Автоматизированный электропривод - Курсовой проект (вариант 2, задание 17)

SXEMA.FRW

Olesja.doc

Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Кафедра Автоматизированных Технологических Систем
«Электромеханические системы»
Функциональная схема САР положения5
Выбор мощности электродвигателя6
Выбор и проверка электропривода8
Определение передаточной функции электродвигателя9
Определение передаточной функции тахогенератора12
Определение передаточной функции датчика положения12
Определение передаточной функции преобразователя13
Настройка контура скорости14
Определение коэффициента разомкнутой системы15
Настройка контура позиционирования17
Структурная схема САР положения20
Анализ и исследование переходных процессов21
Список литературы 25
По исходным данным необходимо:
Выбрать тип и рассчитать требуемую мощность электродвигателя с учётом переходных процессов при пуске торможении и изменении режимов работы двигателя;
В соответствии с исходными данными (мощностью диапазоном регулирования скорости и другими параметрами) выбрать тип преобразователя;
Разработать принципиальную схему силовой части электропривода;
По паспортным данным принципиальной схеме и характеристикам приведённым в приложении к данной методике рассчитать передаточные функции всех элементов электропривода (электродвигателя преобразователя и т.д.) и составить его структурную схему;
Исследовать устойчивость и качество переходных процессов.
Основные требования к оформлению работы
Пояснительная записка должна быть выполнена на бумаге формата А4 по ГОСТ 2.301-68 (графики и схемы можно выполнить на формате А3) в которой отражаются:
все проведённые расчёты;
принципиальные и структурные схемы электропривода выполненные в соответствии с ЕСКД;
графики переходных процессов;
список использованных источников.
Выбор того или иного типа преобразователя электродвигателя и т.д. должен быть обоснован.
Вариант 2 задание 17
Максимальная сила сопротивления механизма2000 Н
Масса механизма200 кг
Максимальное число позиционирования механизма100 1ч
Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла0.8
Максимальная погрешность позиционирования0.002 мм
Максимальная скорость перемещения механизма0.4 мс
Разработать электропривод следящей системы обеспечивающей заданную точность слежения механизма при максимальной скорости задающего сигнала и максимальном моменте сопротивления.
Современные автоматизированные электроприводы представляют собой сложные динамические системы включающие в себя линейные и нелинейные элементы обеспечивающие в своём взаимодействии разнообразные статические и динамические характеристики. Приобретение навыков проектирования расчёта и анализа подобных систем имеет большое значение при подготовке специалистов в области автоматизации и механизации современного производства.
Электроприводом называется электромеханическое устройство предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного либо поступательного движения и включающее электромеханический преобразователь (двигатель) и устройство управления двигателем.
Современные электроприводы металлорежущих станков являются основным звеном автоматизированных систем управления технологическим процессом. Механическая энергия необходимая для создания относительного перемещения инструмента и заготовки в основном поступает от электрического двигателя – силовой части электропривода. Задающие и информационные системы в технологическом процессе проходят через информационную часть системы управления электроприводом.
Свойства автоматизированного электропривода определяют важнейшие показатели металлорежущих станков а также качество и эффективность технологического процесса.
Цель данного проекта – разработать автоматизированный электропривод следящей системы обеспечивающей заданную точность слежения механизма при максимальной скорости задающего сигнала и максимальном моменте сопротивления.
Функциональная схема САР положения
Упрощённая функциональная схема САР положения приведена на рисунке 1:
Рис 1. Функциональная схема САР
РП – регулятор положения
ДП – датчик положения
РС –регулятор скорости
ТГ – датчик скорости (тахогенератор)
М – двигатель (механизм)
ТП – тиристорный преобразователь
ОВ – обмотка возбуждения
Выбор мощности электродвигателя
Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.
Максимальное число позиционирований механизма 100 в час а максимальный коэффициент продолжительности цикла равен 08. Тогда:
- минимальное время цикла.
Режим работы механизма повторно-кратковременный нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом:
Рис 2. Нагрузочная диаграмма механизма
Относительный коэффициент продолжительности цикла:
где tp – общее время работы
tp=tp1+tp2=2tp1 tp+to=Tц
Откуда tp=25.2 с tp1=tp2=12.6 c to=36-25.2=10.8 c.
Fcmax=2000 H Fcmin примем равным 10% Fcmax тогда эквивалентное значение мощности и силы српротивления для стандартного значения относительной продолжительности цикла ст=0.6 вычисляются по следующим формулам:
