Синтез электрических схем регуляторов потока для канала управления по якорю

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе необходимо углубить, закрепить и раздвинуть ранее полученные знания теоретического материала на примере синтеза регуляторов, статического и динамического расчетов. В ходе выполнения работы будут базово синтезированы электрические схемы регуляторов потока для канала управления по якорю, за счет увеличения сигнала задания якорного канала от минимального до наивысшего номинального значения. Канал управления по якорю имеет два контура регулирования: внешний контур регулирования скорости (с обратной связью по частоте вращения от тахогенератора BR) и внутренний контур контура регулирования преобразователя частоты тока якоря. Выше сказанные каналы нужно синтезировать на ТО. На основании результатов расчета сделать выводы о правильности синтеза структуры регуляторов и расчета их параметров, то есть проверить качество настройки регуляторов.

1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РАССЧИТЫВАЕМОГО КАНАЛА ЯКОРЯ

В ходе выполнения курсовой работы необходимо синтезировать электрические схемы регуляторов для якорного канала двухзонной САУ с подчинённым регулированием тока якоря и возбуждения, функциональная схема, которой представлена на рис. 1.1.

В функциональной схеме заданной САУ обозначено:

АS - задатчик интенсивности, определяющий темп нарастания (убывания) частоты вращения электродвигателя при пуске (торможении);

AR - регулятор скорости двигателя;

АА1- регулятор тока якоря электродвигателя;

AU - СИФУ;

L1 -сглаживающий дроссель тиристорного преобразователя;

М, LM - регулируемый электродвигатель постоянного тока и его обмотка возбуждения;

BR, LBR - тахогенератор и его обмотка возбуждения;

RS- шунт, являющийся измерителям тока якоря;

UA - датчик тока якоря, служащий для гальванической развязки и согласования силовых и управляющих электрических цепей;

ALA- функциональный блок-ограничитель тока якоря;

Rзс, Rзтя - резисторы, служащие для подачи сигналов задания скорости, тока якоря;

Rс, Rтя - резисторы, служащие для подачи сигналов обратной связи по скорости, току якоря;

Rф, Сф - пассивный фильтр.

Данная САУ позволяет увеличивать частоту вращения электродвигателя по одной зоне. Со стороны якорной цепи электродвигателя за счёт увеличение сигнала задания якорного канала Uзад1 от минимального до номинального значения можно увеличивать угловую скорость двигателя от минимальной до номинальной величины. При этом канал возбуждения поддерживает магнитный поток на номинальном уровне.

2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА РЕГУЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Из общей линеаризованной схемы двухзонной САУ с подчинёнными контурами регулирования тока якоря и возбуждения электропривода постоянного тока вычерчиваем только якорный канал регулирования (рис.2.1).

Канал управления электроприводом по якорю имеют два контура регулирования: внешний контур регулирования скорости с обратной связью по частоте (от тахогенератора) и подчинённый ему внутренний контур регулирования тока якоря с обратной связью по току якоря (от шунта и датчика тока).

Выпишем известные (заданные индивидуальным вариантом) и рассчитаем неизвестные параметры для передаточных функций на структурной схеме рис.2).

Номинальные технические данные электродвигателя:

PN = 1,1 кВт - мощность;

nN = 600 об/мин - скорость;

MN = 17.5 Н·м - момент;

UЯН = 47 В - напряжение якоря;

IЯН = 29 А - ток якоря;

LЯ = 0,855 мГн - индуктивность якоря;

ТЯ = 2,75 мс - постоянная времени якоря;

IВN = 6 А - ток возбуждения;

RВ = 4,5 Ом - сопротивление возбуждения;

LВ = 16 мГн - индуктивность возбуждения;

ТВТ = 1.9 мс - постоянная времени вихревых токов;

КЕ = 60 В·с/рад·Вб - постоянная электрическая;

ТЭМ = 10.1 мс - электромеханическая постоянная времени;

KФN·WB = 2·10-3 Вб·А-1 - постоянная магнитного потока.

Номинальные технические данные преобразователей и датчиков:

КТП = 12 о.е. - коэффициент передачи тиристорного преобразователя;

ТТП = 1,8 мс - постоянная времени СИФУ и запаздывание ТП;

RТР = 220 мОм - сопротивление токоограничивающего реактора;

LТР = 1,53 мГн - индуктивность токоограничивающего реактора;

RСР = 98,2 мОм - сопротивление сглаживающего реактора;

LСР = 0,6 мГн - индкутивность сглаживающего реактора;

КТГ = 20 мВ·об/мин = 2,094·10-3 В·рад/с - коэффициент передачи тахогенератора;

ТТГ = 6,2 мс - постоянная времени тахогенератора;

ТДТЯ = 3,5 мс - постоянная времени датчика тока;

