Система автоматического управления электрическим приводом

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Выбор электродвигателя и преобразователя

1.1 Выбор электродвигателя

1.2 Выбор преобразователя

2. Уравнения динамики и структурная схема двигателя

2.1 Уравнения динамики

2.2 Расчет параметров динамической модели двигателя

3. Расчет параметров динамической модели привода при питании от тиристорного преобразователя (система «ТП - Д»)

3.1 Схема замещения цепи питания якоря системы «ТП - Д»

3.2 Расчет активного сопротивления цепи якоря

3.3 Расчет индуктивности цепи якоря

3.4 Параметры динамической модели системы «ТП - Д»

3.5 Расчет статических коэффициентов передачи датчиков тока и скорости

4. Расчет и выбор оптимальных параметров контура тока и регулирование угловой скорости

5. Моделирование переходных режимов электродвигателя

6. Определение параметров управляемого объекта, преобразователя и устройства управления

7. Расчет параметров регуляторов угловой скорости и тока на операционных усилителях

Вывод

Список используемых источников

электродвигатель статизм теристорный привод



Введение

В электроприводах с несколькими обратными связями и общим регулятором трудно обеспечить качественное протекание переходных процессов, даже с использованием корректирующих устройств. Поэтому широкое применение находят СУЭП подчиненного регулирования с раздельными регуляторами скорости РС и тока РТ.

Т.к. тиристорные преобразователи требуют сравнительно маломощных управляющих сигналов, регуляторы РС и РТ легко реализуются на операционных усилителях, осуществляющих одновременно с усилением необходимые математические операции над входными электрическими сигналами.

В общем случае система подчиненного регулирования может содержать N контуров по числу регулируемых переменных, причем каждый внутренний контур обратной связи подчинен следующему по отношению к нему внешнему контуру.

Подчиненность выражается в том, что задающим воздействием для внутреннего контура является выходная величина регулятора ближайшего внешнего контура. Каждый контур реализует принцип регулирования по отклонению и имеет свой регулятор.

Курсовая работа посвящена разработке системы управления вентильного электропривода постоянного тока и предусматривает решение следующих основных задач: выбор по исходным данным электродвигателя и комплектного тиристорного электропривода; определение параметров управляемого объекта; расчет и предварительный выбор параметров регуляторов тока и угловой скорости; моделирование на ПЭВМ и оптимизация переходных процессов в электроприводе.



1. Выбор электродвигателя и преобразователя

1.1 Выбор электродвигателя

Выбираем электродвигатель постоянного тока серии 2ПН112М с номинальными данными:

номинальным напряжением - Uн=110 (В),

номинальной мощностью - Рн=2,5 (кВт),

номинальной частотой вращения - nн=2120 (об/мин),

коэффициентом полезного действия - 76%,

сопротивлением обмотки при 15єС: якоря - 0,196 (Ом);

добавочных полюсов - 1,134 (Ом);

индуктивностью цепи якоря - 2,3 (мГн);

моментом инерции: 0,015 (кг*м2).

При выборе электродвигателя основным требованием является его соответствие условиям технологического процесса.

Выбранный электродвигатель должен обеспечивать заданный технологический цикл рабочей машины, соответствовать условиям окружающей среды, компоновки с рабочей машиной и при этом иметь нормативный (допустимый) нагрев.

Должны выполняться следующие условия:

U_н=U_зад;

P_н=P_зад;

n_н=n_зад,

где Uн, Pн, nн - номинальные напряжение, мощность и частота вращения электродвигателя, об/мин.

Если нет двигателя с заданными техническими характеристиками, то выбирают двигатель ближайшей большей мощности и скорости при соответствующем номинальном напряжении:

U_н= U_зад;

P_н> P_зад;

n_н> n_зад;

Выбор двигателя недостаточной мощности приводит к его повышенному нагреву и преждевременному выходу из строя из-за старения изоляции. Использование двигателя с завышенной мощностью увеличивает первоначальную стоимость электропривода и ухудшает его энергетические показатели.

Серия электродвигателя	Uн, В	Рн, кВт	nн, об/мин	КПД, %	Ra, Ом	Rдп, Ом	La, мГн	Ja, кг•м2
2ПН112М	110	2,5	2120	76	0,196	1,134	2,3	0,015

1.2 Выбор преобразователя

В настоящее время промышленность выпускает комплектные тиристорные преобразователи и комплектные тиристорные электроприводы. При выборе типоразмера преобразователя необходимо, чтобы средний выпрямлен-ный ток Id и среднее выпрямленное напряжение Ud преобразователя удовлетворяли следующим соотношениям:

где Id н , Ud н - номинальные значения среднего выпрямленного тока и напряжения тиристорного преобразователя.

Комплектные тиристорные электроприводы, кроме системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем (СИФУ), имеют встроенную систему управления электродвигателем. Выбирая комплектный электропривод необходимо, чтобы обеспечиваемый им диапазон регулирования скорости был не менее заданного.

29А 29А; 115В 110В.



2. Уравнения динамики и структурная схема двигателя

2.1 Уравнения динамики

Электромеханические процессы в двигателе постоянного тока независимого возбуждения (в относительных значениях напряжения, тока и угловой скорости) описывает следующая система уравнений в операторной форме:

,

,

,

где p - оператор дифференцирования;

Iн номинальный ток двигателя, А;

СЕ - постоянная двигателя, В.с;

Та - электромагнитная постоянная времени цепи якоря при питании двигателя от сети, с.

Тм - электромеханическая постоянная времени двигателя, с;

iс - относительное значение тока двигателя в установившемся режиме (ток нагрузки). Параметры динамической модели двигателя вычисляют по его каталожным (справочным) данным.



2.2 Расчет параметров динамической модели двигателя

2.2.1 Номинальная скорость двигателя, 1/с.

== 221,89 рад/с

2.2.2 Постоянная двигателя

== 0,307,

где Rа активное сопротивление цепи якоря, Ом;

Номинальный ток двигателя, если он не указан в справочнике, вычисляют по формуле

== 29,904 А,

где Pн номинальная мощность двигателя, кВт;

2.2.3 Активное сопротивление цепи якоря

= 0,196+1,134+0,067=1,397 Ом,

где R_оя _ сопротивление обмотки якоря;

R_дп _ сопротивление дополнительных полюсов;

R_ко _ сопротивление компенсационной обмотки;

R_щ _ сопротивление щеточного контакта.

Если двигатель не имеет добавочных полюсов и компенсационной обмотки, то соответствующие им сопротивления принимают равными нулю. Сопротивление щеточного контакта вычисляют по формуле

== 0,067 Ом,

где Uщ - потеря напряжения на щеточном контакте (ориентировочно принимают равной 2В).

2.2.4 Угловая скорость холостого хода двигателя

рад/с

2.2.5 Коэффициент статизма (относительное значение падения угловой скорости двигателя при номинальной нагрузке)

2.2.6 Электромагнитная постоянная времени цепи якоря при питании двигателя от идеального источника напряжения

с,

где L_a _ индуктивность цепи якоря, Гн.



2.2.7 Электромеханическая постоянная времени двигателя

где J_д - момент инерции двигателя, кг^.м².



3. Расчет параметров динамической модели привода при питании от тиристорного преобразователя (система «ТП - Д»)

3.1 Схема замещения цепи питания якоря системы «ТП - Д»

При питании электродвигателя от тиристорного преобразователя необходимо учитывать влияние электромагнитных процессов в силовых цепях преобразователя на динамику привода. Для этого активное и индуктивное сопротивления силовых цепей преобразователя приводят к цепи выпрямленного тока и вводят соответствующие элементы в цепь якоря двигателя. На рисунке 5 изображена схема замещения цепи при питании якоря двигателя от тиристорного преобразователя.

Рис. 1. Схема замещения силовой цепи системы «ТП - Д»

Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к цепи выпрямленного тока, сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов, и сопротивления сглаживающего и уравнительного дросселей учитывают введением в цепь якоря активного сопротивления RП.

Индуктивности обмоток трансформатора, сглаживающего и уравнительных дросселей учитывают введением в цепь якоря индуктивности.



3.2 Расчет активного сопротивления цепи якоря

3.2.1 Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, питающего тиристорный преобразователь

,

где k_u = 1,1 _ коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

kа = 1,1...1,2 коэффициент запаса, учитывающий неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале;

kr = 1,05 коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и в результате коммутации тока;

kсх - коэффициент схемы учитывающий, форму выпрямленного напряжения: для однофазной мостовой схемы со средней точкой kсх =1,11.

3.2.2 Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

,

где = 1,05...1,1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

kt - коэффициент учитывающий, схему выпрямления переменного тока: для однофазной мостовой схемы со средней точкой kt = 0,785.



3.2.3 Активное и индуктивное сопротивления фазы обмотки трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока, Ом.

где ua , uр активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания трансформатора в относительных единицах.

Если нет паспортных данных трансформатора, питающего тиристорный преобразователь, то можно принять ua ? 0,02...0,03; uP ? 0,075.

3.2.4 Сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов, Ом.

где m число пульсаций выпрямленного напряжения за период: для однофазной мостовой схемы со средней точкой m = 2.

3.2.5 Сопротивления сглаживающего и уравнительного дросселей определяют по величине потерь в дросселе ?PM.

где Iдр.н - номинальный ток дросселя.

Если неизвестен тип дросселей установленных в приводе или в каталоге не приведены потери в дросселе, то ориентировочно принимают.



Ом

3.2.6 Эквивалентное сопротивление якорной цепи двигателя:

=Ом,

где k = 1 _ для однофазной мостовой схемы со средней точкой.

3.3 Расчет индуктивности цепи якоря

3.3.1 Индуктивность фазы обмотки трансформатора, приведенная к цепи выпрямленного тока, Гн.

где f - частота тока в сети, питающей преобразователь, Гц.

3.3.2 Индуктивность сглаживающего дросселя, Гн.

= ,

где I_{d min} = 0,1 I_н =0,1=2,9904_ минимальное значение тока нагрузки;

k_ур = 0,41 _ для однофазной мостовой схемы со средней точкой.

3.3.3 Индуктивность уравнительных дросселей

Уравнительные дроссели применяют в реверсивном электроприводе для ограничения уравнительных токов, возникающих при совместном управлении вентильными группами преобразователя. Уравнительные дроссели отсутствуют в реверсивных электроприводах с раздельным управлением вентильными группами тиристорного преобразователя и в нереверсивных электроприводах. В этом случае, активное сопротивление и индуктивность уравнительных дросселей принимаем равными нулю: Lуд= 0, Rуд= 0.

3.3.4 Эквивалентная индуктивность якорной цепи двигателя

3.4 Параметры динамической модели системы «ТП - Д»

3.4.1 Электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя

3.4.2 Коэффициент статизма при питании двигателя от преобразователя

3.4.3 Электромеханическая постоянная времени привода

где J _ момент инерции привода, приведенный к валу двигателя, кг·м².

Значение момента инерции привода ориентировочно можно принять равным

J = (1,1...1,6)·J_д =1,1=0,0165

где J_д _ момент инерции ротора двигателя, кг·м²;

1,1...1,6 - коэффициент, учитывающий момент инерции механизма.

3.4.4 Уравнение динамики системы импульсно-фазового управления

В режиме непрерывного тока тиристорный преобразователь с линеаризованной характеристикой системы импульсно-фазового управления (СИФУ) описывают операторным уравнением следующего вида:

где u_П - среднее выпрямленное напряжение;

k_П - статический коэффициент передачи;

Т_П _ постоянная времени, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ;

u_У _ напряжение управления преобразователем.

В зависимости от схемы выпрямления постоянная времени преобразователя меняется,

4мс _ для трехфазной мостовой.

Статический коэффициент передачи тиристорного преобразователя определяют по формуле:



где 1.5 - коэффициент, учитывающий нелинейность статической характеристики преобразователя;

U_d0 - напряжение идеального холостого хода преобразователя (при полностью открытых тиристорах, когда угол регулирования = 0).

где

k_cx _ коэффициент схемы. Его значение зависит от схемы выпрямления;

k_сх = 1,11 _ для однофазной мостовой схемы со средней точкой;

U_{у max} _ максимальное значение напряжения управления преобразователем (ориентировочно можно принять равным от 6 до 8 В).

3.5 Расчет статических коэффициентов передачи датчиков тока и скорости

3.5.1 Статические коэффициенты передачи тахогенератора и задающего элемента (потенциометра)

Где U_{з max} - максимальное напряжение на выходе задающего потенциометра (ориентировочно можно принять равным 10 В);

_max = ₀ - максимальная угловая скорость.

3.5.2 Статический коэффициент передачи датчика тока



где U_{дт н} - напряжение на выходе датчика тока, при номинальном токе двигателя (ориентировочно можно принять равным от 2.5 до 3 В)



4. Расчет и выбор оптимальных параметров контура тока и регулирование угловой скорости

Вариант СУЭП	Оптимальная величина настраиваемых параметров	Коэффициент статизма
1.Одноконтурная СУЭП с П- регулятором скорости	K
2. Одноконтурная СУЭП с ПИ- регулятором скорости		S=0
3. СУЭП с П- регулятором скорости и жесткой ООС по току на вход преобразователя
4.СУЭП с ПИ-регулятором скорости и жесткой ООС по току на вход преобразователя
5. Однократноинтегрирующая СУЭП с ПИ- регулятором и П- регулятором скорости
6.Двухкратноинтегрирующая СУЭП с ПИ-регулятором тока и скорости		S=0 K=



Выбираем двухкратноинтегрирующую СУЭП с ПИ регуляторами тока и угловой скорости, т.к. необходимо очень точное регулирование ( D=5)

Рис.2. Структурная схема двукратноинтегрирующей СУЭП с ПИ регуляторами скорости и тока

4.1 Общий коэффициент усиления разомкнутого контура управления:

4.2 Коэффициент передачи ООС по току:

4.3 Коэффициент передачи интегральной составляющей регулятора скорости:



4.4 Коэффициент передачи интегральной составляющей регулятора тока

4.5 Постоянная времени фильтра

4.6 Коэффициент статизма

.



5. Однократноинтегрирующая СУЭП с ПИ- регулятором и П- регулятором скорости

5.1 Процесс прямого пуска двигателя от сети

Рис.3. Структурная схема электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением для режима работы двигателя с линейно нарастающей нагрузкой

Рис.4. Электромеханические статическая (2) и динамическая (1) характеристики двигателя с линейно нарастающей нагрузкой с ПИ регуляторами тока и угловой скорости



Рис.5. Модель двукратноинтегрирующей СУЭП

Рис.6. Результаты моделирования двукратноинтегрирующей СУЭП



6. Определение параметров управляемого объекта, преобразователя и устройства управления

6.1 Определение параметров преобразователя напряжения

Преобразователь напряжения представляет собой апериодическое звено, характеризующееся двумя параметрами - статическим коэффициентом усиления К и постоянной времени Т_п. Постоянная времени преобразователя зависит от варианта схемы выпрямления, для однофазной схемы со средней точкой. Коэффициент усиления преобразователя:

где 1,5 - коэффициент, учитывающий нелинейность статической характеристики преобразователя.

- напряжение идеального холостого хода преобразователя при полностью открытых тиристорах (угол регулирования б=0).

6.2 Статический коэффициент усиления тахогенератора и задающего потенциометра

где - максимальное напряжение на выходе задающего потенциометра, .

- максимальная угловая скорость двигателя при однозонном регулировании:



6.3 Статический коэффициент усиления датчика тока

где - напряжение на выходе датчика тока при номинальном токе двигателя . Принимают .

6.4 Общий коэффициент усиления по контуру угловой скорости и контуру тока соответственно:

где - коэффициент усиления якорной цепи электродвигателя.

Из последнего уравнения находим:

Из первого уравнения:



7. Расчет параметров регуляторов угловой скорости и тока на операционных усилителях

Полупроводниковые (тиристорные) преобразователи требуют сравнительно маломощных управляющих сигналов, поэтому регуляторы скорости и тока легко реализовать на операционных усилителях, осуществляющих необходимые математические операции над входными электрическими сигналами. Принципиальная электрическая схема двукратноинтегрирующей СУЭП с использованием операционных усилителей в качестве ПИ-регуляторов тока и :

Рис.7. Принципиальная электрическая схема СУЭП с ПИ-регуляторами тока и угловой скорости

7.1 Определение параметров регулятора тока на операционных усилителях

Значения емкости конденсатора в цепи обратной связи изменяется в пределах: 1..2 мкФ. Сопротивление резистора в цепи обратной связи:



Сопротивление резистора на не инвертирующем входе операционного усилителя:

7.2 Определение параметров регулятора скорости на операционных усилителях проводится по аналогичным формулам

Значение емкости в цепи задатчика интенсивности:

Постоянная времени фильтра, как уже было определено ранее:

0,08

Вывод

В результате проделанной работы было выполнено следующее: по исходным данным был выбран электродвигатель постоянного тока, серии 2ПН132М, двукратноинтегрирующую СУЭП с ПИ - регуляторами тока и угловой скорости. Было произведено математическое описание элементов системы управления и определены их параметры, был произведен расчет и выбор оптимальных параметров регулятора скорости, было выполнено компьютерное моделирование системы. Результат моделирования заданных показателей качества переходного процесса показал, что характер переходного процесса колебательный, перерегулирования составит около 5%, коэффициент статизма отсутствует, что указывает на повышенную точность управления.

Список используемых источников

1. А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. Управление электроприводами. - Л.: Энергоиздат, 1982.

2. Е.М. Зимин, В.И. Яковлев. Автоматическое управление электроприводами. - М.: Высшая школа, 1979.

3. В.И. Ключев. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат, 1981.

5. А.С. Ключев. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля. - М.: Энергоиздат, 1983.

6. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

7. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. - М.: Энергоизда

Размещено на Allbest.ru