Аннотация
В данной работе рассмотрены вопросы выбора и расчета параметров системы управления электроприводом, способствующей улучшению технологического процесса бурения.
Выбранна система управления электроприводом переменного тока с тиристорным преобразователем частоты со звеном постоянного тока .
Для расчета мощности двигателя привода применены различные методики, позволившие выбрать по наибольшему из результатов двигатель, обеспечивающий работу вращателя в основных режимах бурения .
Результаты проверены с применением ПЭВМ.
Abstract
In the given work the problems of choice and account paramets of a control system of the electric drive promoting improving of technological process of drilling are considered.
Choice a control system of the electric drive of an alternating current with tiristor by a converter of frequency with a link of a direct current.
The various techniques permitting to select on greatest from outcomes a drive, ensuring work vrashately in main modes of drilling are applied for account of a potency of a drive of the drive.
The outcomes are checked with application IBM.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………….3
1.Определение мощности приводов буровых станков……………………………4
2.Расчет параметров двигателя……………………………….…………………….7
3.Моделирование переходных процессов………………….……………………..11
4.Технические требования к электроприводу…………………………………….12
5.Частотное управление (выбор преобразователя)……………………………….14
6.Функциональная схема электропривода с векторным управлением….……….16
7.Режимы работы электромеханических систем буровых станков
шарошечного бурения……………………………………………………….…….18
8.Расчет регуляторов системы векторного управления АД………………….……21
Список литературы………………………………………………………………...30
Введение
Развитие горной промышленности происходит в значительной степени на основе внедрения открытых горных разработок. Затраты на буровые работы составляют до 30% всех затрат необходимых для добычи 1т. полезного ископаемого.
Для сравнительно крепких пород применяются станки вращательного, ударно-вращательного бурения, а для пород высокой крепости, особенно при малых объемах бурения - станки ударного бурения.
Из различных способов проходки взрывных скважин наиболее широкое распространение в нашей стране, а также за рубежом получил способ проходки с помощью станков шарошечного бурения.
Все станки шарошечного бурения самоходные и состоят из следующих основных частей оборудования ( рис. 1):
-ходовой тележки
-рабочего органа, включающего мачту (вышку), механизм вращателя бурового става, механизм подачи бурового инструмента на забой скважины
-механизма для наращивания и разборки става
-механизма подъема бурового става
-устройства для очистки скважины и пылеподавления
-механизма для подъема мачты в рабочее положение и опускания мачты в транспортное положение
-механизма для горизонтирования станка
-электрооборудования
-машинного помещения
-кабины управления
1. Определение мощности приводов буровых станков
Рассмотрим способы выбора мощности главного привода станка шарошечного бурения - вращателя.
Режим работы вращателя характеризуется большой неравномерности нагрузки, вызванной неравномерностью свойств забоя, характером процесса разрушения, возникновением значительных вибраций при работе бурового станка.
При расчете мощности электропривода вращателя бурового станка используется эмпирическая методика .
Существуют две основные методики расчета. В первой предполагается что в нормальном режиме работы, т.е. при бурении без пробуксовок шарошки должны перекатываться по забою, сминая и скалывая участки породы. Внедрение зубьев в породу происходит за счет усилия подачи. При расчете усилий, возникающих в механизме вращения рабочего инструмента, предполагается, что сжимающие и скалывающие силы принимают одинаковое участие в разрушении породы и определяются прочностью пород при бурении.
В соответствии с этой методикой средняя мощность двигателя определяется выражением:
Р= =,кВт;
где Ms - момент сопротивления бурению на шарошке, Нм;
N - частота вращения долота, об/мин;
kp - коэффициент полезного действия механизма вращателя;
Момент Ms (Нм), необходимый для вращения долота, можно найти по формуле:
Ms=;
где Ns - сопротивление породы скалыванию, Н;
D - диаметр долота, см;
Ktr - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины;
Zs – число шарошек в долоте.
Для определения сопротивления Ns (Н) скалыванию используется формула:
Ns,
где Hst – глубина внедрения шарошек в породу, см;
Bb – средняя прочность породы данного типа, при вращательном бурении, Па.