ТДН = 4,5 мс - постоянная времени датчика напряжения;

UЗАД1 = 7 В - задающий сигнал скорости;

UЗТ = 3 В - задающий сигнал тока;

UОС = 2,5 В - сигналы обратных связей;

Расчётные данные:

-угловая скорость;

Коэффициенты передач сравнивающих устройств:

;

;

;

;

- сопротивление якоря;

- коэффициент передачи

структурной схемы двигателя постоянного тока;

- момент инерции якоря;

- момент инерции нагрузки;

- суммарный момент инерции;

- суммарная постоянная времени сглаживающего и токоограничивающего реакторов;

- суммарное сопротивление сглаживающего и токоограничивающего реакторов;

- суммарная индуктивность сглаживающего и токоограничивающего реакторов;

- суммарная электромеханическая постоянная времени;

- коэффициент обратной связи по скорости;



- коэффициент передачи фильтра;

- постоянная времени тахогенератора и фильтра;

- коэффициент обратной связи по скорости;

3. СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРОВ

Синтез регуляторов ведётся последовательно от внутреннего контура к внешнему контуру, в связи с этим будем первоначально синтезировать регулятор тока якоря.

3.1 Синтез регулятора тока (СО)

Свернём обратную связь по дросселю:

.

Перенесём точку разветвления обратной связи по ЭДС к точке разветвления обратной связи по току и отобразим преобразованную схему на рис.3.1.

Рис. 3.1. Схема со свёрнутой обратной связью по дросселю

Свернём обратную связь по ЭДС:

Определим параметры апериодического звена второго порядка:

;

.

Так как , то данное звено можно заменить двойным апериодическим:

Выделим из общей схемы контур тока и отобразим на рис.3.2

Так как ТТП и ТДТЯ - малые постоянные времени, а T - большая, то её следует компенсировать в регуляторе тока.

Передаточная функция регулятора тока с учётом, что :

;

.

3.2 Синтез регулятора скорости (СО)

Свернём контур тока:

Пренебрежём форсирующим звеном и постоянными времени при четвёртой, третьей и второй степени:

Подставим полученную передаточную функцию в исходную схему:

Передаточная функция регулятора скорости с учётом, что и с учётом варианта настройки регулятора СО:

.

Подставим полученные регуляторы в исходную схему:

Рис. 3.4. Схема с регуляторами

4. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ЗАДАННЫХ КАНАЛОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ САУ

После синтеза регуляторов производят расчёт САУ в установившемся режиме, т.е. статический расчёт. Статический расчёт производят с целью получения статической характеристики электропривода, расчёта недостающих коэффициентов передачи, определение статической ошибки и других технических показателей.

Статический расчёт производят по структурной схеме в установившемся режиме, который получается при р=0. Данную замену можно производить с условием, что не будет деления на ноль, и умножение на 0 передаточной функции.

Произведём статический расчёт для канала и полученную преобразованную структурную схему с учётом, что и представим.

Свернём обратную связь по дросселю:

Перенесём точку разветвления обратной связи по ЭДС к точке разветвления обратной связи по току и свернём обратную связь по ЭДС:

Свернём контур тока и пренебрежём постоянной времени при второй степени: якорь регулятор ток дроссель

Свернём контур скорости:

Итоговая передаточная функция будет иметь вид:

Так как , то угловая скорость в установившемся режиме будет:

Произведём статический расчёт для канала и полученную преобразованную структурную схему с учётом, что и представим на рис. 4.2.



Рис. 4.2. Схема для статического расчёта по каналу

Перенесем сумматор через звено на его вход:

Упростим полученную схему:

1) Объединим последовательно соединенные звенья:

2)Свернем обратную связь:

3)Объединим последовательно соединенные звенья:

Представим полученную схему на рисунке 4.4:

4) Объединим параллельно соединенные звенья:

Упрощенная схема представлена на рисунке 4.5:

5) Объединим последовательно соединенные звенья и свернем обратную связь:

Так как , то угловая скорость в установившемся режиме будет

5. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ РЕГУЛЯТОРОВ САУ

Составим электрическую схему регулятора тока, состоящую из двух апериодических и двух интегрирующих звеньев:

Рис. 5.1. Электрическая схема регулятора тока с фильтром СО

Рассчитаем параметры регулятора тока:

Примем , тогда

, принимаем ;

, принимаем ;

Принимаем .

Примем , тогда

, принимаем ;

, принимаем ;

Составим электрическую схему регулятора скорости, состоящего из безынерционного звена:

Рассчитаем параметры регулятора скорости:

 Принимаем .

Произведём перерасчёт коэффициентов и постоянных времени:

6. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ САУ

6.1 Расчет переходных процессов в САУ

Расчёт переходных процессов в САУ по управлению и по возмущению будет производиться на ЭВМ при использовании программы Matlab/Simulink.

