Разработка и исследование двухконтурной структуры подчиненного регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Очень трудно представить себе современную жизнь человека без систем автоматического управления (САУ). Методы автоматического управления широко используются в производстве и научных исследованиях.

Одной из главных задач автоматики является задача автоматического оказания воздействия на объект управления, обеспечивая заданные законы изменения регулируемой переменной.

Проектирование является важным этапом при создании систем автоматического управления. Уровень проектирования в значительной степени определяет качество работы САУ, Основной задачей данной курсовой работы является ознакомление с основными этапами проектирования САУ.

1. Расчет и выбор силовых элементов

1.1 Выбор электродвигателя

Электродвигатель используемый в данной курсовой работе:

- тип 2ПФ315МУХЛ4:

- мощность = 160 кВт;

- номинальное якорное напряжение = 440 В;

- номинальное напряжение возбуждения = 220 В;

- Число параллельных ветвей обмотки якоря 2а=2;

- Число главных полюсов = 4;

- частота вращения = 1500 об/мин, = 2800 об/мин;

- ток якоря = 400 А;

- КПД = 88,6%;

- сопротивление обмотки якорной цепи = 0,0185 Ом;

- сопротивление обмотки возбуждения = 28 Ом;

- число проводников якоря = 230;

- число витков обмотки возбуждения = 770;

- момент инерции = 7 кг?м;

Индуктивность цепи якоря двигателя приближенно может быть рассчитана по формуле Линвиля-Уманского:

где:

- номинальный ток якоря, А = 400 А;

- номинальное якорное напряжение двигателя = 440 В;

- число пар полюсов = 2, так как 2= 4;

- коэффициент компенсации при наличии компенсационной обмотки = 0,25…0,3. =0,26;

- номинальная угловая скорость двигателя вычисляется по формуле:

где, -номинальная частота вращения, об/мин =1500 об/мин Гн

Расчет активного сопротивление якорной цепи двигателя при температуре равной 150°С, где, - активное сопротивление якорной цепи двигателя при температуре равной 20°С.

Ом

1.2 Выбор тиристорного преобразователя (ТП)

Исходя из условий: , , выберу тиристорный преобразователь. Тиристорный преобразователь выбирается с учетом допустимой перегрузки (определяется кратностью пускового тока двигателя () и длительностью пуска привода). Номинальное напряжение тиристорного преобразователя () работающего на якорь двигателя, должно быть ближайшим большим к номинальному якорному напряжению двигателя ().

=440 В, = 400 А.

Исходя из требований, получаем: Преобразователь типа АТ 500/460.



Тип преобразо-вателя	Напряжение U, В	Ток номинальный I, А	Ток максимальный I, А	КПД , %	Ток допустимый I, А
АТ 500/460	460	500	1000	95	625

Уравнение характеристики СУТП: = 90-

Максимальный ток - ток, при котором допускается работа агрегата в повторно - кратковременном режиме в течение 15 с. со времени цикла 10 мин при условии, что среднеквадратичное значение тока не превышает номинального значения. Управление реверсивным тиристорным агрегатом - раздельное. Силовая часть преобразователя построена по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Агрегаты с номинальным напряжением 460 В предназначены для непосредственного подключения к сети с линейным напряжением 380 В.

Для дальнейших расчетов необходимо определить индуктивность L и активное сопротивление R силовой цепи преобразователя.Индуктивность L определяется как сумма индуктивностей элементов силовой цепи. В зависимости от выбранной схемы в L могут входить индуктивности силового трансформатора L, токоограничивающих реакторов L и уравнительного реактора L.

L=L+ L+ L

В рассматриваемой схеме нет уравнительного реактора и силового трансформатора поэтому

L= L

Следуя условию: I >, аналогично тиристорному преобразователю выберем токоограничивающий реактор ТОР, так как =400 А

Получаем: Трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-410-0,101У3

Тип реактора	Ток I, А	Напряжение сети U, В	Индуктивность L, мГн	Активное сопротивление R, Ом
РТСТ-410-0,101У3	410	410	0,101	0,00405

L= L=0,101 мГн

Сопротивление R в свою очередь определяется как сумма сопротивлений элементов силовой цепи. В общем случае в R могут входить сопротивления силового трансформатора

R, токоограничивающих реакторов R, уравнительного реактора R, тиристоров R, коммутационное R.

