Выбор структуры и параметров элементов системы управления тиристорного электропривода постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электроэнергетический факультет

Кафедра автоматизированного электропривода, электромеханики и электротехники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Регулирование координат в электроприводах»

Выбор структуры и параметров элементов системы управления тиристорного электропривода постоянного тока

Руководитель Воронин П.А.

Исполнитель Коробов В.О.

Оренбург 2017



Задание

Спроектировать систему управления электроприводом (СУЭП) производственного механизма, обеспечивающую технологический процесс, с длительным режимом работы исполнительного органа рабочей машины, с разными скоростями в диапазоне не менее D, с регулярным и частым сбросом и набросом нагрузки в пределах (0,11)Мс.ном. Тип силового тиристорного преобразователя - тиристорный преобразователь постоянного тока.

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные

Наименование параметра	Значение параметра
Тип двигателя	ПБВ 160 М
Мощность Р, кВт	4
Момент инерции механизма	0,5
Поддержание параметра	М=const
Диапазон регулирования D	800
Статическая ошибка регулирования	2,0
Динамическая ошибка регулирования	5
Показатель, определяющий качество	СД



Содержание

Введение

1. Выбор технологической установки и описание технологического процесса, роль автоматизированного электропривода в технологическом процессе. Требования, предъявляемые к электроприводу технологической установки

2. Выбор конструктивных элементов силового канала электропривода и расчет их основных параметров

2.1 Номинальные данные двигателя типа ПБВ160М

2.2 Выбор и расчет трансформатора

2.3 Расчёт и выбор тиристоров

2.4 Расчёт параметров силовой цепи

3. Выбор структуры системы управления электропривода. Обзор структур современных СУЭП постоянного тока. Выбор оптимального варианта системы управления тиристорного электропривода постоянного тока для выбранного производственного механизма

4. Разработка математической модели силового канала электропривода как объекта управления и расчет основных параметров элементов

5. Разработка структурной схемы замкнутой системы регулирования скорости

6. Анализ статического режима работы разомкнутой электромеханической системы электропривода

6.1 Механические характеристики электропривода

6.2 Расчет требуемого коэффициента усиления регулятора

7. Расчет динамических характеристик системы электропривода

7.1 Контур тока якоря

7.2 Контур регулятора скорости

8. Расчет переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям «в малом» в регулируемом электроприводе

8.1 Расчет переходного процесса по заданию

8.2 Расчет переходного процесса по возмущению

9. Разработка принципиальной схемы, выбор элементов и конструктивного исполнения регуляторов (частоты вращения, тока якоря)

9.1 Регулятор тока

9.2 Регулятор скорости

10. Описание работы серийно выпускаемого электропривода, структурно схожего с проектируемым

Заключение

Список использованных источников



Введение

Способ получения энергии, необходимой для выполнения механической работы в производственных процессах, на всех этапах истории человеческого общества оказывал на развития производственных сил решающее влияние. Создания новых, более совершенных двигателей, переход к новым видам приводов рабочих машин являлись крупными историческими вехами на пути развития машинного производства. Замена двигателей, реализующих энергию падающей воды, паровой машиной, послужила мощным толчком к развитию производства в прошлом веке - веке пара. XX в. получил название века электричества в первую очередь потому, что основным источником механической энергии стал более совершенный электрический двигатель и основным видом привода рабочих машин является электрический привод.

Индивидуальный автоматизированный электропривод (индивидуальным электроприводом называют электропривод, при котором исполнительный механизм машины приводится в движение отдельным электрическим двигателем или несколькими двигателями) в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества от сферы промышленного производства до сферы быта. Широта применения определяется исключительно большой диапазон мощности электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие их использования. Уникальные по производительности промышленные установки - прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъемные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяжные высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие - оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт. Значительные резервы повышения производительности труда во всех отраслях народного хозяйства реализуются путем комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. Индивидуальный электропривод является основным исполнительным энергетическим элементом электромеханических систем комплексной механизации и автоматизации. Среди проблем, стоящих перед народным хозяйством страны, задачи комплексной механизации и автоматизации технологических процессов, повышения качества, надежности, экономичности и производительности машин занимают важное место.

Первой особенностью развития электропривода на данном этапе является расширение области применения регулировочного электропривода, главным образом, за счет количественного и качественного роста регулируемых электроприводов переменного тока. Достигнутые в последние годы успехи в совершенствовании тиристорных и транзисторных преобразователей частоты дают основание предполагать, что в ближайшей перспективе развитие регулируемых электроприводов переменного тока, использующие двигатели более простой конструкции с меньшей металлоемкостью, приведет к интенсивному вытеснению управляемых электроприводов постоянного тока, которые на сегодняшний день имеют преимущественное применение.