Hst=;
где Vb – скорость бурения см/мин;
Ksk – коэффициент учитывающий снижение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями.
Скорость бурения зависит от частоты вращения долота N, крепости буримых пород fpr
и усилия подачи Np. Область рекомендуемых значений усилия подачи долота диаметром D c достаточной для инженерных расчетов точностью определяется уравнением:
Np=(0.6…0.7)fpr
D1000;
где fpr
– коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконова.
Cкорость вращения двигателя вращателя Nd определяется передаточным числом редуктора ip
:
Nd=ip
N
Принимаем исходные данные:
D=25 см; N=81 об/мин; Ktr=1.12 ; Kp=0.65 ; Zs=3 ;
ip
=11.05 ; Ksk=0.5
Результаты расчетов сводим в таблицу:
- для силового режима:
| fpr
|
6 |
10 |
12 |
14 |
16 |
| Hst, см |
0.2058 |
0.1646 |
0.1317 |
0.0905 |
0.0658 |
| Np 10-3
|
105 |
175 |
210 |
245 |
280 |
| Ns, H |
48225.3 |
53086.4 |
55308.6 |
49737.7 |
40000 |
| Ms, Нм2
|
4501.03 |
4954.7 |
5162.14 |
4642.2 |
3733.3 |
| Рα, кВт |
58.71 |
64.63 |
67.33 |
60.55 |
48.69 |
| Мα, Нм |
626.7 |
689.83 |
719.7 |
646.32 |
519.78 |
| Nαd, об/мин |
895.05 |
895.05 |
895.05 |
895.05 |
895.05 |
- для скоростного режима:
| fpr
|
12 |
10 |
6 |
4 |
2 |
| Bb 106
|
112 |
86 |
62.5 |
51.5 |
18.2 |
| Nα, об/мин |
80 |
105 |
120 |
140 |
150 |
| Np, кН |
200 |
180 |
160 |
120 |
100 |
| Vb, см/мин |
13 |
18 |
25 |
30 |
36 |
| Hst, см |
0.1083 |
0.1143 |
0.139 |
0.1429 |
0.16 |
| Ns 103
|
45.5 |
36.9 |
32.55 |
27.6 |
10.92 |
| Мs, Нм2
|
4246.7 |
3440 |
3098.2 |
2575.95 |
1019.2 |
| Pα, кВт |
54.7 |
58.16 |
58.71 |
58.07 |
24.62 |
3. Расчет параметров двигателя
По результатам расчета мощности выбираем двигатель 4А280S6У3 (75 кВт, 380 Вт, 1000 об/мин).
Паспортные данные этого двигателя:
Рн=75 кВт ; Un=380 Bт ; cos n
=0.89 ; hn
=92 % ; Sn=0.02 ;
fn
=50 Гц ; =7 ; Sk=0.083 ; J=2.9 кг/м2
In
===139 A
Г – образная схема замещения АД для номинального режима.
Iн X1
R1
X2
R2
/Sн
X1
R1
Uн
Хm
Параметры Г – образной схемы замещения АД для номинального режима в относительных еденицах:
Xm
=3.7 ; R1
=0.032 ; X1
=0.12 ; R2
=0.021;X2
= 0.13
X1
= = = 0.116
R = = = 0.0309
Коэффициент перевода относительных едениц в физические:
C = = = 1.576
Взаимная индуктивность статора и ротора, приведеная cтатору: Lm
==0.01857 Гн
Активное сопротивление фазы обмотки статора:
Rs = R1
C = 0.0309 1.576 = 0.0487 Ом
Индуктивность фазы обмотки статора:
Ls
= = = 0.01915 Гн
Поправочный коэффициент для параметров Г-образной схемы замещения: σг
= = = 1.0345
Активное сопротивление ротора, приведенное к статору:
Rr
= = = 0.0309 Ом
Индуктивность фазы обмотки ротора, приведенная к статору:
Lr
= Гн
Через первичные параметры определяется переходная индуктивность асинхронной машины .
