Разработка схемы АЭП и отдельных блоков управления АЭП по заданию №962

Готовая пояснительная записка ЭАЭП.doc

Описание поставленной задачи 5
1 Краткая характеристика численного метода ..5
2 Анализ литературы и программ патентный поиск 6
3 Формирование требований к программе ..7
Проектирование схем алгоритмов ..9
1 Разработка алгоритма головной программы .9
2 Проектирование алгоритма ввода исходных данных 10
3 Разработка алгоритма вывода результатов 11
4 Проектирование алгоритма численного метода .14
Кодирование программы в среде программирования 15
1 Разработка структуры программы 15
2 Разработка интерфейса пользователя 16
3 Программирование ввода-вывода данных 17
4 Программная реализация численного метода ..18
Тестирование работоспособности программы 19
1 Описание аппаратной конфигурации для тестирования 19
2 Тестирование разработанной программы .19
3 Решение задачи в математической системе Mathcad 20
4 Решение задачи в математической системе MathLab 20
5 Анализ результатов тестирования .20
Список использованной литературы 23
Приложение А. Тексты спроектированной программы 24
Электропривод является неотъемлемой частью многих агрегатов и комплексов используемых в различных отраслях народного хозяйства науки и техники. Наряду с тенденцией автоматизации технологических и производственных процессов на базе вычислительной техники современный электропривод стал наиболее распространённой разновидностью систем автоматического управления техническими объектами. Поэтому в данной курсовой работе необходимо научиться проектировать электропривод переменного тока а также обеспечить все необходимые блоки защит и управлений электроприводом.
В соответствии с техническим заданием определим требования предъявляемые к проектируемому электроприводу:
– Переменного тока т
Мощность двигателя кВт
Частота вращения АД обрмин
Диапазон регулирования при статизме плюс минус 10%
Режим работы электродвигателя
Нагрузочная характеристика
Приведенный момент инерции
– Конденсаторно-электромагнитное
Наличие генераторного режима
Типы защит электропривода
–Токовая максимальная
–Неправильный порядок чередования фаз
Полоса пропускания спектра частот двигателя
– Рассчитать с нагрузкой и без нагрузки Гц
Полоса пропускания спектра частот преобразователя
Реализация условий энергосбережения
– В системе с преобразователем
Тип блока в преобразователе ЭП
– Датчик давления в нагнетательных установках
Обоснование и выбор типового двигателя
В настоящее время практически повсеместно устанавливаются электроприводы переменного тока. Основное преимущество таких приводов заключается в исключительной надёжности простате экономичности и долговечности асинхронного двигателя. В целом привод переменного тока позволяет минимизировать весь комплекс затрат: на запасные части низковольтную аппаратуру фидерные и силовые кабели на оборудование эксплуатацию и ремонт двигателей и аппаратуры управления а также расход электроэнергии. Для них вообще не требуется устройства компенсаций коэффициента мощности. И хотя закупочная цена привода переменного тока выше чем цена привода постоянного тока привод переменного тока со временем окажется более выгодным.
Выбираем двигатель переменного тока 4АН80А4У3 имеющий следующие параметры:
Таблица 1 – Параметры электродвигателя.
Данный двигатель является трехфазным асинхронным двигателем 4-й серии закрытого обдуваемого исполнения (степенью защиты IP44 по ГОСТ 14254 – 96 – защищен от соприкосновения инструмента проволоки или других подобных предметов толщина которых превышает 1 мм с токоведущими или движущимися частями внутри машины от попадания твердых тел размером более 1 мм а также от водяных брызг любого направления) с короткозамкнутым ротором чугунной или стальной станиной высотой оси вращения 200 мм большим (L) установочным размером восьмиполюсный климатического исполнения У (для районов с умеренным климатом – рабочая температура –45º ÷ +45º относительная влажность воздуха 80%) и категории размещения 3 (для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (способ охлаждения ICA0141) без искусственно регулируемых климатических условий) по ГОСТ 15543 – 70 исполнение двигателя по способу монтажа IM1081 (двигатель на лапах с подшипниковыми щитами с одним цилиндрическим концом вала).
При рассмотрении динамики привода переменного тока рассматриваются только механические процессы без учета электромагнитных явлений. Анализируя механические процессы тоже приходится идти на существенные упрощения линеаризуя механическую характеристику на рабочем участке. В этом случае передаточная функция асинхронного двигателя может быть представлена апериодическим звеном первого порядка :
где: Тэм – электромеханическая постоянная времени;
Кд = ΔfΔ – передаточный коэффициент двигателя при частотном регулировании.
При этом предельная полоса пропускания обеспечиваемая выбранным двигателем может быть определена из соотношения:
где: – соответственно предельная и нулевая частота полосы пропускания;
– модуль АЧХ двигателя переменного тока.
