Автоматизированный электропривод - Курсовой проект (вариант 1, задание 6)

NEW.CDW

Krasnova.doc

Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Кафедра Автоматизированных Технологических Систем
«Электромеханические системы»
автоматизированного
Функциональная схема САР положения5
Выбор электродвигателя6
Выбор комплекта электропривода10
Определение передаточной функции электродвигателя11
Определение передаточной функции тахогенератора14
Определение передаточной функции датчика положения 14
Определение передаточной функции преобразователя15
Определение коэффициента разомкнутой системы16
Настройка контура скорости19
Настройка контура позиционирования21
Исследование переходных процессов 25
Список литературы 28
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.
момент сопротивления на валу механизма
Момент инерции механизма
Минимальное время цикла работы
Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла
Статическая погрешность поддержания скорости
Максимальная скорость вращения механизма
Диапазон регулирования скорости
Разработать САР обеспечивающую заданную точность позиционирования механизма при максимальном активном 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:
Рис. Функциональная схема САР
РП - регулятор положения
ДП - датчик положения
РС - регулятор скорости
ТП - тиристорный преобразователь
Выбор мощности электродвигателя
Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.
По заданию максимальное число позиционирований механизма 200 в час а максимальный коэффициент продолжительности цикла равен 07. Тогда:
- минимальное время цикла.
Мощность выбираемого электродвигателя должна удовлетворять условию:
Где Рдв – мощность двигателя
Мсмах – максимальный момент сопротивления
Wмах – максимальная скорость перемещения механизма
Рдв >= 25*1000*2Пи600.2>= 13.1 кВт
По справочнику выбираем электродвигатель с номинальной мощностью не менее 12 кВт:
Двигатель ПТ с НВ 2ПБ200LГ на 220 В со встроенным тахогенератором ТС-1М.
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
Кратность пускового тока InIp
Сопротивление якоря Rя Ом
Сопротивление дополнительной обмотки Rд Ом
Индуктивность цепи якоря мГн
Проверку двигателя проведём по методу эквивалентных величин:
Мэкв – эквивалентный момент
М дв ном – номинальный момент двигателя
Величину эквивалентного момента высчитывают по формуле:
Мп – пусковой момент
Мт – момент торможения
М*мах – максимальный приведённый момент
М*мин – минимальный приведённый момент
tт – время торможения
- коэффициент учитывающий условия охлаждения
- коэффициент учитывающий условия охлаждения во время паузы
Для данного типа двигателя примем
Коэффициент можно вычислить по формуле:
Расчёт моментов пуска и торможения произведём по формулам:
Мп = -Мт = 4*Мном получаем
Максимальный приведённый момент равен:
М*мах = МмахI ред где
I ред – передаточное отношение редуктора
I ред = w двиг w мехгде
w мех – скорость вращения механизма
w двиг – скорость вращения двигателя
W двиг = 2*П*n 60 = 2*3.14*2360 60 = 247 радс
W мех = 2*П*nмех 60 = 2*3.14*1000 60 = 105 радс
I ред = 247105 = 2.35
Тогда М*мах = 252.35 = 10.625 Н*м
Минимальный приведённый момент равен
М*мин = 0.1*10.625 = 1.0625 Н*м
Время пуска и торможения вычислим по формулам:
w дв – скорость вращения вала двигателя
J* - приведённый суммарный момент инерции
J* = Jдв+Jред+Jмехiред^2 где
Jдв – момент инерции ротора двигателя
Jред – момент инерции редуктора
Jред = 0.2*Jдв = 0.06 кг*м^2
J* = 0.3 + 0.06 + 1.752.35^2 = 0.68 кг*м^2
Тогда времена пуска и торможения:
Режим работы механизма повторно-кратковременный нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом:
Рис. Нагрузочная диаграмма механизма
Относительный коэффициент продолжительности цикла:
Откуда tp=22.5 с – время рабочего периода
Тогда tр1 = tр2 = (tр – tn - tm)2 = (22.5-0.7-0.65)2 = 10.575 с
to = tцикла – tраб = 25 – 22.5 = 2.5 с
Произведём расчёт эквивалентного момента:
> 56 значит двигатель выбран правильно.
Нагрузочная диаграмма двигателя приведена на рисунке.
Рис. Нагрузочная диаграмма двигателя
Выбор комплекта электропривода
В качестве привода главного движения выберем электропривод в состав которого входят следующие элементы:
-двигатель 2ПБ200LГ;
-тахогенератор встроенный ТС-1М;
-трансформатор ТТ 25;
-тиристорный преобразователь рода тока ПТТР-230-100.
Технические данные элементов электропривода:
Технические данные тахогенератора ТС-1М
Напряжение номинальное UнВ
Частота номинальная nн обмин
Мощность номинальная Pн Вт
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
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
