Проектирование автоматизированного электропривода

общая схема (EMS kurs 1var 13z).cdw

EMS kurs 1var 13z.doc

Министерство образования Российской Федерации
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Кафедра Автоматизированных Технологических Систем
«Электромеханические системы»
автоматизированного
Функциональная схема САР ..5
Выбор электродвигателя 6
Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя 11
Расчет статических характеристик .12
Передаточная функция электродвигателя 15
Передаточная функция тиристорного преобразователя 18
Передаточные функции датчиков обратной связи 20
Определение параметров корректирующих устройств .22
Исследование и анализ переходных процессов. 28
Список литературы ..31
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 1 задание 13
момент сопротивления на валу механизма
Момент инерции механизма
Минимальное время цикла работы
Диапазон регулирования скорости механизма
Максимальная скорость вращения механизма
Статическая погрешность поддержания скорости
Максимальный коэффициент относительной продолжительности цикла
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.
Упрощённая функциональная схема САР приведена на рис.1:
Рис.1. Функциональная схема САР.
РС - регулятор скорости
ТП - тиристорный преобразователь
Выбор мощности электродвигателя
Выбор мощности электродвигателя произведём по методу эквивалентных величин.
- минимальное время цикла.
Мощность выбираемого электродвигателя должна удовлетворять условию:
где – мощность двигателя
– максимальный момент сопротивления
– максимальная скорость перемещения механизма
Поскольку где n=650 обмин
По справочнику выбираем электродвигатель с номинальной мощностью не менее 24492 Вт:
Возьмем двигатель ПТ с НВ 2ПН132МУХЛ4 на 220 В со встроенным тахогенератором ТС-1М.
Наименование параметра
Мощность номинальная Рн Вт
Частота вращения номинальная nн обмин
Частота вращения максимальная nmax обмин
Момент номинальный Мн Н м
Ток номинальный Iн А
Кратность пускового тока IпIн
Сопротивление якоря Rя Ом
Сопротивление дополнительных полюсов Rдп Ом
Сопротивление обмотки возбуждения Rов Ом
Индуктивность цепи якоря мГн
Проверку двигателя проведём по методу эквивалентных величин:
– эквивалентный момент
– номинальный момент двигателя
Величину эквивалентного момента высчитывают по формуле:
– максимальный приведённый момент
– минимальный приведённый момент
- 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:
Максимальный приведённый момент равен:
– передаточное отношение редуктора
– скорость вращения механизма
– скорость вращения двигателя
Минимальный приведённый момент равен:
Время пуска и торможения вычислим по формулам:
– скорость вращения вала двигателя
J – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции механических элементов привода
- момент инерции двигателя;
- момент инерции механизма;
i - передаточное число редуктора.
Тогда времена пуска и торможения:
Режим работы механизма повторно-кратковременный нагрузочная диаграмма выглядит следующим образом:
Рис.2. Нагрузочная диаграмма механизма
Относительный коэффициент продолжительности цикла:
Откуда время рабочего периода:
Произведём расчёт эквивалентного момента:
значит двигатель выбран правильно.
Выбор комплекта электропривода
В качестве привода главного движения выберем электропривод в состав которого входят следующие элементы:
-двигатель 2ПН132МУХЛ4;
-тахогенератор встроенный ТС-1М;
-трансформатор ТТ-6;
-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 на трансформатор ТТ-6
Вторичное линейное напряжение
Потери в опыте короткого замыкания
Напряжение короткого замыкания
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
Расчет механической и электромеханической характеристик двигателя.
По исходным данным двигателя 2ПН132МУХЛ4 рассчитаем параметры его механической и электромеханической характеристик.
Запишем уравнение механической характеристики Д :
w – скорость вращения двигателя;
U – напряжение на якоре двигателя;
- конструктивные параметры двигателя;
Ф – поток возбуждения;
М – момент на валу двигателя.
Запишем уравнение электромеханической характеристики Д :
где I – сила тока протекающего через якорь двигателя;
- сопротивление якоря.
где - скорость вращения двигателя идеального холостого хода.
Расчет статических характеристик.
1 Расчет сопротивления якорной цепи.
Рассчитаем сопротивление якорной цепи для мостовых схем выпрямления
где -полное сопротивление якорной цепи;
- сопротивление якоря двигателя;
- приведенное активное сопротивление трансформатора;
-динамическое сопротивление тиристора;
где -классификационное падение напряжения на тиристоре;
- среднее значение тока через тиристор при номинальном моменте сопротивления на двигателе при одной параллельной ветви и трехфазном напряжении.
-коммутационное сопротивление тиристора;
где m- число фаз преобразователя (для мостовой 3-фазной схемы m=6).
где ха – приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;
Zтр- полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;
где Uk - напряжение короткого замыкания в процентах.
2 Определение коэффициента усиления разомкнутой системы.
Статическая точность поддержания заданной скорости движения электропривода определяется уравнением
где - статическая точность замкнутой системы %;
- статическая точность разомкнутой системы %;
К – статический коэффициент усиления разомкнутой системы.