Определим теперь модуль АЧХ:
В соответствии с (2.3) получаем:
В соответствии с (2.2) получаем:
После упрощений получаем выражение по которому возможно определить значение предельной частоты полосы пропускания двигателя:
И окончательно применяя методы решения биквадратных уравнений получаем выражение для определения предельной частоты полосы пропускания двигателя:
В выражении (2.8) учтено то что частота – величина физическая и не может являться величиной отрицательной.
В дальнейшем произведем расчет электромеханической постоянной времени для двух режимов работы с нагрузкой и без нагрузки при этом в первом случае будем учитывать суммарный момент инерции двигателя и механизма во втором случае только двигателя.
Определяем суммарный момент инерции привода работы с нагрузкой:
Определяем синхронную частоту вращения ротора двигателя:
Определяем номинальную частоту вращения двигателя:
Определяем номинальный момент двигателя:
Определяем критический момент двигателя:
Определяем электромеханическую постоянную времени для режима работы с нагрузкой:
Определяем электромеханическую постоянную времени для режима работы без нагрузки:
Предельная частота полосы пропускания двигателя работая с нагрузкой:
Полоса пропускания спектра частот двигателя под нагрузкой составляет:
Предельная частота полосы пропускания двигателя работая без нагрузки:
Рассчитаем полосу пропускания спектра частот преобразователя:
Рассчитаем постоянную времени преобразователя:
где - постоянная времени фильтра;
- частота питающей сети Гц.
С учетом этого запишем передаточную функцию преобразователя:
Откуда видно что K(0)= Kпр.
Таким образом полоса пропускания преобразователя составляет:
Обоснование выбор и описание функциональной и структурной схем АЭП
1 Обоснование выбор и описание функциональной схемы АЭП
В соответствии с принятым техническим решением определим составляющие функциональной схемы проектируемого привода. Согласно заданию Диапазон регулирования при статизме плюс минус 10% равен 100 соответственно необходимо учесть при проектировании функциональной схемы данное условие.
В настоящее время на базе частотно-скалярных и частотно-векторных систем управления с широтно-импульсной модуляцией напряжения частоты и формы тока разработаны производятся и широко применяются электроприводы со сверхшироким диапазоном регулирования асинхронных электродвигателей. Причем здесь возможны два варианта конструктивного исполнения преобразователей частоты: с управляемым тиристорным выпрямителем на входе инвертора или с диодным мостом (неуправляемым выпрямителем).
Поэтому будем проектировать транзисторный электропривод переменного тока с частотным регулятором на основе автономного инвертора с ШИМ модуляцией напряжения частоты и формы первой гармоники тока выходной частоты (ЭП-ЧИ-ШИП).
На рисунке 3.1.1 приведен вариант реализации силовой схемы.
Рисунок 3.1.1 – Силовая схема ЭП-ЧИ-ШИП
На рисунке 3.1.2 приведена функциональная схема аналоговой версии частотно-скалярной системы управления сверх широкодиапазонным электроприводом переменного тока с исполнительным асинхронным электродвигателем. По схеме напряжение на электродвигателе регулируется управляемым выпрямителем (УВ) а частота и первая гармоника тока формируется в автономном инверторе (АИ).
В состав проектируемого электропривода переменного тока входят:
-управляемый выпрямитель;
-частотный инвертор;
-система управления управляемым выпрямителем;
-система управления частотным инвертором;
-блоки различных защит.
Рисунок 3.1.2 – Функциональная схема частотно-скалярной системы управления широкодиапазонным электроприводом переменного тока с асинхронным электродвигателем.
Силовая часть привода будет состоять из блока токовой защиты (БТЗ) выполняющего роль первичного коммутатора и защищающего сеть от коротких замыканий в схеме привода; управляемого выпрямителя (УВ) в котором происходит регулирование напряжения и по средствам которого реализуется управляемый пуск двигателя; преобразователя частоты (ПЧ АИН) функцией которого является регулирование частоты и формирование первой гармоники тока; асинхронного электродвигателя М1.
Для обеспечения работы УВ используется система импульсно фазового управления (СИФУ) на которую возлагаются следующие функции: функции формирования управляющих импульсов сдвига по фазе управляющих импульсов согласования начала фазы управляющего импульса с началом соответствующей фазы. Также непосредственное участие в работе УВ принимает блок формирования закона управления (БФЗУ) в котором определяется напряжение управления реализующее в частотном электроприводе в зависимости от типа нагрузки следующий законы регулирования: при – вентеляторная нагрузка напряжение с изменением частоты тока следует регулировать по закону:
На рисунке 3.1.3 показаны механические характеристики электродвигателя при частотном регулировании с.
