3115

Разработка и исследование двухконтурной структуры подчиненного регулирования скорости электропривода постоянного тока

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Очень трудно представить себе современную жизнь человека без систем автоматического управления (САУ). Методы автоматического управления широко используются в производстве и научных исследованиях. Одной из главных задач автоматики является...

Русский

2012-10-24

386 KB

52 чел.

ВВЕДЕНИЕ_

Очень трудно представить себе современную жизнь человека без систем автоматического управления (САУ). Методы автоматического управления широко используются в производстве и научных исследованиях.

Одной из главных задач автоматики является задача автоматического оказания воздействия на объект управления, обеспечивая заданные законы изменения регулируемой переменной.

Проектирование является важным этапом при создании систем автоматического управления. Уровень проектирования в значительной степени определяет качество работы САУ, Основной задачей данной курсовой работы является ознакомление с основными этапами проектирования САУ.

Техническое задание на курсовую работу

Выполнить расчеты статики, произвести оптимизацию динамики САУ и исследовать переходные процессы в синтезированной системе при возмущающих воздействиях машинными (расчетно-аналитическими) методами.

Базовая структура САУ – двухконтурная, нереверсивная. Приводной электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Тип двигателя – 2ПФ315МУХЛ4, его номинальное напряжение  = 440 В. Питание ЭП осуществляется от сети трехфазного тока 380/220 В, 50 Гц.

Момент сопротивления производственного механизма не зависит от скорости и изменяется в статике от  = 0,2 до =,

где   - номинальный момент двигателя.

В динамике момент сопротивления изменяется скачком на величину 0,5.

Приведенный к валу двигателя момент инерции механизма =10,

где, - момент инерции двигателя.

Требования к САУ:

- диапазон управления скоростью = 50;

- статическая ошибка замкнутой системы  =1%

- перерегулирование при единичном управляющем воздействии = 43,7 %;

- динамическая ошибка при возмущающем воздействии   = 5 %

- время переходных процессов =0,5с.

Глава 1. РАСЧЕТ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

  1.1. Выбор электродвигателя

Электродвигатель используемый в данной курсовой работе:

- тип 2ПФ315МУХЛ4:

- мощность = 160 кВт ;

- номинальное якорное напряжение =  440 В ;

- номинальное напряжение возбуждения = 220 В ;

- Число параллельных ветвей обмотки якоря 2а=2;

- Число главных полюсов = 4;

- частота вращения  = 1500 об/мин,  = 2800 об/мин ;

- ток якоря  = 400 А;

- КПД  = 88,6 % ;

- сопротивление обмотки якорной цепи  = 0,0185 Ом ;

- сопротивление обмотки возбуждения  = 28 Ом ;

- число проводников якоря  = 230 ;

- число витков обмотки возбуждения  = 770 ;

- момент инерции = 7 кг·м;

Индуктивность цепи якоря двигателя приближенно может быть рассчитана по формуле Линвиля-Уманского:

 

где,:

- номинальный ток якоря, А  = 400 А;

- номинальное якорное напряжение двигателя  = 440 В;

- число пар полюсов = 2 , так как 2= 4;

- коэффициент компенсации при наличии компенсационной обмотки = 0,25…0,3. =0,26;

- номинальная угловая скорость двигателя

 - вычисляется по формуле:


 где,  -номинальная частота вращения, об/мин =1500 об/мин

 Гн


Расчет активного сопротивление якорной цепи двигателя  при температуре равной 150 °С , где,  -активное сопротивление якорной цепи двигателя при температуре равной 20 °С.

Ом

-3-

1.2. Выбор тиристорного преобразователя (ТП).

Исходя из условий: , , выберу тиристорный преобразователь. Тиристорный преобразователь  выбирается  с учетом допустимой перегрузки (определяется кратностью пускового тока двигателя () и длительностью пуска привода). Номинальное напряжение тиристорного преобразователя () работающего на якорь двигателя, должно быть ближайшим большим к номинальному якорному напряжению двигателя ().

=440 В,  = 400 А.

Исходя из требований, получаем:  Преобразователь типа АТ 500/460.

