Автоматизированные электроприводы. Разработка системы автоматического регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

по дисциплине “Электромеханические системы управления”

Автоматизированные электроприводы. Разработка системы автоматического регулирования

Содержание

электромеханический тиристорный преобразователь ток

Введение

1. Задание

2. Исходные данные

3. Выбор электродвигателя

3.1 Определение времени цикла работы двигателя

3.2 Расчет мощности электродвигателя

3.3 Технические данные на элементы электропривода

4. Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя

5. Расчет статических характеристик

5.1 Расчет сопротивления якорной цепи

5.2 Определение коэффициента усиления разомкнутой системы

6. Передаточная функция электродвигателя

6.1 Передаточная функция электродвигателя, как единого блока

6.2 Электрическая часть двигателя

6.3 Механическая часть двигателя

6.4 структурная схема электродвигателя

7. Передаточная функция тиристорного преобразователя

8. Передаточные функции датчиков обратной связи

8.1 Передаточная функция датчика скорости

8.2 Передаточная функция датчика тока

9. Определение параметров корректирующих устройств

9.1 Расчет регулятора тока

9.2 Расчет регулятора скорости

10. Передаточная функция выходной координаты САР

Список литературы

Введение

Производственные механизмы, без которых в настоящее время не обходится ни одно производство, для приведения в движение требуют электродвигатель. Поэтому основным типом привода является электрический автоматизированный привод. В данной курсовой работе рассматривается именно этот тип привода.

Требования, предъявляемые к техническим характеристикам, таким как максимальная скорость перемещения механизма, точность позиционирования механизма, плавность движения на низких скоростях, быстродействие - постоянно возрастают, что требует расчета регуляторов работы электродвигателя, тех элементов системы, от которых зависит не только работа двигателя, но и качество этой работы.

В данной работе разрабатывается система автоматического регулирования, обеспечивающая заданную точность позиционирования механизма при максимальном активном моменте сопротивления. Режим работы механизма - повторно-кратковременный.

Современные автоматизированные электроприводы представляют собой сложные динамические системы, включающие в себя линейные и нелинейные элементы, обеспечивающие в своем взаимодействии разнообразные статические и динамические характеристики. Основным регулируемым приводом в настоящее время является привод с двигателем постоянного или переменного тока построенный по системе тиристорный преобразователь-двигатель.

Проектирование, расчет и анализ подобных систем имеет важное значение в области автоматизации и механизации современного производства.

1. Задание

1. Выбрать тип и рассчитать требуемую мощность электродвигателя с учетом переходных процессов при пуске, торможении и изменении режимов работы двигателя;

2. В соответствии с исходными данными выбрать тип преобразователя /4,5/;

3. Разработать принципиальную схему силовой части электропривода;

4. По паспортным данным /4,5,6/, принципиальной схеме и характеристикам рассчитать передаточные функции всех элементов электропривода и составить его структурную схему;

5. Исследовать устойчивость и качество переходных процессов.

2. Исходные данные

Таблица 1

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
1. Момент сопротивления на валу механизма. 2. Момент инерции механизма. 3. Минимальное время цикла работы. 4. Диапазон регулирования скорости. 5. Максимальная скорость вращения механизма. 6. Статическая погрешность поддержания скорости. 7. Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла.	Мmах Мmin J tц D n ?щз е	Н•м Н•м кг•м2 с об/мин %	25 20 0,15 20 1000 600 0,5 0,8

3. Выбор электродвигателя

3.1 Определение времени цикла работы двигателя

Определим время цикла работы двигателя, время работы двигателя, время паузы в работе двигателя.

Относительная продолжительность включения определяется по выражению

,

,

где - минимальное время цикла работы.

- время работы при

- время работы при .

Следовательно,

,

,

с.

Значит время работы двигателя составляет 16 с, причем на каждый этап работы двигателя приходится 8 с, при этом время паузы в работе двигателя составляет 4 с.

Рис. 1

3.2 Расчет мощности электродвигателя

Исходными данными для правильного расчета мощности и выбора типа электропривода являются технологические и конструктивные требования, которые возникают в связи с эффективным использованием производственных механизмов, а именно обеспечения надежности и точности их работы. Так как одним из главных элементов электропривода, определяющим в значительной степени его технические и экономические показатели, является электродвигатель, то необходимо рассчитать мощность электродвигателя, работающего в различных режимах.