В схему управления инвертора введены: блок задания рабочей частоты (ЗГРЧ) 0-1200 Гц преобразующий аналоговый сигнал управления частотой в колебания прямоугольной формы с частотой ; распределитель импульсов (РИ) преобразующий колебания ЗЧ в синхронизированную по частоте и по фазе трехфазную систему импульсов и распределяющий импульсы управления по шести каналам управления транзисторами инвертора; блок формирования системы фазных напряжений (БФСФН); формирователи в системе управления первых гармоник рабочего напряжения фаз А В С; генератор модулируемой частоты (ГМЧ) работающий в диапазоне частот (4-15 кГц); компараторы (К) на выходе которых формируются сигналы управления силовыми транзисторами инвертора (АИ) по алгоритму показанному на рисунке 3.1.4. Генератор частоты (ГЧ) 3мГц служит для уменьшения размеров гальванически развязывающих трансформаторов драйверов (Др).
Рисунок 3.1.3 – Механические характеристики электродвигателя при частотном регулировании с .
Рисунок 3.1.4 – Алгоритм работы компараторов.
Необходимую взаимосвязь систем управления возможно реализовать при помощи блока логического управления (БЛУ) представляющего собой логическую систему формирующую сигнал задания напряжения для УВ и сигнал задания частоты для ПЧ АИН в соответствии с приведенным выше законом управления. БЛУ будет осуществлять так же коррекцию процесса управления в зависимости от сигналов датчиков организующих требуемые техническим заданием блокировки и защиты.
Кроме всех выше перечисленных функциональная схема включает следующие блоки:
– БП – блок питания от него производится подача питающего напряжения на элементы блоки управления приводом;
– БС – блок синхронизации;
– БКПЧФ – блок контроля правильного порядка чередования фаз: организует блокировку при неправильном порядке чередования фаз;
– БОФ – блок обрыва фазы: организует блокировку при обрыве фазы;
– РТ – регулятор тока;
– РС – регулятор скорости;
– РД – регулятор давления;
Регуляторы служат для преобразования управляющего сигнала соответствующее математическим операциям требуемым по условиям работы системы регулирования. К типовым требуемым операциям относятся следующие преобразование сигнала: пропорциональное пропорционально-интегральное и т. п.
– ДТ – датчик тока назначением датчика тока включенного на шунт является преобразование тока статора в пропорциональное ему напряжение соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления а также гальваническая развязка силовой цепи и цепи управления;
– ДС – датчик скорости назначением датчика скорости является преобразование скорости вращения двигателя в пропорциональное ему напряжение соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления;
– ДД – датчик давления назначением датчика давления является преобразование нагнетенного давления двигателем в пропорциональное ему напряжение соответствующее уровню стандартного напряжения элементов системы управления.
Схема электропривода переменного тока представлена в графической части курсовой работы.
Питание электропривода переменного тока осуществляется от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц.
Пуск двигателя осуществляется кнопкой SB1. При нажатии кнопки SB1 на катушку магнитного пускателя КМ1 подается переменное напряжение 220 В при этом происходит замыкание его силовых и вспомогательных контактов. И происходит пуск двигателя.
Останов привода осуществляется кнопкой SB2 которая разрывает цепь питания катушки магнитного пускателя КМ1 что приводит к отключению от сети электропривода и системы управления электроприводом.
Необходимо обеспечить управляемый пуск. Это реализуется с помощью управляемого выпрямителя. Сопротивления R1-R6 и конденсаторы С1-С6 служат для защиты вентилей от перенапряжения.
На входе автономного инвертора стоит фильтр состоящий из конденсатора C7 и индуктивности L1.Он служит для сглаживания пульсаций выходного напряжения управляемого выпрямителя.
В состав автономного инвертора входят обратные диоды VD1-VD6 которые служат для рекуперации энергии в сеть. А транзисторы VT1 - VT6 открываются в зависимости от задающего сигнала которые подаются на систему управления автономным инвертором.
Конденсаторно-электромагнитное торможение двигателя происходит с помощью включенных в силовую цепь питания двигателя конденсаторов С8-С10 по схеме треугольник.
Тепловая защита двигателя осуществляется при помощи теплового реле КК1.
Для защиты от перенапряжений используем реле напряжения KV1 и KV2.
Защита схемы от токов короткого замыкания и токов перегрузки осуществляется с помощью автоматического выключателя QF1 при размыкании контактов которого отключается от сети как силова часть так и схема управления электропривода.
2 Обоснование выбор и описание структурной схем АЭП
В общем случае Структурную схему частотно-скалярного электропривода с выделением первой гармоники силового тока можно представить как показано на рисунке 3.2.1
Рисунок 3.2.1 – Структурная схема частотно скалярного электропривода
На рисунке показаны каналы взаимодействия блоков привода. Особый интерес представляет двигатель при частотном регулировании. Покажем что при частотном регулировании асинхронный двигатель имеет два независимых канала управления. Для этого воспользуемся элементами теории обобщенной электрической машины.