В задании сказано, что:

-Относительный скачок момента нагрузки - 0,06;

-Относительный скачок сетевого напряжения - 0,08.

Переходные процессы в САУ будем выводить в виде циклограммы по следующим условиям:

1. с,

,

,

.

2. с,

,

,

.

3. с,

,

Н

.

4. с,

,

,

.

5. с,

,

,

.

6.2 Анализ качества настройки регуляторов

После расчёта переходных процессов можно оценить правильность синтеза структуры регуляторов и расчёта их параметров, т.е. оценить качество настройки регуляторов. Технический оптимум (ТО) устраняет статические ошибки по управлению, перерегулирование (у% = 4,3%), время регулирования tрег ? 8,4 • Тм.. Симметричный оптимум (СО) устраняет статические ошибки по управлению, перерегулирование (у% = 43.4%), время регулирования tрег ? 16.5 • (2Тм) =33 Тм.

Эти показатели можно взять за контрольные и путём сравнения их с полученными по переходным процессам, сделать вывод о качестве настройки регуляторов.

На рисунках 6.2 - 6.5 представлены рассчитанные переходные процессы в канале регулирования электродвигателя со стороны якоря.

Так как регулятор тока настроен на СО, то:

tрег1 = 33 • Тм1 = 33 • 5,2 • 10-3 = 0,172с;

Так как регулятор скорости настроен на ТО, то:

tрег2 = 8,4 • Тм2 = =8,4 • 0,012 = 0,102с.

Из полученных нами переходных характеристики внутреннего и внешнего контура видно, что у1%=49%, у2%=0%, tрег1=0,06с, tрег2=0,091с.

Перерегулирование контура тока немного хуже ожидаемого. Это связано с тем, что в обратной связи контура тока стоит апериодическое звено, а не безынерционное для которого рассчитывались ожидаемые параметры качества.

Быстродействие контура тока и контура скорости лучше ожидаемого.

Можно сделать вывод о неплохой настройке регуляторов так как перерегулирование превышено несущественно (учитывая, что в обратной связи контура тока нет компенсации апериодического звена, т.е. нет дополнительного регулятора), а быстродействие превосходит ожидаемое.

7. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ЯКОРНОГО КАНАЛА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Принципиальная электрическая схема якорного канала регулирования представлена на рис. 7.1. Она состоит из:

- задатчика интенсивности, выполненного на двух операционных усилителях DА1 и DА2 с RC-элементами в прямых и обратных связях на базе компаратора;

- фильтра Ф, состоящего из апериодического звена, собранного на операционном усилителе DA3 и пассивных элементов R1ф, R2ф, С2ф ;

- датчика рассогласования по скорости, выполненного на операционном усилителе DA4 с R9, R10 в прямой и R8 в обратных связях;

- регулятора скорости, синтезированного на базе безынерционного звена (на ОУ DA5 с Rрс1 в прямом канале и Rрс2 в обратной связи);

- ограничителя выполненного на операционном усилителе DA6 с диодами VD1 и VD2, источниками опорного напряжения Еоп1 и Еоп2, построечными резисторами RP1 и RP2 , сопротивлениями прямого канала и обратной связи Rогр1, Rогр2;

- датчика рассогласования по току, выполненного на операционном усилителе DA7 (Rзтя, Rсу2);

- регулятора тока якоря, синтезированного на базе двух форсирующих(DA8, DA9) и двух интегрирующих (DA10, DA11) звеньев и ПИ - регулятора(DA12) ( Rртя1, Rртя3, Rртя5, Rртя6, Rртя7, Сртя1, Сртя2 - в прямом канале, Rртя2, Rртя4, Rртя8, Сртя3, Сртя4, Сртя5- в обратной связи);

- фильтра Ф1, включённого в обратной связи по скорости и состоящего из Rф, Сф, RP3;

- типовых СИФУ и ТП;

- датчика тока на операционном усилителе DA13 и шунта Rш.



Рис.7.1 Принципиальная электрическая схема якорного канала управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были углублены и закреплены ранее полученные знания теоретического материала на примере синтеза регуляторов, статического и динамического расчетов. В ходе выполнения работы были синтезированы электрические схемы регуляторов для канала управления по якорю за счет увеличения сигнала задания якорного канала от минимального до номинального значения. Канал управления по якорю имеет два контура регулирования: внешний контур регулирования скорости и внутренний контур регулирования тока якоря. Выше сказанные каналы синтезированы на ТО и СО соответственно. На основании результатов расчета делаем вывод о правильности синтеза структуры регуляторов и расчета их параметров, то есть регуляторы настроены качественно.

На заключительном этапе курсовой работы была составлена принципиальная электрическая схема якорного канала управления.

Размещено на Allbest.ru

...