Режим работы механизма - повторно-кратковременный. В реальных условиях при таком режиме работы нагрузка на валу двигателя в течение рабочего периода может изменяться. В этом случае, пользуясь методами эквивалентных величин, можно перейти от реального графика нагрузки к такому графику нагрузки, когда при той же длительности работы мощность, момент или потери мощности двигателя будут постоянными и равными соответствующим эквивалентным величинам./Чиликин основы авт электр./

Используем метод эквивалентного момента

, Нм.

Следовательно, в нашем случае (см. рис.1) эквивалентный момент равен

Отсюда найдем эквивалентную мощность двигателя

.

Поскольку

,

где n=600 об/мин

следовательно, .

Эквивалентную мощность пересчитаем для ближайшего стандартного значения еном(15,25,40,60%):

теперь по каталогу выберем двигатель с номинальной мощностью Рн при еном так, чтобы Рн ? Р.

По справочнику выбираем двигатель номинальной мощностью не менее 1468Вт. Возьмем двигатель постоянного тока ПБСТ-32МУХЛ4, со встроенным тахогенератором ТС-1М (возбуждение от постоянных магнитов), с независимым возбуждением, в закрытом исполнении с естественным охлаждением для привода станков. Двигатели данной серии предназначены для работы в широкорегулируемых электроприводах.

Таблица 2

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
Мощность номинальная	Рн	кВт	1,5
Мощность максимальная	Рmax	кВт	2,1
Напряжение	U	B	220
Частота вращения номинальная	nн	об/мин	2200
Частота вращения максимальная	nmax	об/мин	4000
КПД	з	%	82
Допустимая кратность тока			4
Сопротивление якоря, при 12°С		Ом	0,55
Сопротивление дополнительных полюсов, при 12°С		Ом	0,416
Сопротивление параллельной обмотки, при 12°С		Ом	600
Число полюсов			4
Момент инерции	J	кг•м2	0,025

Основные данные тахогенератора ТС-1М:

Мощность, Вт 5

Напряжение якоря, В 100

Частота вращения, об/мин. 3000

Сопротивление якоря 200

3.3 Технические данные на элементы электропривода

Выбираем тиристорный трехфазный привод серии ПТЗР, в комплект которого входят: двигатель типа ПБСТ со встроенным тахогенератором, тиристорный преобразователь, силовой трансформатор, задатчик скорости, уравнительные реакторы.

Таблица 3. Технические данные на привод ПТЗР

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
Мощность	Р	кВт	0,8
Частота вращения	n	Об/мин	1000
Напряжение	U	B	220

Таблица 4. Технические данные на трансформатор ТТ-6

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
Мощность	Р	кВт	6
Вторичное линейное напряжение	U	B	208
Потери в опыте короткого замыкания	?РКЗ	Вт	180
Напряжение короткого замыкания	UК	%	10

Таблица 5. Технические данные на тиристорный преобразователь ПТТР-230-100

Наименование	Обозначение	Размерность	Значение
Линейное напряжение сети	U	B	230-190
Номинальное выпрямленное напряжение	Uн	B	230
Номинальный выпрямленный ток	Iн	А	50
Длительно допустимый ток	Iдд	А	63
Максимально допустимый ток	Iмд	А	100
Длительная мощность преобразователя	Р	кВт	18,5
Напряжение управления	Uу	B	10

4. Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя

По исходным данным двигателя ПБСТ-32 МУХЛ 4 рассчитаем параметры его механической и электромеханической характеристик.

Запишем уравнение механической характеристики Д:

,

где w - скорость вращения двигателя;

U - напряжение на якоре двигателя;

- конструктивные параметры двигателя;

Ф - поток возбуждения;

М - момент на валу двигателя.

Запишем уравнение электромеханической характеристики Д:

,

где I - сила тока, протекающего через якорь двигателя;

- сопротивление якоря.

Рассчитаем номинальный режим работы двигателя:

,

где - номинальная частота вращения двигателя.

,

где - скорость вращения двигателя идеального холостого хода.

,

где - КПД двигателя.

- номинальная ЭДС.

,

.

,

где - номинальная мощность двигателя.

.