Второй особенностью развития современного электропривода является интенсивное повышение технологических требований к динамическим и точностным показателям электропривода, расширение и усложнение его функции, связанных с управлением технологическими процессами, и соответствующее возрастание сложности систем управление электроприводами. Их развитие идет по пути создания систем с числовым программным управлением и расширением использования современной вычислительной техники, создаваемой непосредственно для целей управления на базе микропроцессоров. Необходимость применения аналоговых или микропроцессорных систем управления определяется конкретными технологическими требованиями к электроприводам. На данном этапе развития правильное определение задач, которые наиболее эффективно решаются с помощью микропроцессорного управления, весьма важно.

В качестве третьей особенности данного этапа развития следует указать стремление к унификации элементной базы электропривода, созданию унифицированных комплексных электроприводов путем использования современной микроэлектроники и блочно- модульного принципа. На этой основе уже созданы серии комплексных тиристорных электроприводов постоянного тока, обладающих показателями удовлетворяющими требованиям широкого круга механизмов. Идет процесс дальнейшего развития и совершенствования ших электроприводов, причем на этих принципах создаются и системы частотного управления электроприводами переменного тока.

Выше уже была отмечена общая тенденция к упрощению кинематических цепей машин и механизмов обусловленная развитием регулируемого индивидуального электропривода. Одним из проявлений этой тенденции является стремление в машиностроении к использованию безредукторного электропривода. Несмотря на повышенные массу габариты двигателя, применение безредукторных электроприводов по сравнению с редукторными оправдывается их большей надежностью и быстродействием. Интересной реализацией рассмотренной тенденции является развитие электроприводов с линейными двигателями, которые позволяют исключить не только редуктор, но и устройства преобразующие вращательное движение роторов двигателей в поступательное движение рабочих органов машин. Электропривод с линейным двигателем является органической частью общей конструкции машины, предельно упрощает кинематику и создает максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.

Электрический привод является крупнейшим потребителем электрической энергии: из всего огромного объема электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране, более половины преобразуется в механическую энергию, необходимую для работы машин и механизмов во всех отраслях народного хозяйства и в быту. В связи с этим энергетические показатели как уникальных, так и массовых электроприводов малой и средней мощности имеют важнейшее народнохозяйственное значение и в решении экономических проблем, стоящих перед нашей страной, вопрос рационального, экономичного расходования электроэнергии требует большого внимания. Соответственно в развитии электропривода особенно острой является проблема рационального с точки зрения энергопотребления проектирования электроприводов. Эта проблема требует разработки мероприятий, направленных на повышение коэффициента полезного действия электроприводов, с одной стороны, и на организацию управления работой машин, исключающую или минимизирующую непроизводительное потребления электроэнергии их электроприводами - с другой.



1. Выбор технологической установки и описание технологического процесса. Роль автоматизированного электропривода в технологическом процессе. Требования, предъявляемые к электроприводу технологической установки

В качестве технологической установки в данном курсовом проекте выбран токарный станок.

Относительные движения заготовки и режущего инструмента, в результате которых осуществляется процесс резания, называются основными. Основные движения разделяются на главное, при котором инструмент производит резание металла, и движение подачи, которое обусловливает перемещение инструмента или обрабатываемой заготовки для снятия нового слоя металла. В станках токарной группы главным движением является вращение заготовки, а движением подачи является перемещение инструмента относительно заготовки.

Кроме основных движений в станках имеются вспомогательные движения, непосредственно не участвующие в процессе резания, но способствующие ему или выполняющие вспомогательные операции, обеспечивающие работу станка.

Резание металлов большинством исследований в основном определяется как процесс последовательного сдвига элементов стружки, сопровождаемый пластическим сжатием, изгибом или вязким трением металла. При этом резание металлов сопровождается деформацией, температурными изменениями и действием сил трения в самой стружке, на режущем инструменте и на поверхности обрабатываемой заготовки. На все эти явления весьма существенное влияние оказывают скорость и сила резания. При увеличении размеров срезаемого слоя металла силы, действующие в процессе резания, возрастут. Возрастут и соответствующие им работа резания и температура. При этом производительность оборудования в единицу времени увеличится.

Для преодоления давления стружки и обрабатываемой поверхности заготовки на резец необходимо приложить к нему определенную силу.