Переходная индуктивность статора:
Ls
= Ls
- Гн
Переходная индуктивность ротора:
Lr
= Lr
- Гн
Постоянная времени обмотки ротора:
Tr
= cек
Постоянная времени обмотки статора:
Ts
= сек
Коэффициент магнитной связи статора:
Ks
=
Коэффициент магнитной связи ротора:
Kr
=
Расчет механической характеристики двигателя
Номинальное и критическое скольжение:
Sн = 0.02
Sк = 0.083
Синхронная частота вращения ротора:
ωc
= рад
Кратность пускового и критического моментов:
mп
=Mп
/Мн
=1.2 mк
=Мк
/Мн
=2.2
Номинальный момент двигателя:
Мн
=9570 Нм
Пусковой момент двигателя по справочным данным:
Mп
=1.2Мн
=1.2 732.4=878.88 Нм
Критический момент:
Мк
=2.2 732.4=1611.28 Нм
Есть возможность вычислить пусковой момент двигателя с учетом эффекта вытеснения.
Обычно обмотка глубокого паза не имеет изоляции, т.е. b=bn
для Al : ρAl
=2ρCu
Al
==0.71 [см]
Для двигателя 4А280S6У3 h=3.45 см
S=1 при пуске
Al
=0.71 3.45 =2.45 см
Коэффициенты определяем по графику:
KX
=0.6 ; KR
=2.5
Тогда : X2
В
=X2
Kx
=0.193 0.6=0.1158
r2B
=r2
Kr
=0.031 2.5=0.0775
I2
Н
= А
Мn
=
В физических единицах:
Mn=MН
1.203=881 Нм
4.Моделирование переходных процессов
Для построения переходных процессов используется модель представленная на схеме 1.
Этой модели соответствуют уравнения Горева-Парка:
Остальные величины вычисляются по формулам:
Выбираем эту модель, т. к. она отличается минимальным числом вычислительных блоков и коэффициентов.
5.Технические требования к электроприводу
Назначение: электропривод основного рабочего механизма - вращателя бурового станка.
1. Характеристика рабочего механизма.
Вращатель служит для передачи крутящего момента буровому снаряду, приводящему в действие через редуктор породоразрушающий механизм и обеспечивает вместе с механизмом подачи необходимый режим бурения.
Условия работы характеризуются большой неравномерностью нагрузки, вызванной изменением свойств забоя, характером процесса разрушения, возникновением значительных вибраций при работе станка.
2. При бурении вращатель работает в длительном режиме.
При спуско-подъемных операциях подъемник работает в повторно-кратковременном режиме, а периоды работы под нагрузкой чередуются с периодами работы вхолостую и с остановками. Период времени составляет (25...40)%.
3. Диапазон регулирования 1:10.
4. Точность поддержания скорости во всех статических режимах - (5...10)%.
5. Допустимое перерегулирование скорости - (5...10)%. Перегрузочная способность во всем диапазоне - (2,5...3)Мн.
6. Напряжение питания 380В (304...437)В или 6 кВ.
7. Средневзвешанный коэффициент мощности не менее 0,75 (с учетом наличия компенсирующего устройства).
8. Система управления должна обеспечивать:
а) автоматическое ограничение тока двигателя (крутящего момента).
б) автоматическое ограничение вибрации.
в) автоматическое управление по критерию постоянства мощности на вращение или другого критерия, обеспечивающего наибольшую производительность или наименьшую стоимость 1м проходки.
г) взаимосвязанное управление приводом вращателя и приводом подачи (и расходом промывочной смеси).
Виды управления: ручное и автоматическое.
9.Защита электропривода:
а) от перегрузки и коротких замыканий.
б) от длительной работы с током, близким к максимально допустимому,
в режиме постоянства мощности.
в) нулевая защита от включения напряжения при нулевых сигналах задания, в том числе при нулевом значении потокосцепления (при векторном управлении).
г) от обрыва цепей возбуждения двигателей постоянного тока.
10. Системы контроля и сигнализации:
а) замыкания на землю в цепях управления.