Для анализа запишем уравнения обобщенной машины в осях xy:
В общем случае к обобщенной машине подведена сбалансированная симметричная система напряжений:
Воспользовавшись фазными преобразованиями получим реальные переменные трехфазной машины:
Из (3.4) с учетом того что двигатель получает питание лишь со стороны статора (двигатель – с короткозамкнутым ротором) получаем:
По аналогии можно выразить и остальные переменные трехфазной модели:
Значения токов статора и ротора реальной трехфазной машины получим используя фазные преобразования:
Из (3.2) однозначно видно что момент на валу двигателя определяется потокосцеплениями статора. При этом имеют место два управляющих воздействия: и U1.
Для обеспечения необходимых оптимальных процессов при управлении приводным двигателем между изменениями и U1 должна возникнуть взаимосвязь – закон частотного управления.
Для простоты рассуждений рассмотрим случай частотного управления при котором потокосцепление статора остается неизменным во времени: Тогда уравнения (3.2) для статора в векторной форме примут вид:
Рассмотрим задачу без учета потерь в статоре машины Это даст некоторую неточность при построении механических характеристик двигателя при частотном регулировании - изменяющийся критический момент однако характер нагрузки обозначенной техническим заданием (вентиляторная) позволяет нам сделать это. Итак примем R1=0 тогда:
Если направить вектор напряжения статора и вектор потокосцепления статора 1 по вещественной оси x системы координат xy то в проекциях получаем:
Выражение (3.10) представляет собой динамические электромеханическую и механическую характеристики.
С учетом выбора оптимальных параметров машины можно считать что двигатель работает на линейном участке характеристики при. При этом:
Введем в рассмотрение уравнение движения привода:
где: М и Мс – соответственно электромагнитный и статический моменты двигателя
J – момент инерции двигателя
Рп – число пар полюсов приводного двигателя.
Введем в рассмотрение также базовые величины:
U1H – номинальное напряжение статора
- номинальная частота вращения двигателя
- номинальное потокосцепление статора
- действующее значение тока короткого замыкания ротора
- момент короткого замыкания двигателя.
- электромеханическая постоянная времени
- электромагнитная постоянная времени.
С учетом вышеприведенных обозначений из выражений (3.10) и (3.12) получим линеаризованные уравнения динамической механической и электромеханической характеристик приводного двигателя:
На основании этих уравнений составлена линеаризованная структурная схема приводного двигателя для одномассовой системы.
Перейдем к рассмотрению блока преобразователей.
Изменение напряжения на нагрузке происходит посредством управляемого выпрямителя. Динамические свойства тиристорного преобразователя как элемента системы управления учитывая режим работы и типа управления вентилями имеют следующие особенности:
- преобразователь управляется дискретно;
- преобразователь является полууправляемым устройством т. к. вентиль открывается при наличии на нем положительного напряжения и подаче управляющего импульса а закрывается когда ток через вентиль станет меньше тока удержания.
Для упрощения расчетов тиристорный преобразователь представляем инерционным звеном первого порядка. Передаточная функция данного преобразователя имеет следующий вид:
где – коэффициент усиления тиристорного преобразователя;
– постоянная времени преобразователя.
Передаточную функцию фильтра с автономным инвертором напряжения запишем следующим образом:
где – коэффициент передачи преобразователя частоты;
; ; – сопротивление фильтра и обмотки фазы двигателя.
В качестве задающего генератора используются генераторы прямоугольных колебаний. В функциональном отношении ЗЧ может рассматриваться как безынерционное звено с линейной характеристикой и передаточным коэффициентом:
Расчет регуляторов тока и скорости довольно затруднителен ввиду того что при частотном управлении в режимах пуска торможения и длительном режиме работы они должны иметь различную структуру. Поэтому расчет регуляторов произведем исключительно для длительного режима работы.
Передаточную функцию регулятора тока настроим на модульный оптимум.
Вид желаемой передаточной функции:
где: - малая постоянная времени контура тока; .
Передаточную функцию регулятора тока найдем из соотношения WЖЕЛКТ WОККТ.
Поскольку для современных тиристорных преобразователей время запаздывания СИФУ мало то его можно не читывать и принять равным 0. Тогда передаточная функция регулятора тока будет приведена к виду:
Полученный регулятор имеет структуру пропорционально – интегрального.
Передаточная функция датчика тока:
Настройку регулятора скорости произведем на модульный оптимум. Вид желаемой передаточной функции контура скорости при этом:
где: - постоянная времени контура скорости подлежащая компенсации;.
Передаточную функцию регулятора скорости найдем из соотношения WЖКС WОККС.
Полученная структура регулятора соответствует пропорционально – интегрально-дифференциальному регулятору.
Передаточная функция датчика скорости:
Синтез контура регулирования давления проведем методом последовательной коррекции. Настройку контура регулирования выполним на модульный оптимум.