В механизмах главного движения металлорежущих станков процесс резания обеспечивается усилием резания. Оно зависит от режимов резания (глубины, оборотной подачи, скорости резания), материала обрабатываемого изделия и свойств инструмента. Точение заготовки (рисунок 2) осуществляется на токарных станках в результате вращения обрабатываемого изделия 1 (главное движение) и перемещения резца 2 (движения подач) по осям.

Подача определяется перемещением резца, приходящимся на один оборот изделия. Глубина резания представляет собой разность радиусов обрабатываемой и обработанной поверхностей. Быстрое перемещение суппорта, зажим и отжатие обрабатываемого изделия, перемещения люнета, задней бабки и другие движения относятся к вспомогательным.

В процессе обработки происходит износ инструмента. При достижении оптимального износа инструмент перетачивают. При снятии стружки резцом возникает усилие, приложенное к режущей кромке инструмента.

автоматизированный электропривод силовой трансформатор

Рисунок 1 - Обработка заготовки на токарном станке

К современным металлорежущим станкам предъявляются следующие основные требования:

- возможно большая производительность при соблюдении достаточной точности формы и размеров, а также чистоты обрабатываемой поверхности;

- простота и легкость обслуживания;

- сравнительно низкая первоначальная стоимость;

- возможно малый вес и габариты;

- простота изготовления и сборки отдельных узлов станка.

Автоматизация управления электроприводом весьма эффективно решает задачи комплексной автоматизации в виде автоматических линий станков, отдельных цехов и даже заводов. Развитие электропривода сейчас идет по весьма эффективному пути - внедрению преобразовательных устройств с полупроводниковыми управляемыми вентилями-тиристорами. Тиристорные преобразователи позволяют создавать высокоэкономичные регулируемые электроприводы постоянного тока.

Развитие элементной базы силовых статических преобразователей (в том числе на транзисторах) позволило использовать на станках регулируемые электроприводы переменного тока на основе асинхронных и вентильных двигателей.

Задача системы управления (система низшего уровня) - формировать характеристики самого привода, обеспечивая требуемый темп разгона, торможения двигателя, ограничивая ток, момент на допустимом уровне.

Электропривод осуществляет не только преобразование электрической энергии в механическую, необходимую для совершения полезной работы, но и управление рабочим процессом приводимого в движение механизма.

Технологические требования определяют необходимость на отдельных этапах работы задавать и с требуемой точностью поддерживать на заданном уровне те или иные механические переменные (скорость, ускорение, момент двигателя, нагрузку и т.д.), принудительно изменять эти переменные в процессе управления технологическим процессом, ограничивать переменные уровнем, допустимым по условиям технологии или прочности механического оборудования, а также по нагреву и перегрузочной способности двигателя.

К современным электроприводам станков предъявляются следующие основные требования:

- простота управления и обслуживания;

- возможно большая производительность, а также качество изготавливаемой продукции при соблюдении требований технологического процесса;

- небольшие габариты и вес;

- сравнительно низкая первоначальная стоимость и невысокие эксплуатационные расходы.

К приводам пода станков (суппорта токарного станка) предъявляются следующие требования:

- минимальные габариты электродвигателя при высоком вращающем моменте;

- высокая максимальная скорость;

- значительная перегрузочная способность привода в режимах кратковременной и повторно-кратковременной нагрузки;

- высокая стабильность характеристик и в первую очередь усилителя и тахогенератора;

- высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;

- высокое быстродействие при набросе и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;

-высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых;

- высокая надежность и ремонтопригодность;

- удобство конструктивной установки двигателя на станке и встройки статических преобразователей в шкафы и ниши станков;

- малые габариты и расход активных материалов;

- небольшой расход дефицитных материалов;

- простота наладки, ремонта и эксплуатации;

- высокая унификация узлов и отдельных элементов;

- высокая экономичность и малая стоимость.

Для приводов главного движения наиболее рациональным является способ регулирования скорости с постоянной мощностью, так как большим скоростям резания соответствуют меньшие усилия резания, а меньшим скоростям - большие усилия. В приводах главного движения используют двухзонного регулирования.

В высокоавтоматизированных станках с ЧПУ функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены. Помимо основных задач по стабилизации частоты вращения при силовых режимах резания с обеспечением необходимых энергетических характеристик, электропривод должен обеспечивать режимы позиционирования шпинделя при автоматической смене инструмента, а также режимы нарезания резьбы как метчиками, так и резцами.