Тип преобразо-вателя

Напряжение

U, В

Ток

номинальный

I, А

Ток

максимальный

I, А

КПД

,%

Ток допустимый

I, А

АТ 500/460

460

500

1000

95

625


Уравнение характеристики СУТП:
= 90

Максимальный ток   – ток, при котором допускается работа агрегата в повторно- кратковременном режиме в течение 15 с. со времени цикла 10 мин при условии, что среднеквадратичное значение тока не превышает номинального значения. Управление реверсивным тиристорным агрегатом - раздельное. Силовая часть преобразователя построена по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Агрегаты с номинальным напряжением 460 В предназначены для непосредственного подключения к сети с линейным напряжением 380 В.


Для дальнейших расчетов необходимо определить индуктивность L и активное сопротивление  R силовой цепи преобразователя.
Индуктивность L определяется как сумма индуктивностей элементов силовой цепи. В зависимости от выбранной схемы в L могут входить индуктивности силового трансформатора L, токоограничивающих реакторов L и уравнительного реактора L.

L=L+ L+ L      

В рассматриваемой схеме нет уравнительного реактора и силового трансформатора поэтому

L= L      

Следуя условию: I >, аналогично тиристорному преобразователю выберем токоограничивающий реактор ТОР, так как =400 А

Получаем: Трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-410-0,101У3

Тип реактора

Ток  I, А

Напряжение сети

U , В

Индуктивность

L, мГн

Активное сопротивление

R, Ом

РТСТ-410-0,101У3

410

410

0,101

0,00405

L= L=0,101  мГн

Сопротивление R в свою очередь определяется как сумма сопротивлений элементов силовой цепи. В общем случае в R могут входить сопротивления силового трансформатора

-4-

R, токоограничивающих реакторов R, уравнительного реактора R, тиристоров R, коммутационное R.

R=R + R + R + R  + R     

В нашем случае:                                 R= R +  R

Сопротивление коммутации рассчитываем по формуле:

R=L·f·m   

L- индуктивность анодной цепи тиристора

f-частота питающей сети (50 Гц)

m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

R=0,000101·50·6=0,0303 Ом

R=0,00405+0,0303=0,03435 Ом


1.3.
Выбор сглаживающего дросселя

При работе тиристорного преобразователя на якорь двигателя в ряде случаев необходим сглаживающий дроссель. Эту необходимость следует проверить, так как параметры силовой цепи тиристорного преоюразователя и конструктивные особенности двигателя могут допускать бездроссельный вариант привода. Основными расчетными параметрами дросселя являются его номинальный ток I и индуктивность L.

При выборе дросселя по току справедливо условие: I>

Индуктивность дросселя: L =L - ( L + L )

L - полная индуктивность якорной цепи

L- индуктивность тиристорного преобразователя

L- индуктивность двигателя

Требуемое значение L, рассчитывается по условию ограничения пульсаций тока до допустимого для машины уровня:

L =

где,

е- относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного   

     напряжения (для широко регулируемых ЭП е=0,22….0,24). Выберу  е=0,23

Е- максимально выпрямленная ЭДС ТП,   Е= 513 В

i- относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного тока (для двигателей серии 2ПФ и 4ПФ i  = 0,07)

- угловая частота пульсаций

Найду :                                             = 2··f·m           

где, f-частота питающей сети (50 Гц)

       m-число пульсаций ТП (для мостовой схемы m=6)

                                                          = 2·3,14·50·6=1884  с

Таким образом,

L == 0,0022  Гн

L =L -  L - L =0,0022-0,000912-0,000101=0,001187>0

Дроссель нужен.

Значение L, найденное по условию сглаживания пульсаций, следует проверить по условию ограничения зоны прерывистых токов: I < I

где, I - минимальный рабочий ток двигателя.