Передаточная функция объекта регулирования (без регулятора и датчика давления) будет иметь вид:
Для синтеза регулятора давления пользуются заданием желаемой передаточной функции разомкнутой системы в которой компенсированы все большие постоянные времени объекта исключая их из разомкнутого контура регулирования. Аналогичным путем возможно исключить с разомкнутого контура регулирования и все коэффициенты усиления а для устранения статической ошибки ввести в него интегрирующий элемент с малой постоянной.
Таким образом исходный разомкнутый контур регулирования удается заменить результирующим контуром который имеет общий коэффициент усиления равный (ОС предусматривается не единичной) но обладающим астатизмом первого порядка и обеспечивающим высокое быстродействие благодаря малости постоянных времени оставшихся нескомпенсированными.
То есть желаемая передаточная функция разомкнутой системы имеет вид (настройка на модульный оптимум):
Тогда передаточная функция регулятора будет иметь вид:
где - является малой некомпенсированной постоянной времени.
Очевидно что данная передаточная функция является пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД - регулятором) с соответствующими коэффициентами усиления пропорциональной интегральной и дифференцмальной частей регулятора.
Передаточная функция датчика давления:
Насос и гидравлическая сеть – инерционные звенья которые могут быть представлены апериодическим звеном первого порядка:
где – коэффициент преобразования насоса;
– постоянная времени насоса;
Так как насос является нелинейной сложной системой а мы работаем в малых отклонениях линеаризируем его коэффициент передачи. Значение . Поэтому при синтезе системы столь малой постоянной времени допустимо пренебречь и считать насос безинерционным звеном .
Функциональная и структурная схемы и график напряжения в контрольных точках функциональной схемы приведены в графической части проекта лист ЭАЭП 962.00.00.000 Э3. Формат А1.
Разработка и описание принципиальной схемы или чертежа блоков и датчиков управления АЭП по заданию №962
1 Разработка и описание принципиальной схемы блока СИФУ
СИФУ предназначена для вырабатывания управляющих импульсов которые подаются на управляющие электроды тиристоров в нужные моменты времени синхронно с сетевым напряжением. В зависимости от величины напряжения на входе СИФУ UВХ управляющие импульсы могут сдвигаться по фазе относительно сетевого напряжения создавая тот или иной угол открывания тиристоров α и регулируя тем самым среднее напряжение на нагрузке.
Основу СИФУ составляет блок управления предназначенный обычно для управления одним тиристором. В состав блока управления входят генератор опорных напряжений ГОН синхронизированных с напряжением питания тиристоров фазосмещающее устройство ФСУ регулирующее фазу открывающего импульса и генератор импульсов ГИ вырабатывающий необходимый для открывания тиристоров импульс. Функциональная схема блока управления СИФУ показана на рисунке 4.1.1 а.
Рисунок 4.1.1 – Функциональная схема блока управления СИФУ (а) и диаграмма регулирования фазы открывающего импульса по вертикальному принципу (б).
Широкое применение в современных СИФУ аналогового типа находит так называемый вертикальный принцип управления. В таких СИФУ разностный сигнал при изменении управляющего напряжения изменяет момент перехода через нуль относительно вторичной ЭДС соответственно регулируется фаза открывающего импульса рисунок 4.1.1 б. Синхронизация напряжений и выполняется таким образом чтобы при угол открывания что соответствует для режима непрерывных токов. Для выполнения этого условия фазовый сдвиг между опорным напряжением и вторичной ЭДС для любого
тиристора с номером должен составлять:
На рисунке 4.1.1 б изображены соответствующие напряжения для тиристора . Очевидно для трехфазных схем и в качестве опорных могут быть использованы напряжения опережающие по фазе на 60° соответствующие вторичные ЭДС для ; для ; для . Для шестифазной схемы и опорными могут быть напряжения пропорциональные для ; для ; для и так далее.
Описание принципа работы СИФУ покажем на примере одного канала (рисунок 4.1.2) для управления одним тиристором управляемого выпрямителя.
Рисунок 4.1 – Принципиальная схема одного канала СИФУ.
На представленной схеме транзистор VT1 резистор R3 и конденсатор С1 представляют собой генератор пилообразного напряжения синхронизированный с сетью через трансформатор TV1. На компараторе DA1 осуществляется сравнение пилообразного напряжения и напряжения управления Uу в результате чего на выходе DA1 формируются прямоугольные импульсы фронт которых выделяется дифференцирующей цепочкой R8 C2 и через выходной драйвер выполненный на базе транзистора VT2 поступает на управление соответствующего тиристора управляемого выпрямителя.
Опишем принцип работы выходного драйвера СИФУ. При подаче управляющего сигнала с дифференцирующей цепочки открывается коллекторно–эмитерный переход транзистора VT2 в результате чего по контуру [Uп-TV2-VT2-0] пройдет ток вызывающий управляющий сигнал на вторичной обмотке импульсного трансформатора. Кроме того трансформатор преобразует пачку импульсных сигналов в один сигнал шириной 60 градусов. Для фильтрации этого сигнала устанавливаем конденсатор. Для создания контура разряда тока устанавливаем параллельно вторичной обмотке трансформатора диод VD2. Установим диод VD1 для обеспечения одностороннего контура протекания энергии в цепи управления.