R=R + R + R + R + R

В нашем случае: R= R + R

Сопротивление коммутации рассчитываем по формуле:

R=L·f·m

L- индуктивность анодной цепи тиристора

f-частота питающей сети (50 Гц)

m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

R=0,000101·50·6=0,0303 Ом

R=0,00405+0,0303=0,03435 Ом

1.3 Выбор сглаживающего дросселя

При работе тиристорного преобразователя на якорь двигателя в ряде случаев необходим сглаживающий дроссель. Эту необходимость следует проверить, так как параметры силовой цепи тиристорного преоюразователя и конструктивные особенности двигателя могут допускать бездроссельный вариант привода. Основными расчетными параметрами дросселя являются его номинальный ток I и индуктивность L.

При выборе дросселя по току справедливо условие: I>

Индуктивность дросселя:

L =L - (L + L)

L - полная индуктивность якорной цепи

L- индуктивность тиристорного преобразователя

L- индуктивность двигателя

Требуемое значение L, рассчитывается по условию ограничения пульсаций тока до допустимого для машины уровня:

L =

где,

е - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного

напряжения (для широко регулируемых ЭП е=0,22…. 0,24). Выберу е=0,23

Е - максимально выпрямленная ЭДС ТП, Е= 513 В

i - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного тока (для двигателей серии 2ПФ и 4ПФ i = 0,07)

- угловая частота пульсаций

Найду : = 2··f·m

где, f-частота питающей сети (50 Гц)

m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

= 2·3,14·50·6=1884 с

Таким образом,

L == 0,0022 Гн

L =L - L - L =0,0022-0,000912-0,000101=0,001187>0

Дроссель нужен.

Значение L, найденное по условию сглаживания пульсаций, следует проверить по условию ограничения зоны прерывистых токов: I < I

где, I - минимальный рабочий ток двигателя.

Определим: I по формуле:

I = 0,2 · I

I = 0,2 ·400 = 80 А

Гранично-непрерывный ток I растет с увеличением угла управления тиристорами , поэтому его следует определить по формуле:

I=

где, =arccos()

где, E= к· Ф·+ I·R

кФ-коэффициент передачи по магнитному потоку

R-полное активное сопротивление якорной цепи ТП-Д,

R=R+R+R

Так как, сглаживающий дроссель еще не выбран, то его сопротивление R определяется приближенно по формуле:

R=

U-падение напряжения на дросселе

U= U·0,006

U=0,006·440=2,64 В

R= Ом

R=0,0222+0,03435+0,0066=0,06315 Ом

= с

где, -минимальная угловая скорость,

- номинальная угловая скорость двигателя

- диапазон управления скоростью = 50

==3,14 с

кФ=

кФ==2,75 В·с

E=2,75·3,14+400·0,06315=33,895 В

=arccos =86°

I=79,93 А

Условие I<I выполнено, т.к. 79,93<80 [A]

Дроссель нужен.

L= L - L - L

L=0,0022-0,000101-0,000912=0,001187 Гн

L> L и I?

Исходя из условия: выбираем сглаживающий дроссель:

ФРОС-125/0,5

Тип дросселя	Ток, I А	Индуктивность L, мГн
ФРОС-125/0,5	500 А	1,25

Определяем уточнённое значение L

L= L+ L+L

L=0,000101+0,000912+1,25=2,263 Гн

1.4 Определение коэффициентов передачи и постоянных времени силовых элементов

В работе следует использовать динамические коэффициенты передачи звеньев САУ, определяемые как отношение приращения, выходной переменной к приращению входной переменной в рабочей точке статической характеристики звена.

Коэффициент передачи двигателя при управлении напряжением якоря:

К =

К==0,3637

Коэффициент передачи двигателя по возмущению-изменению М:

К=

К==8,3

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя (ТП):

К=

U=0….10 В

К = tg б==51,3

0

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя

Электромагнитная постоянная времени цепи преобразователь-двигатель Т:

Т =

Т==0,0358 с

Электромеханическая постоянная времени привода Т:

Т=

J-суммарный момент инерции электропривода.

J=J+J

J=10 J

J=11 J

Так как, J=7 J=7·11=77 кг·м

Т= c

2. Компоновка и расчет статики САУ

2.1 Выбор структуры САУ

В соответствии с техническим заданием в работе рассматриваем двухконтурную систему регулирования скорости.