Статическая ошибка разомкнутой системы в относительных единицах на низшей скорости
где D – диапазон регулирования скорости;
- перепад скорости двигателя вызванный изменением момента сопротивления на его валу;
- возможный перепад момента сопротивления приведенный к валу двигателя;
- жесткость механической характеристики системы.
Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением
где С – конструктивный коэффициент двигателя;
Rяц – сопротивление якорной цепи.
Диапазон регулирования скорости равен .
Следовательно коэффициент разомкнутой системы
Передаточная функция электродвигателя.
1 Передаточная функция электродвигателя как единого блока.
Передаточную функцию электродвигателя можно представить в виде колебательного звена:
- электромагнитная постоянная времени;
- суммарная индуктивность якорной цепи.
- приведенная индуктивность трансформатора;
ха – приведенное индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;
– угловая частота питающей сети равная:
- индуктивность якоря двигателя;
где К = для нормальных некомпенсированных машин;
р – число полюсов двигателя постоянного тока;
nн - номинальная частота вращения
- индуктивность уравнительного реактора равная 10мГн.
Следовательно суммарная индуктивность якорной цепи равна
Отсюда электромагнитная постоянная времени равна
Электромеханическая постоянная времени:
J – приведенный к валу двигателя суммарный момент инерции механических элементов привода
Передаточный коэффициент двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением подводимого напряжения к якорю
Следовательно передаточная функция электродвигателя примет вид
следовательно передаточная функция электродвигателя примет вид
Решив систему уравнений получим .
2 Электрическая часть двигателя.
Запишем уравнение электрического равновесия для якорной цепи двигателя:
где - оператор Лапласа.
Значения напряжения силы тока ЭДС зависят от времени т.е. . Проведя преобразование Лапласа получаем:
так как частота вращения двигателя а следовательно и скорость вращения двигателя зависят от времени.
- индуктивность якорной цепи.
Выходной координатой электрической части двигателя является сила тока проходящего через якорь двигателя а входной – напряжение. Получаем передаточную функцию Д:
3 Механическая часть двигателя.
Запишем уравнение для механической части двигателя:
Значения момента и момента инерции зависят от времени т. е. M(t) w(t). Проведя преобразование Лапласа получаем:
Выходной координатой механической части двигателя является скорость вращения двигателя а входной – момент (разность моментов). Получаем передаточную функцию МЧД:
4 Структурная схема электродвигателя.
Рис.3. Структурная схема электродвигателя.
Передаточная функция тиристорного преобразователя.
Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя представлена на рис. 4.
- относительное значение ЭДС преобразователя
Edα и Edo для каждого преобразователя различны и могут быть определены по выражению:
где Edo – действующее значение ЭДС выпрямленного напряжения при α = 0;
Edα –текущее действующее значение ЭДС соответствующее заданному углу регулирования.
α – текущее значение угла задержки включения тиристоров.
Отношение Edα к Edo носит косинусоидальный характер в зависимости от α а изменение угла α линейно зависит от управляющего напряжения поэтому в системе управления тиристорного преобразователя предусматривается устройство преобразующее
косинусоидальную зависимость в зависимость представленную на рис. 4.
где - относительное значение напряжения управления;
Uy – заданное напряжение управления;
Uун – величина напряжения задания соответствующая номинальному значению выходного напряжения тиристорного преобразователя.
Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ как правило апроксимируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Ттп в пределах от 0006 до 001с что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы управляемого тиристорного выпрямителя (тиристорного преобразователя)
где - выходное напряжение тиристорного преобразователя;
- напряжение подаваемое на вход СИФУ тиристорного преобразователя;
- коэффициент передачи тиристорного преобразователя который не является постоянной величиной и изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения.
Определяем коэффициент передачи по регулировочной характеристике тиристорного преобразователя.
Примем для проверки на устойчивость а - на точность.
Передаточные функции датчиков обратной связи.
1 Передаточная функция датчика скорости.
В качестве датчика скорости используем тахогенератор который можно представить в виде безынерционного линейного элемента. Тогда передаточная функция датчика скорости:
- номинальное напряжение тахогенератора;
- номинальная скорость вращения тахогенератора;
- номинальная частота оборотов тахогенератора.
Следовательно передаточная функция датчика скорости примет вид
Напряжение подаваемое на сумматор и равное 5В снимаем с одного сопротивлений стоящего в цепи тахогенератора и являющегося согласующим устройством датчика скорости.
Рис. 5. Схема датчика скорости.
2 Передаточная функция датчика тока.
В качестве датчика тока выбираем шунтовое сопротивление со стандартным падением напряжения на нем . При этом передаточную функцию датчика тока можно представить в виде:
Двигатели допускают перегрузку по току до в течение 10с при номинальном возбуждении. Следовательно передаточная функция примет вид
Сигнал с датчика тока необходимо подать на сумматор выполненный на операционном усилителе. На вход усилителя нужно подавать напряжение не более 5В. Тогда передаточная функция согласующего устройства примет вид:
Определение параметров корректирующих устройств.
Отличительная особенность многоконтурной структуры системы управления электроприводом с последовательной коррекцией состоит в том что корректирующие активные элементы – регуляторы включаются каскадно причем количество последовательно вводимых регуляторов соответствует количеству контуров регулируемых переменных электропривода. В нашем случае два контура регулирования: внешний контур – контур скорости двигателя и внутренний контур – контур тока двигателя.
На вход каждого из регуляторов подаются сигналы заданного и действительного значений регулируемой координаты данного контура причем предыдущий по ходу управляющих воздействий регулятор скорости вырабатывает сигнал задания для последующего регулятора тока.
1 Расчет регулятора тока.
Рассмотрим контур тока отдельно.
Рис. 6. Структурная схема контура тока.
Для данной структурной схемы передаточная функция нескорректированной разомкнутой системы равна
Рис.7. График переходного процесса тока без корректирующего устройства.
Как видно из графика время переходного процесса равняется 0038c коэффициент перерегулирования равен нулю. Для уменьшения времени переходного процесса применим ПИ - регулятор.
Передаточная функция ПИ-регулятора равна:
C целью компенсации большой постоянной времени контура примем T0=Tэ.
Передаточная функция замкнутого контура равна:
После последующих преобразований передаточная функция регулятора тока примет вид:
Корректирующим устройством является ПИ – регулятор.
Переходный процесс примет вид:
Рис.8. График переходного процесса тока с корректирующим устройством.
Как видно из графика время переходного процесса равно 0.025c. Коэффициент перерегулирования равен:
Расчет корректирующего устройства:
Рис. 8. Схема корректирующего устройства.
Выберем сопротивления по ряду Е24:
Расчет регулятора скорости.
Найдем коэффициент усиления системы произведя необходимые преобразования структурной схемы.
Рис. 9. Преобразованная структурная схема механизма.
При введении усилителя система становится неустойчивой поэтому для подавления средних частот включим в систему ПИ-регулятор передаточная функция которого:
Техническая реализация такого регулятора на базе операционного усилителя приведена на рисунке.
Рис. 10. Схема корректирующего устройства.
Примем C1= 10 мкФ тогда
Применив такой регулятор получаем следующие логарифмические характеристики:
Рис.11. ЛАЧХ и ЛФЧХ скорректированной системы управления
Как видно из графиков запас устойчивости по модулю порядка 14 дб по фазе порядка 56 градусов.
Рис. 12. Структурная схема механизма.
Исследование и анализ переходных процессов.
В большинстве случаев качество САР характеризуется точностью запасами устойчивости быстродействием и другими показателями переходного процесса. Эти свойства САР могут быть определены по переходным процессам возникающим в результате действия на САР типовых управляющих и возмущающих воздействий.
При отсутствии возмущающих воздействий и подаче задающего напряжения 5 В переходный процесс имеет следующий вид:
Рис.13. Переходной процесс замкнутой САР без возмущения.
По переходной характеристике определим величину перерегулирования и длительность переходного процесса:
При появлении максимального момента сопротивления на 0.4 секунде график переходного процесса примет вид:
Рис.14. Переходной процесс замкнутой САР c возмущением.
Как видно из графика выходная координата отклоняется на 0.001 радс и не превышает заданной точности:
следовательно система удовлетворяет заданным показателям точности.
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.
Башарин А.В. Голубев Б.Н. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. – Л.: Энергия 1978. - 440с.
Зориктуев В.Ц. Автоматизированный электропривод металлорежущих станков: Учебное пособие. – Уфа 1981. - 108с.
Автоматизированный электропривод. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Автоматизированный электропривод» составители: Г.Н.Коуров В.Ц. Зориктуев УАИ 1989 г.
Электротехнический справочник (в 3-х томах) Под общ. ред. М.Г.Чиликина. т.3. – М.: Энергия 1975. – 588с.
Резисторы конденсаторы. Под редакцией Акимова Н.Н. Ващукова Е.К.- 1994.-591с.
Интегральные схемы: операционные усилители.Под общей редакцией Перебраскина А.В. Бахметьева А.А.т.1.-Москва.М.:Физматлит 1993.240с.
Алексеев А.Г. Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение.-М.:Радио и связь 1989.-120с.
Г.Олссон Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления.-СПб.:Невский Диалект 2001.-557с.
Бесекерский В.А. Попов Б.П. Теория систем автоматического управления. - М. Наука 2003.- 752 с.
Нумерация выводов операционных усилителей.

Перечень элементов(EMS kurs 1var 13z).cdw

Датчик Холла аналоговый CSLA1CD ОСТ 16-0.539.097-86
Операционный усилитель КР140УД1208
Резистор МЛТ-0.125-8кОм
Конденсатор К10-7В-10мкФ
Тиристорный преобразователь ПТТР 230-100
Электродвигатель 2ПН132МУХЛ4
Резистор МЛТ-0.125-0.25кОм
Резистор МЛТ-0.125-45кОм
Резистор МЛТ-0.125-2.1кОм
Резистор МЛТ-0.125-13кОм
Стабилизированый источник питания NS171 ТУ 25-05.2586-79