Схема электрическая принципиальная системы импульсно-фазового управления приведена на листе графической части проекта ЭАЭП 962.00.10.000 Э3. А2.
2 Разработка и описание принципиальной схемы датчика давления в нагнетательных установках
Датчик давления состоит (рисунок 4.2.1) изпервичного преобразователя давления всоставе которого чувствительный элемент иприемник давления схемы вторичной обработки сигнала различных поконструкции корпусных деталей иустройства вывода. Основным отличием одних приборов отдругих является точность регистрации давления которая зависит отпринципа преобразования давления вэлектрический сигнал: тензометрический пьезорезистивный емкостной индуктивный резонансный ионизационный.
Рисунок 4.2.1 – Функциональная схема датчика давления
В качестве датчика давления в нагнетательных установках используем тензометрический датчик.
Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники (в виде проволоки фольги или пленки) и полупроводники.
Тензорезистивные датчики давления и дифференциального давления используют ранее отработанную конструкцию механической мембраны с установленным на ней чувствительным элементом – тензорезистором (рис. 4.2.2). Он включен в диагональ измерительного моста. Напряжение разбаланса с диагонали моста усиливается высокоточным дифференциальным усилителем и в виде унифицированного токового сигнала поступает на выход датчика. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается тензорезисторы меняют свое сопротивление что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и следовательно от приложенного давления.
Рисунок 4.2.2 – Тензометрический датчик давления
Рисунок 4.2.3 – Упрощенный вид тензорезистивного чувствительного элемента
Схема датчика давления приведена на рисунке 4.2.4.
Рисунок 4.2.4 – Схема датчика давления
Схема электрическая принципиальная датчика давления в нагнетательных установках приведена на листе графической части проекта ЭАЭП 962.00.20.000 Э3 формат А3.
Расчет и выбор элементов блока и датчика по заданию №962
1 Расчет и выбор элементов блока СИФУ
Для расчета и выбора элементов СИФУ сначала необходимо сделать предварительный выбор силового тиристора.
Условие выбора тиристоров:
где Umax=520 В Iт.ср=217 А.
Исходя из вышеизложенного выбираем тиристор Т131-40 ТУ-729.377-79 со следующими параметрами:
- ток включения не более 02 А;
- время включения 63-100 мкс;
- время обратного восстановления 8 мкс;
- повторяющееся импульсное напряжение 100-1200 В;
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение 720 В;
- максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 40 А;
- максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии 628 А;
Установим резистор (R10) в контур Uп-R10-VT2-0 с целью ограничения тока. Принимаем падение напряжения на трансформаторе равным 0.5 В и падения напряжения на эммитерно-коллекторном переходе в открытом состоянии равным 0.5 В. Считая что ток необходимый для открытия тиристора Iвкл=02 А. Рассчитаем необходимое сопротивление ограничивающего резистора.
Подставив значения получим:
Выбираем импульсный транзистор ВС807 со следующими параметрами:
Максимально допустимый ток в к-э переходе: 0.5 А
Максимально допустимое рабочее напряжение: 45 В
Частота коммутации мкс
Макс. напр. к-э (Uкэо макс.В) 45
Предельная частота (fгр.МГц) 100
Максимальная рассеиваемая мощность Вт0.31
Определим потери мощности транзистора:
ΔPнас- потери мощности насыщения:
ΔPотс- потери мощности отсечки:
ΔPпер- потери мощности переключения:
Тогда максимальные потери мощности транзистора исходя из :
т.к. выбор транзистора произведен верно.
Определим параметры конденсатора – фильтра:
Uc - расчетное значение на обкладках конденсатора.
Сc- расчетное значение емкости конденсатора.
Kn- коэффициент пульсаций. Примем Kn=0.95.
- частота пульсаций. Определяется из выражения:
Рассчитаем величину С3:
Тогда выбираем конденсатор К73-1-М75-0.15 мкФ ±5%.
Для унификации выберем диод BAT54S SOT23 со следующими параметрами:
- максимальное постоянное обратное напряжение 30 В;
- максимальный прямой ток 05 А;
- максимальное время обратного восстановления 0005 мкс;
- максимально допустимый прямой импульсный ток 06А;
- максимальный обратный ток 25 мкА;
В качестве компаратора DA1 выберем компаратор К521СА1 со следующими параметрами:
- коэффициент усиления 750;
- напряжение смещения нуля 75 мВ;
- входной ток 75 мА;
- величина предельного дифференциального напряжения 5 В;
- величина предельного синфазного напряжения 4 В;
- напряжения питания +12 В -6 В.
Рассчитаем дифференцирующую цепочку R8-C2 стоящую на выходе компаратора DA1.
