Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Электромеханические системы управления

Проектирование автоматизированного электропривода

Выполнил: студент гр. АТП-419

Проверил: Коуров Г.Н.

Уфа 2005

Содержание

1.Задание

2.Исходные данные

3.Выбор электродвигателя

4. Технические данные на элементы электропривода

5. Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя

6. Расчет статических характеристик

6.1 Расчет сопротивления якорной цепи

6.2 Определение коэффициента усиления разомкнутой системы

7. Передаточная функция электродвигателя

7.1 Передаточная функция электродвигателя, как единого блока

7.2 Электрическая часть двигателя

7.3 Механическая часть двигателя

8. Передаточная функция тиристорного преобразователя

9. Передаточные функции датчиков обратной связи

9.1 Передаточная функция датчика скорости

9.2 Передаточная функция датчика тока

10. Определение параметров корректирующих устройств

10.1 Расчет регулятора тока

10.2 Расчет регулятора скорости

11. Оценка качества регулирования по кривым переходного процесса

Список литературы

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 , 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

электродвигатель преобразователь привод

Задание 1, Вариант 8

Таблица 2.1 Исходные данные.

Наименование	Значение
Момент сопротивления на валу механизма.	Мmах, Н•м	100
	Мmin , Н•м	10
Момент инерции механизма, J, кг•м2	2,0
Минимальное время цикла работы, tц , с	30
Диапазон регулирования скорости, D	100
Максимальная скорость вращения механизма, n , об/мин	900
Статическая погрешность поддержания скорости, ?щз , %	2,5
Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла, е	0,9

3. Выбор электродвигателя

Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.

Мощность выбираемого электродвигателя должна удовлетворять условию:

Где - мощность двигателя

- максимальный момент сопротивления

- максимальная скорость перемещения механизма

Скорость вращения механизма максимальная

рад/с

P_ДВ 100 79.85 = 79.85 кВт

По справочнику выбираем электродвигатель с номинальной мощностью не менее 79.85 кВт:

Таблица 3.1 Технические данные на двигатель П 62

Наименование	Значение
Мощность номинальная, Рн , кВт	8
Ток номинальный, Iн , А	43
Максимальная скорость, nmax , об/мин	2000
Частота вращения номинальная, nн , об/мин	1100
Момент инерции, J, кг•м2	0,16
Допустимая кратность тока,	2
Число полюсов	4
Сопротивление якоря, при 15°С, , Ом	0,195
Сопротивление дополнительных полюсов, при 15°С, , Ом	0,108
Сопротивление параллельной обмотки, при 15°С, , Ом	216
Сопротивление последовательной обмотки, при 15°С, Rп , Ом	0,007
Момент номинальный, Мн , Нм	78
КПД, , %	85

Проверку двигателя проведём по методу эквивалентных величин:

М_{дв ном} М_экв,где

М_экв - эквивалентный момент

М дв ном - номинальный момент двигателя

Величину эквивалентного момента высчитывают по формуле:

,

где

М_п - пусковой момент

М_т - момент торможения

М_мах - максимальный момент сопротивления

М_min - минимальный момент сопротивления

t_п - время пуска

t_т - время торможения

- коэффициент, учитывающий условия охлаждения

- коэффициент, учитывающий условия охлаждения во время паузы

Для данного типа двигателя примем

Коэффициент можно вычислить по формуле:

, получим =0.975

Расчёт моментов пуска и торможения произведём по формулам:

М_п = -М_т = 4 М_ном , получаем

Мп = 78 4 = 312 Нм

М_т = -312 Нм

Время пуска и торможения вычислим по формулам:

; , где

w _ДВ - скорость вращения вала двигателя

J - приведённый суммарный момент инерции

J = J_ДВ+J_мех,

где

J_дв - момент инерции ротора двигателя

J_мех- момент инерции механизиа

J = 0,16 +2 = 2,16 кгм²

Тогда времена пуска и торможения:

t_n = 0.95 с

t_т = 0.91 с

Режим работы механизма повторно-кратковременный, нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом



Рис. 3.1. Нагрузочная диаграмма механизма

Относительный коэффициент продолжительности цикла:

Откуда tp=27 с - время рабочего периода

Время паузы:

t_o = t_Ц - t_P = 30 -27 = 3 с

Тогда эквивалентный момент:

=67.416

78 > 67.4 , значит, двигатель выбран правильно.

Нагрузочная диаграмма двигателя приведена на рисунке.

Рис. 3.2. Нагрузочная диаграмма двигателя

4. Технические данные на элементы электропривода

Выбираем привод серии ПКВТ-14/220-П62/1000, в комплект которого входят: двигатель типа П-62 с тахогенератором ТМГ-30, тиристорный преобразователь ПТТР-230-100, силовой трансформатор ТТ-14.

Таблица 3.2 Технические данные на привод ПКВТ-14/220-П62/1000.

Наименование	Значение
Скорость вращения регулируемая, n, Об/мин	200-1000
Напряжение, U, B	220

Таблица 3.3 Технические данные на трансформатор ТТ-14.