Определим: I по формуле:

I = 0,2 · I   

I = 0,2 ·400 = 80 А

Гранично-непрерывный ток I растет с увеличением угла управления тиристорами , поэтому его следует определить по формуле:

I=  

где,                                            =arccos()                                 

-6-

где,                                                     E= к· Ф·+ I·R 

кФ-коэффициент передачи по магнитному потоку

R-полное активное сопротивление якорной цепи ТП-Д, R=R+R+R

Так как, сглаживающий дроссель еще не выбран, то его сопротивление R определяется приближенно по формуле:

                                                                       R=      

U-падение напряжения на дросселе

                                                                  U= U·0,006     

 U=0,006·440=2,64  В

R=   Ом

R=0,0222+0,03435+0,0066=0,06315 Ом

                                                                       =   с

где, -минимальная угловая скорость,

       - номинальная угловая скорость двигателя

       - диапазон управления скоростью = 50

==3,14   с                                    

кФ=  

кФ==2,75  В·с

E=2,75·3,14+400·0,06315=33,895  В

=arccos =86°

I=79,93 А

Условие I<I выполнено, т.к. 79,93<80 [A]

Дроссель нужен.

L= L- L- L  

L=0,0022-0,000101-0,000912=0,001187   Гн

L> L и I≥

Исходя из условия: выбираем сглаживающий дроссель:

ФРОС-125/0,5

Тип дросселя

Ток, I А

Индуктивность L, мГн

ФРОС-125/0,5

500 А

1,25

Определяем уточнённое значение L

L= L+ L+L

L=0,000101+0,000912+1,25=2,263   Гн

-7-

1.4. Определение коэффициентов передачи и постоянных времени силовых элементов

В работе следует использовать динамические коэффициенты передачи звеньев САУ, определяемые как отношение приращения, выходной переменной к приращению входной переменной в рабочей точке статической характеристики звена.

Коэффициент передачи двигателя при управлении напряжением якоря:

               К =      

                         К==0,3637

 Коэффициент передачи двигателя по возмущению-изменению М:

К=    

К==8,3  

 Коэффициент передачи тиристорного преобразователя (ТП):

К=     

U=0….10 В

К = tg α==51,3

                      0              

                                                              10 В                                                                             U

рис.1 Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя.

Электромагнитная  постоянная времени цепи преобразователь-двигатель Т:

Т =       

Т==0,0358 с

 Электромеханическая постоянная времени привода Т:

Т=   

-8-

J-суммарный момент инерции электропривода.

J=J+J

J=10 J

J=11 J

Так как,  J=7  J=7·11=77 кг·м

Т= c

-9-

Глава 2. КОМПАНОВКА И РАСЧЕТ СТАТИКИ САУ

2.1. Выбор структуры САУ

В соответствии с техническим заданием в работе рассматриваем двухконтурную систему регулирования скорости.

При выборе типа элементов САУ следует ориентироваться на отечественную систему

УБСР-АИ

Данные элементов УБСР-АИ

Тип элемента

Наименование

Элемента

Характеристики элемента

U

R,кОм

R,кОм

К

У2-АИ

У4-АИ

Операционные усилители

-10

+10

150

2

Не менее

10000

ФВ-IАИ

Фазочувствительный выпрямитель

8

5

2

1,25

ДТ-IАИ

Датчик тока

0,075…0,2

0,01

2

40…140

ДН-IАИ

Датчик напряжения

-10,+10

10

2

1

-10-

2.2. Построение функциональной схемы САУ

Функциональная схема САУ позволяет определить основные функциональные связи между звеньями системы.

                                Структура системы имеет следующий вид:

          

где,: ЗУ – задающее устройство скорости ;

РС – регулятор скорости ;

РТ – регулятор тока ;

ТП – тиристорный преобразователь ;

ДТ – датчик тока ;

ДС – датчик скорости ;

Д – электродвигатель ;

U - заданное напряжение скорости ;

U - напряжение обратной связи по скорости

В качестве типовых регуляторов тока и скорости могут использоваться пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-интегрально-дифференциальные.

-11-

2.3. Расчет статических характеристик САУ

В этом разделе рассчитываются приближенные графики и механические характеристики двигателя =f(M) в разомкнутой системе на верхней и нижней скоростях. Строятся графики на рабочем отрезке М(М=M).

=   

М=кФI                   

                                                              М=2,75·400=1100 Н·м

при М=0       =    

                      ==186,55  с

при М=М    =  

                      ==176,36   с

Так как  нам задан диапазон регулирования скорости, то:

=    

где, ∆-диапазон управления скорости.