где - напряжение на выходе компаратора - падение напряжения на диоде - ток необходимый для открытия транзистора.
Таким образом выбираем резистор МЛТ-0125-360 Ом±5%.
Рассчитаем емкость конденсатора С2:
где - время включения силового тиристора.
Выбираем конденсатор К73-1-М75-0.27 мкФ +5%.
В качестве резистора R9 выберем резистор МЛТ-0125-20 кОм±5%.
Установим резистор (R3) в контур +Uп-R3-VT1-0 с целью ограничения тока. Принимаем падения напряжения на эммитерно-коллекторном переходе в открытом состоянии равным 0.5 В. Рассчитаем необходимое сопротивление ограничивающего резистора.
Таким образом выбираем резистор МЛТ-0125-75 Ом±5%.
Рассчитаем входной резистор (R5) компаратора DA1:
где - входной ток компаратора.
Выбираем резистор МЛТ-0125-130 Ом±5%.
В качестве конденсатора С1 выбираем конденсатор К73-1-М75-1 мкФ±5%.
В качестве согласующего трансформатора TV1 выберем трансформатор ТПК-1 со следующими параметрами:
- напряжение на первичной обмотке 220 В50 Гц;
- напряжение на вторичной обмотке 12В;
- номинальный ток обмотки 0125 А;
- максимальная выходная мощность 9 Вт;
- тип магнитопровода ШI-10б×12 55;
- габаритные размеры мм 27×32×25;
- производитель Транслед.
Рассчитаем резистор R1:
Выбираем резистор МЛТ-0125-24 кОм±5%.
В качестве резистора R2 выбираем резистор МЛТ-0125-20 кОм±5%.
2 Расчет и выбор элементов датчика давления
В основе принципа действия тензорезистивного датчика давления лежит явление тензоэффекта заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации.
Сопротивление R резистора выполненного в виде проволоки длиной l определяется известным выражением.
где r - удельное сопротивление материала проволоки;
S - площадь поперечного сечения проволоки. Дифференцируя выражение (2.1) и переходя к конечным приращениям получим что продольной упругой деформации проволоки соответствует относительное изменение ее сопротивления
где DR Dr DS - абсолютные приращения сопротивления удельного сопротивления длины и площади поперечного сопротивления проводника соответственно.
В твердом теле в зоне упругих деформаций величины поперечных и продольных деформаций связаны выражением
где - значение относительной продольной деформации;
- значение относительной поперечной деформации;
m - коэффициент Пуассона.
С учетом выражений подставленных выше величина относительного изменения проводника диаметром d и длиной l:
Мостовая схема Уитстона является самой популярной схемой используемой для измерения отношений. На рис.1 показана принципиальная схема измерительного моста. Выходное напряжение моста определяется следующим соотношением:
где R1R2R3R4 – сопротивления моста Ом;
– напряжения питания моста В.
При выполнении следующего условия мост считается сбалансированным:
Величины номинального сопротивления проволочных и фольговых тензорезисторов находятся в пределах 10–1000 Ом полупроводниковых 50– 50000 Ом.
В соответствии с этим принимаем:
– напряжения питания моста = 24В;
–R2R4 – сопротивления плечей моста равными 1кОм при этом сделаем сопротивление R3 регулируемым в пределах от 100 до 1000 Ом в целях обеспечения равенства моста при номинальном давлении учитывая температуру окружающей среды и другие факторы влияющие на изменение сопротивления тензорезистивного датчика
– R1 – сопротивления тензорезистивного датчика 1 кОм;
При номинальном режиме выходное напряжение моста:
При изменении давления сопротивление тензорезистора увеличивается на 200 Ом при этом выходное напряжение моста напряжение разбалланса :
При номинальном давлении ток протекающий в одной ветви балластного моста равен:
Предположим при понижении давления сопротивление тензорезистора уменьшилось на 200 Ом. Тогда ток на выходе ОУ определяется по формуле:
– К – коэффициент усиления ОУ принимаем равным 10;
– R5– сопротивление в схеме ОУ принимаем равными 51 Ом.
Находим сопротивление R6 исходя из соотношения:
Значение резистора определяется из соотношения:
Таким образом предварительное значение всегда несколько меньше окончательное значение должно быть таким чтобы в отсутствие сигнала на входе схемы усилителя напряжения на обоих входах ОУ должны быть одинаковыми поэтому принимаем сопротивление
Выбираем тензорезистор 1-LY41-61000 с сопротивлением 1 кОм для R1.
Выбираем резисторы МЛТ-0125-1кОм±5% по ГОСТ 7113-77 для R2R4.
Выбираем подстроечный резистор СП3-44А01-1кОм±10% по ГОСТ 10318-80 для R3.
Выбираем резисторы МЛТ-0125-51Ом±5% по ГОСТ 7113-77 для R5 и R7.
Выбираем резистор МЛТ-0125-510Ом±5% по ГОСТ 7113-77 для R6.
