где Uk – потери напряжения на насыщенном силовом ключе, В.

.

Ток якоря двигателя в динамических режимах может превышать Iн в 2,5÷4 раза, поэтому расчетный ток силового транзисторного ключа принимаем

                                                                         =392, А                       (2.16)

2.4.2  Выбор силовых полупроводниковых элементов.

Выбираем для транзисторного ключа IGBT-модуль CM400DU-12F (Mitsubishi Electeric)

со следующими параметрами:

- напряжение коллектор-эмиттер, Uкт, В……………………………..........600

- напряжение насыщения коллектор-эмиттер, Uктнас, В………......……...2,2

- максимальный ток коллектора, Iкmax, А...……………………......……...400

- импульсный ток коллектора, Iкн, А...…………………………..................800

- время включения, tвкл, c……………………………………….............0,4·10-6

- время выключения, tвыкл, c………………………………….........…...0,7·10-6

- тепловое сопротивление «переход-корпус», Rтеп, ºС/Вт…..........…..….0,12

- мощность рассеяния на коллекторе, Ррк, Вт….……..………….........….1100

Выбираем диод, шунтирующий IGBT-модуль, например диод Д161-400 со следующими параметрами:

- действующий ток, IVD, А………………………………........…………….400

- пороговое напряжение, U0, В…………………………………..................1,35

- динамическое сопротивление, RVD, Ом………..…………........………..0,002

- сопротивление при типовом охладителе и естественном охлаждении, RVDT, ºС/Вт…..…………....................................................…………….......................0,55

максимальная температура структуры, θpn, ºС………………….........…..140

2.4.3  Определение оптимальной частоты коммутации ШИП.

В связи с применением ненасыщенного ключа коэффициент форсировок на включение и отключение транзистора принимается: К1 = 1, К2 =1.

Длительность фронта и спада коллекторного тока силового ключа в паспортных данных силового модуля:

с;

с;

Определяем оптимальную частоту коммутации ШИП:

                                                                           ,Гц                               (2.16)

где                      для ШИП с симметричным законом коммутации;

                                                          ,                                  (2.17)

Принимаем частоту коммутации                     Гц.

     2.4.4  Определение постоянных и базовых величин, необходимых для расчетов электромагнитных нагрузок энергетического канала.

Конструктивная постоянная двигателя:

                                                                        , В·с/рад                     (2.18)

Базовая скорость:

                                                                   , рад/с                                    (2.19)

Базовый ток:

                                                                    , А                                   (2.20)

Базовый момент:

                                                    , Н·м                            (2.21)

Учитывая, что ШИП с симметричным управлением не искажает естественных механических характеристик двигателя, определяем относительную продолжительность включения в номинально режиме:

                                                      ,                               (2.22)

Относительная скорость в номинальном режиме:

                                                                      , рад/с                             (2.23)

 ,

Относительная электромагнитная постоянная времени:

                                                    .                                    (2.22)

где Т – период коммутации,

                                                                                       с.                  (2.24)

На естественной механической характеристике ДПТ для максимального тока двигателя в динамическом режиме                    (А) определяем частоту вращения:

                                                                            , рад/с                       (2.25)

Определим относительное значение этой скорости:

                                                                    ,  рад/с                             (2.26)

   2.4.5 Среднее значение тока двигателя,

                                                                                ,А                        (2.27)

                                                                            , А                              (2.28)

2.4.6 Действующее значение тока двигателя

                ,         (2.29)

где ;

                                                                              ,А                     (2.30)

2.4.7 Значение среднего тока транзисторного ключа при максимальном токе двигателя составит

                        ,             (2.31)

                                                                                ,А                           (2.32)

2.4.8  Действующее значение тока транзисторного ключа.

       ,           (2.33)

                                                                                 , А                          (2.34)

2.4.9 Среднее значение тока шунтирующего диода

                      (2.35)

                                                                            ,А                               (2.36)

2.4.10 Значение действующего тока шунтирующего диода

             ,(2.37)

                                                                                  ,А                      (2.38)

2.4.11 Определим потери энергии в силовом транзисторном ключе.

                                                                                               , Вт        (2.39)

где:

                                                                      (2.40)

                                                   (2.41)

сопротивление насыщенного ключа:         

                                             ,                 (2.42)

Полученная величина потерь меньше допустимой мощности рассеяния на коллекторе силового IGBT-модуля.

                                                        ,                                  (2.43)

2.4.12 Определение потерь мощности в шунтирующем диоде.

                                                  ,Вт                           (2.44)

    2.4.13 Максимальную температуру структуры диода определяют из условия, что температура окружающей среды не превышает ºС.

                                                  ,ºС                        (2.45)

Так как ºС, то требуется дополнительное  охлаждение диодов для обеспечения соответствующих температурных режимов.

2.4.14 Расчет суммарных дополнительных потерь в системе ШИП – ДПТ в относительных единицах производится по выражению:

                       ,      (2.46)

.