В зависимости от задач управления электродвигателем может осуществляться:

- поддержание заданного уровня переменной электропривода;

- изменение переменной по требуемому закону;

- ограничение переменной допустимым значением;

- отработка произвольных законов, задаваемых на входе системы.

Для выбранного электропривода наиболее рационально, в данном случае, будет применить однополупериодную шестипульсную схему с нулевой точкой трансформатора, показанную на рисунке 2.



Рисунок 2 - Однополупериодная шестипульсная схема с нулевой точкой трансформатора



2. Выбор конструктивных элементов силового канала электропривода и расчет их основных параметров

2.1 Номинальные данные двигателя типа ПБВ160М

Номинальные данные двигателя типа ПБВ160М приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Номинальные данные рассчитываемого двигателя

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальный момент, Н•м	76,4
Номинальная скорость, об/мин	500
Номинальная мощность, кВт	4.0
Номинальное напряжение, В	66
Номинальный ток, А	78,5
Максимальный момент, Н•м	490
Максимальная скорость, об/мин	1000
Момент инерции якоря,	0.242
Максимальное теоретическое ускорение,	2020
Электромеханическая постоянная времени, мс	8.5
Электромагнитная постоянная времени, мс	10,6
Тепловая постоянная времени нагрева, мин.	-
Сопротивление обмотки якоря при 15 С0, Ом	0,0317
Масса, кг	168
Высота оси вращения, мм	160
Длина, мм	786

2.2 Выбор и расчет трансформатора

Трансформатор выбирается по полной мощности и ЭДС вторичной обмотки.

Полная мощность трансформатора:



где:

- коэффициент схемы (для шестипульсной схемы);

- коэффициент запаса по напряжению;

- коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие тиристоров;

- коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения на обмотках трансформатора и силовых вентилях;

- коэффициент отклонения формы тока (для шестипульсной схемы);

- коэффициент использования, учитывающий допустимый предел превышения напряжения двигателя в режиме ускоренного перемещения рабочего органа, считается по формуле:

где:

- максимальная скорость вращения, об/мин;

- номинальная скорость вращения, об/мин.

Для обеспечения рекомендуемой максимальной скорости я беру .

.

ЭДС вторичной обмотки:



где:

- коэффициент для идеальной схемы выпрямления.

Трансформатор выбирается из условий:

Исходя из данных, полученных в результате расчёта, выбираем трансформатор типа ТС3-10, имеющего номинальные данные, приведённые в таблице 2.

Таблица 2 - Номинальные данные трансформатора типа ТС3-10

Наименование параметра	Значение параметра
Полная мощность, кВ•А	10,0
Фазное напряжение первичной обмотки, В	380
Фазное напряжение вторичной обмотки, В	220
Ток холостого хода, %	9,0
Напряжение короткого замыкания, %	1.6
Потери холостого хода, Вт	85
Потери короткого замыкания, Вт	160

2.3 Расчёт и выбор тиристоров

Тиристоры выбираются по среднему значению токов через вентиль и допустимому обратному напряжению, с проверкой на перегрузочную способность динамических режимов.

Средний ток через вентиль:



где:

m=6 - пульсность схемы (для шестипульсной схемы);

=0,35 - коэффициент охлаждения, учитывающий изменение характеристик вентиля при его нагреве.

Максимальное обратное напряжение:

где:

- коэффициент запаса по напряжению.

Максимальная допустимая нагрузка возникает во время пуска, поэтому рассчитываем защитный коэффициент исходя из времени пуска. Кратность пускового момента равна 6. Так как ток ДПТ прямо пропорционален моменту М=КФ•I можно сказать, что кратность пускового тока равна 6, т.е. получим, что .

- уравнение движения электропривода. Принимаем, что при пуске момент нагрузки равен нулю (

. (6)

; (7)

. (8)



. (9)

. (10)

Защитный показатель рассчитывается по формуле:

(11)

где:

- время пуска:

где:

- суммарный момент инерции двигателя и механизма, рассчитывается по формуле (7).

Номинальная частота вращения:

.

.

Исходя из данных, полученных в результате расчета, выбираем тиристор типа Т142-40-8.

Проверка тиристора на перегрузочную способность динамических режимов производится по условию:

Из расчёта защитного показателя получили, что выбранный тиристор удовлетворяет требуемому условию:

2.4 Расчёт параметров силовой цепи

Активное сопротивление якорной цепи:

- активное сопротивление преобразователя рассчитывается по формуле:

где:

- активное сопротивление обмоток трансформатора:



где:

- мощность короткого замыкания, Вт;

- номинальный ток первичной обмотки трансформатора:

- коэффициент трансформации:

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора

- активное сопротивление уравнительного реактора.