Мощность на валу механизма вычислим как произведение силы сопротивления на скорость передвижения: Pмехmax=2000*0.4=800 Вт Pмехmin=200*0.4=80 Вт тогда:
Далее учитывая КПД редуктора 20% получим Рэдв=130 Вт. Выбираемый электродвигатель должен удовлетворять следующим условиям:
Выбор и проверка электропривода
В качестве привода подачи выберем электропривод типа ЭТУ-3601 в состав которого входят следующие элементы:
-двигатель 2ПБ 90LГ;
-тахогенератор ПТ 1;
-трансформатор ТТ 25;
-тиристорный преобразователь рода тока ПТТР-230-100.
Технические данные двигателя 2ПБ 90LГ приведены в таблице 1
Таблица 1-Технические данные двигателя 2ПБ 90LГ
Наименование параметра
Частота вращения n обмин
Мощность номинальная Рн Вт
Ток номинальный Iн А
Момент номинальный Мн Н м
Частота вращения мах nmax обмин
Момент инерции кг*м^2
Число пар полюсов 2p
Сопротивление якоря Rя Ом
Сопротивление дополнительной обмотки Rд Ом
Индуктивность якоря Lя мГн
Рном дв >= Рэ дв 530 Вт >= 130 Вт
Передаточное число редуктора тогда момент сопротивления создаваемый силой сопротивления механизма приведённый к валу двигателя равен Мэ дв=0.56 Нм
Мном дв >= Мэ дв2.26 Нм >= 2.06 Нм
Значит выбранный электропривод нам подходит.
Определение передаточной функции электродвигателя
Таблица 2-Технические данные трансформатора ТТ25
Мощность номинальная Рн кВА
Напряжение первичной обмотки Uв.н В
Напряжение вторичной обмотки Uн.н.В
Мощность холостого хода DPх.х. Вт
Мощность короткого замыкания DPк.з. Вт
Напряжение короткого замыкания Uк %
Ток холостого хода Iх.х. А
Двигатель постоянного тока при управлении изменением напряжения якоря представляют в виде следующей системы:
Рис 3. Структурная схема электродвигателя
Постоянную времени якорной цепи Тя определяют по следующей формуле:
где Lя.ц – индуктивность якорной цепи;
Rя.ц – сопротивление якорной цепи.
Индуктивность якорной цепи вычисляют по формуле:
где Lтр – приведенная индуктивность трансформатора:
Lя.д.- индуктивность якоря двигателя
Приведенную индуктивность обмотки трансформатора определяют по формуле:
где Zтр – полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;
Rтр – приведенное активное сопротивление трансформатора.
Полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора вычисляют по формуле:
где Uк – напряжение короткого замыкания;
Pн – номинальная мощность трансформатора;
Uн – номинальное напряжение вторичной обмотки.
Подставив численные значения получим:
Приведенное активное сопротивление трансформатора определяют по формуле:
где DPк.з.- потери при коротком замыкании.
Подставив значения в данную формулу получим следующее значение:
Подставив полученные значения в формулу (3) получим значение приведенной индуктивности обмотки трансформатора
Приведенную индуктивность трансформатора определяют по формуле:
Индуктивность якоря двигателя определяют по формуле:
Полное сопротивление якорной цепи вычисляют по формуле:
Сопротивление якоря двигателя:
где Rя – сопротивление якорной обмотки;
Rд.п – сопротивление дополнительной обмотки;
Rк.о. – сопротивление компенсационной обмотки;
Rщ – сопротивление щеточного контакта.
Сопротивление щеточного контакта определяют по формуле:
Подставив значения в формулу (10) получим значение сопротивления якоря двигателя:
Динамическое сопротивление тиристора
где Uт=1В – классифицикационное падение напряжения на тиристоре;
Iт.н – среднее значение тока через тиристор при номинальном моменте сопротивления на двигателе.
Среднее значение тока через тиристор определяется по формуле:
Подставив полученное значение в формулу (13) получим:
Коммутационное сопротивление тиристора определяют по формуле
где m- число фаз преобразователя (для мостовой 3-фазной схемы m=6)
Подставив полученные значения в формулы (1) (2) (9) получим следующие результаты
Момент инерции где Jмех=mмех*i
J=Jдв+0.1*Jдв+Jмех*i^2=0.005+0.0005+0.0058=0.0113
Определение передаточной функции датчика положения
Примем диапазон регулирования 5 миллиметров. Тогда учитывая что в обратную связь подаётся 10 В передаточная функция будет иметь вид:
Определение передаточной функции датчика скорости
Номинальная скорость двигателя равна 234.5 радс. Тогда учитывая что в обратную связь подаётся 10В передаточная функция будет иметь вид:
Определение передаточной функции тиристорного преобразователя
Технические данные тиристорного преобразователя ПТТР представлены в таблице 3
Таблица 4-Технические данные тиристорного преобразователя ПТТР 230-100
Напряжение номинальное Uн В
Ток длительный допустимый I длит.доп А
Ток максимальный допустимый I max.доп А
Мощность длительная Рдлит кВт
Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ как правило апроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Тт.п.=001 с. что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы управляемого тиристорного выпрямителя.
где Uт.п – выходное напряжение тиристорного преобразователя;
Uу – напряжение подаваемое на вход СИФУ тиристорного преобразователя;