  2.4.15 Абсолютные дополнительные потери определяют, как

                                             , Вт                      (2.47)

2.4.16 Основные потери в цепи якоря двигателя составляют

                                                  , Вт.                       (2.48)

2.4.17 Потери мощности в цепи якоря двигателя.

                                                  , Вт                           (2.49)

      .

  2.5  Расчет основных статических параметров двигателя.

2.5.1 Сопротивление якорной цепи в нагретом состоянии.

                                            , Ом               (2.50)

где tном – температура двигателя в номинальном режиме работы,      ºС;    tхол – температура двигателя в не нагретом состоянии, ºС; α – температурный коэффициент сопротивления, для медной обмотки                     .    .                1/ºС.

2.5.2      Жесткость естественной механической характеристики.

                                                                  , Н·м·с                                   (2.51)

   .

где                              º - угол наклона естественной механической характеристики к оси ω.

2.5.3 Скорость идеального холостого хода для естественной механической характеристики составит:

                                                                 , Об/мин                             (2.52)

.

2.5.4 Момент короткого замыкания.

                                                 , Н·м.                              (2.53)

2.5.5 Ток короткого замыкания.

                                                                           , А                               (2.54)

Построим естественную электромеханическую и механическую характеристики ДПТ

                                        ;       (2.55)

Рисунок 4 – Статическая  электромеханическая характеристика ДПТ.

----угловая скорость при номинальном моменте

      угловая скорость при изменении статического момента

Рисунок 5 – Статическая механическая характеристика ДПТ.

    - угловая скорость при изменении статического момента

    --- угловая скорость при номинальном моменте

  2.6  Расчет параметров электропривода.

2.6.1 Основные параметры передаточной функции двигателя.

Задаемся величиной максимального статического тока:

                                                     , А                              (2.56)

Определим сопротивление насыщенного ключа:

                                                                         ,  Ом                         (2.57)

Эквивалентное сопротивление якорной цепи:

                                                     ,Ом                       (2.58)

Механическая постоянная времени с учетом приведенного момента инерции:

                                                                                   , с                         (2.59)

где N– коэффициент учитывающий изменение момента инерции механической части привода в зависимости от загрузки механизма подъема, N=2-8. Принимаем N=3

Электромагнитную постоянную времени определим, как:

                                                                          ,с                                 (2.60)

Относительная постоянная времени

                                                  .                 (2.61)

Коэффициент демпфирования

                                                   .                (2.62)

2.6.2 Выбор тахогенератора

Условия, необходимые для выбора тахогенератора:

, Вт

Вт;

, рад/с

рад/с;

, кг·м2·10-6

кг·м2·10-6.

Исходя из следующих условий выбираем тахогенератор типа ДПР-42HI-01 со следующими параметрами:

- мощность на валу, Рнтг, Вт……………………...........……………………..4.7

- скорость вращения, Ωнтг, рад/с…………………………..........…………...942

- напряжение питания, Uнтг, В…………………………...........………………27

- ток якоря, Iнтг, А………………………………………..........…………..…0.29

- сопротивление обмотки якоря, Rнтг, Ом………………...........…………….13

- момент инерции, Jнтг, кгм2·10-6……………………….........………..……0.57

- масса, mтг, кг…………………..………………………............……….…….0.15

2.6.3           Определение коэффициентов усиления системы привода.

Определим коэффициент усиления разомкнутой системы

                                                                                 (2.63)

где ΔU – изменение напряжения; D – диапазон регулирования, D = 1000; δ – статическая погрешность,               .

                                                          ,В                              (2.64)

Определение коэффициента передачи двигателя

                                               ,                          (2.65)

.

Определим коэффициент передачи тахогенератора

                                                 ,                        (2.66)

где Rн – сопротивление входа усилителя,                      Ом.

Определим коэффициент передачи ШИП совместно с широтно-импульсным модулятором

                                               ,                (2.67)

где Uзт – напряжение управления,                 В.

.

2.6.4  Постоянная времени ШИП

Т.к. запаздывание на выходе ШИП в основном определяется частотой коммутации равной fk=2000 Гц, сам по себе ШИП считаем безинерционным, но в реальной САУ на входе ШИП устанавливается апериодический фильтр, поэтому принимаем

ТШИП=0,0005 с.

 2.6.5  Настроим контур тока на технический оптимум

Датчик тока: Iшунта=200 А,   Uшунта=25·10-3 В.

Коэффициент усиления усилителя датчика тока:  Кудт=100.

Примем максимальный ток электродвигателя равным:

Imax=2*98=196 А.

Определим коэффициент усиления усилителя

                                             ,                            (2.70)

.

Определим коэффициент усиления регулятора тока и скорости

                                                ,                             (2.71)

.

2.7   Динамический расчет системы привода.

Рассмотрим динамическую модель разработанной приводной системы:

Рисунок 6 – Динамическая модель приводной системы

Исходные данные для расчета: