Нм; Содержание
Введение
Определение структуры и параметров объекта управления
Разработка алгоритма управления и расчёт параметров элементов структурной схемы
Разработка принципиальной схемы и выбор её элементов
Расчёт параметров регулятора скорости
Принципиальная схема гибкой обратной связи
Заключение
Список литературы
Электропривода постоянного тока широко используются в промышленности. Их существенные преимущества заключаются в простоте управления, точности и непрерывности регулирования скорости в широком диапазоне, высоком быстродействии.
В регулируемом электроприводе наиболее приемлемым решением до сих пор является двигатель с тиристорным управлением. В последние годы дальнейшее развитие получили также приводы переменного тока. Однако при наличии высоких требований к показателям регулирования они не могут успешно конкурировать с электроприводами постоянного тока.
Несмотря на свою надёжность, малые габариты, неприхотливость в обслуживании, двигатели переменного тока требуют относительно сложных и дорогостоящих систем регулирования скорости.
Диапазон мощностей существующих тиристорных электроприводов постоянного тока имеет пределы от долей киловатта до нескольких тысяч киловатт.
Технологический прогресс в области электротехники, электроники, наблюдающийся в последние годы, привёл к существенным изменениям системах управления электроприводами.
Объект управления данного электропривода содержит: электродвигатель ПБВ 132 L, тиристорный реверсивный преобразователь, М=6, с раздельным управлением комплектами, рабочий орган упруго связанный с валом электродвигателя.
Основные технические данные двигателя:
Номинальный момент, нм, 47,7
Номинальная частота вращения, об/мин 600
Номинальное напряжение, в, 70
Номинальный ток, А, 50
Длительный момент в заторможенном состоянии, нм, 62
Максимальный момент при пуске, нм, 470
Момент при максимальной частоте вращения, нм, 21
Максимальный момент при макс. частоте вращения, нм, 98
Момент инерции двигателя, кг*м2, 0,238
Сопротивление обмотки якоря, Ом, 0,0707
Индуктивность обмотки якоря, мГн, 0,554
Электромеханическая постоянная времени, мс, 12,3
Электромагнитная постоянная времени, мс, 7,85
Масса, кг, 100
Электродвигатель этой серии длительно выдерживают повышение частоты вращения 0.1…2000 об/мин. Класс нагревостойкости изоляции-F. Степень защиты от воздействий окружающей среды — IP44; способ охлаждения — IC040.
Рассчитаем недостающие параметры двигателя, необходимые в дальнейших расчётах.
C
Постоянная времени Тэ:
Тэ = L / R = 0.554/0,0707 = 7,85 мс
Расчёт параметров упругой двух массовой системы:
Согласно заданию на курсовой проект , Fу = 10 Гц.
Частота упругих колебаний
=2 * 3.14 * 10 = 62,8
Коэффициент соотношения масс
Отсюда J2 = 0.476 кг / м
Найдём жесткость двух массовой системы
Постоянная времени двух массовой системы
Ту = 1/= 15,9 мс
Постоянная времени Тм:
Т м = (J1+J2) *R / C= 0.001884*2*0.53/0.36= 0.055
В качестве системы управления выбираем систему подчинённого регулирования координат с тремя контурами: контур тока, контур скорости первой массы, контур с гибкой обратной связью по скорости второй массы.
Так как из расчётов приведенных ранее видно что:
Тэ и Тм отличаются не очень значительно, то придётся использовать внутреннюю обратную связь по ЭДС двигателя.
Контур тока.
Контур тока будем настраивать на симметричный оптимум. В качестве малой не скомпенсированной постоянной времени принимаем постоянную времени двигателя тиристорного преобразователя.
Т= Тп = 0.002 с.
Исходя из того что по условию задания на курсовой проект в качестве преобразователя используется ТП, то примем постоянную времени Тп=0,002с, что соизмеримо с Тэ, тогда ТП представляем инерционным звеном с передаточной функцией
Структурная схема контура тока представлена на рис 1.
Uзт I
Рис 1.
Коэффициент обратной связи по току:
Кот = Uзт мах / Iмах = 0.1
Коэффициент усиления преобразователя
Кп = Uп / Uзт = 70/10 = 7
При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция разомкнутого контура равна:
;
где = 2
Передаточная функция разомкнутого контура
Передаточная функция регулятора тока
Получили ПИ — регулятор тока.
Постоянная времени полученного регулятора тока Трт = 7.1 мс
Передаточная функция замкнутого контура тока
Контур скорости
Имея ввиду то что Ту = 0.0158 с, а 4Т= 4*0.002 = 0.008 с
Можно сказать что Ту>>4Т
Следовательно при расчёте контура скорости можно пренебречь влиянием обратной связи по упругому моменту. Структурная схема контура скорости имеет вид: (рис 2).
Рис 2.Коэффициент обратной связи по скорости:
Кос = = 0.159
Для стабилизации скорости применим ПИ-регулятор, который устранит статическую ошибку. Тогда желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости первой массы:
Передаточная функция разомкнутого контура скорости:
Тогда передаточная функция регулятора скорости первой массы будет:
Получили ПИ — регулятор скорости
Контур скорости второй массы
Для того чтобы уменьшить влияние упругой связи двух массовой системы на работу электропривода и демпфирования упругих колебаний введём гибкую обратную связь по скорости (ускорению) второй массы. Таким образом на регулятор скорости будет подаваться не только задание на скорость и сигнал обратной связи по скорости первой массы, но и сигнал гибкой обратной связи по скорости второй массы. Действие этой гибкой связи можно расценивать как искусственное увеличение .
Структурная схема контура представлена на рис 3:
Uзс W2Рис 3
Передаточная функция гибкой обратной связи
Wгс = — То*Р
Для нормальной работы системы необходимо привести сигнал гибкой ОС к сигналу задания на скорость. Для этого в цепь гибкой ОС необходимо ввести коэффициент ОС по скорости первой массы.
Wгс = — То*Р*Кос
Для определения То надо задаться величиной о и подставить её в формулу:
Примем j = 5.8 Получим To = 0,235 Результаты моделирования.
Рис.4. Момент сопротивления
Рис.5. Скорость второй массы без гибкой обратной гибкой ОС.
Рис.6. Напряжение с ТП и сигнал управления.
Рис.7. Зависимость тока от времени.
Рис.8. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 10в
Рис.9. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 10в (увеличено)
Рис.10. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 1в
Рис.11. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 1в (увеличено)
Расчёт параметров регулятора тока.
Выбираем датчик тока ДТХ-150 имеющий параметры:
Номинальный входной ток Iвх ном = 0…125 А
Точность 1%
Диапазон преобразований А = 1,5*Iн
Выходной сигнал I вых = 75мА
Рабочая частота f = 0……50 кГц
Напряжение питания Uпит = 15 В
Рабочая температура Т = — 20…… +70
Принципиальная схема регулятора тока представлена на рис 12
Рис. 12
.
Выбираем:
DA1 — операционный усилитель общего применения К140УД8А
Для создания обратной связи по скорости первой массы применим тахогенератор ТП50-100-1 с параметрами Uмах=150 В Þ в нашем случае примем, что на максимальной скорости тахогенератор вырабатывает 75 В. Jp=360*10-7 кгм2, Мтр=270*10-4 Нм.
Видно, что момент инерции ротора тахогенератора и дополнительный момент сопротивления настолько малы по сравнению с основными параметрами системы, что ими можно пренебречь.
Для согласования выходного напряжения тахогенератора с системой управления, применим делитель, представленный на рис.13
Рис. 13.
Примем R24=10 кОм Þ
Регулятор скорости имеет вид представленный на рис 14
Рис. 14.
.
Выбираем:
DA1 — операционный усилитель общего применения К140УД8А
Так как гибкая связь представляет собой дефиринциатор то принципиальная схема как на рис 9. Сигнал обратной связи будем брать с датчика скорости типа DВ 3 A, который обеспечивает нужную погрешность.
С параметрами: Крутизна характеристики 20в/об, Макс. скорость вращения 4000об/мин.
Схема включения идентична со схемой включения датчика скорости первой массы.
Рис.15.
Так как передаточная функция гибкой обратной связи
Wос = Тос *р = 0.238 *р
Тогда
Тос = С2*R6
Выберем С6 =0.01 мкФ
R6 = 23.8 kОм
Выберем R5 = R6 кОм.
В качестве DA3 примем быстродействующий операционный усилитель
К140УД11
R5,R6 — C2-33H c Rн = 24 кОм
C6 — К77Г с Сн = 0.01 мкФ.
Для реализации не инвертирующих сумматоров и инверторов, необходимо чтобы сопротивления в цепи были равны, как на примере сумматора. (рис. 16).
Рис.16.
Принимаем R11=R12=R13=10kОм
В ходе выполнения курсового проекта по дисциплине «Системы управления электроприводом» были получены важные навыки разработки типовых алгоритмов управления промышленными механизмами, выбора структуры системы регулирования, расчета требуемых параметров устройств. Также была проведена работа с разнообразным справочным материалом с целью поиска элементов систем автоматики, необходимых для реализации синтезированной системы управления.
Разработана система управления, реализующая стабилизацию скорости в диапазоне от 0,1wн до wн. С ошибкой не более 2 процентов.
1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. — М.: Энегроатомиздат, 1988, — 456 с.
2. Заборщикова А.В., Мельников В.И. «Двигатели постоянного тока для автоматизированного электропривода»: Учебное пособие. — СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ., 1994. — 84 с.
3. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. «Управление электроприводами»: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. — 392 с., ил.
4. Ключев В.И. «Теория электропривода»: Учеб. Для вузов. — 2-е изд. Перераб. И доп. — М.: Энегроатомиздат, 2001. — 704 с.: ил.
5. Герман-Галкин С.Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. -246 с.
6. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база: В 2 кн. / Масленников М.Ю., Соболева Е. А и др. — М.: Б.И., 1996. — 157-300с.
7. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж. -д. трансп. — М.: Транспорт, 1999. — 464 с.
8. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288с.
www.ronl.ru
4
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электрооборудования
КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу: «Автоматизированный электропривод»
на тему: «Расчет электроприводов постоянного и переменного тока»
Выполнил студент
гр. ЭО – 95 Васин А.В.
____________________
«__» __________ 1999
Принял ассистент
Захаров К. Д.
____________________
____________________
«__» _________ 1999
Липецк 1999
ЗАДАНИЕ
1. Электропривод с двигателем постоянного тока параллельного возбуждения
1.1. По исходным данным (табл.1), используя нагрузочную диаграмму и тахограмму механизма (рис.1), построить нагрузочную диаграмму двигателя. Известны следующие параметры механизма:
J— суммарный момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя (с учетом момента инерции самого двигателя) при нагрузке Мс1 и Мс2;
J’=0,2J — суммарный момент инерции при Мс3 и Мс4.
Цикл работы механизмов состоит из следующих операций: подъем груза с Мс1=Мс/ и опускание с Мс2=Мс, а также подъем грузозахватывающего устройства с Мс3=0,3Мс1 и опускание с Мс4=0,3Мс2 (при активном моменте статическом; кпд передачи =0,8).
Операции содержат режимы пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и тормржения (см. рис.1). Продолжительность включения ПВ%=65% при одинаковом времени пауз.
Время установившейся работы на естественной характеристике tуст =2tпуск1; время работы на пониженной скорости составляет 0,5tпуск1. Максимально допустимое ускорение электропривода не должно превышать |доп| в режиме торможения с Мс3. Во всех остальных переходных режимах момент двигателя должен быть одинаковым, равным Мдоп=2,5Мн.
1.2. По нагрузочной диаграмме выбрать двигатель постоянного тока параллельного возбуждения из серии машин длительного режима работы, имеющих угловую скорость р.
1.3. Построить механические =f(M) и электромеханические =f(I) характеристики электродвигателя для следующих случаев: пуск в N=2 ступеней, торможение противовключением, получение пониженной скорости =0,3р шунтированием цепи якоря и возвращение в режим =0 (остановка) путем торможения противовключением. Определить параметры резисторов.
1.4. Определить пределы, в которых будет изменяться механическая характеристика в естественной схеме включения при колебаниях напряжения питания в пределах 20%.
1.5. Построить характеристику динамического торможения =f(I), обеспечивающую замедление с ускорениями, не превышающими |доп|. Мс=0,5Мн. Определить параметры тормозного резистора.
1.6. Изобразить структурную схему двухмассовой системы механизма передвижения тележки. Приняв J1=Jдв, J2=3J1, 12=1,2 с-1, построить АЧХ при воздействии возмущения на вал механизма.
1.7. Рассчитать и построить механическую характеристику разомкнутой системы УП-Д, если еп=220 В; внутреннее сопротивление управляемого преобразователя rп=2rяд.
1.8. Изобразить структурную схему и рассчитать уравнение статической механической характеристики в системе УП-Д с замкнутой обратной связью по скорости. Определить коэффициент обратной связи по скорости Кос и задающий сигнал Uзс, если статическая механическая характеристика проходит через точки Мн, н и имеет жесткость в 10 раз большую, чем в разомкнутой системе. Преобразователь считать инерционным звеном с коэффициентом усиления Кп=100, постоянной времени Тп=0,01 с и с внутренним сопротивлением rп=2rяд.
2. Электропривод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения.
2.1. Согласно заданному варианту выбрать двигатель последовательного возбуждения тихоходного исполнения.
2.2. Рассчитать и построить естественные =f(I), =f(M) и диаграмму пусковых характеристик, определить параметры резисторов при пуске в N=3 ступеней.
2.3. Рассчитать и построить реостатные =f(I), =f(M), если известны координаты рабочей точки: =0,6н, Мс=Мн. Определить величину добавочного резистора.
2.4. Рассчитать и построить =f(I), =f(M) при питании двигателя пониженным напряжением U=0,5Uн.
2.5. Рассчитать и построить =f(M) динамического торможения с самовозбуждением, позволяющего производить спуск груза (нагрузка Мс=1,5Мн). Расчет производить для двух случаев: скорость спуска груза равна р1=-0,8н и р=-0,3н.
3. Электропривод с асинхронным двигателем.
3.1. Производственный механизм — вентилятор. По заданному варианту рассчитать мощность двигателя и выбрать по каталогу двигатель с фазовым ротором крановой или краново-металлургической серии.
3.2. Рассчитать и построить естественные и реостатные =f(M) и =f(I2), если механическая характеристика проходит через точку с=0,5н, Мс=Мн. Определить параметры резистора. Построить пусковую диаграмму при пуске в 2;3;3;4 ступени. Определить параметры пусковых резисторов.
3.3. Построить механические характеристики при частотном регулировании с постоянной мощностью в диапазоне 3:1.
3.4. Рассчитать и построить = f(M), также рассчитать сопротивление добавочного резистора при ЭДТ с независимым возбуждением, если характеристика должна проходить через точку = н, – М = 1,2Мн.
ОГЛАВЛЕНИЕ
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО 1
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 1
1.ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 8
2.ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 26
3.ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 36
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих, к уничтожению существенного различия между трудом умственным и физическим, к дальнейшему повышению материального благосостояния людей.
Всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия или рабочей машины.
Назначение первых двух элементов: двигателя с его системой управления и передаточного механизма, куда могут входить валы, шкивы, ремни, шестерни и т. п., заключается в том, сообщить движение исполнительному механизму.
Следовательно, первая и вторая части машинного устройства служат для приведения в движение рабочей машины. Поэтому их объединяют общим названием «привод».
Сегодня электрический привод представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочего органа машины и управления её технологическим процессом. Он состоит из трёх частей: электрического двигателя, осуществляющего электромеханическое преобразование энергии, механической части, передающей механическую энергию рабочему органу машины. И системы управления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям управление технологическим процессом. Характеристики двигателя и возможности системы управления определяют производительность механизма, точность выполнения технологических операций, динамические нагрузки механического оборудования и рад других факторов.
Целью курсовой работы является приобретения навыков расчёта автоматизированного электропривода.
Известны следующие параметры механизма:
J=3,6 Нмс2- суммарный момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя (с учетом момента инерции самого двигателя) при нагрузке Mc1 и Mc2.
Mc=21Нм - статический момент.
доп=67с-2 - допустимое ускорение.
р=105 с-1 - рабочая скорость.
Цикл работы механизмов состоит из подъема груза с моментом Мс1 и опускание с моментом Мс2, а также подъем грузозахватывающего устройства с моментом Мс3 и опускание с Мс4.
Операции содержат режимы пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и торможения. Продолжительность включения ПВ%=65%, при одинаковом времени пауз.
Характерной особенностью электроприводов инерционных механизмов циклического действия является значительная динамическая нагрузка двигателей в переходных процессах. Относительное время переходных процессов в цикле для этих механизмов также весьма значительно. Поэтому при выборе электродвигателя по нагреву необходимо учитывать динамические нагрузки уже на этапе предварительного выбора. Уменьшение времени переходных процессов обычно ограничено допустимым ускорением (например, по условиям механической прочности). Так как реализация этого ограничения возлагается на привод, то максимальный момент электропривода в переходных процессах также должен быть ограничен.
Определяем эти моменты:
Нм;
Нм;
Нм;
Нм.
Суммарный момент инерции при моментах Мс3 и Мс4:
Нмс2.
Момент двигателя равен:
Нм.
Для построения нагрузочной диаграммы Мс = f(t) и тахограммы = f(t) необходимо определить время пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и торможения при различных моментах.
Время переходных процессов определяем с использованием основного уравнения движения из формулы:
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с;
с.
Время простоя определяется из выражения:
.
Тогда время простоя t0/4 равно:
с.
По полученным данным построим нагрузочную диаграмму двигателя (рис. 1.1).
.
Рис. 1.1. Нагрузочная диаграмма двигателя постоянного тока
1.2. Выбор двигателя
Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения выбрать из серии машин длительного режима работы, имеющих рабочую угловую скорость р.
Так как для механизма, работающего с циклической нагрузкой, необходимо выбрать двигатель продолжительного режима, то для этого определяем эквивалентный по нагреву момент:
где Мсi – момент статической нагрузки, соответствующие i-му участку рабочего цикла нагрузочной диаграммы; ti – время работы двигателя на i-м участке; кз = 1,1…1,3 – коэффициент учитывающий отличие нагрузочной диаграммы двигателя от диаграммы статической нагрузки.
Расчётная мощность двигателя 
Вт. Исходя из Pр ир по каталогу [1] выбираем двигатель П51 с параметрами: приведёнными в табл.1.1.
Таблица 1.1
Основные параметры двигателя типа П51
| Pн = 3,2 кВт | Uн = 220 [В] | rя+rдп = 1,051 Ом |
| nн = 1000 об/мин | Iн = 18,3 А | rпар = 168 Ом |
| J = 0,35 кгм2 | ||
[c-1].
[НМ].
studfiles.net
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
И ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок
Заведующий кафедрой
Хватов С.В.
(подпись) (фамилия. и. о.)
(дата)
Однозонный тиристорный электропривод постоянного тока
с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя
(наименование темы проекта или работы)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
(вид документа)
вариант 2.7
(номер варианта)
РУКОВОДИТЕЛЬ
Соколов В.В.
(подпись) (фамилия. и. о.)
(дата)
СТУДЕНТ
Кирасиров Д.В.
(подпись) (фамилия. и. о.)
04-ЭПА
(дата) (группа или шифр)
Проект защищен (дата)
Протокол №
С оценкой
Нижний Новгород 2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Исходные данные
Введение
1. Выбор основного оборудования
2. Функциональная схема электропривода
3. Расчёт параметров силовой цепи электропривода
4. Расчёт запаса по напряжению
5. Расчёт параметров регулятора тока якоря и ЭДС
6. Расчёт параметров регулятора тока возбуждения
7. Расчёт скоростных характеристик и их статизма в разомкнутой и замкнутой системе электропривода
8. Расчёт величины динамического падения скорости двигателя при набросе момента нагрузки
9. Оценка влияния внутренней обратной связи по ЭДС на процессы, протекающие в контуре тока
10. Исследование динамических процессов в контуре тока якоря и ЭДС на цифровой модели
Перечень элементов
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Тип двигателя: П132-4К;
Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;
Номинальное напряжение: Uн = 220 В;
Номинальный ток: Iн = 385 А;
Номинальная частота вращения: nн = 300 об/мин;
Момент инерции: Jм = 100 кгм2;
Передаточное отношение редуктора: Кр = 5;
Тип ЭП: реверсивный.
Данные электродвигателя
Номинальная мощность: Рн= 75 кВт;
Номинальное напряжение: Uн = 220 В;
Номинальный ток: Iн = 385 А;
Номинальная частота вращения: nн = 300 об/мин;
Максимальная частота вращения: nМАКС=1500 об/мин;
Максимальный ток: Imax= 2,5Iн;
Маховой момент: GD2 = 73 кгм2;
Число полюсов: 2р = 4;
Число витков обмотки якоря: wя = 135;
Сопротивление обмотки якоря при 20°С: Rя = 0,025 Ом;
Число параллельных ветвей обмотки якоря: 2а = 2;
Сопротивление добавочных полюсов при 20°С: Rдп = 0,004 Ом;
Число витков на полюс: wв = 639;
Сопротивление обмотки главных полюсов: Rов = 12 Ом;
ВВЕДЕНИЕ
Целью данного курсовой работы является разработка однозонного реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока с обратной связью по ЭДС и стабилизацией тока возбуждения двигателя.
Данный электропривод постоянного тока разрабатывается на основе комплектного тиристорного электропривода ЭПУ.
Применение тиристорного электропривода позволяет оптимизировать его работу на отработку необходимых технологических операций. В данной курсовой работе необходимо стабилизировать скорость вращения электродвигателя при помощи обратной связи по ЭДС и стабилизации тока возбуждения двигателя. Это осуществляется путём нахождения требуемых регуляторов и расчёта их параметров.
1 ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Тиристорный преобразователь:
ЭПУ 1М 46 27 Е УХЛ4
Модификация по выпрямленному напряжению блока управления (115 В)
Напряжение питающей сети (380 В, 50 Гц)
Функциональная характеристика (однозонный, главного движения с обратной связью по ЭДС )
Климатическое исполнение
/>Категория размещения
Силовой согласующий трансформатор:
Тип: ТСЗП-200/0,7;
Напряжение сетевой обмотки: U1 = 0,38 кВ;
Фазное напряжение вентильной обмотки: U2ф = 117 В;
Напряжение короткого замыкания: DUк = 5,2 %;
Потери короткого замыкания: DРкз = 2960 Вт;
Номинальный выпрямленный ток Idн = 500 А.
Сглаживающий дроссель:
Тип: ФРОС-125/0,5;
Индуктивность: Lсд = 0,75 мГн;
Потери в меди при номинальном выпрямленном токе: DРсд = 960 Вт.
Шунт:
Шунт в цепи якоря выбираем из условия, чтобы его номинальный ток был не меньше номинального тока двигателя. Номинальный ток двигателя Iн = 385 А, т. о. выбираю шунт типа 75 ШСМ на номинальный ток Iшня = 500 А и номинальное напряжение Uшн = 75 мВ.
Задатчик регулируемой величины:
В качестве задатчика скорости выбираем потенциометр типа ППБ – 15 –1000 Ом. Т.к Uп = ±15 В, а Uз(max) = 10 В, последовательно необходимо включить добавочный резистор, Rдоб = 500 Ом, на котором будет погашено излишне напряжение.
В состав электропривода входит:
— блок управления,
— электродвигатель,
— трансформатор,
— сглаживающий реактор,
— источник питания обмотки возбуждения,
--PAGE_BREAK--— блок ввода (для подключения возбудителя к сети).
Электропривод выполнен с принудительным охлаждением, защита преобразователя производится автоматическими выключателями.
Обмотка возбуждения подключается к двум фазам вторичной силовой обмотки трансформатора. Тиристорный преобразователь возбудителя ТПВ выполнен по однофазной мостовой схеме.