Выбираем операционный усилитель КР140УД7.
В данной курсовой работе я произвел Разработку функциональной схемы и отдельных блоков управления Автоматизированным электроприводом в соответствии с вариантом задания. Произвел детальное описание мною разработанной функциональной и структурной схем произвел расчет передаточных функций отдельных звеньев структурной схемы дал описание работы отдельных блоков и в целом функциональной схемы произвел разработку блока системы импульсно фазового управления и разработку датчика давления в нагнетательных установках произвел выбор элементов разработанного мной блока и датчика.. С помощью программного продукта AutoCAD2007— двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения графическую часть задания начертил схему Функциональную и структурную а также схемы электрические принципиальные блока и датчика разработал необходимую документацию.
При выполнении данной курсовой я получил более хорошие практические навыки выполнения соответствующих работ и закрепил теоретические знания принципа работы электрических аппаратов электрических машин элементов АЭП и их систем управления принципа проектирования данного типа оборудования их свойств и возможностей осуществления управления электрическим приводом.
Чиликин М. Г. Общий курс электропривода М. Г. Чиликин
А. С. Сандлер. – М.: Энергия 1981. – 476 с.
В.П. Андреев Ю.А. Сабинин. Основы электропривода. 1963 772 с.
Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам часть 1 и 2. 2005 480 с.
Башарин А.В. Управление электроприводом. Энергоиздат 1982. 390 с.
Терехов В.М. Осипов О.И. Системы управления электроприводов. 2005. 299 с.
Шишмарев В.Ю Типовые элементы систем автоматического управления. 2004. 304 с.
Справочник по электрическим машинам. Том 2. Под ред. И.П. Копылова.-М.: Энергоатомиздат 1989.-456с.: ил.
Резисторы конденсаторы трансформаторы дроссели коммутационные устройства РЭА: Справочник. Н.Н. Акимов Е.П. Ващуков В.А. Прохоренко и др.- Мн.:Беларусь1994.
Диоды: Справочник. К.М. Брежнева Т.И. Давыдова и др. Под. ред. Б.В. Кондратьев и др.- М.: Радио и связь1990.
Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике:Справ.Под ред. И.М.Чиженко. –Киев.:Техника1978.-447с.:ил.
Методические указания по курсовому проектированию. Элементы автоматизированного электропривода. О.Н. Парфенович. ГУ ВПО «БРУ» Могилев 2010 г. 23 с.
Александров К.К. Кузьмина Е.Г. Электрические чертежи и схемы. 1990.-288 с.
Фрайден Дж. Современные датчики. Техносфера 2004 г. 304 с.
Г.И. Гульков Ю.Н. Петренко. Системы автоматизированного управления электроприводами. 2004 г. 384 с.

Министерство образования Республики Беларусь.doc

Министерство образования Республики Беларусь
ГУВПО «БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Электропривод и АПУ»
по дисциплине: «Элементы автоматизированного электропривода»
Разработка схемы АЭП и отдельных блоков управления АЭП по заданию № 962
студент группы АЭПЗ-101

Схема Принципиальная СИФУ ЭАЭП А2.dwg

Cистема импульсно-фазового управления. Схема электрическая принципиальная.
ЭАЭП 962.00.10.000 Э3
ГУ ВПО "Белорусско-Российский университет" гр.АЭПЗ-101
Конденсаторы К73 ОЖО.464.029 ТУ
Резисторы МЛТ ГОСТ 7113-77

Схема Функциональная , Структурная , Графики напряж..dwg

Схема функциональная АЭП. Схема структурная АЭП. Графики напряжений в контрольных точках.
ЭАЭП 962.00.00.000 Э3
ГУ ВПО "Белорусско-Российский университет" гр.АЭПЗ-101
К выводам питания блоков
Функциональная схема АЭП
Структурная схема АЭП
Графики напряжений в контрольных точках. (Функциональные).

Схема принципиальная Датчика давления А3.dwg

Датчик давления в нагнетательных установках. Схема электрическая принципиальная.
ГУ ВПО "Белорусско-Российский университет" гр.АЭПЗ-101
ЭАЭП 962.00.20.000 Э3
Датчик давления в нагнетательных установках
Микросхема КР140УД7
Резисторы МЛТ ГОСТ 7113-77
Подстроечный резистор
-1кОм±10% ГОСТ 10318-80
Тензорезистор 1-LY41-61000 ±5%

Схема функциональная ЭАЭП А1.dwg

Схема функциональная АЭП. Схема структурная АЭП. Графики напряжений в контрольных точках.
ЭАЭП 962.00.00.000 Э3
ГУ ВПО "Белорусско-Российский университет" гр.АЭПЗ-101
К выводам питания блоков
Функциональная схема АЭП
Графики напряжений в контрольных точках. (Функциональные).
Графики напряжения на базах транзисторов
Структурная схема АЭП