при  М=0           = =3,73  с

при  М=М       =  =3,53  с                      

Определю просадку скорости:

=

=·100% =5,9 %

=  

=·100%=5,9 %

-12-

               ω, с


=186,55 с                                                                             

                                                                                    =0,059     

                                                                                        (М=М)=176,36 с

 =3,75 с                                                                               

 =0,059

                                                                                          =3,53 с       

                                                                              

                                                                                    М          М

                                                                             

Рис. 2 Механические характеристики


-13-

     2.4.Выбор элементов САУ и расчет параметров обратных связей

Функциональная схема включения датчика и регулятора скорости.

                                                                C0

                       C1

При использовании аналоговых регуляторов на базе операционных усилителей, например, регуляторов серии УБСР-АИ, коэффициент передачи обратной связи по скорости можно определить следующим образом:

К=К·К=

К==0,06 В·с

где, U-максимальное значение управляющего напряжения задающего устройства (для элементов УБСР-АИ    U= 10 В )

- номинальная угловая скорость двигателя

В качестве датчиков скорости могут применяться тахогенераторы постоянного тока типов ТМГ, ТГ, ТД, ПТ и другие. Тахогенератор выбирается из условия: n>n, так как

n= 2800 об/мин

Исходя из условий выбираем ТД-110

Тип тахогене-ратора

Удельная ЭДС,

Сопротив-

ление обмотки якоря, Ом

Макс. ток нагрузки, А

Макс. частота вращения,

об\мин

Напряжение возбуж-

дения,  В

Ток возбуждения, А

ТД-110

3

--

0,15

3000

--

--

Рассчитаем коэффициент передачи датчика скорости К:

К=К·К·К  

Где, К - коэффициент передачи потенциометра(0,5)

       К - коэффициент передачи сглаживающего дросселя (0,95)

       К - коэффициент передачи тахогенератора,

-14-

К===0,48  В·с

К=0,95·0,5·0,48=0,228   В·с

Определим коэффициент приведения обратной связи по скорости к задающему входу регулятора скорости:

К=   

К==0,26

К= => R=

R==576,92 кОм

Коэффициент передачи обратной связи по току в системах подчиненного регулирования определяется выражением:

К=  

где, U - напряжение ограничения регулятора скорости, получаемое с помощью соответству-ющего блока ограничения, 10 В

I – максимальное значение тока якоря двигателя

I=2,5·I  

I=2,5·400=1000 А

К ==0,01    

Найдем коэффициент передачи датчика тока К по формуле:

К= К· К  

где, К - коэффициент передачи шунта

      К- коэффициент усиления датчика тока ДТ-1АИ (выберу 100)

Тип элемента

Наименование

Элемента

Характеристики элемента

U

R,кОм

R,кОм

К

ДТ-IАИ

Датчик тока

0,075…0,2

0,01

2

40…140

Вычислим К по формуле:

К=  

где,  U=75мВ

II (I=400 A),  так как I = 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500 А  выберу  I=500 А                         

К==1,5·10

-15-

К=1,5·10·100=0,015

Рассчитаем коэффициент приведения обратной связи по току (К) к задающему входу регулятора тока:

К=   

К==0,67

К=

R- сопротивление на входе регулятора тока 150 кОм

R=

R==223,88 кОм

-16-

                                                             

где, РС - регулятор скорости

      РТ - регулятор тока

      ТП - тиристорный преобразователь

      ДВ - двигатель постоянного тока

      ДТ - датчик тока

      ДС - датчик скорости

Тиристорный преобразователь

Тиристорный преобразователь вместе с системой управления и фильтром для сглаживания пульсаций входных сигналов в первом приближении может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

Коэффициент передачи К=51,3

Постоянная времени тиристорного преобразователя: Т=Т+   

                 

Т- постоянная времени фильтра, обычно (0,003…..0,005 с), выбиру 0,004 с ;

- время запаздывания силовой части ТП

=

==5,3·10[с]

Т=0,004+5,3·10= 4,53·10  c

Двигатель

R=0,06315 Ом;

Т=0,0358 с;

К==0,3637 ;

Т= c;

Датчик тока

Датчик  тока при наличии фильтра на выходе следует считать апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

-18-

Т=(0,002…0,005) с  (выберу 0,004 с)

К=0,01

Датчик скорости

Датчики скорости  при наличии фильтра на выходе следует считать апериодическим звеном с передаточной функцией:

W(р)=

Т=( 0,01…0,02) с (выберу 0,015 с)

К=0,06 В·с

-19-

3.2 Построение структурной динамической схемы и синтез регуляторов.