Управление тиристорами ТПЯ производится от трехканальной СИФУ, содержащей формирователи импульсов ФИ1—ФИЗ. Ввод управляющего сигнала в СИФУ, регулирование углов и их ограничение осуществляется с помощью переменных резисторов в управляющем органе (УО) СИФУ. Переключение импульсов управления в преобразователе ТПЯ производится блоком логического устройства ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика проводимости вентилей ДП.
Токоограничение обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения регулятора ЭДС. При этом исключение бросков тока осуществляется за счет ограничения выходного напряжения регулятора тока.
2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Данная система с регулированием скорости и стабилизацией тока возбуждения построена по принципу подчиненного регулирования и имеет два контура регулирования: внутренний контур тока якоря и внешний контур ЭДС, а также независимый контур тока возбуждения.
Во внутренний контур тока якоря входят: регулятор тока якоря, вентильный преобразователь якоря двигателя ВПЯ, якорная цепь двигателя и датчик тока якоря.
Внешний контур ЭДС состоит из регулятора ЭДС, замкнутого контура тока якоря, механической цепи двигателя и датчика напряжения.
В данной системе существует два способа ограничения тока якоря двигателя: путем ограничения выходного сигнала регулятора ЭДС, который является задающим сигналом на ток, и за счет “токовой стенки”, реализованной в ЭПУ.
Рассматривая работу системы при набросе момента нагрузки.
Предполагаем, что двигатель пускался на холостом ходу и к моменту наброса нагрузки вышел на заданную скорость. На входе регуляторов тока и ЭДС нули. После появления момента нагрузки по якорю начинает протекать статический ток, а скорость двигателя начинает уменьшаться. В результате на входе регулятора ЭДС возникает сигнал рассогласования положительного знака, а на вход регулятора тока подается отрицательный сигнал обратной связи по току. По мере уменьшения скорости растет рассогласование на входе регулятора ЭДС и пропорционально растет выходной сигнал регулятора, который компенсирует сигнал отрицательной обратной связи по току. В некоторый момент времени скорость уменьшается до той величины, при которой сигнал на входе регулятора тока становиться равным нулю. Это момент окончания переходного процесса. Система входит в установившийся режим с некоторой ошибкой по скорости.
/>
Рисунок 2.1 – Функциональная схема электропривода
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Падение напряжения на щеточном контакте принимаем равным
DUщ=2 В.
Номинальная угловая скорость
/>рад/с. (3.1)
Сопротивление якорной цепи электродвигателя
/>Ом. (3.2)
где βт– коэффициент, учитывающий изменение сопротивления обмоток при нагреве на 60°С, βт= 1.24.
Номинальная ЭДС электродвигателя
/>В. (3.3)
Конструктивный коэффициент электродвигателя
/>, (3.4)
где />– число витков обмотки якоря, />= 135 витка;
2а – число параллельных ветвей, 2а = 2;
2р – число полюсов, 2р = 4.
Коэффициент ЭДС и момента электродвигателя
/>вс/рад. (3.5)
Номинальный поток
/>Вб. (3.6)
Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 80 °С
/>Ом. (3.7)
Номинальный ток возбуждения
/>А. (3.8)
Коэффициент наклона кривой намагничивания при Ф = Фн
/>Вб/А, (3.9)
где />определяется по кривой намагничивания [1].
Индуктивность обмотки возбуждения
/>Гн. (3.10)
Электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения
/>с. (3.11)
Постоянная времени контура вихревых токов
/>с. (3.12)
Индуктивность якоря двигателя
/>Гн, (3.13)
где />= 0.1 – для компенсированных машин.
Электромагнитная постоянная времени якоря электродвигателя
/>с. (3.14)
Момент инерции двигателя
/>кгм2 .(3.15)
Момент инерции механизма, приведенный к валу электродвигателя
/>кгм2.(3.16)
Момент инерции привода
/> кгм2.(3.17)
Номинальный момент электродвигателя
/> Нм. (3.18)
Максимальное ускорение электродвигателя при пуске от задатчика интенсивности
/> рад/с2 ,(3.19)
при Мдин= Мн.
Приведенное к цепи выпрямленного тока сопротивление трансформатора
/> Ом. (3.20)
Максимальная выпрямленная эдс преобразователя цепи якоря
/> В. (3.21)
где kсх1= 2.34 – коэффициент трехфазной мостовой схемы выпрямления.
Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи вторичной обмотки
продолжение --PAGE_BREAK--/> Ом. (3.22)
где kсх2= 0,815 – для трехфазной мостовой схемы выпрямления.
Эквивалентное сопротивление трансформатора, учитывающее снижение выпрямленного напряжения при коммутации вентиля
/> Ом. (3.23)
Сопротивление сглаживающего дросселя
/> Ом. (3.24)
Сопротивление шин и кабелей
/> Ом. (3.25)
Сопротивление цепи ТП – якорь двигателя
/>. 3.26)
Индуктивность рассеяния трансформатора
/> Гн. (3.27)
Индуктивность цепи ТП – электродвигатель
/> Гн. (3.28)
Максимальное значение коэффициента усиления ТП в цепи якоря с СИФУ, выполненной по вертикальному принципу управления с пилообразным напряжением сравнения
/>. (3.29)
где Uоп– амплитуда опорного напряжения в СИФУ, Uоп= 10 В.
Электромагнитная постоянная времени цепи ТП – электродвигатель
/> с. (3.30)
Электромеханическая постоянная времени
/> с. (3.31)
Передаточный коэффициент шунта в цепи якоря
/> Ом. (3.32)
Коэффициент усилителя датчика тока якоря
/>. (3.33)
Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря
/>, (3.34)
где UДТmax– максимально допустимое значение напряжения на выходе датчика тока, UДТmax= 10 В.
Шунт в цепи возбуждения выбираю по номинальному току возбуждения электродвигателя. Выбираем шунт на ток Iншв= 15 А.
Передаточный коэффициент шунта в цепи возбуждения
/>. (3.35)
Коэффициент усилителя датчика тока в цепи возбуждения
Напряжение датчика тока возбуждения принимаю 4,5 В, тогда
/>, Ом. (3.36)
Коэффициент передачи усилителя датчика тока якоря
/>. (3.37)
Не скомпенсированные постоянные времени контуров тока якоря и тока возбуждения примем Тm= 0.005 с; Тmв= 0.04 с.
4 РАСЧЕТ ЗАПАСА ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Определяем необходимый запас по напряжению
/>, (4.1)
где />, (4.2)
где Eдн– номинальная ЭДС двигателя.
Eдн= 204 В,
ΔEдзап= max{ΔEdстат; ΔEdдин} (4.3)
ΔEdстат= Imax∙Rэ=2.5∙385·0.069 = 66.6 В. (4.4)
/> В. (4.5)
/>.
Определяю фактический коэффициент запаса
/>. (4.6)
Предельная величина ЭДС, до которой будет осуществляться настройка контура на модульный оптимум
Edпред= Edoя– DEdзап= 273.1 – 124.9 = 144.1 В. (4.7)
Предельная ЭДС двигателя при снижении напряжении питающей сети на 10%
Edпред= Edoя– DEdзап= 0.9∙273.1 – 124.9 = 117.2 В. (4.7)
/>. (4.8)
По полученному значению следует, что настройка на модульный оптимум будет выполняться в достаточно большом диапазоне скоростей.
продолжение --PAGE_BREAK--5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС
Оптимизацию системы, построенной по принципу подчинённого регулирования, начинаем с внутреннего контура тока якоря.
5.1 Контур тока якоря
5.1.1 Оптимизация контура тока якоря
/>
РТ – регулятор тока;
ТП – тиристорный преобразователь якоря двигателя;
ЯЦ – якорная цепь двигателя;
ДТ – датчик тока.
Рисунок 5.1 – Структурная схема контура тока якоря
Оптимизацию проводим при допущениях:
1) датчик тока считаем без инерционным
/> (5.1.1.1)
2) все малые инерционности, которые имеет контур, включены на входе ТП:
/>. (5.1.1.2)
3) ЭД заторможен (Е = 0) или (DЕ »0), а значит отсутствует ОС по ЭДС.