Определение передаточной функции электродвигателя
Двигатель постоянного тока при управлении изменением напряжения якоря представляют в виде следующей системы:
Рис. Структурная схема двигателя
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 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;
Rщ - сопротивление щеточного контакта.
Сопротивление щеточного контакта определяют по формуле:
Подставив значения в формулу получим значение сопротивления якоря двигателя:
Динамическое сопротивление тиристора
где Uт=1В - классификационное 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 получим:
Коммутационное сопротивление тиристора определяют по формуле
где m- число фаз преобразователя (для мостовой 3-фазной схемы m=6)
Подставив полученные значения в соответствующие формулы получим следующие результаты
Определение передаточной функции тахогенератора
Так как в обратную связь принято подавать напряжение 10 В то передаточная функция тахогенератора имеет вид:
Так как в обратную связь принято подавать напряжение 10 В то необходим согласующий усилитель коэффициент усиления рассчитан ниже.
Определение передаточной функции датчика положения
Примем диапазон регулирования 90 градусов. Тогда учитывая что в обратную связь подаётся 10 В – номинальное напряжение датчика передаточная функция будет иметь вид:
Определение передаточной функции тиристорного преобразователя
Технические данные тиристорного преобразователя ПТТР представлены в таблице 4
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.
Определение коэффициента разомкнутой системы
Статическая ошибка разомкнутой системы:
Статическая ошибка разомкнутой системы в относительных единицах:
где D – диапазон регулирования скорости = 100
– жёсткость механической характеристики системы
дельтаМ – возможный перепад момента сопротивления.
Крс= Δр% Δз% - 1=1471
Настройка контура скорости
Рассмотрим контур скорости:
Частотные характеристики такого контура имеют вид:
Для достижения нужных свойств в контуре скорости необходимо приподнять ЛАХ для большей устойчивости опустим ЛЧХ опустить вниз. Применим ПИ-регулятор передаточная функция которого:
Техническая реализация такого регулятора на базе операционного усилителя приведена на рисунке.
Примем C= 10 мкФ тогда
Применив такой регулятор получаем следующие логарифмические характеристики:
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 12 дб по фазе порядка 50 градусов.
Настройка контура позиционирования
Рассмотрим контур позиционирования:
Частотные характеристики этого контура имеют вид:
Как видно из графиков система неустойчива т.к. кривая ЛЧХ пересекает
-180 градусов одновременно с тем когда кривая ЛАХ пересекает 0.
Т.к. коэффициент разомкнутой системы составляет 6 а необходимый коэффициент разомкнутой системы должен быть равен 1471. Применим промежуточный усилитель реализация и расчёт которого:
Для такого усилителя имеем:
Кп = R2R1 = 14716 =250
Для достижения необходимых свойств САР ( запасы устойчивости по модулю больше 12 дБ и по фазе порядка 45 градусов ) нужно применить регулятор который изменил бы наклон ЛАХ не изменяя при этом Крс (коэффициент разомкнутой системы) и опустил кривую ЛЧХ. Таким регулятором может быть ИД-регулятор с передаточной функцией:
Техническая реализация:
Примем L1 = 10^2 мГн тогда
Применив такой регулятор в контуре положения получим следующие ЛАХ и ЛФХ:
Запасы устойчивости системы по фазе порядка 60 градусов по модулю примерно 13 дб.
Структурная схема САР положения
Структурная схема САР положения будет выглядеть следующим образом:
Исследование и анализ переходных процессов
При отсутствии момента сопротивления и подаче задающего напряжения 10 В соответствующего 5 градусам переходный процесс имеет следующий вид:
Время переходного процесса 3 секунды перерегулирование составляет 40%.
Пусковой ток порядка 180 А.
При появлении максимального момента сопротивления на 0.5 секунде график переходного процесса примет вид:
Как видно из графиков система плавно отрабатывает возмущения и изменения управляющего воздействия что требуется по заданию.
При ступенчатом периодическом изменении момента сопротивления от 0 до максимального (25 Нм) – при заданном режиме работы механизма переходный процесс выглядит следующим образом:
Как видно отклонение выходной координаты (угла поворота) в пределах заданной точности.
Ток якоря в этом случае:
В результате проектирования был разработан автоматизированный электропривод следящей системы обеспечивающей заданную точность слежения механизма 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.

Спецификация.SPW