5. Расчет статических характеристик

5.1 Расчет сопротивления якорной цепи

Рассчитаем сопротивление якорной цепи для мостовых схем выпрямления

,

где - полное сопротивление якорной цепи;

- сопротивление якоря двигателя;

- сопротивление якоря двигателя;

- сопротивление дополнительной обмотки двигателя;

- приведенное активное сопротивление трансформатора;

 - динамическое сопротивление тиристора;

;

где - классификационное падение напряжения на тиристоре;

- среднее значение тока через тиристор при номинальном моменте сопротивления на двигателе, при одной параллельной ветви и трехфазном напряжении.

.

- коммутационное сопротивление тиристора;

;

где m - число фаз преобразователя (для мостовой 3-фазной схемы m=6).

,

где х_а - приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

Z_тр - полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;

,

где U_k% - напряжение короткого замыкания в процентах.

;

Следовательно,

Отсюда

5.2 Определение коэффициента усиления разомкнутой системы

Статическая точность поддержания заданной скорости движения электропривода определяется уравнением

,

где - статическая точность замкнутой системы, %;

- статическая точность разомкнутой системы, %;

К - статический коэффициент усиления разомкнутой системы.

Статическая ошибка разомкнутой системы в относительных единицах на низшей скорости

где D - диапазон регулирования скорости;

- перепад скорости двигателя, вызванный изменением момента сопротивления на его валу;

- возможный перепад момента сопротивления, приведенный к валу двигателя;

- жесткость механической характеристики системы.

Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

где С - конструктивный коэффициент двигателя;

Ф - поток возбуждения;

R_яц - сопротивление якорной цепи.

;



Диапазон регулирования скорости равен

.

Отсюда

.

Следовательно, коэффициент разомкнутой системы

.

6. Передаточная функция электродвигателя

6.1 Передаточная функция электродвигателя, как единого блока

Передаточную функцию электродвигателя можно представить в виде колебательного звена:

,

,

- электромагнитная постоянная времени;

- суммарная индуктивность якорной цепи.

;

- приведенная индуктивность трансформатора;

,

где х_а - приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

щ - угловая частота питающей сети равная

Следовательно,

- индуктивность якоря двигателя;

,

где К = для нормальных некомпенсированных машин;

р - число полюсов двигателя постоянного тока;

n_н - номинальная частота вращения

- индуктивность уравнительного реактора равная 10мГн.

Следовательно, суммарная индуктивность якорной цепи равна

Отсюда электромагнитная постоянная времени равна

.

,

где - электромеханическая постоянная времени;

J - приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции механических элементов привода

- момент инерции двигателя;

- момент инерции механизма;

i - передаточное число редуктора.

.

Передаточный коэффициент двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением подводимого напряжения к якорю



Следовательно, передаточная функция электродвигателя примет вид

<, следовательно, передаточная функция электродвигателя примет вид

Решив систему уравнений, получим .

Отсюда,

6.2 Электрическая часть двигателя

Запишем уравнение электрического равновесия для якорной цепи двигателя:

,

где - оператор Лапласа.

Значения напряжения, силы тока, ЭДС зависят от времени, т.е. . Проведя преобразование Лапласа, получаем:

,

,

так как частота вращения двигателя, а следовательно и скорость вращения двигателя зависят от времени.

,

где

- индуктивность якорной цепи.

Выходной координатой электрической части двигателя является сила тока, проходящего через якорь двигателя, а входной - напряжение. Получаем передаточную функцию Д:

.

6.3 Механическая часть двигателя

Запишем уравнение для механической части двигателя:

,

где - оператор Лапласа.

Значения момента и момента инерции зависят от времени, т. е. M(t), w(t). Проведя преобразование Лапласа получаем:

.

Выходной координатой механической части двигателя является скорость вращения двигателя, а входной - момент (разность моментов). Получаем передаточную функцию МЧД:

,

.

6.4 Структурная схема электродвигателя

Рис. 1

7. Передаточная функция тиристорного преобразователя

Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ, как правило, апроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Т_тп, в пределах от 0,006 до 0,01с, что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы управляемого тиристорного выпрямителя (тиристорного преобразователя)

,

где - выходное напряжение тиристорного преобразователя;

- напряжение, подаваемое на вход СИФУ тиристорного преобразователя;

- коэффициент передачи тиристорного преобразователя, который не является постоянной величиной и изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения.

Определяем коэффициент передачи по регулировочной характеристике тиристорного преобразователя.

;

Примем для проверки на устойчивость, а - на точность.