При выборе типа элементов САУ следует ориентироваться на отечественную систему

УБСР-АИ

Данные элементов УБСР-АИ

Тип элемента	Наименование Элемента	Характеристики элемента
		U, В	R, кОм	R, кОм	К
У2-АИ У4-АИ	Операционные усилители	-10 +10	150	2	Не менее 10000
ФВ-IАИ	Фазочувствительный выпрямитель	8	5	2	1,25
ДТ-IАИ	Датчик тока	0,075…0,2	0,01	2	40…140
ДН-IАИ	Датчик напряжения	-10,+10	10	2	1

2.2 Построение функциональной схемы САУ

силовой автоматический управление передача

Функциональная схема САУ позволяет определить основные функциональные связи между звеньями системы.

Структура системы имеет следующий вид:



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где,: ЗУ - задающее устройство скорости;

РС - регулятор скорости;

РТ - регулятор тока;

ТП - тиристорный преобразователь;

ДТ - датчик тока;

ДС - датчик скорости;

Д - электродвигатель;

U - заданное напряжение скорости;

U - напряжение обратной связи по скорости

В качестве типовых регуляторов тока и скорости могут использоваться пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-интегрально-дифференциальные.

2.3 Расчет статических характеристик САУ

В этом разделе рассчитываются приближенные графики и механические характеристики двигателя =f(M) в разомкнутой системе на верхней и нижней скоростях. Строятся графики на рабочем отрезке М(М=M).

=

М=кФI

М=2,75·400=1100 Н?м

при М=0 =

==186,55 с

при М=М =

==176,36 с

Так как нам задан диапазон регулирования скорости, то:

=

где, ?-диапазон управления скорости.

при М=0 = =3,73 с

при М=М = =3,53 с

Определю просадку скорости:

=

=·100% =5,9%

=

=·100%=5,9%

2.4 Выбор элементов САУ и расчет параметров обратных связей

При использовании аналоговых регуляторов на базе операционных усилителей, например, регуляторов серии УБСР-АИ, коэффициент передачи обратной связи по скорости можно определить следующим образом:

К=К·К=

К==0,06 В·с

где, U-максимальное значение управляющего напряжения задающего устройства (для элементов УБСР-АИ U= 10 В)

- номинальная угловая скорость двигателя

В качестве датчиков скорости могут применяться тахогенераторы постоянного тока типов ТМГ, ТГ, ТД, ПТ и другие. Тахогенератор выбирается из условия: n>n, так как

n= 2800 об/мин

Исходя из условий выбираем ТД-110



Тип тахогене-ратора	Удельная ЭДС,	Сопротивление обмотки якоря, Ом	Макс. ток нагрузки, А	Макс. частота вращения, об\мин	Напряжение возбуждения, В	Ток возбуждения, А
ТД-110	3	-	0,15	3000	-	-

Рассчитаем коэффициент передачи датчика скорости К:

К=К·К·К

Где, К - коэффициент передачи потенциометра (0,5)

К - коэффициент передачи сглаживающего дросселя (0,95)

К - коэффициент передачи тахогенератора,

К===0,48 В·с

К=0,95·0,5·0,48=0,228 В·с

Определим коэффициент приведения обратной связи по скорости к задающему входу регулятора скорости:

К=

К==0,26

К= => R=

R==576,92 кОм

Коэффициент передачи обратной связи по току в системах подчиненного регулирования определяется выражением:

К=

где, U - напряжение ограничения регулятора скорости, получаемое с помощью соответству-ющего блока ограничения, 10 В

I - максимальное значение тока якоря двигателя

I=2,5?I

I=2,5?400=1000 А

К ==0,01

Найдем коэффициент передачи датчика тока К по формуле:

К= К? К

где, К - коэффициент передачи шунта

К - коэффициент усиления датчика тока ДТ-1АИ (выберу 100)

Тип элемента	Наименование Элемента	Характеристики элемента
		U, В	R, кОм	R, кОм	К
ДТ-IАИ	Датчик тока	0,075…0,2	0,01	2	40…140

Вычислим К по формуле:

К=

где, U=75мВ

I? I (I=400 A), так как I = 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500 А выберу I=500 А

К==1,5?10

К=1,5?10?100=0,015

Рассчитаем коэффициент приведения обратной связи по току (К) к задающему входу регулятора тока:

К=

К==0,67

К=

R - сопротивление на входе регулятора тока 150 кОм

R=

R==223,88 кОм

где, РС - регулятор скорости

РТ - регулятор тока

ТП - тиристорный преобразователь

ДВ - двигатель постоянного тока

ДТ - датчик тока

ДС - датчик скорости

Тиристорный преобразователь

Тиристорный преобразователь вместе с системой управления и фильтром для сглаживания пульсаций входных сигналов в первом приближении может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

Коэффициент передачи К=51,3

Постоянная времени тиристорного преобразователя: Т=Т+

Т - постоянная времени фильтра, обычно (0,003….. 0,005 с), выбиру 0,004 с;

- время запаздывания силовой части ТП

=

==5,3?10[с]

Т=0,004+5,3?10= 4,53?10 c

Двигатель

R=0,06315 Ом;

Т=0,0358 с;

К==0,3637 ;

Т= c;

Датчик тока

Датчик тока при наличии фильтра на выходе следует считать апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

Т=(0,002…0,005) с (выберу 0,004 с)

К=0,01

Датчик скорости

Датчики скорости при наличии фильтра на выходе следует считать апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

Т=(0,01…0,02) с (выберу 0,015 с)

К=0,06 В·с

3.2 Построение структурной динамической схемы и синтез регуляторов

В САР скорости контур тока чаще всего настраивается на оптимум по модулю(ОМ), а контур скорости - на симметричный оптимум (СО).

Параметры ПИ-регулятора скорости при настройке на симметричный оптимум выбирают по формулам:

1=

1=4Т

К=

Суммарная малая постоянная времени контура скорости: Т=Т+2Т

К==0,1378

Т=Т+2Т

Т=Т+Т

Т=4,53+0,004=8,53 с

Т=0,015+2?8,53=0,032 с

1==73

1=4?0,032=0,128 с

Параметры ПИ-регулятора тока определяются формулами:

2=

2=Т

К=

Суммарная малая постоянная времени контура тока: Т=Т+Т

К==8,12

Т=4,53+0,004=8,53 с

2==0,258

2=0,0358 с

3.3 Исследование системы на компьютере

Так как в SIAM не реализованы звенья типа пропорционально-интегрального, то данное звено представляется типовым соединением,

Поскольку:

W=1?=1?(1+)=1+=1+

Согласно алгебре передаточных функций: при параллельных звеньях передаточные функции суммируются

3.4 Анализ исследования системы на компьютере

1) При управляющем воздействии ()

Расчет перерегулирования.



где,: - максимальное значения выходной переменной, выбирается из таблицы 1.1 и 1.2

- установившиеся значения выходной переменной, выбирается из таблицы 1.1 и 1.2

Расчет времени переходного процесса.

Границы установившегося значения

Из таблиц 1.1 и 1.2 определяется время переходного процесса (), из условий .

2) При возмущающем воздействии ()

Статическая ошибка.

Статическая ошибка определяется по графику переходного процесса при возмущающем воздействии, при , (по таблице 2.1 и 2.2).

Расчет динамической ошибки.

где, - максимальное значения по модулю выходной переменной при возмущающем воздействии, выбирается из таблицы 2.1 и 2.2

Вывод

В процессе работы была разработана двухконтурная структура подчиненного регулирования со следующими параметрами:

- перерегулирование при единичном управляющем воздействии = 42,53%;

- время переходных процессов = 0,31 с.

- статическая ошибка при возмущающем воздействии

- динамическая ошибка при возмущающем воздействии = 2,4%, что удовлетворяет требованиям к САУ.

Литература

1. В.М. Шестаков «Теория автоматического управления. Методические указания к курсовой работе для студентов по специальности 2102». ВТУЗ-ЛМЗ Ленинград, 1989.

2. Конспект по теории автоматического управления.

3. Егоров В.Н., Шестаков В.М. «Современные методы расчета динамики замкнутых САУ» - Л.: СЗПИ, 1982.

4. Ф.Ф. Андреев «Электронные устройства автоматики. М. «Машиностроение» 1978 г.

5 Электроника: Справочная книга. Ю.А. Быстров, Я.М. Великсон, В.Д. Вогман и др.; Под ред. Ю.А. Быстрова. - СПб.:Энергоатомиздат. 1996

Размещено на Allbest.ru

...