
𝑆н
√3 ∙ 𝑈н
=
6300
√3 ∙ 220
≈ 16,533 (А)
На основании значений Рк и Uк можно определить активное и
индуктивное сопротивления обмоток трансформатора на фазу.
Активное сопротивление обмоток трехфазного трансформатора при
соединении первичной обмотки в звезду определяется по формуле:
𝑅𝑚 =
𝑃𝑘
150
=
≈ 13,749 (Ом);
2
3 ∙ 1,9072
3 ∙ 𝐼1ф
ном
83
Индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трехфазного
трансформатора при соединении первичной обмотки в звезду определяется
по формуле:
2
2
2
𝑃к
14,44 2
150
√
𝑋𝑚 = √(
) −(
) = (
) −(
) ≈
2
2
𝐼1ф ном
1,907
3
∙
1,907
3 ∙ 𝐼1ф
ном
𝑈к
≈ √−131,698 = 11,476 ∙ 𝑖 (Ом),
где 𝑈к = 𝑢к /100 ∙ 𝑈1ф ном = 3,8/100 ∙ 380 = 14,44 (В).
Определяем полное, активное и индуктивное сопротивление вторичной
обмотки трансформатора на фазу:
𝑍=
𝑢к ∙ 𝑈нн
100 ∙ 𝐼2ф ∙ √3
𝑅тр =
=
𝑃к.з. ∙ 3 ∙ 𝑈нн 2
3 ∙ 𝑃н 2
3,8 ∙ 220
100 ∙ 16,533 ∙ √3
≈ 0,292 (Ом);
150 ∙ 3 ∙ 2202
=
≈ 0,183 (Ом);
3 ∙ 63002
2 = √0,2922 − 0,1832 ≈ 0,228 (Ом).
𝑋а = √𝑍 2 − 𝑅тр
Индуктивность фазы вторичной обмотки трансформатора:
𝐿тр =
𝑋𝑎
0,228
=
≈ 0,000726 (Гн).
2𝜋𝑓1 2 ∙ 3,142 ∙ 50
5.2 Расчет и выбор тиристоров
Основными техническими данными ТП, необходимыми для их выбора,
являются: номинальная мощность Рном; номинальный ток Iном; номинальное
напряжение Uном; схема выпрямления.
При выборе ТП следует учитывать его перегрузочную способность по
току. Также следует обращать внимание на особенности конструктивного
решения
и
массогабаритные
показатели,
возможность
работы
в
специфических условиях. При этом показатели ТП должны быть согласованы
с номинальными данными электродвигателя.
Тиристорный преобразователь с завышенным выходным напряжением
имеет более низкие энергетические показатели (cosφ), а выбор ТП с
недостаточным напряжением приводит к снижению производительности
машины, ухудшению динамических показателей (недостаточно форсировок).
При выборе ТП по напряжению следует учитывать необходимость
обеспечения максимальной скорости при максимально допустимом токе,
требуемые форсировки в динамике, а также предусматривать запас,
учитывающий возможные снижения напряжения сети.
Выбор ТП с номинальным током, значительно превышающем
номинальный
ток
двигателя,
приводит
к
удорожанию
установки,
необоснованному увеличению массогабаритных показателей, а также к
завышению токов короткого замыкания, что при аварии приводит к более
тяжким последствиям. Выбор ТП с заниженным номинальным током
приводит, в лучшем случае, к частому срабатыванию максимально-токовой
защиты или защиты от превышения температуры, а также к снижению
динамических показателей (быстродействия).
Основными
исходными
данными
для
расчета
тиристорного
преобразователя являются средние значения выпрямленного напряжения Ud и
тока Id, а также действующее значение напряжения питающей сети.
Так как нагрузкой выпрямителя является двигатель постоянного тока, то
за среднее значение выпрямленного напряжения Ud необходимо принять
номинальное напряжения питания двигателя, а за среднее значение
выпрямленного тока Id ток якоря двигателя.
Определим максимальное значение выпрямленного ЭДС для
трехфазной мостовой схемы:
𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 = 1,35 ∙ 𝑈н.н. = 1,35 ∙ 220 = 297 (В).
Максимальное обратное напряжение на тиристорах:
𝑈обр.𝑚𝑎𝑥 = 1,05 ∙ 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 = 1,05 ∙ 297 = 311,85 (В).
Класс тиристора:
КЛАСС =
𝑈обр.𝑚𝑎𝑥 311,85
=
= 3,1185 ≈ 3,12,
100
100
Таким образом, тиристоры должны быть не ниже 4-го класса.
Среднее значение тока тиристора:
𝐼ср.т. =
𝐼𝑑 𝐼а.н. 9,907
=
=
≈ 3,302 (А).
3
3
3
Максимальное значение тока тиристора в момент пуска двигателя
определяем при условии, что замкнутая система управления электропривода
обеспечивает кратность пускового тока к двум (k1=2):
𝐼𝑚𝑎𝑥.Т =
𝐼𝑑.𝑚𝑎𝑥 𝑘1 ∙ 𝐼а.н. 2 ∙ 9,907
=
=
≈ 6,605 (А)
3
3
3
Выбираем тиристор КТЭ-10/220 (440). Параметры тиристора
приведены в таблице 4.
Таблица 4. Параметры тиристора КТЭ-10/220 (440).
Тип
преобразователя
Номинальный
постоянный ток, А
Предельный
постоянный ток, А
Постоянное
напряжение, В
Масса, кг
КТЭ-10/220 (440)
10
20
220, 440
430
Для построение реверсивного тиристорного преобразователя
тиристоров выбранной серии необходимо в количестве 12 штук.
5.3. Расчет индуктивности уравнительных
реакторов
В реверсивном тиристорном преобразователе при совместном
согласованном управлении тиристоров, за счет соединения двух тиристорных
групп образуется замкнутый контур, по которому при наличии
результирующий ЭДС может протекать уравнительный ток Iур, минуя цепь
нагрузки. Этот ток создает дополнительные потери в тиристорах. А в
динамических режимах может привести привести к авариям. Поэтому для
ограничения уравнительных токов используют уравнительные реакторы L1L4.
Уравнительный ток не должен превышать 10% от номинального,
поэтому в ряде случаев уравнительные реакторы выбирают из условия, что
при нагрузке близкой к номинальной, реактор насыщается рабочим током.
Тогда в рабочем режиме реакторы почти не будут влиять на работу
преобразователя.
Определим близкое значение уравнительного тока:
𝐼ур = 0,1 ∙ 𝐼а.н. = 0,1 ∙ 9,907 ≈ 0,991 (А).
Требуемая суммарная индуктивность двух уравнительных реакторов
при совместном согласованном управлении тиристоров в реверсивном
преобразователе определяется по формуле:
𝐿ур =
𝑘д ∙ √2 ∙ 𝑈н.н.
0,12 ∙ √2 ∙ 220
=
≈ 0,120 (Гн),
2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓1 ∙ 𝐼ур 2 ∙ 3,142 ∙ 50 ∙ 0,991
где kд – коэффициент характеризующий отношение действующего
значения уравнительной ЭДС к амплитудному значению вторичной ЭДС.
Значение kд зависит от схемы выпрямителя, соединения групп
тиристоров и угла регулирования α. Значение угла α на данном этапе
неизвестно, поэтому ориентировочно примем αнач=30°, тогда значение kд для
трехфазной мостовой (встречно-параллельной) схемы kд=0,12.
Если уравнительные реакторы не насыщаются рабочим током
(номинальным током якоря), то индуктивность каждого из них берется
равной половине от значения Lур.
Если уравнительные реакторы насыщаются рабочим током, то
индуктивность каждого из них берется за Lур.
5.4. Расчет индуктивности сглаживающего
дросселя.
Последовательно с обмоткой якоря ДПТ НВ может быть включен
сглаживающий дроссель, индуктивность которого выбирается из условий:
- обеспечение непрерывности тока якоря в определенном диапазоне
нагрузок и частот вращения двигателя;
- ограничение амплитуды переменной составляющей тока якоря
электродвигателя.
Для заключения о необходимости установки сглаживающего дросселя
выполняем проверочный расчет его индуктивности по формуле:
𝐿сд =
𝑒𝑛 ∙ 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥
− (2 ∙ 𝐿тр + 𝐿а ) =
𝑖𝑐 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓1 ∙ 𝑚𝑛 ∙ 𝐼а.н.
=
0,25 ∙ 297
− (2 ∙ 0,000726 + 0,042) ≈
0,04 ∙ 2 ∙ 3,142 ∙ 50 ∙ 6 ∙ 9,907
≈ 0,0559 (Гн),
где en – относительная величина эффективного значения пульсации
первой гармоники выпрямленного напряжения;
ic – относительная величина эффективного значения пульсации первой
гармоники выпрямленного тока;
mn – количество пульсаций выпрямленного напряжения за период
переменного.
Величина en выбирается при наибольшем значении угла
регулирования. Предварительно принимаем αmax=90°, тогда для трехфазной
мостовой схемы en =0,25.
Величина пульсаций ic диктуется условиями проектирования
стационарных двигателей и не должна превышать 2-5 %.
Индуктивность якорной цепи двигателя La=0,042 Гн.
В связи с отсутствием стандартных сглаживающих дросселей,
изготавливаем дроссель с индуктивностью Lсд=55,9 мГн.
5.5. Расчет регулировочной характеристики
Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя
описывается уравнением:
𝐸𝑑𝛼 = 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 ∙ cos 𝛼
С учетом выбранных элементов постоянная регулировочная
характеристика тиристорного преобразователя изображена на рисунке 5.
Рисунок 5. Регулировочная характеристика тиристорного
преобразователя.
Определим коммутационное сопротивление преобразователя:
𝑅к =
𝑋𝑎 ∙ 𝑚𝑛 0,228 ∙ 6
=
≈ 0,218 (Ом)
2∙𝜋
2 ∙ 3,142
Принимаем сопротивление каждого из уравнительных реакторов и
сглаживающего дросселя: 𝑅ур = 𝑅сд = 0,005 Ом
Вычислим динамическое сопротивление тиристора:
𝑅дин =
0,25 ∙ 𝑈т 0,25 ∙ 1
=
= 0,076 (Ом),
𝐼ср.т.
3,302
где 𝑈т = 1 В - классификационное падение напряжения на тиристоре.
Тогда суммарное сопротивление тиристорного преобразователя можем
определить по формуле:
𝑅∑ = 2 ∙ 𝑅дин + 2 ∙ 𝑅тр + 𝑅сд + 𝑅к = 2 ∙ 0,076 + 2 ∙ 0,183 + 0,005 + 0,218 =
= 0,741 (Ом)
Зависимость напряжения на якоре двигателя в функции угла
регулирования α при номинальной нагрузке может быть определена из
уравнения:
𝑈𝑑𝛼 = 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 ∙ cos 𝛼 − 𝐼а.н. ∙ 𝑅∑
Зависимость Edα=f(α) показана на рисунке 5. По этой зависимости
определяем значение αнач при Uа.н.=220 В.
Определяем коэффициент передачи тиристорного преобразователя по
его регулировочной характеристики, при этом рассматривают обычно
линейный участок.
𝑘𝑛 =
1,3 ∙ 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 1,3 ∙ 297
=
= 38,61 ,
𝑈у.н.
10
где 𝑈у.н. – напряжение регулирования необходимое для изменения угла α=90°.
Для тиристорных выпрямителей 𝑈у.н. составляет от 8 до 12 В.
Принимая постоянную времени фильтра Tф=0,008 с, определяем
постоянную времени трехфазного мостового управляемого выпрямителя:
𝑇п = 𝑇ф +
1
1
= 0,008 +
≈ 0,00966 ≈ 0,1 (с)
2 ∙ 𝑚𝑛 ∙ 𝑓1
2 ∙ 6 ∙ 50
5.6 Расчет постоянных времени электропривода
Определяем сопротивление якорной цепи ЭП:
𝑅𝑎 ∑ = 2 ∙ 𝑅дин + 𝑅сд + 𝑅𝑎 + 𝑅𝑘 + 2 ∙ 𝑅тр =
= 2 ∙ 0,076 + 0,005 + 1,17 + 0,218 + 2 ∙ 0,183 = 1,911 (Ом).
Индуктивность якорной цепи ЭП:
𝐿𝑎 ∑ = 2 ∙ 𝐿ТР + 𝐿СД + 𝐿𝑎 = 2 ∙ 0,000726 + 0,0559 + 0,042 = 0,09935 (Гн).
Электромагнитная постоянная времени якорной цепи:
𝑇э =
𝐿𝑎 ∑ 0,09935
=
≈ 0,052 (с)
𝑅𝑎 ∑
1,911
Электромеханическая постоянная времени ЭП:
𝑇эм =
𝑅𝑎 ∑ ∙ 𝐽∑∙ 1,911 ∙ 3,97
=
≈ 9,304 (с).