Оптимизируем контур тока на модульный оптимум
/>, (5.1.1.3)
тогда
/>, (5.1.1.4)
где />(5.1.1.5)
Получили пропорционально-интегральный регулятор (ПИ — регулятор) тока.
Передаточная функция замкнутого контура тока имеет вид
/>. (5.1.1.6)
Т. к. величина Тmмала, то слагаемым />можно пренебречь, тогда считаем />, получаем
/>(5.1.1.7)
где Тт= 2∙Тµ– эквивалентная постоянная времени настроенного на модульный оптимум контура тока.
Структурная схема замкнутого контура тока имеет вид:
/>/>
/>/>/>/>
Рисунок 5.2 – Структурная схема замкнутого контура тока
5.1.2 Расчёт параметров регулятора тока якоря
/>
Рисунок 5.3 – Регулятор тока якоря
Коэффициент регулятора тока
/>. (5.1.2.1)
Задаемся величиной ёмкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока />Ф
Сопротивление резистора в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора тока
/>
Ом. (5.1.2.2)
Сопротивление в цепи датчика тока
/>Ом. (5.1.2.3)
Чтобы в установившемся режиме сигнал РТ не изменялся, нужно, чтобы входной ток не поступал в канал ОС. />, считаем />
/>Ом. (5.1.2.4)
Коэффициент усилителя датчика тока якоря определён в разделе 3.
Принимаем R1= 5 кОм, тогда
R2= R1∙kудтя= 5∙66.6=333 кОм. (5.1.2.5)
5.2 Контур ЭДС
5.2.1 Оптимизация контура ЭДС
/>
РЭ – регулятор ЭДС;
ЗКТ – замкнутый контур тока;
ЭМ – электромеханическая часть двигателя;
ДЭ – датчик ЭДС.
Тяц– постоянная времени якорной цепи двигателя, с которой снимается сигнал обратной связи по ЭДС.
Рисунок 5.4 – Структурная схема контура ЭДС
Допущение:
Ic= 0 (Х.Х.)
В контуре есть два звена с малыми постоянными времени, которые включены последовательно и поэтому могут быть преобразованы к одному звену с малой постоянной времени, равной их сумме
/>(5.2.1.1)
где Тmэ–малая постоянная времени контура ЭДС, c.
Тmэ= Тт+ Тяц¢(5.2.1.2)
Передаточная функция разомкнутого контура ЭДС, настроенного на модульный оптимум
/>, (5.2.1.3)
откуда
/>. (5.2.1.4)
Получил пропорциональный регулятор (П-регулятор) ЭДС.
С таким регулятором система будет астатичной по заданию (при отсутствии возмущающего воздействия) и статичной по возмущению.
Передаточная функция замкнутого контура ЭДС
/>. (5.2.1.5)
продолжение --PAGE_BREAK--Таким образом, в замкнутой передаточной функции контура ЭДС присутствует форсирующее звено.
Из-за наличия инерционности в датчике ЭДС переходный процесс будет идти с большим перерегулированием. Для уменьшения перерегулирования на вход системы включаю фильтр с постоянной времени, равной инерционности датчика.
Передаточная функция фильтра />.
/>(5.2.1.6)
Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:
/>/>
/>
/>
/>/>/>/>
/>/>/>/>
Рисунок 5.6 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС
5.2.2 Расчет параметров регулятора ЭДС с применением датчика напряжения
/>
Рисунок 5.7 – Регулятор ЭДС
Коэффициент датчика напряжения
/>. (5.2.2.1)
Коэффициент передачи регулятора ЭДС
/>. (5.2.2.2)
Задаемся ёмкостью в цепи датчика напряжения Сдн= 1 мкФ.
Сопротивление в цепи датчика напряжения:
/>если RIдн= RIIдн= 0,5∙Rдн, то />.
/>Ом. (5.2.2.3)
/>(5.2.2.4)
Сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя регулятора напряжения:
Rоэ= kрэ×Rдн= 0.547×/>= 129.3 кОм. (5.2.2.5)
Сопротивление в цепи задания ЭДС находим из условий установившегося режима:
/>, Iзэ= Iдн, т.е. Uзэmax= Uднmax= 10 В, следовательно
Rзэ= Rдн=129.3 кОм. (5.2.2.6)
Ёмкость фильтра в цепи определяем из условия
/>если RIзэ= RIIзэ= 0,5∙Rзэ, то />.
При Rзэ = RднСф= Сдн= 1 мкФ.
Сопротивление резистора токовой компенсации находим из условий режима стопорения двигателя: Ед= 0, Uдэ= 0.
/>.
Uдт= I×kдт, Uдн= Uд×kдн= I×Ra×kдн,
/>кОм. (5.2.2.7)
Сопротивления резисторов делителя/>. Считая kпр= 1 и принимая R3= 1 кОм, выражаю R4
/>кОм. (5.2.2.8)
Ограничение выходного сигнала регулятора ЭДС осуществляется двумя встречно включенными стабилитронами VD1 и VD2. Поскольку выходной сигнал регулятора ЭДС является сигналом задания на ток, то его ограничение приводит к ограничению тока двигателя на уровне максимально допустимого.
Падение напряжения на стабилитронах принимаем ΔUст= 1 В, максимально допустимое напряжение задания на ток Uзтmax= 10 В.
Тогда напряжение на стабилитронах будет равным
/>UVD1= UVD2= Uзтmax– ΔUст= 10 – 1 = 9 В. (5.2.2.9)
6 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ
6.1 Оптимизация контура тока возбуждения
Так как привод однозонный, то оптимизацию контура тока возбуждения проводим для точки Фн.
/>
РТВ – регулятор тока возбуждения;
ТПВ – тиристорный преобразователь обмотки возбуждения;
ОВ – электрическая цепь обмотки возбуждения;
МЦ – магнитная цепь обмотки возбуждения;
ДТВ – датчик тока возбуждения.
Рисунок 6.1 – Структурная схема контура тока возбуждения
Проводим оптимизацию контура тока на модульный оптимум. Для разомкнутой системы:
/>. (6.1.1)
Передаточная функция регулятора тока возбуждения
/>, (6.1.2)
где kртв– коэффициент регулятора тока.
Получаем пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) контура тока возбуждения.
6.2 Расчёт параметров регулятора тока возбуждения
/>
Рисунок 6.2 – Принципиальная схема стабилизации тока возбуждения
Коэффициент тиристорного преобразователя цепи возбуждения
/>, (6.2.1)
где Ed0В– максимальная выпрямленная ЭДС преобразователя цепи возбуждения;
α – номинальный угол управления преобразователя.
/>В. (6.2.2)
/>. (6.2.3)
продолжение --PAGE_BREAK--/>. (6.2.4)
/>. (6.2.5)
Определяем коэффициент регулятора тока возбуждения
/>, (6.2.6)
где TВ∑— электромагнитная постоянная времени.
TВ∑= Tв+ Tвт= 0.624 + 0.062= 0.686. (6.2.7)
Задаюсь величиной емкости конденсатора в цепи датчика тока возбуждения
Cдтв= 5 мкФ.
Определяю сопротивление датчика тока возбуждения
/>кОм. (6.2.8)
Определяем сопротивление обратной связи регулятора тока возбуждения
Rотв= kртв∙Rдтв= />∙/>= 321.2 кОм. (6.2.9)
Сопротивление резистора в цепи задатчика тока возбуждения
/>кОм. (6.2.10)
Задаемся сопротивлением R5= 5 кОм.
Находим сопротивление R6
/>кОм. (6.2.11)
7 РАСЧЁТ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ СТАТИЗМА В РАЗОМКНУТОЙ И ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Механические характеристики двигателя постоянного тока линейны, поэтому их построение произвожу по двум точкам, соответствующим режимам холостого хода и номинальной нагрузки.
Выражение для расчета механических характеристик имеет вид
Ω = Ω– Δ Ω,(7.1)
где Ω–– угловая скорость идеального холостого хода.
/>рад/с. (7.2)
Падение скорости при номинальной нагрузке на естественной характеристике
/>рад/с. (7.3)
Падение скорости при номинальной нагрузке в разомкнутой системе
/>рад/с. (7.4)
Падение скорости при номинальной нагрузке в замкнутой системе
/>рад/с.(7.5)
/>/>/>/>/>/>/>
Рисунок 7.1 – Скоростные характеристики электропривода
Статизм естественной характеристики
/>. (7.6)
Статизм характеристики разомкнутой системы
/>. (7.7)
Статизм характеристики замкнутой системы
/>. (7.8)
Напряжение задания на скорость холостого хода Wо
UЗС1= Wо×kдн×Ce×Фн= 33.9×0.045×85.94×0.076 = 10 В. (7.9)
Напряжение задания на скорость холостого хода W= 0,7∙Wона искусственной механической характеристике при пониженном напряжении
UЗС2= 0,7×Wо×kдн×Ce×Фн= 0.7×33.9×0.045×85.94×0.076 = 7 В. (7.10)
Из полученных графиков механических характеристик можно сказать, что естественная характеристика самая жесткая, характеристика разомкнутой системы более мягкая, чем естественная, а характеристика замкнутой системы – самая мягкая.
Большая мягкость механической характеристики – недостаток замкнутой системы, но в то же время система настроена на модульный оптимум и переходные процессы будут идти с малым (4,3 %) перерегулированием и достаточно высоким (8,4Тm) быстродействием.
При наличие датчика ЭДС, имея соответственную обвязку этого датчика, можно в определенном частотном диапазоне скомпенсировать инерционность датчика, что позволит повысить жесткость механической характеристики.
8 РАСЧЁТ ВЕЛИЧИНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПАДЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НАБРОСЕ МОМЕНТА НАГРУЗКИ
/>
Рисунок 8.1 – Структурная схема контура тока якоря по возмущению
Находим передаточную функцию замкнутого контура ЭДС по возмущению
/>. (8.1)
Установившейся режим:
/>. (8.2)
Структурная схема замкнутого контура ЭДС имеет вид:
/>/>/>/>
/>/>/>
Рисунок 8.2 – Структурная схема замкнутого контура ЭДС
Падение скорости в разомкнутой системе по Лапласу имеет вид
/>. (8.3)
Следовательно, падение скорости в замкнутой системе в операторной форме запишется
/>. (8.4)
Воспользуемся программой MahtCadдля перехода от изображения к оригиналу, падение скорости в замкнутой системе запишется
/>. (8.5)
На рисунке представлена кривая изменения падения скорости DWв функции времени t, получаемая пересчетом кривой изменения относительного падения скорости dn= DW/DWIнзсв функции относительного времени t= t/Tmэ. Параметры переходного процесса соответствуют настройке на модульный оптимум.
/>
Рисунок 8.3 – Кривая изменение скорости при набросе момента
Переходный процесс идет с перерегулированием 4,3% и быстродействием 8,4Тm.
9 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭДС
НА ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОНТУРЕ ТОКА
/>
Рисунок 9.1 – Структурная схема контура регулирования тока якоря с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС.
При исследовании считаем, что нагрузки на валу нет, т.е. Ic= 0.
продолжение --PAGE_BREAK--Передаточная функция звена якорной цепи с учетом влияния внутренней обратной связи по ЭДС
/>. (9.1)
Передаточная функция звена якорной цепи в данном случае обладает дифференцирующими свойствами, следовательно, компенсирует интегральные свойства регулятора.
Определяю передаточную функцию разомкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС и регулятором, рассчитанным на режим заторможенного двигателя
/>
(9.1)(9.2)
Передаточная функцию замкнутого контура тока с учетом действия внутренней обратной связи по ЭДС:
/>
(9.3)
В установившемся режиме:
/>. (9.4)
В контуре тока без учета действия внутренней обратной связи по ЭДС
Структурная схема.
/>
Рисунок 9.2 – Структурная схема
/>, (9.5)
где />(9.6)
/>. (9.7)
Контур тока, который с ПИ-регулятором был астатическим при заторможенном роторе, становится статическим в переходном режиме (DЕ ¹0). Ошибка регулирования тем больше, чем меньше постоянная времени Тм. Другое следствие влияния ОС по ЭДС это увеличенное перерегулирование. По отношению к новому установившемуся уровню тока перерегулирование увеличивается, но по абсолютной величине остается тем же.
Если ЭП имеет большую Тм, то за время выхода тока на заданный уровень ЭДС электродвигателя практически не меняется и ее влияние на ток минимально.
В ЭП с высокомоментными ЭД, где Тммала, влияние внутренней ОС по ЭДС существенно, что иногда приходится учитывать изменением передаточной функции регулятора.
Для компенсации действия внутренней обратной связи по ЭДС иногда применяют более сложный регулятор, например, (ПИ)2– типа.
10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНТУРЕ ТОКА ЯКОРЯ И ЭДС НА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ
10.1 Контур тока
Динамический ток Iдин= 0.5∙Iн= 0.5∙385 = 192.5 А.
Статический ток Iс= 0.6 ∙Iн= 0.6∙385 = 231 А.
Из пункта 7:
– напряжение задания на скорость холостого хода WоUЗС1= 10 В.
– напряжение задания на скорость холостого хода W= 0,7∙Wо UЗС2= 7 В.
/>
Рисунок 10.1 – Исследование настройки контура тока
На рисунке 10.1 представлены 9 графиков переходных процессов. Графики расположены слева направо по возрастанию постоянной времени регулятора, и сверху вниз по уменьшению коэффициента передачи регулятора kР. На центральном графике — переходный процесс при настройке системы на модульный оптимум. Как видно из графиков, при увеличении постоянной времени регулятора уменьшается колебательность переходного процесса, а при уменьшении коэффициента передачи регулятора уменьшается перерегулирование. Оптимальный переходный процесс наблюдается в системе, настроенной на модульный оптимум. Его параметры: длительность процесса 8,4Тµ, перерегулирование 4,3%.
/>
Рисунок 10.2 – Исследование контура тока
На рисунке 10.2 представлены переходные процессы в контуре тока. Как видно из графика, процессы носят апериодический характер, ток выходит на максимальный уровень в соответствии с сигналом задания с перерегулированием приблизительно 4%, причем при реверсе абсолютная величина перерегулирования больше в 2 раза, чем при пуске, поскольку больше фактическое задание на ток: при пуске фактическое задание с 0 на Iст, а при реверсе с Iстна –Iст,т. е. 2 Iст– в 2 раза больше.
10.2 Контур ЭДС
/>
Рисунок 10.3 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС
На рисунке 10.3 приведены кривые тока и скорости двигателя.
При разгоне на холостом ходу, без задатчика интенсивности, по якорю двигателя протекает динамический ток достаточно большой величины, идет разгон двигателя. После выхода двигателя на установившуюся скорость, ток в якоре спадает практически до нуля, т.к. разгон окончен и динамический ток равен нулю, а момент нагрузки еще не наброшен и, следовательно, статический ток равен нулю. При набросе момента нагрузки по якорю двигателя начинает протекать статический ток, а скорость двигателя уменьшается на некоторую величину ΔΩ, соответствующую падению скорости при данной нагрузке, что показывает, что система статическая по возмущению. Во время реверса ток в двигателе увеличивается за счет броска динамического тока и одновременно меняет свое направление. Когда переходный процесс реверса заканчивается, ток в двигателе спадает до статического значения, а при снятии нагрузки – уменьшается до нуля.
В последнем случае скорость двигателя увеличивается на величину падения скорости при набросе нагрузки ΔΩ. Далее идет процесс торможения на холостом ходу, при этом скорость двигателя уменьшается до нуля, а в якоре двигателя возникает динамический ток, обеспечивающий переходный процесс торможения.
П-регулятор ЭДС с применением задатчика интенсивности.
/>
Рисунок 4 – Осциллограммы переходных процессов в контуре ЭДС с задатчиком интенсивности
В системе с задатчиком интенсивности кривые переходного процесса качественного имеют тот же вид, но более растянуты во времени, поскольку задатчик интенсивности ограничивает на заданном уровне динамический ток, обуславливающий ускорение.