б) включения всех вспомогательных приводов (с подачей сигнала в цепи нулевой защиты), в том числе вентиляторов систем охлаждения.
в) токов нагрузки электроприводов и напряжений цепей управления (контроль по приборам).
г) скорости бурения.
д) осевого усилия.
11. Условия эксплуатации должны соответствовать климатическим зонам У и XЛ и категории помещения 2 и 1 (последние-для элементов оборудования вне машинного помещения).
Электропривод вращателя должен обеспечивать высокую производительность бурения, ограничение крутящего момента и вибрации станка.
6. Частотное управление
(выбор преобразователя)
Основным техническим средством получения силового напряжения регулируемой амплитуды и частоты в настоящее время являются преобразователи частоты со звеном постоянного тока (ПЧ) и непосредственной связью (НПЧ).
Преобразователи со звеном постоянного тока выпускаются промышленностью в более широких масштабах. Это обстоятельство и то, что этот преобразователь позволяет регулировать частоту в широких пределах, обуславливает перспективность применения в приводах буровых станков преобразователей со звеном постоянного тока.
В качестве электропривода бурового станка может быть применен комплектный тиристорный привод ЭКТ2Д-160/380-50, имеющий следующие технические данные:
напряжение питания, В 380
частота, Гц 50
номинальное выходное напряжение, В 380
номинальный выходной ток, А 160
номинальная мощность, кВА 105
диапазон изменения частоты, 5...60
коэффициент полезного действия, 0.95
коэффициент мощности, 0.88
Упрощенная функциональная схема привода по системе ПЧ-АД на базе тиристорного электропривода ЭКТ2 приведена на рис.2.
Силовая часть преобразователя подключена к трехфазной сети и состоит из управляемого выпрямителя УВ, фильтра Ф и автономного инвертора АИ. Система управления выпрямителем обеспечивает регулирование уровня, а система управления инвертором СУИ - частоты выходного напряжения. Последняя содержит стандартные блоки: задающий генератор ЗГ, кольцевой распределитель КР и формирователь импульсов ФИ.
На системы СУВ и СУИ поступают сигналы с выхода системы автоматического регулирования САР, имеющей канал управления частотой и напряжением. Наличие на плате САР переключателей и перемычек позволяет изменить структуру. На рис.2 представлена САР с регулятором ЭДС РЭ в канал управления напряжением выполненным двухконтурным по принципу подчиненного регулирования. Во внутренний контур регулирования тока входят регулятор тока РТ и датчик тока ДТ. Регулирование напряжения U производится по сигналу рассогласования между заданным значением, поступающим с выхода задатчика интенсивности ЗИ, и действительной величиной на выходе датчика ЭДС(Е) ДЭ (или напряжения ДН) двигателя. Сигнал рассогласования выделяется на в
В случае установки устройства измерения скорости двигателя УИС (тахогенератора) напряжение изменяется по сигналу ошибки скорости двигателя, а частота инвертора задается такой, чтобы двигатель работал с расчетным значением скольжения.
7.Функциональная схема электропривода
с векторным управлением
Наиболее радикальным направлением совершенствования привода, в том числе вращателя бурового станка, является применение векторных систем управления приводами с асинхронным двигателем. В векторной системе составляющие тока статора (i1,i2) двигателя, ориентированные по вектору потокосцепления, определяют соответственно величину модуля потокосцепления и момента двигателя. Система обладает высокими динамическими показателями и придает двигателю переменного тока свойства, характерные (аналогичные) свойствам двигателя постоянного тока в переходных и установившихся режимах и позволяет в полной мере использовать преимущества асинхронного двигателя.
Рациональная с точки зрения технической реализации, система векторного управления, представлена на рис.3, имеет в качестве опорного вектор главного потокосцепления, что обеспечивает лучшие энергетические показатели. В качестве датчиков, составляющих вектора главного потокосцепления
используются датчики Холла (ДХ). Система строится по принципу подчинненого регулирования. Блок регулирования и компенсации (БРК) содержит канал управления модулем главного потокосцепления () и канал управления скоростью (w). Канал управления скоростью является двухконтурным и содержит внутренний контур регулирования составляющей тока i2, определяющей момент двигателя. Для получения автономности управления потокосцеплением и моментом с помощью множительных ячеек (М1 и М2) осуществляется компенсация перекрестных влияний переменных состояния. С целью обеспечения независимости динамических свойств системы от уровня модуля главного потокосцепления канал управления (w) может содержать блок деления (БД).