𝑐2
0,9032
5.7 Расчет и выбор тиристорного возбудителя для
питания обмотки возбуждения
Номинальное напряжение обмотки возбуждения Uв.н. = 220 В, активное
сопротивление Rв = 81 Ом, следовательно номинальный ток:
𝐼в.н. =
𝑈в.н. 220
=
≈ 2,716 (А).
𝑅в
81
Для трехфазной мостовой схемы
𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 = 1,35 ∙ 𝑈В.Н. = 1,35 ∙ 380 = 513 (В)
Максимальное обратное напряжение на тиристорах:
𝑈обр.𝑚𝑎𝑥 = 1,05 ∙ 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 = 1,05 ∙ 513 ≈ 538,65 (В).
Среднее значение тока тиристора:
𝐼𝑑 𝐼в.н. 2,716
=
=
≈ 0,905 (А).
3
3
3
Исходя из расчетов, выбираем тиристорный нереверсивный
𝐼ср.т. =
возбудитель Т112-10, параметры которого приведены в таблице 5.
Таблица 5. Параметры тиристорного возбудителя Т112-10
Наименование параметров, ед.изм.
Обозначение
Величина
Номинальный ток преобразователя, А
Iн
10
Напряжение входа номинальное, В
Uвх.н.
380
Для питания обмотки тиристорного тиристоров выбранной серии
необходимо в количестве 6 штук.
Угол открытия тиристоров будет постоянным и должен
соответствовать условию:
𝑈𝑑𝛼 = 𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥 ∙ cos 𝛼 − 𝐼в.н. ∙ 𝑅в , 𝑈𝑑𝛼 = 220 В, т.е.
𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (
𝑈𝑑𝛼 + 𝐼в.н. ∙ 𝑅в
220 + 2,716 ∙ 81
) = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠 (
) ≈ 30,94°
𝐸𝑑.𝑚𝑎𝑥
513
5.8 Расчет и выбор аппаратов защиты
В качестве аппарата защиты выбираем автоматический выключатель,
который будет защищать всю силовую часть электропривода, т.е. будет
располагаться на стороне высокого напряжения трансформатора. В связи с
этим необходимо учитывать коэффициент трансформации по току, который в
первом приближении будет:
𝐼
выс
𝐼 низ ∙ 𝑈Н.Н.
=
𝑈В.Н.
Автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем
выбирается из условия:
𝐼э ≥ 1,2 ∙ (𝐼пуск + 𝐼в.н. )
Пусковой ток двигателя с учетом коэффициента трансформации
выс
𝐼пуск
низ
𝐼пуск
∙ 𝑈Н.Н. 19,814 ∙ 220
=
=
≈ 11,471 (А),
𝑈В.Н.
380
низ
𝐼пуск
= 2 ∙ 𝐼а.н. = 2 ∙ 9,907 = 19,814 (А)
где
Так как обмотка возбуждения получает питание со стороны высокого
напряжения
выс
низ
𝐼в.н.
= 𝐼в.н.
= 2,716 А.
Следовательно:
низ
𝐼э ≥ 1,2 ∙ (𝐼пуск
+ 𝐼в.н. );
𝐼э ≥ 1,2 ∙ (11,471 + 2,716);
𝐼э ≥ 17,024 А
Выбираем автоматический выключатель ВА04-36-340010-20Т3,
параметры которого приведены в таблице 6.
Таблица 6. Параметры автоматического выключателя ВА04-36-34001020Т3
Наименование параметров, ед.изм.
Обозначение
Величина
Номинальный ток, А
Iн
20
Номинальное напряжение, В
Uн
660
Число полюсов, шт
-
3
5.9 Расчет и выбор шунтов
Шунт устанавливается в якорной цепи двигателя и предназначен для
получения сигнала, пропорционального току двигателя. Шунт выбирается по
номинальному току двигателя. При этом 𝐼𝐻.𝑅𝑆 ≥ 𝐼а.н. , где 𝐼𝐻.𝑅𝑆 – номинальный
ток шунта. Следовательно 𝐼𝐻.𝑅𝑆 ≥ 9,907 А.
Выбираем шунт 75ШИП-10А, данные которого приведены в таблице 7.
Таблица 7. Параметры шунта 75ШИП-10А.
Тип шунта
75ШИП-10А
Номинальный
ток, А
10
Номинальное
сопротивление,
Исполнение
мкОм
7500
1
Масса не
более, кг
0,10