ЛИТЕРАТУРА
1 Методические указания к курсовому проекту по дисциплине ²Системы управления электроприводами.² / ГПИ. 1983г.
2 Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат. 1988г.
3 Стандарт предприятия. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП-1-У-НГТУ-98. / НГТУ, Нижний Новгород, 1998 г.
www.ronl.ru
Содержание
Введение
Определение структуры и параметров объекта управления
Разработка алгоритма управления и расчёт параметров элементов структурной схемы
Разработка принципиальной схемы и выбор её элементов
Расчёт параметров регулятора скорости
Принципиальная схема гибкой обратной связи
Заключение
Список литературы
Введение
Электропривода постоянного тока широко используются в промышленности. Их существенные преимущества заключаются в простоте управления, точности и непрерывности регулирования скорости в широком диапазоне, высоком быстродействии.
В регулируемом электроприводе наиболее приемлемым решением до сих пор является двигатель с тиристорным управлением. В последние годы дальнейшее развитие получили также приводы переменного тока. Однако при наличии высоких требований к показателям регулирования они не могут успешно конкурировать с электроприводами постоянного тока.
Несмотря на свою надёжность, малые габариты, неприхотливость в обслуживании, двигатели переменного тока требуют относительно сложных и дорогостоящих систем регулирования скорости.
Диапазон мощностей существующих тиристорных электроприводов постоянного тока имеет пределы от долей киловатта до нескольких тысяч киловатт.
Технологический прогресс в области электротехники, электроники, наблюдающийся в последние годы, привёл к существенным изменениям системах управления электроприводами.
Определение структуры и параметров объекта управления
Объект управления данного электропривода содержит: электродвигатель ПБВ 132 L, тиристорный реверсивный преобразователь, М=6, с раздельным управлением комплектами, рабочий орган упруго связанный с валом электродвигателя.
Основные технические данные двигателя:
Номинальный момент, нм, 47,7
Номинальная частота вращения, об/мин 600
Номинальное напряжение, в, 70
Номинальный ток, А, 50
Длительный момент в заторможенном состоянии, нм, 62
Максимальный момент при пуске, нм, 470
Момент при максимальной частоте вращения, нм, 21
Максимальный момент при макс. частоте вращения, нм, 98
Момент инерции двигателя, кг*м2, 0,238
Сопротивление обмотки якоря, Ом, 0,0707
Индуктивность обмотки якоря, мГн, 0,554
Электромеханическая постоянная времени, мс, 12,3
Электромагнитная постоянная времени, мс, 7,85
Масса, кг, 100
Электродвигатель этой серии длительно выдерживают повышение частоты вращения 0.1…2000 об/мин. Класс нагревостойкости изоляции-F. Степень защиты от воздействий окружающей среды — IP44; способ охлаждения — IC040.
Рассчитаем недостающие параметры двигателя, необходимые в дальнейших расчётах.
/>C/>
/>
Постоянная времени Тэ:
Тэ = L / R = 0.554/0,0707 = 7,85 мс
Расчёт параметров упругой двух массовой системы:
Согласно заданию на курсовой проект />, Fу = 10 Гц.
Частота упругих колебаний
/>=2 * 3.14 * 10 = 62,8
Коэффициент соотношения масс
/>
Отсюда J2 = 0.476 кг / м
Найдём жесткость двух массовой системы
/>
/>
Постоянная времени двух массовой системы
Ту = 1//>= 15,9 мс
Постоянная времени Тм:
Т м = (J1+J2) *R / C/> = 0.001884*2*0.53/0.36/> = 0.055
Разработка алгоритма управления и расчёт параметров элементов структурной схемы
В качестве системы управления выбираем систему подчинённого регулирования координат с тремя контурами: контур тока, контур скорости первой массы, контур с гибкой обратной связью по скорости второй массы.
Так как из расчётов приведенных ранее видно что:
Тэ и Тм отличаются не очень значительно, то придётся использовать внутреннюю обратную связь по ЭДС двигателя.
Контур тока.
Контур тока будем настраивать на симметричный оптимум. В качестве малой не скомпенсированной постоянной времени принимаем постоянную времени двигателя тиристорного преобразователя.
Т/>= Тп = 0.002 с.
Исходя из того что по условию задания на курсовой проект в качестве преобразователя используется ТП, то примем постоянную времени Тп=0,002с, что соизмеримо с Тэ, тогда ТП представляем инерционным звеном с передаточной функцией
/>
Структурная схема контура тока представлена на рис 1.
/>Uзт I
Рис 1.
Коэффициент обратной связи по току:
Кот = Uзт мах / Iмах = 0.1
Коэффициент усиления преобразователя
Кп = Uп / Uзт = 70/10 = 7
При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция разомкнутого контура равна:
/>;
где />= 2
Передаточная функция разомкнутого контура
/>
Передаточная функция регулятора тока
/>
Получили ПИ — регулятор тока.
Постоянная времени полученного регулятора тока Трт = 7.1 мс
Передаточная функция замкнутого контура тока
/>
Контур скорости
Имея ввиду то что Ту = 0.0158 с, а 4Т/>= 4*0.002 = 0.008 с
Можно сказать что Ту>>4Т/>
Следовательно при расчёте контура скорости можно пренебречь влиянием обратной связи по упругому моменту. Структурная схема контура скорости имеет вид: (рис 2).
/>Рис 2.
Коэффициент обратной связи по скорости:
Кос = /> = />0.159
Для стабилизации скорости применим ПИ-регулятор, который устранит статическую ошибку. Тогда желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости первой массы:
/>
Передаточная функция разомкнутого контура скорости:
/>
Тогда передаточная функция регулятора скорости первой массы будет:
/>
Получили ПИ — регулятор скорости
Контур скорости второй массы
Для того чтобы уменьшить влияние упругой связи двух массовой системы на работу электропривода и демпфирования упругих колебаний введём гибкую обратную связь по скорости (ускорению) второй массы. Таким образом на регулятор скорости будет подаваться не только задание на скорость и сигнал обратной связи по скорости первой массы, но и сигнал гибкой обратной связи по скорости второй массы. Действие этой гибкой связи можно расценивать как искусственное увеличение />.
Структурная схема контура представлена на рис 3:
/>/>/>Uзс W2
/>/>/>/>/>/>/>
/>
/>
/>/>
Рис 3
Передаточная функция гибкой обратной связи
Wгс = — То*Р
Для нормальной работы системы необходимо привести сигнал гибкой ОС к сигналу задания на скорость. Для этого в цепь гибкой ОС необходимо ввести коэффициент ОС по скорости первой массы.
Wгс = — То*Р*Кос
Для определения То надо задаться величиной о и подставить её в формулу:
/>
Примем j = 5.8 Получим To = 0,235 Результаты моделирования.
/>
Рис.4. Момент сопротивления
/>
Рис.5. Скорость второй массы без гибкой обратной гибкой ОС.
/>
Рис.6. Напряжение с ТП и сигнал управления.
/>
--PAGE_BREAK--Рис.7. Зависимость тока от времени.
/>
Рис.8. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 10в
/>
Рис.9. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 10в (увеличено)
/>
Рис.10. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 1в
/>
Рис.11. Скорость второй массы с гибкой ОС, задание 1в (увеличено)
Разработка принципиальной схемы и выбор её элементов
Расчёт параметров регулятора тока.
Выбираем датчик тока ДТХ-150 имеющий параметры:
Номинальный входной ток Iвх ном = 0…125 А
Точность 1%
Диапазон преобразований А = 1,5*Iн
Выходной сигнал I вых = 75мА
Рабочая частота f = 0……50 кГц
Напряжение питания Uпит = 15 В
Рабочая температура Т = — 20…… +70
Принципиальная схема регулятора тока представлена на рис 12
/>
Рис. 12
/>.
/>
Выбираем: />
DA1 — операционный усилитель общего применения К140УД8А
Расчёт параметров регулятора скорости
Для создания обратной связи по скорости первой массы применим тахогенератор ТП50-100-1 с параметрами Uмах=150 В Þ в нашем случае примем, что на максимальной скорости тахогенератор вырабатывает 75 В. Jp=360*10-7 кгм2, Мтр=270*10-4 Нм.