Ом.

Постоянная времени якорной цепи:

: - индуктивность якорной цепи:

: - индуктивность якоря двигателя:

- индуктивность трансформатора для мостовой схемы:

: - угловая частота питающей сети:

: - частота питающей сети, Гц.

- индуктивность уравнительного реактора:



29)

=0,18

= 0,0058 Гн.



3. Выбор структуры системы управления электропривода. Обзор структур современных СУЭП постоянного тока

Системы управления обеспечивают требуемые характеристики электропривода. Они состоят из аналоговых или цифровых регуляторов, изменяющих с необходимой точностью по заданному закону основную и промежуточные координаты привода и ограничивающих допустимые значения промежуточных координат до допустимых, а также из логических устройств, служащих для управления режимами электропривода, сигнализации и защиты.

В зависимости от использованной элементной базы системы управления выполняются аналоговыми, цифровыми и цифро-аналоговыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили аналоговые системы.

Составляя обзор существующих структур систем управления приводов, можно отметить, что преимущественное распространение получили системы управления, построенные на принципах подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией (примеры - привода серий ЭТ6, ЭТУ 3601). Структура таких систем изображена на рисунке 5. В таких системах автоматически происходит ограничение тока якоря за счет ограничения выходного напряжения регулятора скорости.

Рисунок 2 - Структурная схема с подчиненным регулированием координат



СУЭП с подчиненным регулированием координат имеет следующие особенности:

-для каждой регулируемой координаты (тока, скорости и положения) образован свой замкнутый контур регулирования, содержащий объект регулирования с передаточной функцией и специальный регулятор , обеспечивающий нужное качество регулирования данной координаты;

- на входе каждого регулятора сравнивается задание и действительного значения регулируемой координаты, а выходной сигнал регулятора служит задающий сигнал для последующего (внутреннего) контура;

- оптимизация контуров осуществляется независимо, начиная с внутреннего контура (контура 1), эта же операция действует и в процессе наладки привода и в реальных условиях.

Достоинствами данного типа управления состоят в следующем:

- очень просто достигается ограничение любой координаты - для этого достаточно ограничить ее задание, воспользовавшись нелинейной характеристикой вход-выход соответствующего регулятора;

- требуемое качество регулирования обеспечивается в каждом контуре отдельно, при этом в каждый введенный - контур, кроме исходного объекта регулирования , входит и внутренний замкнутый контур с передаточной функцией ;

- при одинаковой настройки контуров быстродействие внутреннего контура выше (чаще всего в два раза) быстродействия наружного контура.

Известны серийно выпускаемые тиристорные электроприводы, имеющие одноконтурные системы регулирования скорости с упреждающим токоограничением (пример - привод серии ЭТ3Р) или токовой отсечкой (пример - привод серии БУ 3509). Упрощенная структурная схема одноконтурной системы приведена на рисунке 6.

Рисунок 3 - Структурная схема с обратной связью по скорости

Применяются два основных метода управления комплектами тиристоров: совместное и раздельное. При совместном управлении импульсы подаются на тиристоры обеих групп одновременно. При этом одна группа работает в выпрямительном режиме с углом регулирования , развивает среднее значение выпрямленного напряжения U_В и обеспечивает протекание тока через нагрузку. В это же время вторая группа переводится в инверторный режим с углом регулирования _И и среднее значение выпрямленного напряжения . При таком управлении в реверсивном преобразователе образуется замкнутый контур, по которому может протекать уравнительный ток. Для уменьшения этого тока углы регулирования должны быть в определенном соотношении. При совместном согласованном управлении соотношение углов устанавливается таким образом, чтобы выполнялось соотношение: . Это равенство выполняется при условии . При этом способе управления в уравнительном контуре протекает прерывистый ток, среднее значение которого называют статическим уравнительным током и ограничивают до допустимого значения уравнительными реакторами. Для уменьшения уравнительного тока применяют несогласованное управление группами тиристоров в РТП. При этом соотношение углов управления: . При этом в уравнительном контуре всегда имеется постоянная составляющая напряжения, направленная против проводимости тиристоров, поскольку инверторная группа развивает большее напряжение, чем выпрямительная. Это приводит к резкому уменьшению статического уравнительного тока, хотя динамический уравнительный ток уменьшается незначительно. Необходимо отметить также то, что протекание небольшого уравнительного тока благоприятно сказывается на статических характеристиках ТП.