Составляющая компенсирующего воздействия, представляющая собой произведение проекции тока i2 на скорость n (i2*n), используется для реализации контура регулирования в режиме постоянства мощности. Контур содержит устройство сравнения и нелинейный элемент (НЭ) в виде однополупериодного выпрямителя. При превышении заданного уровня мощности Р’ на выходе нелинейного элемента выдается сигнал на снижение скорости. Привод переходит в режим работы с постоянной мощностью. Такой контур обеспечивает выход станка из режима колебаний, сопровождающегося значительным ростом расходуемой мощности и устраняемого незначительным изменением скорости.
В связи с организацией управления с помощью машин переменного тока, ориентированных по вектору главного потокосцепления, система векторного управления содержит, помимо традиционных блоков, блоки к которым предъявляются специальные требования. Так, датчик потока (ДП) используя информацию с датчика Холла (ДХ), должен формировать сигналы, пропорциональные составляющим вектора главного потокосцепления машины Фa, Фq, блок управления инвертором СУИ-широкие управляющие импульсы из входной трехфазной системы переменных сигналов Ua, Ub, Uc.
Кроме традиционных блоков (регуляторов), система векторного управления содержит специальные блоки, входящие в состав системы векторных преобразований (СВП).
Блоки преобразователей координат (ПК1,ПК2), преобразователей фаз (ПФ1,ПФ2), вычислителей модуля (ВМ1,ВМ2), являются типовыми функциональными элементами. Блоки ПК1,ПК2 реализуют матрицу поворота векторов.
ПК2 преобразует составляющие сигналов в осях (1,2), жестко связанных с главным потокосцеплением машины, в систему неподвижных осей (a,q), а преобразователь ПК1 осуществляет обратное преобразование. Блоки преобразователей фаз (ПФ1,ПФ2) предназначены для преобразования трехфазных напряжений в эквивалентные им двухфазные и обратно. Блоки ВМ1,ВМ2 выделяют модуль двухфазной системы входных напряжений. Блоки тригонометрических анализаторов (ТА1,ТА2) являющиеся наиболее сложными, выделяют из двухфазной системы напряжений Фq’,Ф’ нормированные по амплитуде основные гармоники этих напряжений Фq,Ф (sin Ф,cos Ф) (высшие гармоники фильтруются).
Все блоки СВУ реализуются на операционных решающих усилителях (ОУ) и множительных ячейках. Эти элементы могут быть созданы на базе интегральных микросхем широкого применения интегральных усилителях К153,К140 и перемножителях К525.
Для реализации блока ТА используются специализированные умножители, которые обладают расширенными функциональными возможностями.
8. Режимы работы электромеханических систем буровых станков шарошечного бурения
Производительность бурового станка определяется как технологическими параметрами работы станка, так и горно геологическими условиями.
Технологическими параметрами, задаваемыми системами управления вращателя станка, являются: скорость вращения шарошечного долота n; осевое давление на забой Р; расход сжатого воздуха Q (на станках не регулируется). Неуправляемый параметр процесса бурения – физико-механические свойства пород. Параметры и конструкция шарошечного долота – задаваемые параметры. Функция цели системы – скорость бурения V.
Под оптимизацией режима бурения следует понимать сочетания управляемых параметров n и P при заданных постоянных процесса бурения и возмущении со стороны забоя при котором функция цели системы достигает мах при ограничении величины себестоимости для проходки, которая также является функцией технологических параметров с(n,Р). Оптимизация режима связана со значительными ограничениями. Это объясняется наличием предельных величин технологических параметров, изменением свойств разбуриваемых пород и развивающимися в системе привода вибрациями.