В САР скорости контур тока чаще всего настраивается на оптимум по модулю(ОМ), а контур скорости- на симметричный оптимум (СО).

Параметры ПИ-регулятора скорости при настройке на симметричный оптимум выбирают по формулам:

1=

                                                                        1=4Т

К=

Суммарная малая постоянная времени контура скорости: Т=Т+2Т

К==0,1378

Т=Т+2Т

Т=Т+Т

Т=4,53+0,004=8,53 с

Т=0,015+2·8,53=0,032 с

1==73

1=4·0,032=0,128 с

Параметры ПИ-регулятора тока определяются формулами:

2=

 2=Т

К=

Суммарная малая постоянная времени контура тока: Т=Т+Т

К==8,12

Т=4,53+0,004=8,53 с

2==0,258

2=0,0358 с

-20-
3.3. Исследование системы на компьютере
Так как в SIAM не реализованы звенья типа пропорционально-интегрального, то данное звено представляется типовым соединением ,
                                                                          К- безинерционное звено
                                                                           К/Р- интегрирующее звено
Поскольку:
W=1·=1·(1+)=1+=1+
Согласно алгебре передаточных функций: при параллельных звеньях передаточные функции суммируются

-21-

3.4. Анализ исследования системы на компьютере.

  1.  При управляющем воздействии ()

Расчет перерегулирования.

где,:- максимальное значения выходной переменной, выбирается из таблицы 1.1 и 1.2

       - установившиеся значения выходной переменной, выбирается из таблицы 1.1 и 1.2

Расчет времени переходного процесса.

Границы установившегося значения

Из таблиц 1.1 и 1.2 определяется время переходного процесса (), из условий .

 

  1.  При возмущающем воздействии ()

Статическая ошибка.

Статическая ошибка определяется по графику переходного процесса при возмущающем воздействии, при , (по таблице 2.1 и 2.2).

 

     Расчет динамической ошибки.

 

где,- максимальное значения по модулю выходной переменной при возмущающем воздействии,   выбирается из таблицы 2.1 и 2.2

-22-

ВЫВОД

В процессе работы была разработана двухконтурная структура подчиненного регулирования со следующими параметрами:

- перерегулирование при единичном управляющем воздействии = 42,53 %;

- время переходных процессов = 0,31 с.

- статическая ошибка при возмущающем воздействии  

- динамическая ошибка при возмущающем воздействии   = 2,4 % ,

что удовлетворяет требованиям к САУ.

-31-

ЛИТЕРАТУРА

1. В.М.Шестаков «Теория автоматического управления. Методические указания к курсовой работе для студентов по специальности 2102». ВТУЗ-ЛМЗ Ленинград, 1989.

2. Конспект по теории автоматического управления.

3. Егоров В.Н., Шестаков В.М. «Современные методы расчета динамики замкнутых САУ» -Л.: СЗПИ, 1982.

4. Ф.Ф. Андреев «Электронные устройства автоматики. М.«Машиностроение» 1978г.

5 Электроника: Справочная книга. Ю. А. Быстров, Я. М. Великсон, В. Д. Вогман

и др.;. Под ред. Ю. А. Быстрова.- СПб. :Энергоатомиздат. 1996


ЗУ

РС

РТ

ТП

Д

ДС

Ro

РС

Rз

Rс

ТГ

п

R1

 К

 

+


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76483. Прекращение и изменение брачного договора 15.33 KB
  Соглашение об изменении или о расторжении брачного договора совершается в той же форме что и сам брачный договор т. Односторонний отказ от исполнения брачного договора не допускается. Может возникнуть ситуация когда супруги не пришли к обоюдному соглашению о расторжении брачного договора.
76484. Признание брачного договора недействительным 18.76 KB
  Брачный договор может быть признан судом недействительным в случае: признания брака недействительным; если условия договора ставят одного из супругов в крайне неблагоприятное положение; по основаниям предусмотренным ст. На признание брачного договора действительным или недействительным распространяются соответствующие нормы ГК РФ о действительности и недействительности сделок. Брачный договор может быть признан недействительным по иску супруга чьи права и законные интересы были нарушены в результате заключения договора: в состоянии...
76485. Обращение взыскание на имущество супругов. Гарантии прав кредиторов при заключении брачного договора 18.08 KB
  Таким имуществом в частности являются движимые и недвижимые вещи ценные бумаги паи доли в капитале внесенные в кредитные или иные коммерческие организации и любое другое нажитое в период брака имущество независимо от того на имя кого из супругов оно приобретено. 256 ГК РФ по обязательствам одного из супругов взыскание может быть обращено на его долю в общем имуществе супругов которая причиталась бы этому супругу при разделе имущества. 39 СК РФ доли супругов при разделе общего имущества признаются равными если иное не предусмотрено...
76486. Основания, порождающие родительские правоотношения 15.58 KB
  Законом предусмотрена государственная регистрация рождения ребенка в органах записи актов гражданского состояния по месту рождения ребенка или по месту жительства его родителей одного из них. Происхождение ребенка от матери устанавливается не медицинским учреждением а органом записи актов гражданского состояния на основании справки или иного документа выдаваемого тем медицинским учреждением в стенах которого родился ребенок. Государственная регистрация рождения ребенка производится по месту жительства родителей или одного из них. Сведения...
76487. Установление происхождения ребенка, родившегося в браке 14.71 KB
  Лишь после регистрации рождения происхождение ребенка становится юридическим фактом и может порождать правовые последствия. Состояние матери ребенка в зарегистрированном браке дает основание полагать что отцом ребенка является супруг матери. При государственной регистрации рождения ребенка предъявляется документ являющийся основанием для внесения сведений об отце в запись акта о регистрации рождения.
76488. Регистрация рождения ребенка, рожденного вне брака 14.59 KB
  Таким образом с формальноюридической точки зрения совместная жизнь в зарегистрированном браке и в гражданском браке две большие разницы. Что же касается темы отцы и дети то здесь закон преследуя интересы несовершеннолетних устанавливает принцип равенства прав детей рожденных в браке и вне брака. Статья 53 СК РФ определяет что дети родившиеся у лиц не состоящих между собой в браке имеют по отношению к своим родителям и их родственникам такие же права и обязанности как и дети рожденные в браке.
76489. Установление отцовства и факта признания отцовства 17.18 KB
  Если же предполагаемый отец умер то речь идет уже об установлении факта отцовства или факта признания отцовства. Если при рассмотрении заявления в суде будет установлено что лицо при жизни признавало своё отцовство материнство в отношении ребенка то суд удовлетворяет заявление и признает факт отцовства или факт признания отцовства. Порядок судебного установления отцовства При наличии какого-либо спора установление отцовства осуществляется в судебном порядке по иску заинтересованного лица.
76490. Оспаривание отцовства и (или) материнства 15.82 KB
  Запись акта о рождении ребенка с указанием сведений о его родителях является доказательством происхождения ребенка от конкретных лиц: женщины и мужчины. Например в силу действующей в семейном праве презумпции отцом ребенка был записан муж его матери однако фактическим отцом он не является поскольку в момент зачатия ребенка проходил военную службу в другой местности. Или в случае подмены ребенка в роддоме когда ни супруг ни супруга зарегистрированные в качестве родителей ребенка не являются его биологическими родителями. При...
76491. Личные права несовершеннолетнего ребенка 14 KB
  К ним относятся: право ребенка жить и воспитываться в семье п. 54 СК РФ; право ребенка на общение с родителями дедушкой бабушкой братьями сестрами и другими родственниками ст. 55 СК РФ; право ребенка на защиту своих прав и законных интересов ст.