Кт.п – коэффициент передачи тиристорного преобразователя.
Следует отметить что коэффициент тиристорного преобразователя не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения.
Определение коэффициента разомкнутой системы
В современных тиристорных приводах постоянного тока для улучшения статических и динамических характеристик системы в промежуточные усилители вводятся различные корректирующие цепи чем обеспечивается регулирование необходимых динамических свойств системы.
В системах позиционирования статическая ошибка при поступательном движении механизма определяется из выражения:
Где К – коэффициент усиления разомкнутой системы;
ρ – приведённый радиус;
Fс – максимальная сила сопротивления механизма;
– жёсткость механической характеристики системы
Vумах – максимальная скорость движения механизма
умах – максимальная скорость двигателя;
Ошибка слежения при установившемся вращательном движении механизма с максимальной скоростью:
где Vумех max – максимальная скорость движения механизма.
Суммарная ошибка не должна превышать заданной ошибки:
откуда подставив числовые значения:
необходимый коэффициент разомкнутой системы примем.
Расчёт регулятора скорости
Рассмотрим контур скорости:
Рис. 4 Контур скорости
Соответствующие логарифмические характеристики некорректированного контура:
Рис. 5 ЛАХ и ЛФХ некорректированного контура скорости
Крс полученного контура равен примерно 1. Для повышения чувствительности и точности системы в контуре применим ПИ-регулятор с передаточной функцией:
В результате переходный процесс и логарифмические характеристики в полученной системе:
Рис. 6 ЛАХ и ЛФХ корректированного контура скорости
Запас устойчивости системы по модулю порядка 16 дБ по фазе порядка 35 градусов.
Техническая реализация регулятора скорости:
Рис. 7 Реализация регулятора скорости
Примем С=10 мкФ получим R2=1 кОм R1=100 Ом
Настройка контура позиционирования
Рассмотрим контур позиционирования:
Рис. 8 Контур позиционирования
Частотные характеристики и переходный процесс такого некорректированного контура (без промежуточного усилителя и регулятора положения) имеют вид:
Рис. 9 ЛАХ и ЛФХ некорректированного контура положения
Т.к. коэффициент разомкнутой системы равен 1350 а требуемый коэффициент должен быть равен 1200000 то принимаем коэффициент промежуточного усилителя
Реализация промежуточного усилителя на базе операционного усилителя:
Рис. 10 Реализация промежуточного усилителя
R2R1=1000 примем R2=1 Мом тогда R1=1 кОм.
Как видно система является неустойчивой т.к. график ЛФХ пересекает -180 градусов раньше чем ЛАХ пересекает 0. Для достижения нужных свойств (точности и времени переходного процесса) в контуре положения применим ИД-регулятор передаточная функция которого:
Техническая реализация такого регулятора приведена на рисунке.
Рис. 10 Реализация регулятора положения
Где: T1=R1*C2 T2=(1+C1C2)*T1
Примем С2=100 пФ тогда R1=1 МОм С1=10 мкФ
Применив такой регулятор получаем следующие логарифмические характеристики:
Рис. 11 ЛАХ и ЛФХ корректированного контура положения
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 15 дб по фазе порядка 50 градусов.
Структурная схема САР положения
Структурная схема САР положения будет выглядеть следующим образом:
Рис. 12 Структурная схема САР положения
Исследование и анализ переходных процессов
При отсутствии момента сопротивления и подаче задающего напряжения 10 В соответствующего 5 миллиметрам перемещения механизма переходный процесс имеет следующий вид:
Время переходного процесса 15 секунд перерегулирование составляет 40%.
При появлении максимального момента сопротивления на 20 секунде график переходного процесса примет вид:
Как видно из графиков выходная координата отклоняется на 0.0006 миллиметра что соответствует заданным параметрам качества (=0.002 миллиметра).
При ступенчатом периодическом изменении момента сопротивления от 0 до максимального (2.06 Нм) переходный процесс выглядит следующим образом:
Как видно отклонение выходной координаты (перемещения) в пределах заданной точности.
В результате проектирования был разработан автоматизированный электропривод следящей системы обеспечивающей заданную точность слежения механизма при повторно-кратковременном режиме работы максимальном моменте сопротивления. Исследованы и проанализированы переходные процессы при различных режимах работы системы.
Спроектированная система удовлетворяет всем поставленным требованиям.
Справочник по автоматизированному электроприводу Под ред. В.А. Елисеева и А.В.Шинянского.-М.:Энергоатомиздат 1983.
Башарин А.В. Новиков В.А. Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов.-Л.: Энергоиздат. Ленингр.отд-ние 1982.
Зориктуев В.Ц. Автоматизированный электропривод металлорежущих станков: Учебное пособие. Уфа: УАИ 1981.
Автоматизированный электропривод. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Автоматизированный электропривод» составители: Г.Н.Коуров В.Ц. Зориктуев УАИ 1989 г.

Olesja.cdw

Спецификация.SPW