Наименование	Значение
Мощность, Р, кВА	14
Вторичное линейное напряжение UН.Н, B	208
Первичное линейное напряжение U BВ.Н, В	380
Потери в опыте короткого замыкания, ?РКЗ, Вт	350
Напряжение короткого замыкания, UК, %	10

Таблица 3.4 Технические данные на тиристорный преобразователь ПТТР-230-100.

Наименование	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	5

Таблица 3.5 Технические данные на тахогенератор ТМГ-30

Наименование	Значение
Напряжение номинальное, UН , В	230
Скорость вращения номинальная, nН , об/мин	4000
Мощность номинальная, РН, Вт	30
Ток номинальный, IH, A	0.13
Сопротивление обмоток якоря при 15С, RЯ, Ом	100
Сопротивление обмоток возбуждения при 15С, RВ, Ом	730
Напряжение возбуждения, UB, B	110

5. Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя

По исходным данным двигателя П-62 рассчитаем параметры его механической и электромеханической характеристик.

Запишем уравнение механической характеристики:

,

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.

,

.

.

6. Расчет статических характеристик

6.1 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 х_а - приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

Z_тр- полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;

,

где U_k% - напряжение короткого замыкания в процентах.

;

Следовательно,

Отсюда

6.2 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

.

7. Передаточная функция электродвигателя

7.1 Передаточная функция электродвигателя, как единого блока

Передаточную функцию электродвигателя можно представить в виде колебательного звена:

,

где ,

- электромагнитная постоянная времени;

- суммарная индуктивность якорной цепи.

;

- приведенная индуктивность трансформатора;

,

где х_а - приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

щ - угловая частота питающей сети равная

= 2 f =23.1450=314c^-1



- 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,

7.2 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:

,

где

, 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:

.

7.3 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:

,

.

8. 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.

9. Передаточные функции датчиков обратной связи

9.1 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.

W_дс = W_дс W_су = 0,55 0,096 = 0,053

9.2 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:

.

W_дт = W_дт W_су = 0,00087 33,3= 0,0289

10. Определение параметров корректирующих устройств

10.1 Расчет регулятора тока

Рассмотрим контур тока.

Рис. 10.1 Структурная схема контура тока

В контуре тока имеются две инерционности, характеризуемые постоянными времени: Tэ=Lэ/Rэ - электромагнитная постоянная времени якорной цепи; Т₁ - постоянная времени, отражающая инерционность системы фазового управления выпрямителем, запаздывание (дискретность) выпрямителя и инерционности датчика тока и регулятора. Эта постоянная времени называется некомпенсированной или малой постоянной времени контура, так как обычно Т₁=0,004-0,01 с < Тэ. При этом Тэ называют большой постоянной времени, которую нужно компенсировать.

В соответствии со структурной схемой контура тока (рис. 10.1) передаточная функция преобразователя и якорной цепи двигателя равна:

где Kп - коэффициент усиления преобразователя (управляемого выпрямителя).

Используем ПИ-регулятор с передаточной функцией

Тогда передаточная функция разомкнутого контура тока

С целью компенсации большой постоянной времени контура примем T₀=T_Э (необходимую форсировку для этой компенсации будет создавать регулятор, воздействуя на преобразователь). Тогда

и передаточная функция замкнутого контура

т.е. замкнутый контур представляет собой систему второго порядка.

Для того чтобы получить в этой системе оптимальный переходный процесс, нужно, чтобы коэффициент затухания был равен . Это условие будет выполнено, если коэффициент при p в характеристическом уравнении будет равен:



откуда

Рис. 10.2 Схема ПИ-регулятора.

В соответствии с обозначениями (рис.10.2) параметры ПИ-регулятора тока определяются при принятых обозначениях Т₀ и Т₀₁ из равенств

Передаточная функция регулятора тока примет вид:

При таком регуляторе тока передаточная функция замкнутого контура.



Примем С=10мкФ.

Тогда

Выберем сопротивления по ряду Е24: ,

10.2 Расчет регулятора скорости

Рис.10.3 Структурная схема контура скорости

При большом коэффициенте передачи разомкнутой системы, который необходим для обеспечения заданной точности, САР становится не устойчивой. Для обеспечения устойчивости необходимо введение корректирующего устройства.

Определение параметров корректирующего устройства можно провести аналитическим методом, исходя из условия, что постоянные времени регулятора должны компенсировать постоянные времени двигателя постоянного тока.

Введением интегро-дифференцирующего звена осуществляется подавление средних частот, чем достигается получение требуемой частотной характеристики ПУ.

Безразмерный параметр определяет степень подавления средних частот; изменяя его можно добиться устойчивости скорректированной системы.

Примем =0,001 Т_В=T₁, T_C=T₂

Тогда

;

11. Оценка качества регулирования по кривым переходного процесса

Исследуем качество переходного процесса при ступенчатом изменении управляющего воздействия заданием скорости от 0 до 0,1 от номинального.

По переходной характеристике определим величину перерегулирования и длительность переходного процесса

Для оценки качества регулирования в переходных режимах воспользуемся графиком переходного процесса при ступенчатом управляющем воздействии и скачкообразном увеличении нагрузки от M_c=0.25M_cmax до M_c=M_cmax.

Время переходного процесса составляет 0,45 с.

Список литературы

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru

...