8. Передаточные функции датчиков обратной связи

8.1 Передаточная функция датчика скорости

В качестве датчика скорости используем тахогенератор, который можно представить в виде безынерционного линейного элемента. Тогда передаточная функция датчика скорости:

- номинальное напряжение тахогенератора;

- номинальная скорость вращения тахогенератора;

;

- номинальная частота оборотов тахогенератора.

Следовательно, передаточная функция датчика скорости примет вид

Напряжение, подаваемое на сумматор и равное 5В, снимаем с одного сопротивлений, стоящего в цепи тахогенератора и являющегося согласующим устройством датчика скорости.

Рис. 2

8.2 Передаточная функция датчика тока

В качестве датчика тока выбираем шунтовое сопротивление со стандартным падением напряжения на нем . При этом передаточную функцию датчика тока можно представить в виде:

;

Двигатели допускают перегрузку по току до в течение 10с при номинальном возбуждении. Следовательно, передаточная функция примет вид

.

Сигнал с датчика тока необходимо подать на сумматор, выполненный на операционном усилителе. На вход усилителя нужно подавать напряжение не более 5В. Тогда передаточная функция согласующего устройства примет вид:

.

9. Определение параметров корректирующих устройств

Отличительная особенность многоконтурной структуры системы управления электроприводом с последовательной коррекцией состоит в том, что корректирующие активные элементы - регуляторы включаются каскадно, причем количество последовательно вводимых регуляторов соответствует количеству контуров регулируемых переменных электропривода. В нашем случае два контура регулирования: внешний контур - контур скорости двигателя, и внутренний контур - контур тока двигателя.

На вход каждого из регуляторов подаются сигналы заданного и действительного значений регулируемой координаты данного контура, причем предыдущий по ходу управляющих воздействий регулятор скорости вырабатывает сигнал задания для последующего регулятора тока.

9.1 Расчет регулятора тока

Рассмотрим контур тока отдельно.

Рис. 3

Для данной структурной схемы передаточная функция нескорректированной разомкнутой системы равна



В контур тока подбираем корректирующее устройство для уменьшения статической ошибки регулирования, т.е. для компенсации перепадов напряжения. Затем повысим точность системы с помощью усилителя, сохранив при этом систему устойчивой.

Рис. 4

Строим ЛАХ и ЛФХ, и по ним определяем, какое корректирующее устройство необходимо поставить в схему для регулирования тока.

Получаем



Корректирующим устройством является ПИ - регулятор.

Рис. 5

Примем С=10мкФ.

Выберем сопротивления по ряду Е24: ,

Передаточная функция разомкнутой скорректированной системы:

Определим передаточную функцию замкнутой скорректированной системы

,

;

.

Следовательно, передаточная функция замкнутой скорректированной системы примет вид

9.2 Расчет регулятора скорости

Найдем коэффициент усиления системы, произведя необходимые преобразования структурной схемы.



Рис. 6

Получим

,

где

Следовательно,

При введении усилителя, система становится неустойчивой, поэтому для подавления средних частот включим в систему интегро - дифференцирующее звено.

,

Так как в нашем случае передаточная функция двигателя описывается уравнением апериодического звена второго порядка, то Т_в=Т₁, Т_с=Т₂.

б - безразмерный параметр, определяющий степень подавления средних частот

.

Получим структурную схему в виде

Рис. 7

Рис. 8. ЛАХ и ФЧХ

10. Переходная функция выходной координаты САР

В большинстве случаев качество САР характеризуется точностью, запасами устойчивости, быстродействием и другими показателями переходного процесса. Эти свойства САР могут быть определены по переходным процессам, возникающим в результате действия на САР типовых управляющих и возмущающих воздействий.

Рис. 9

По переходной характеристике определим величину перерегулирования и длительность переходного процесса

Заметим, что запас устойчивости, является достаточным, т.к. величина перерегулирования не превышает .

Список литературы

1. Башарин А.В., Голубев Б.Н. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. - Л.: Энергия, 1978. - 440 с.

2. Зориктуев В.Ц. Автоматизированный электропривод металлорежущих станков: Учебное пособие. - Уфа, 1981. - 108 с.

3. Шипилло В.Н. - Автоматизированный вентильный электропривод. - М.: Энергия, 1969. - 400 с.

4. Электротехнический справочник (в 3-х томах) /Под общ. ред. М.Г. Чиликина. т. 3. - М.: Энергия, 1975. - 588 с.

Размещено на Allbest.ru

...