Для осуществления оптимального управления, также как и для выбора электрического и механического оборудования, необходимы исследования режимов работы электромеханических систем станка.
В процессе бурения буровой инструмент (шарошка) разрушает забой, горные породы которого чаще всего неоднородны по крепости, имеют трещиноватость. В связи с этим нагрузка на шарошечным долоте носит нестационарный характер и может быть представлена в виде суммы широкого спектра составляющих. Увеличение нагрузки приводит к снижению скорости вращения бурового става, т.е. уменьшению запаса кинетической энергии.
Одновременно при росте нагрузки происходит увеличение деформации (скручивании) буровой колоны. При упругих деформациях это сопровождается увеличением запаса потенциальной энергии в деформированном ставе. Наличие в механической системе запасов как кинетической, так и потенциальной энергии создает условия для преобразования энергии из одного вида в другой, т.е. возникновению механических колебаний.
Кроме чисто крутильных колебаний бурового става, работа станка характеризуется и колебаниями самого станка в вертикальном направлении. При работе станок опирается на гидродомкраты, которые при изменении усилия могут быть представлены как упругие элементы (рис ). Значительная часть веса станка через полиспастную канатную систему передается буровой колонне, чем обеспечивается давление долота на забой. В эту систему входят также гидроцилиндры, обеспечивающие изменение осевого давления, т.е. распределение веса станка между буровым ставом и опорными гидродомкратами. И гидроцилиндры, и канаты полиспастной системы также являются деформируемыми элементами и могут быть представлены как эквивалентное упругое звено (рис. ). В представленной кинематической схеме возникают колебания центра тяжести станка. При возникающих колебаниях меняется давление на забой, вследствие чего забой принимает характерную волнообразную форму.
Как следует из сказанного ранее, работа станка в неоднородных трещиноватых породах и особенности конструкции его электромеханической системы вызывают при работе вибрации, существенно влияющие на надежность работы механического и электрического оборудования и затрудняющие работу машиниста, так как уровни вибрации часто превосходят допустимые санитарные нормы.
Как датчик возникающих колебаний может быть использовано устройство для измерения низко частотной составляющей тока двигателя вращателя. В качестве такого датчика (рис. ) используется магнитный усилитель с подавленными четными гармониками. Такой усилитель представляет собой источник тока, поэтому колебания питающего напряжения не влияют на его работу. Для такого усилителя:
Iy
Wy
=Iн
Wн
где, Iн
, Iy
– токи нагрузки и обмотки управления; Wн
,Wу
– число витков рабочей обмотки и обмотки управления.
Током управления в приведенном устройстве является ток якоря двигателя вращателя, поэтому колебания тока якоря пропорционально отражены в токе рабочей обмотки магнитного усилителя. Ток рабочей обмотки выпрямляется и через R,C- фильтр, подавляющий высокие частоты подается на трансформатор. Трансформатор является дифференцирующим элементом что дает возможность выделить сигнал производной низкочастотных составляющих тока.
Исходя из сказанного следует, что при построении структуры САУ необходимо предусмотреть возможность автоматического выхода станка из режима вибрации.
Для уменьшения этих вибраций могут применяться чисто механические средства, например, надштанговые амортизаторы, аналогичные амортизаторам, применяемым для карьерных автосамосвалов БелАЗ. Возможно также регулирование скорости привода вращателя для снижения амплитуды вибраций, точнее, компенсации возникающих вибраций в некоторой полосе частот с тем, чтобы вибрации других частот гасились механической частью и механическими амортизаторами станка.
9. Расчет регуляторов системы векторного управления асинхронным двигателем
При исследовании систем векторного управления асинхронным короткозамкнутым двигателем со стабилизацией магнитного поля (амплитуды) в зазоре машины, применяется упрощенная система дифференциальных уравнений (во вращающихся координатах), описывающих процессы в машине, питаемой от идеализированного преобразователя частоты:
где КS
=LM
/LS
– коэффициент потокосцепления статора;
Kr
=LM
/LS
– коэффициент потокосцепления ротора;
rS
, rR
– активные сопротивления статора и ротора;
Lr
,LS
– индуктивность ротора и статора;
LM
– взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора;
P0
– число пар полюсов;
ω – частота вращения ротора машины;
- модуль главного потокосцепления;
US1
,US2
– составляющие напряжения статора во вращающейся системе координат, жестко связанной с главным потокосцеплением;
D i2
– составляющая обобщенного вектора тока статора на ординату вращающейся системы координат;
МС
– момент сопротивления;
J – динамический момент инерции.
