Автоматизированный электропривод - Курсовой проект (вариант 2, задание 14)

Спецификация Бориса ЭМС.SPW

ЭМС схема Бориса.cdw

2-14.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 электропривода9
1 Подбор электродвигателя .. ..9
2 Подбор силового трансформатора ЭП .. 10
3 Подбор тиристорного преобразователя 10
Определение передаточной функции электродвигателя11
Определение передаточной функции тахогенератора15
Определение передаточной функции датчика положения16
Определение передаточной функции датчика тока 17
Определение передаточной функции преобразователя18
Определение передаточной функции усилителя .. 19
Настройка контура тока21
Настройка контура скорости23
Структурная схема САР позиционирования26
Настройка контура положения27
Исследование и анализ переходных процессов30
Список литературы . 33
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 14
Максимальный момент сопротивления механизма
Момент инерции механизма
Максимальное число позиционирования механизма
Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла
Максимальная погрешность позиционирования
Максимальная скорость перемещения механизма
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:
Рис.1 Функциональная схема САР
РП – регулятор положения
ДП – датчик положения
РС – регулятор скорости
М – двигатель (механизм)
ТП – тиристорный преобразователь
ОВ – обмотка возбуждения
Выбор мощности электродвигателя
Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.
Предварительный выбор производится исходя из заданных значений максимальной нагрузки максимальной скорости механизма и КПД редуктора:
По заданию необходимо производить расчет для наиболее неблагоприятных режимов работы. Исходя из этого примем . Следовательно мощность двигателя:
По заданию максимальное число позиционирований механизма 100 в час а максимальный коэффициент продолжительности цикла равен 07. Тогда:
- минимальное время цикла.
Режим работы механизма повторно-кратковременный нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом:
Рис.2 Нагрузочная диаграмма механизма
Относительный коэффициент продолжительности цикла:
=0.7 где tp=tp1+tp2=2tp1 tp+to=Tц
Откуда tp=12.6 с tp1=tp2=6.3c.
Таким образом время отдыха определим из формулы:
to=Tц-tp=18-12.6=5.4 c.
Для анализа переходного процесса определим нагрузочную диаграмму двигателя так как она учитывает изменение момента в переходных режимах.
Учитывая режим работы механизма (повторно кратковременный ) построим нагрузочную диаграмму двигателя.
Mcmax=500 Hm Mcmin примем равным 10% Mcmax тогда эквивалентное значение мощности момента для стандартного значения относительной продолжительности цикла 0.6 вычисляются по следующим формулам:
Мощность на валу механизма вычислим как произведение момента на скорость вращения: Pмехmax=500*2=1 кВт Pмехmin=50*2=100 Вт тогда:
Рэмех=767.57 Вт=0.767 кВт
Далее учитывая КПД редуктора 20% получим Рэдв=3.837 кВт. Выбираемый электродвигатель должен удовлетворять следующим условиям:
Выбор и проверка электропривода
В качестве привода подач для обеспечения реверса примем электропривод типа ЭТЗР.
В состав электропривода входят следующие элементы:
-электродвигатель со встроенным тахогенератором;
-силовой трансформатор .
Таблица 1-Технические данные электропривод типа ЭТЗР
Напряжение питания В; частота сети Гц
Мощность трансформатора
Напряжение якорной цепи номинальное В
Частота вращения двигателя номинальная обмин
Мощность двигателя кВт
Диапазон изменения скорости
Силовая схема преобразователя в цепи якоря
Две трехфазные нулевые
Одноконтурная с обратной связью по скорости
Количество рабочих квадрантов
Способ изменения направления вращения
Способ управления комплектами вентилей
1 Подбор электродвигателя
Исходя из расчётов в пункте 2 и принятом типе привода выбираем из серии 2П электродвигатель марки 2П-160МГ. Он наиболее оптимально отвечает требованиям метода эквивалентных величин среди двигателей данного типа.
Рном дв >= Рэ дв 4.2 кВт >= 3.837 кВт
Передаточное число редуктора где тогда момент сопротивления механизма приведённый к валу двигателя равен Нм
Мном дв >= Мэ дв26.7 Нм >=4.858 Нм
Дополнительным условием выбора двигателя является следующее выражение . Данный двигатель среди своей серии этому условию отвечает и имеет значение 176.146.
Технические данные двигателя 2П-160МГ приведены в таблице 2
Таблица 2-Технические данные двигателя 2П-160МГ
Наименование параметра
Мощность номинальная Рн кВт
Частота вращения номинальная nн обмин
Момент номинальный Мн Нм
Ток номинальный Iн А
Напряжение номинальное Uн В
Максимальная частота вращения nmax обмин
Максимальный момент в течении 100-150 мс Нм
Кратность пускового тока InIp
Число пар полюсов 2p
Момент инерции Jд кгм2
Сопротивление обмотки якоря Rя Ом
Индуктивность обмотки якоря Lя мГн
Сопротивление дополнительной обмотки Rд Ом
2 Подбор силового трансформатора ЭП.
Для обеспечения надежной работы электропривода выберем трансформатор с мощностью в 3-5 раза большой мощности используемого электродвигателя.
Таблица 3-Технические данные трансформатора ТТ20
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
3 Подбор тиристорного преобразователя
Выбранному нами типу электропривода соответствует преобразователь энергии серии ЭТРП-1 обеспечивающий реверс работающий от сети в 380В и выпрямляющий напряжение номиналом 220440В и ток номиналом 10-200А.
Определение передаточной функции электродвигателя
Двигатель постоянного тока при управлении изменением напряжения якоря представляют в виде следующей системы:
Рис.3 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 (3) получим значение приведенной индуктивности обмотки трансформатора:
Приведенную индуктивность трансформатора определяют по формуле:
где =314 – частота питающей сети.
Индуктивность якоря двигателя по табличным данным
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 (9) получим значение сопротивления якоря двигателя:
Передаточный коэффициент двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением подводимого напряжения к якорю
Динамическое сопротивление тиристора:
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 (14) получим:
Коммутационное сопротивление тиристора определяют по формуле
где m- число фаз преобразователя.
Подставив полученные значения в формулу (10) получим следующие результаты:
Определение передаточной функции тахогенератора
Встроенный тахогенератор ТС-1М с возбуждением от постоянных магнитов имеет следующие технические характеристики:
Мощность номинальная Pн Вт 5
Напряжение номинальное UнВ 100
Частота номинальная nн обмин 3000
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 5 градусов. Тогда учитывая что в обратную связь подаётся 10 В передаточная функция будет иметь вид:
В качестве датчика положения применим СКВТ типа ВТ-5.
Таблица 4-Технические данные СКВТ типа ВТ-5
Определение передаточной функции датчика тока
Передаточная функция определяется следующим образом:
где - падение напряжения на шунтовом сопротивлении
- номинальный ток двигателя.
Сигнал с датчика тока нужно подать на сумматор выполненный на базе операционного усилителя. Так как в обратную связь принято подавать 10 В то необходимо согласующее устройство:
Передаточная функция датчика тока с согласующим устройством:
Определение передаточной функции тиристорного преобразователя
Технические данные тиристорного преобразователя ЭТРП-1 представлены в таблице 5
Таблица 5-Технические данные тиристорного преобразователя ЭТРП 220-50
Напряжение питания Uт.п В
Ток максимальный допустимый I max.доп А
Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ как правило апроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Тт.п. в пределах от 0.006 до 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 передаточной функции промежуточного усилителя
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.
Расчет погрешности позиционирования производится по следующим формулам:
где - статическая ошибка приведенная к валу двигателя;
- ошибка слежения при установившемся вращательном движении с максимальной скоростью.
Суммарная ошибка не должна превышать заданной ошибки:
Подставив числовые значения:
Из последней формулы найдем коэффициент усиления промежуточного усилителя:
Произведем расчет параметров звена
Где R7=10 кОм R8=2 МОм
Настройка контура тока
Рассмотрим контур тока:
Как видно переходный процесс в контуре тока (при номинальном моменте сопротивления) носит колебательный характер. Для устранения этого и более плавного регулирования применим регулятор следующего вида:
Переходный процесс примет вид:
Техническая реализация регулятора тока:
Произведем расчет параметров звена:
Настройка контура скорости
Рассмотрим контур скорости:
Частотные характеристики такого контура имеют вид:
Как видно из рисунков система обладает малым быстродействием. Для улучшения качества переходного процесса в качестве регулятора применим пропорционально-интегральный регулятор
Произведём расчёт параметров звена: Т=С2* k=R4R3
R3=10 кОм; R4=1 МОм; С2=20 мкФ
Рис. Техническая реализация регулятора скорости.
Применив такой регулятор получаем следующие логарифмические характеристики:
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 30 дб по фазе порядка 80 градусов.
Структурная схема САР позиционирования.
Настройка контура положения
Контур положения будет выглядеть следующим образом:
Рис . Переходной процесс контура положения.
Частотные характеристики этого контура имеют вид:
Как видно из рисунков система обладает малым быстродействием. Для улучшения качества переходного процесса в качестве регулятора применим пропорционально-интегральный регулятор.
Как видно из графиков система неустойчива т.к. кривая ЛЧХ пересекает
-180 градусов раньше чем кривая ЛАХ пересекает 0. Для достижения необходимых свойств САР нужно применить регулятор который изменил бы наклон ЛАХ не изменяя при этом Крс (коэффициент разомкнутой системы) и опустил кривую ЛЧХ. Таким регулятором может быть пропорционально-интегральный регулятор с передаточной функцией:
Произведём расчёт параметров звена.
R1=8 МОм R2=80 МОм C1=1 мкФ.
Применив такой регулятор в контуре положения получим следующие ЛАХ и ЛФХ:
Запасы устойчивости системы по модулю порядка 17 дб. по фазе примерно 80 градусов.
Исследование и анализ переходных процессов
При отсутствии момента сопротивления и подаче задающего напряжения 10В что соответствует 5 градусам то переходный процесс имеет следующий вид:
При появлении максимального момента сопротивления график переходного процесса примет вид:
Из рисунков видно что система дает погрешность меньше предъявленной в задании (2= град=0.04 рад).
В результате проектирования был разработан автоматизированный электропривод следящей системы обеспечивающей заданную точность слежения механизма при максимальной скорости задающего сигнала и максимальном моменте сопротивления. Исследованы и проанализированы переходные процессы при различных режимах работы системы.
Спроектированная система удовлетворяет всем поставленным требованиям.
Автоматизированный электропривод. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Автоматизированный электропривод» составители: Г.Н.Коуров В.Ц. Зориктуев УАИ 1989 г.
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.
Программа «Компас» версия 6.0
Справочник по автоматизированному электроприводуПод ред. В.А. Елисеева и А.В.Шинянского.-М.:Энергоатомиздат 1983.