Курсовой проект (вариант 3, задание 1)

NEW.CDW

Text.doc

Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Кафедра Автоматизированных Технологических Систем
«Электромеханические системы»
В исходном состоянии транзистор Т907 заперт а транзистор Т908 открыт за счет протекания базового тока по цепи : +UИП R927 Д913 R928 общ. провод.
При нажатии кнопки «Пуск» включаются реле Р1 и Р2 получая питание от нестабилизированного выхода источника питания через открытый ключ Т908. нормальной работе привода соответствует свечение светодиода Д914. При включении реле Р1 размыкается общая цепь обратной связи РС и РТ подготавливая их к работе а при включении реле Р» подается напряжение на выходные каскады СИФУ после чего управляющие импульсы начинают поступать на тиристоры силовой схемы – происходит запуск электропривода. В аварийных ситуациях транзистор Т908 закрывается обеспечивая отключение реле Р1 И Р2.
Источник питания. Источник питания обеспечивает питание всех цепей управления стабилизированным напряжением и собран по схеме двухканального стабилизатора с последовательно включенными регулирующими транзисторами. В качестве усилителей постоянного тока используются операционные усилители DA14 DA13. Cтабилизаторы обеспечивают на выходах напряжения +12.6 В и -12.6 В относительно общего провода. Нестабилизированное напряжение поступает на выходные каскады СИФУ и сему защиты.
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.
Максимальная сила сопротивления механизма 1000 Н
Масса механизма 50 кг
Абсолютная погрешность слежения не более0.1 мм
Максимальная скорость изменения задающего сигнала0.05 мс
Минимальная скорость изменения задающего сигнала0.0025 мс
Исследование переходного процесса произвести при ступенчатом управляющем воздействии. Датчики положения механизма выбрать исходя из требуемой точности. В расчётах принять КПД редуктора 20 %..
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.
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
ДС – датчик скорости (тахогенератор)
ТП – тиристорный преобразователь
Выбор мощности электродвигателя
Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.
Мощность выбираемого электродвигателя должна удовлетворять условию:
Где Рдв – мощность двигателя
Fсмах – максимальная сила сопротивления
Vмах – максимальная скорость перемещения механизма
Рдв >= 1000*0.050.2>= 250 Вт
По справочнику выбираем электродвигатель с номинальной мощностью не менее 250 Вт:
Двигатель ПТ с НВ 2ПБ90LГ 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
Число пар полюсов 2p
Сопротивление якоря Rя Ом
Сопротивление дополнительной обмотки Rд Ом
Индуктивность якоря Lя 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
Мп = 2.26*4 = 9.04 Н*м
Максимальный приведённый момент равен:
М*мах = Fмахсопр(I ред*КПДред) где
I ред – передаточное отношение редуктора
I ред = w двиг V мехгде
V мех – скорость перемещения механизма
w двиг – скорость вращения двигателя
W двиг = 2*П*n 60 = 2*3.14*2240 60 = 234.5 радс
I ред = 234.50.05 = 4690
Тогда М*мах = 1000(4690*0.2) = 1.066 Н*м
Минимальный приведённый момент равен
М*мин = 0.1*1.066 = 0.1066 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 = 0.001 кг*м^2
J* = 0.005 + 0.001 + 504690^2 = 0.006 кг*м^2
Тогда времена пуска и торможения:
Режим работы механизма повторно-кратковременный нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом:
Рис. Нагрузочная диаграмма механизма
Выберем режим работы механизма повторно-кратковременный. Относительный коэффициент продолжительности цикла примем 0.8. Минимальное время цикла примем 30 секунд.
Относительный коэффициент продолжительности цикла:
Откуда tp=24 с – время рабочего периода
Тогда tр1 = tр2 = (tр – tn - tm)2 = (24-0.176-0.157)2 = 11.83 с
to = tцикла – tраб = 30 – 24 = 6 с
Произведём расчёт эквивалентного момента:
26 > 0.995 значит двигатель выбран правильно.
Нагрузочная диаграмма двигателя приведена на рисунке.
Рис. Нагрузочная диаграмма двигателя
Выбор электропривода
В качестве привода подачи выберем комплектный электропривод типа ЭТУ-3601 в состав которого входят следующие элементы:
-двигатель 2ПБ 90LГ;
-тахогенератор ТС-1М;
-трансформатор ТТ 25;
-тиристорный преобразователь рода тока ПТТР-230-100.
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 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:
Rd – динамическое сопротивление тиристора
Rк – коммутационное сопротивление тиристора
Сопротивление якоря двигателя:
где Rя – сопротивление якорной 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
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 датчика положения
Датчики перемещения обеспечивают контроль перемещения с высокой точностью ( порядка 0.001 мм). Из аналоговых датчиков наибольшее распространение получили индуктивные датчики имеющие высокие уровни выходных сигналов обладающие большой надежностью.
Примем диапазон регулирования 5 миллиметров. Тогда учитывая что в обратную связь подаётся 10 В передаточная функция датчика положения с согласующим устройством 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:
Необходимо согласующее устройство:
Определение передаточной функции тиристорного преобразователя
Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ как правило аппроксимируется 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
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.
Настройка контура тока
Рассмотрим контур тока:
Переходный процесс в контуре тока::
При действии максимально возможного момента сопротивления пусковой ток не превышает 9 А т.е не превышает предельно допустимого тока 4*Iном=12.4 А. Переходный процесс устойчивый время процесса 1.2 с. Применение регулятора в контуре тока необязательно.
Расчёт регулятора скорости
Рассмотрим контур скорости:
Частотные характеристики такого контура имеют вид:
Для достижения нужных свойств (запасы устойчивости по модулю порядка 12 дб и по фазе порядка 30-50 градусов) 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 C3= 10 мкФ тогда
Применив такой регулятор получаем следующие логарифмические характеристики:
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 12 дб по фазе порядка 55 градусов.
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. ЛАХ и ЛФХ некорректированного контура положения
Т.к. коэффициент разомкнутой системы равен примерно 100 (из графика ЛАХ) а требуемый коэффициент должен быть равен 50000 то принимаем коэффициент промежуточного усилителя
Реализация промежуточного усилителя на базе операционного усилителя:
Рис. 10 Реализация промежуточного усилителя
R4R3=500 примем R4=500 кОм тогда R3=1 кОм.
Применив промежуточный усилитель получаем следующие ЛАХ и ЛФХ:
Как видно система является неустойчивой т.к. график ЛФХ пересекает -180 градусов раньше чем ЛАХ пересекает 0.
Для достижения нужных свойств (точности времени переходного процесса запасов устойчивости по модулю порядка 12 дб и по фазе порядка 30-50 градусов) в контуре положения применим регулятор который не изменяя Крс изменил бы соответствующим образом наклон и форму кривых ЛАХ и ЛФХ. Таким регулятором может быть ИД-регулятор передаточная функция которого:
Техническая реализация такого регулятора приведена на рисунке.
Рис. 10 Реализация регулятора положения
Где: T1=R5*C2 T2=(1+C1C2)*T1
Примем С2=100 пФ тогда R5=1 МОм С1=10 мкФ
Рис. 11 ЛАХ и ЛФХ корректированного контура положения
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 15 дб по фазе порядка 55 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 2.7 секунды перерегулирование составляет 22%.
При появлении максимального момента сопротивления на 4 секунде график переходного процесса примет вид:
Как видно из графиков выходная координата отклоняется на 0.015 миллиметра что соответствует заданным параметрам качества (=0.1 миллиметра).
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.

Спецификация.SPW