Преимущества совместного управления:

- отсутствие необходимости в переключениях силовой цепи;

- высокое быстродействие при переходе с одного режима в другой и постоянная готовность к этому переходу;

- однозначность в статических характеристиках тиристорного преобразователя.



4. Разработка математической модели силового канала электропривода как объекта управления и расчет основных параметров элементов

Для того, чтобы исследовать автоматическую систему управления, и в частности систему управления электропривода, необходимо располагать ее математическим описанием, то есть системой дифференциальных уравнений, характеризующих зависимости координат системы от внешних воздействий и друг от друга. В частном случае, когда производные по времени от координат равны нулю, эти уравнения обращаются в алгебраические, описывающие статический режим работы системы. Если при анализе системы регулирования требуется выявить зависимость выходной (основной) координаты от одного внешнего воздействия, удобно пользоваться передаточной функцией системы или элемента системы. Наиболее распространенным способом математического описания, используемым при проектировании и исследовании динамических и статических характеристик системы регулирования координат, является структурная схема системы. Перспективным является исследование динамических свойств электромеханических систем, в том числе систем электропривода со статическими вентильными преобразователями постоянного и переменного тока, в среде MatLab - Simulink. Сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления - с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход позволяет упростить всю модель и, следовательно, повысить ее устойчивость и скорость работы. Математическая модель тиристорного преобразователя при проектировании электропривода представляется передаточной функцией инерционного звена.



5. Разработка структурной схемы замкнутой системы регулирования скорости

Так как необходимо регулировать скорость в диапазоне D=100 и поддерживать М =const, то выбираем систему управления построенную по принципу подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией и совместным управлением группами тиристоров, структурная схема которого приведена на рисунке 7.

Рисунок 4 - Структурная схема электропривода с подчиненным регулированием тока и скорости

Обозначения, принятые на схеме:

РС - регулятор скорости;

РТ - регулятор тока;

УП - управляемый преобразователь;

ДТ - датчик тока;

ДС - датчик скорости.

Допущения:

1) Так как Т_м >>Т_э, то пренебрегаем действием внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС двигателя на контур тока якоря.

2) Рассмотрим динамику регулирования тока якоря в «малом» , т.е. ни один регулятор не входит в зону насыщения выходного напряжения.

Тогда упрощенная структурная схема для расчета динамических показателей будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 5 - Структурная схема для расчета динамических показателей электропривода упрощенная



6. Анализ статического режима работы разомкнутой электромеханической системы электропривода

Статический режим работы электропривода - это режим, в котором значение основной координаты электропривода, обычно скорости, неизменно. Значение скорости должно быть пропорционально значению входного аналогового сигнала; направление вращения должно определяться полярностью входного сигнала. Напряжению 10 В соответствует максимальное значение скорости.

6.1 Механические характеристики электропривода

Статическая жесткость механической характеристики двигателя считается по формуле:

где: - конструктивный коэффициент:

- конструктивный коэффициент:

Статическая жесткость механической характеристики разомкнутой системы электропривода считается по формуле:

Электромеханическая постоянная времени электропривода:

6.2 Расчет требуемого коэффициента усиления регулятора скорости

Рисунок 7 - Структурная схема астатической системы регулирования для расчета статических характеристик

Требуемое значение коэффициента передачи разомкнутой системы при астатическом регулировании скорости при действии помех от изменения нагрузки и колебании напряжения питающей сети рассчитывается по формуле:

где: - относительная величина производной помехи астатической системы регулирования от колебания напряжения сети;

- относительная величина производной помехи астатической системы регулирования от изменения нагрузки;

- коэффициент передачи двигателя:

? ?

?

?

?

?

Расчетные параметры тиристорного преобразователя

Коэффициент усиления силового преобразователя:

.

Постоянная времени преобразователя принимается равной

Расчет коэффициентов передачи датчиков обратной связи

Коэффициент передачи датчика тока:

Коэффициент передачи датчика скорости:



7. Расчет динамических характеристик системы электропривода, настроенной на технический оптимум

Требуется применить настройку контуров регулирования на технический оптимум. В качестве малой некомпенсируемой постоянной времени контура тока рекомендуется взять меньшее из постоянных времени - тиристорного преобразователя или якорной цепи . Так как >, то Для внешнего контура малую некомпенсируемую постоянную времени контура скорости выберем после настройки внутреннего контура.

7.1 Контур тока якоря

Рисунок 8 - Структурная схема контура тока

Для контура тока без учета влияния ЭДС двигателя используется пропорционально-интегральный тип регулятора.