Из этой системы исключены нелинейные члены имеющие малый “удельный вес”, содержащие прозведения переменных (трансформаторные э.д.с. на индуктивностях рассеяния) и принято сопротивление ротора rR
=const.
Структурная схема системы, при условии интерпретации преобразователя частоты в виде апериодического звена с постоянной времени Тμ
, представлена на рис. 4
Поскольку вектором выходных переменных являются (, i2
, ω), то можно применить классическую теорию подчиненного регулирования, разработанную для электроприводов постоянного тока.
В теории применяется компенсация нелинейных мешающих влияний, а также компенсация полюсов нулями передаточной функции.
Компенсирующие составляющие напряжений:
US1K
= - P0
ωLS
(1 – KS
Kr
)i2
US2K
= P0
ω
Приняты введенными точно и поэтому в системе не фигурируют, также как и связи, влиянием которых можно пренебречь.
Вычисление составляющей P0
ωLS
(1 – KS
Kr
)i2
=K i2
ω может быть использовано для реализации регулирования с поддержанием постоянства мощности (i2
ω = const).
Схема содержит канал управления (стабилизации) модулем главного потокосцепления и канал управления скоростью вращения ротора ω.
Канал скорости – двухконтурный и включает подчиненный контур регулирования тока i2
.
Параметры структурной схемы:
Tf
= , [с] Ti
=, [с]
СМ
=3/2 Р0
Kf
= , [с]
Ki
= , [c] Tμ
=(0.0033….0.005) c
Контур стабилизации потока () выполняем при помощи ПИ-регулятора:
Wпи1
(р) = ,
где ТИ
= Rвх
· Сос
– постоянная времени интегратора,
ТС
= Rос
· Сос
– постоянная времени настройки.
Для удобства настройки ПИ-регулятор реализуется на параллельно соединенных П-регуляторе и И-регуляторе.
Параметры регулятора:
K1
= KП
= КP
= Roc
/Rвх
– коэффициент передачи П-регулятора.
K2
= KП
+1 = 1/(Rвх
· Сос
) = 1/ТИ
Соотношение параметров данного ПИ-регулятора и регулятора, выполненном на одном решающем усилителе, следующие:
ТИ
= 1/КП
+1
TC
= Kn
/KП
+1
Выбирая К1
/К2
= Tf
получаем передаточную функцию разомкнутого канала управления главным потокосцеплением:
Wf
(p) = ,
где Kи
m
– коэффициент передачи преобразователя частоты;
Kdf
- коэффициент передачи датчика потока;
Настройка на технический оптимум определяет коэффициент К2
:
K2
=
и передаточную функцию разомкнутого контура:
W’f
(p) =
Передаточная функция замкнутого канала имеет вид:
Wf
(p) =
Канал управления скоростью вращения ротора.
Контур управления составляющей тока i2
.
Передаточная функция объекта регулирования этого контура, согласно структурной схеме, может быть представлена следующим выражением:
WОР
(р) = ,
где Kdi
– коэффициент передачи датчика тока;
При использовании ПИ-регулятора контур тока настраивается по техническому оптимуму. Его настройки:
K4
= 1/(2TμKiKumKdi) K3
/K4
= Ti , при Ti > Tμ
K4
= 1/(2TiKiKumKdi) K3
/K4
= Tμ , при Ti < Tμ
В первом случае Tm = Tα ,Ti = Tb , а во втором Ti = Tα , Tμ = Tb.
Передаточная функция разомкнутого контура имеет вид:
W’i
(p) =
Передаточная функция замкнутого контура тока по управляющему воздействию:
Wi
(p) = ,
где Tt = 2Tα
Контур управления скоростью.