Видно, что момент инерции ротора тахогенератора и дополнительный момент сопротивления настолько малы по сравнению с основными параметрами системы, что ими можно пренебречь.
/>
Для согласования выходного напряжения тахогенератора с системой управления, применим делитель, представленный на рис.13
/>
Рис. 13.
Примем R24=10 кОм Þ />
Регулятор скорости имеет вид представленный на рис 14
/>
Рис. 14.
/>.
/>
Выбираем:/>
DA1 — операционный усилитель общего применения К140УД8А
Принципиальная схема гибкой обратной связи
Так как гибкая связь представляет собой дефиринциатор то принципиальная схема как на рис 9. Сигнал обратной связи будем брать с датчика скорости типа DВ 3 A, который обеспечивает нужную погрешность.
С параметрами: Крутизна характеристики 20в/об, Макс. скорость вращения 4000об/мин.
Схема включения идентична со схемой включения датчика скорости первой массы.
/>
Рис.15.
Так как передаточная функция гибкой обратной связи
Wос = Тос *р = 0.238 *р
Тогда
Тос = С2*R6
Выберем С6 =0.01 мкФ
R6 = 23.8 kОм
Выберем R5 = R6 кОм.
В качестве DA3 примем быстродействующий операционный усилитель
К140УД11
R5,R6 — C2-33H c Rн = 24 кОм
C6 — К77Г с Сн = 0.01 мкФ.
Для реализации не инвертирующих сумматоров и инверторов, необходимо чтобы сопротивления в цепи были равны, как на примере сумматора. (рис. 16).
/>
Рис.16.
Принимаем R11=R12=R13=10kОм
Заключение
В ходе выполнения курсового проекта по дисциплине «Системы управления электроприводом» были получены важные навыки разработки типовых алгоритмов управления промышленными механизмами, выбора структуры системы регулирования, расчета требуемых параметров устройств. Также была проведена работа с разнообразным справочным материалом с целью поиска элементов систем автоматики, необходимых для реализации синтезированной системы управления.
Разработана система управления, реализующая стабилизацию скорости в диапазоне от 0,1wн до wн. С ошибкой не более 2 процентов.
Список литературы
1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. — М.: Энегроатомиздат, 1988, — 456 с.
2. Заборщикова А.В., Мельников В.И. «Двигатели постоянного тока для автоматизированного электропривода»: Учебное пособие. — СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ., 1994. — 84 с.
3. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. «Управление электроприводами»: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. — 392 с., ил.
4. Ключев В.И. «Теория электропривода»: Учеб. Для вузов. — 2-е изд. Перераб. И доп. — М.: Энегроатомиздат, 2001. — 704 с.: ил.
5. Герман-Галкин С.Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. -246 с.
6. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база: В 2 кн. / Масленников М.Ю., Соболева Е. А и др. — М.: Б.И., 1996. — 157-300с.
7. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж. -д. трансп. — М.: Транспорт, 1999. — 464 с.
8. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288с.
www.ronl.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электрооборудования
КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу: Автоматизированный электропривод
на тему: Расчет электроприводов постоянного и переменного тока
Выполнил студент
гр. ЭО 95 Васин А.В.
____________________
__ __________ 1999
Принял ассистент
Захаров К. Д.
____________________
____________________
__ _________ 1999
Липецк 1999
ЗАДАНИЕ
1. Электропривод с двигателем постоянного тока параллельного возбуждения
1.1. По исходным данным (табл.1), используя нагрузочную диаграмму и тахограмму механизма (рис.1), построить нагрузочную диаграмму двигателя. Известны следующие параметры механизма:
J суммарный момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя (с учетом момента инерции самого двигателя) при нагрузке Мс1 и Мс2;
J=0,2J суммарный момент инерции при Мс3 и Мс4.
Цикл работы механизмов состоит из следующих операций: подъем груза с Мс1=Мс/ и опускание с Мс2=Мс, а также подъем грузозахватывающего устройства с Мс3=0,3Мс1 и опускание с Мс4=0,3Мс2 (при активном моменте статическом; кпд передачи =0,8).
Операции содержат режимы пуска, установившейся работы, предварительного понижения скорости и тормржения (см. рис.1). Продолжительность включения ПВ%=65% при одинаковом времени пауз.
Время установившейся работы на естественной характеристике tуст =2tпуск1; время работы на пониженной скорости составляет 0,5tпуск1. Максимально допустимое ускорение электропривода не должно превышать |доп| в режиме торможения с Мс3. Во всех остальных переходных режимах момент двигателя должен быть одинаковым, равным Мдоп=2,5Мн.
1.2. По нагрузочной диаграмме выбрать двигатель постоянного тока параллельного возбуждения из серии машин длительного режима работы, имеющих угловую скорость р.
1.3. Построить механические =f(M) и электромеханические =f(I) характеристики электродвигателя для следующих случаев: пуск в N=2 ступеней, торможение противовключением, получение пониженной скорости =0,3р шунтированием цепи якоря и возвращение в режим =0 (остановка) путем торможения противовключением. Определить параметры резисторов.
1.4. Определить пределы, в которых будет изменяться механическая характеристика в естественной схеме включения при колебаниях напряжения питания в пределах 20%.
1.5. Построить характеристику динамического торможения =f(I), обеспечивающую замедление с ускорениями, не превышающими |доп|. Мс=0,5Мн. Определить параметры тормозного резистора.
1.6. Изобразить структурную схему двухмассовой системы механизма передвижения тележки. Приняв J1=Jдв, J2=3J1, 12=1,2 с-1, построить АЧХ при воздействии возмущения на вал механизма.
1.7. Рассчитать и построить механическую характеристику разомкнутой системы УП-Д, если еп=220 В; внутреннее сопротивление управляемого преобразователя rп=2rяд.
1.8. Изобразить структурную схему и рассчитать уравнение статической механической характеристики в системе УП-Д с замкнутой обратной связью по скорости. Определить коэффициент обратной связи по скорости Кос и задающий сигнал Uзс, если статическая механическая характеристика проходит через точки Мн, н и имеет жесткость в 10 раз большую, чем в разомкнутой системе. Преобразователь считать инерционным звеном с коэффициентом усиления Кп=100, постоянной времени Тп=0,01 с и с внутренним сопротивлением rп=2rяд.
2. Электропривод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения.
2.1. Согласно заданному варианту выбрать двигатель последовательного возбуждения тихоходного исполнения.
2.2. Рассчитать и построить естественные =f(I), =f(M) и диаграмму пусковых характеристик, определить параметры резисторов при пуске в N=3 ступеней.
2.3. Рассчитать и построить реостатные =f(I), =f(M), если известны координаты рабочей точки: =0,6н, Мс=Мн. Определить величину добавочного резистора.
2.4. Рассчитать и построить =f(I), =f(M) при питании двигателя пониженным напряжением U=0,5Uн.
2.5. Рассчитать и построить =f(M) динамического торможения с самовозбуждением, позволяющего производить спуск груза (нагрузка Мс=1,5Мн). Расчет производить для двух случаев: скорость спуска груза равна р1=-0,8н и р=-0,3н.
3. Электропривод с асинхронным двигателем.
3.1. Производственный механизм вентилятор. По заданному варианту рассчитать мощность двигателя и выбрать по каталогу двигатель с фазовым ротором крановой или краново-металлургической серии.
3.2. Рассчитать и построить естественные и реостатные =f(M) и =f(I2), если механическая характеристика проходит через точку с=0,5н, Мс=Мн. Определить параметры резистора. Построить пусковую диаграмму при пуске в 2;3;3;4 ступени. Определить параметры пусковых резисторов.
3.3. Построить механические характеристики при частотном регулировании с постоянной мощностью в диапазоне 3:1.
3.4. Рассчитать и построить = f(M), также рассчитать сопротивление добавочного резистора при ЭДТ с независимым возбуждением, если характеристика должна проходить через точку = н, М = 1,2Мн.
ОГЛАВЛЕНИЕ
введение7
1. ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯОшибка! Закладка не определена.
1.1. Построение нагрузочной диаграммы дв
www.studsell.com