После введения регулятора передаточная функция разомкнутого контура регулирования имеет вид:



Тогда с помощью регулятора тока ( РТ ) компенсируем электромагнитную постоянную времени якорной цепи :

Отсюда следует, передаточная функция регулятора тока имеет вид:

Передаточная функция регулятора тока соответствует структуре пропорционально-интегральному типу регулятора (ПИ-регулятор).

Передаточная функция замкнутого контура имеет вид:

Если привести передаточную функцию замкнутого контура к типовому виду, то получим колебательное звено с передаточной функцией:



, (7.6)

где: .

7.2 Контур регулятора скорости

Рисунок 9 - Структурная схема контура скорости

Замкнутый контур тока с допустимой точностью можно описать передаточной функцией инерционного звена, так как электромеханическая постоянная времени привода Т_м значительно больше постоянной времени контура тока :

(7.7)

В качестве некомпенсируемой постоянной времени контура скорости принимается постоянная времени замкнутого контура тока = 2 = 0,02 с. Передаточная функция разомкнутого контура регулирования скорости имеет вид:



(7.8)

При учете влияния обратной связи по противо-ЭДС двигателя на регулирование тока якоря следует знать, что оптимизированный без учета этого действия контур тока не является астатическим, и в установившемся режиме присутствует ошибка регулирования по току, пропорциональная величине статической нагрузки. Требуемая передаточная функция регулятора тока, оптимизирующая контур тока по условию технического оптимума с учетом обратной связи по ЭДС двигателя должна имеет вид:

(7.9)

Реализовать такую передаточную функцию регулятора затруднительно. В практических расчетах действием обратной связи по ЭДС двигателя пренебрегают. На рисунке 10 показана преобразованная и упрощенная схема контура скорости.

Как следует из преобразованной и упрощенной структурной схемы электропривода, контур тока входит в состав объекта управления контура скорости, в котором уже имеется интегрирующее звено с электромеханической постоянной времени Т_м. Для настройки контура скорости на технический оптимум требуется пропорциональный регулятор (П-регулятор) скорости, реализуемый как усилитель с насыщением и коэффициентом усиления:



, (7.10)

где: и - коэффициенты обратной связи, соответственно, по току и скорости.

Получаем:

Регулирование скорости пропорциональным регулятором не соответствует реальности в области низких частот, т.е. в установившемся режиме пренебрежение в расчетах действием противо-ЭДС приводит к ошибке регулирования, оказывается статическим. Для получения астатического регулирования скорости и согласования низких частот и средних частот частотных характеристик в регулятор скорости вводится интегрирующее звено, т.е. может быть использован ПИ-регулятор

Передаточная функция ПИ-регулятора скорости:

, (7.11)

Получаем:



8. Расчет переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям в регулируемом электроприводе

8.1 Расчет переходного процесса по заданию

При настройке на технический оптимум была принята передаточная функция разомкнутой системы:

Она соответствует передаточной функции замкнутой системы в виде:

где:

Изображение скорости по управляющему воздействию:

Находим оригинал по изображению



9. Моделирование системы электропривода в среде Matlab

9.1 Схема контура тока на основе структурной схемы и расчетов приведенных в п.7.1

Схема контура тока изображена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема контура тока

На рисунке 11 изображен график переходного процесса для контура тока.



Рисунок 11 - График переходного процесса для контура тока

9.2 Полная схема системы управления электроприводом

На рисунке 12 изображена полная система управления

В результате мы получили колебательный переходный процесс, номинальную скорость превышающую расчетную номинальную скорость, а также бросок тока, значительно превышающий расчетный максимальный ток. Поэтому необходимо ввести фильтр низких частот.



Рисунок 12 - Полная система управления

На рисунке 13 изображен график переходного процесса полной системы управления.

Рисунок - 13 График переходного процесса полной системы управления



9.3 Полная схема системы управления электроприводом с введением фильтра низких частот

Для обеспечения плавного переходного процесса с перерегулированием, не превышающем заданного, необходимо поставить перед системой фильтр низких частот с передаточной функцией:

В результате мы получим менее колебательный переходный процесс, установку расчетной номинальной скорости, а также бросок тока не превышающий расчетный максимальный ток.

На рисунке 14 изображена полная система управления с введенным на входе фильтром низких частот.