Передаточная функция объекта регулирования скоростного контура:
W(p) = ,
где Km = CМ
Kω|Φ0
| / Kdi
.
В случае использования П-регулятора скорости его передаточная функция будет:
KRω
= .
Если задана статическая точность, то коэффициент KRω
рассчитывается по известной методике с целью получения заданной статической точности. Коэффициент передачи К канала управления скоростью определяется по формуле (коэффициент передачи П-регулятора тока устанавливается равным единице):
K = (bnr
D – bn
)/(Kω
Kum
Kαd
bn
),
где bnr
– статическая ошибка разомкнутой системы регулирования тиристорного привода (в %) при изменении напряжения питания преобразователя и момента нагрузки двигателя, если частота фиксированная ;
bn
– требуемая статическая точность (в %) при регулировании регулировании скорости (по отклонению) в диапазоне D;
Kαd
– коэффициент передачи асинхронного двигателя 1/(Вс)
Для уменьшения статической ошибки применяют ПИ-регулятор:
WПИ
3
(р) = .
Предположив, что для приводов с умеренной динамикой динамикой, к которым относится данный привод, модуль потокосцепления = 1 изменяется не столь значительно, получим передаточную функцию разомкнутого контура регулирования:
Ww’ (p) = .
При настройке на технический оптимум имеем:
K6
=
где TEM
= - электромеханическая постоянная времени.
Контур регулирования скорости с ПИ-регулятором может настраивается по условиям симметричного оптимума (при ТEM
> 4Ta):
K6
= ; ,
Передаточная функция контура по управляющему воздействию на холостом ходу МС
= 0 (IC
= 0) получается в виде:
Ww
(p) =
После вычислений получили настройки регуляторов системы управления:
Tф
= 1.24 с Kw = 9.8 10 –2
BC
Kф
= 0.6 Kdi
= 2.16 10 –2
B/A
Ti
= 0.015 Kad
= 0.268 1/BC
Ki
= 12.65 MП
=73 HM
bп
= 5 % Kdf
= 4.68 1/c
bпу
= 10 % Ф0
= 1.068 Вб
Д = 10
Tm
= 0.0033 c
CM
=4.5
Kим
= 38
ПИ – регулятор потока:
;
ПИ – регулятор тока i2
:
; ,
Коэффициент передачи ПИ-регулятора по условию технического оптимума:
Kr
w
=10.045
Параметры ПИ-регулятора скорости по условию технического оптимума:
; ,
Параметры ПИ-регулятора скорости по условию симметричного оптимума:
;
Для устранения перерегулирования скорости привода, обусловленного наличием формирующего члена в числителе передаточной функции на вход контура регулирования скорости включается фильтр первого порядка (задатчик эффективности) с передаточной функцией:
WФ
(p) = , где ТФ
= 4ТТ
В этом случае переходные процессы в приводе ТП-Д с двухкратно - интегрирующей системой подчиненного регулирования характеризуется следующей передаточной функцией:
Ww
м
(р) =
Расчет переходных процессов привода переменного тока с подчиненым
регулированием по методике, принятой в приводе постоянного тока, применим без ограничений в системах векторного управления. Для традиционных частотных систем методика дает удовлетворительные результаты в случае умеренной динамики привода, практически при времени переходного процесса, соизмеримом с длительностью пуска данного асинхронного двигателя:
tn
=При более высоком темпе разгона двигателя вид переходного процесса отличается от расчетного, так как в этом случае уровень главного потокосцепления не остается постоянным и снижается.
Появляется провалы момента, что приводит к значительному снижению электромагнитного момента двигателя.
Список литературы:
1.Алексеев В.В., Дартау В.А., Павлов Ю.П. “Элементы системы управления частотным приводом с подчиненным регулированием”
5.Столяров И.М., Слепцова З.Б. “Частотное регулирование машин переменного тока для рудничных электроприводов”
6.Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А., “Асинхронные электроприводы с векторным управлением “
8.Сандлер, Сорбатов, Чиликин “Основы теории электопривода”