Рисунок 14 - Полная система управления с фильтром низких частот

На рисунке 15 изображен график переходного процесса полной системы управления с фильтром низких частот



Рисунок - 15 График переходного процесса полной системы управления с фильтром низких частот



10. Описание работы серийно выпускаемого электропривода, структурно схожего с проектируемым

Электропривод серии ЭТ6 представляет собой электромеханическое устройство, служащее для регулирования и стабилизации частоты вращения электро- двигателя постоянного тока в диапазоне 1ч10000. В приводе можно выделить следующие узлы:

- регулятор скорости;

- регулятор тока;

- узел зависимого токоограничения (УЗТ);

- система импульсно-фазового управления (СИФУ);

- управляемый выпрямитель (УП);

- датчик тока;

- датчик скорости;

- тахогенератор;

- двигатель;

- силовой трансформатор;

- уравнительные реакторы.

Электропривод состоит из двух замкнутых контуров подчиненного регулирования - контура тока (РТ) и контура скорости (РС). Работа электропривода осуществляется следующим образом: При наличии рассогласования на входе регулятора скорости (РС) на его вы- ходе формируется сигнал, определяемый законом регулирования регулятора скорости, который, сравниваясь с текущим значением тока якоря, поступает на вход регулятора тока (РТ). Регулятор тока усиливает и преобразует в соответствии с законом регулирования регулятора тока эту разность и подает управляющее напряжение Uу на схему формирования управляющих импульсов (СИФУ), функция которой заключается в формировании и распределении импульсов управления силовых тиристоров. По мере уменьшения рассогласования (под действием отрицательной обратной связи по частоте вращения) происходит стабилизация частоты вращения двигателя на уровне, пропорциональном напряжению задания (Uз). Коэффициент усиления системы регулирования обеспечивает необходимый диапазон регулирования и достаточную точность поддержания скорости в условиях действия на привод возмущающих воздействий. Ограничения тока якоря двигателя осуществляется путем ограничения напряжения выхода регулятора скорости. Предусмотрено зависимое ограничение тока в функции частоты вращения (работа УЗТ) и ограничение типа «токовая отсечка».



Заключение

В данном курсовом проекте была разработана система управления электроприводом постоянного тока, который отвечает следующим параметрам: мощность двигателя типа ПБВ 160 М 4 кВт; момент инерции механизма 0,5 ; диапазон регулирования 800; статическая ошибка регулирования 2%; динамическая ошибка регулирования 5%; показатель определяющий качество-быстродействие; поддержка постоянного момента.

В процессе разработки было сделано следующее: выбран трансформатор серии ТС3-10 и тиристоры типа Т142-40-8; выбраны системы управления с подчиненным регулированием выходной координаты; построены механические характеристики замкнутой системы и механизма; построены переходные процессы по заданию и возмущению; выбран регулятор тока - ПИ регулятор, также были уточнены параметры данного регулятора с учетом номиналов его элементов; выбран регулятор скорости - ПИ. Введен фильтр низких частот, в следствии чего были получены: менее колебательный переходный процесс, номинальной скорость соответствующая расчетной, а также бросок тока не превышающий расчетный максимальный ток.

Из выполненных расчетов, схемных и конструктивных решений произведенных в данном курсовом проекте можно сделать вывод, что разработка системы управления электропривода постоянного тока полностью удовлетворяет заданным требованием.



Список использованных источников

1. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.:Издательский центр «Академия», 2005.-304с.

2. Башарин А.В., Новиков В.А.. Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. -Л.: Энергоиздат., 1982.-392с.

3. Усынин Ю. С. Системы управления электроприводов: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - 358 с.

4.Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В.Шинянского. М.: Энергоатом издат, 1983.-616с.

5. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов.-2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатом издат, 1998. - 704с.: ил.

6. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электрической энергии / Под общ. Ред. Профессоров МЭИ В.Г.Герасимова. 8-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2002.-696с.

7. ГОСТ 27803-88 Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники. Общие технические требования.

8. Макаров И.М. и МенскиЙ Б.М. Линейиые автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). Учебное пособие для вузов. М., «Машиностроение», 1977.

9. Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, В.М.Петухов. - М.: Радио и связь, 1988. - 576с.:ил.

10. Справочник по наладке электроустановок. Под ред. А.С.Дорофеюка, А.П. Хачумяна. Изд.2-е, перераб. и доп. М., Энергия, 1976. 560 с. с ил.

11. Онищенко Г.Б. Электрический привод. Учебник для вузов ~ М.; РАСХН. 2003. -З20.:ил.

12 Электропривод постоянного тока серии ЭТ6. Паспорт ИЖВЕ 654632. 003ПС.

Размещено на Allbest.ru

...