Проектирование автоматизированного электропривода

Курсовая работа

Для современного промышленного производства характерно широкое внедрение автоматизированного электропривода — основы механизации и комплексной автоматизации технологических процессов. Совершенствование систем автоматизированного электропривода с использованием новейших достижений науки и техники является одним из непременных условий при решении задач всемерного повышения эффективности промышленного производства, ускорения роста производительности труда и улучшения качества выпускаемой продукции.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, преобразующую электрическую энергию в механическую. Посредством этой системы приводятся в движение рабочие органы технологических (производственных) машин и осуществляется управление преобразованной энергией.

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.

1. Выбор электропривода

,(1)

где з ред = 0,4 — КПД редуктора по условиям задания на проектирование.

По расчетному значению мощности выбираем комплектный электропривод следующей комплектации:

  • двигатель 2ПН180МУХЛ4 на 110 В со встроенным тахогенератором ТС-1М;
  • трансформатор ТТ 6;
  • тиристорный преобразователь ПТОМ-115-32(50).

Таблица 1: Технические данные двигателя 2ПН180МУХЛ4

Наименование параметра

Значение

Частота вращения, n, об/мин

750

Мощность номинальная Рн, кВт

5,4

Ток номинальный Iн , А

55

Момент номинальный Мн , Н м

50

КПД, %

78,5

Частота вращения мах n max ,об/мин

3000

Момент инерции, кг·м 2

0,2

Кратность пускового тока In/Ip

3

Сопротивление якоря, Rя, Ом

0,084

Сопротивление дополнительной обмотки , Rд, Ом

0,056

Индуктивность цепи якоря, мГн

2,73

Число полюсов 2p

4

Таблица 2: Технические данные трансформатора ТТ 6

Наименование параметра

Значение

Мощность номинальная Рн, кВА

6

Напряжение первичной обмотки Uв.н, В

380

Напряжение вторичной обмотки Uн.н.,В

104/208/416

Мощность холостого хода Pх.х., Вт

60

Мощность короткого замыкания ,Pк.з., Вт

180

Ток номинальный Iн, А

9,13

Напряжение короткого замыкания Uк, %

10

Ток холостого хода Iх.х., А

0,15*Iн

Таблица 3: Технические данные тахогенератора ТС-1М

Наименование параметра

Значение

Напряжение номинальное, Uн,В

100

Частота номинальная, nн об/мин

3000

Мощность номинальная, Pн, Вт

5

Сопротивление якоря, Rя , Ом

200

Таблица 4: Технические данные тиристорного преобразователя ПТОМ-115-32(50)

Наименование параметра

Значение

Напряжение номинальное Uн, В

115

Ток номинальный Iн, А

32

Ток длительный допустимый I длит.доп, А

40

Ток максимальный допустимый I max.доп, А

50

Мощность длительная, Рдлит, кВт

7

2. Функциональная схема САР положения

Упрощённая функциональная схема САР положения приведена на рисунке 1:

Рисунок 1. Функциональная схема САР

РП — регулятор положения; ДП — датчик положения; РС -регулятор скорости; ТГ — датчик скорости (тахогенератор); М — двигатель (механизм) ; ТП — тиристорный преобразователь; ОВ — обмотка возбуждения.

3. Определение передаточных функций звеньев САР

3.1 Определение передаточной функции электродвигателя

Двигатель постоянного тока при управлении изменением напряжения якоря представляют в виде следующей системы:

Рисунок 2. Структурная схема электродвигателя

Постоянную времени якорной цепи Тя определяют по следующей формуле:

, (2)

где L я У — суммарная индуктивность якорной цепи;

R я У = Rп.экв + Rя У дв — суммарное сопротивление якорной цепи системы ТП-Д;

R п.экв = Rк + 2Rт + 2Rуд + 2Rдин — эквивалентное сопротивление преобразователя.

Суммарная индуктивность якорной цепи вычисляют по формуле:

, (3)

где L т — приведенная индуктивность трансформатора;

L я У дв — суммарная индуктивность рассеяния обмоток якоря двигателя ЯО, ДП и КО. Приведенную индуктивность обмотки трансформатора определяют по формуле:

, (4)

где X т — приведённое ко вторичной цепи индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора;

щ = 314 с -1 — угловая частота напряжения питающей сети.

, (5)

где Zтр — полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;

  • Rтр — приведенное активное сопротивление трансформатора.

Полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора вычисляют по формуле:

, (6)

где Uк — напряжение короткого замыкания;

  • Pн — номинальная мощность трансформатора;
  • Uн — номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора должно соответствовать напряжению питания тиристорного преобразователя.

Приведенное активное сопротивление трансформатора определяют по формуле:

(7)

где Pк.з.- потери при коротком замыкании.

Подставив полученные значения в формулу (5), получим значение приведенного сопротивления обмоток трансформатора

Ом.

Подставив полученные значения в формулу (4), получим значение приведенной индуктивности обмотки трансформатора

Гн.

Индуктивность якоря двигателя определяют по формуле:

,(8)

где г — конструктивный коэффициент, г = 0,1 для компенсированных машин, г = 0,6 для некомпенсированных машин;

  • скорость вращения якоря.

Подставив полученные значения в формулу (3), получим значение индуктивности якорной цепи:

Гн.

Эквивалентное сопротивление преобразователя вычисляют по формуле:

(9)

где Ом — сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за процессов коммутации токов вентилями преобразователя, m — число коммутаций вентилей за период напряжения сети (пульсность схемы): для мостовой схемы m = 6, для нулевой m = 3.

  • сопротивление уравнительного дросселя;
  • падение напряжения на уравнительном дросселе, при номинальном выпрямленном токе ;

Динамическое сопротивление тиристора вычисляют по формуле:

, (10)

где U т = (0,5 ч 1,5) В — классификационное падение напряжения на тиристоре, принимаем Uт = 1,3 В;

I ср.вент — среднее значение тока, протекающего через тиристор при номинальном моменте сопротивления на двигателе.

Среднее значение тока через тиристор определяется по формуле:

(11)

Сопротивление якоря двигателя:

, (12)

где R я — сопротивление якорной обмотки;

R дп — сопротивление дополнительной обмотки;

R ко — сопротивление компенсационной обмотки ( в нашем двигателе отсутствует);

R щ — сопротивление щеточного контакта;

  • коэф. 1,24 учитывает изменение сопротивления в результате нагрева двигателя до рабочей температуры.

Сопротивление щеточного контакта определяют по формуле:

Ом. (13)

где U щ = 1ч2 В — падение напряжения на щеточном контакте. Принимаем Uщ = 2 В.

Подставив значения в формулу (12), получим значение сопротивления якоря двигателя:

Ом.

Вычислим суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д:

Подставив полученные значения в формулу (2) получим постоянную времени якорной цепи:

Приведённый к валу двигателя суммарный момент инерции механических элементов привода:

  • (14)
  • (15)

Передаточное отношение редуктора определим по формуле:

  • (16)

Коэффициент редуктора:

  • (17)

Подставив полученные значения в формулу (14) получим:

Передаточный коэффициент двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением подводимого напряжения к якорю:

рад/В·с, (18)

где коэффициент ЭДС:

  • (19)

Конструктивный коэффициент машины определим по формуле:

Н·м/А.

Передаточная функция двигателя:

  • (20)

3.2 Определение передаточной функции тиристорного преобразователя

Технические данные тиристорного преобразователя ПТОМ-115-32(50) представлены в таблице 4.

Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ, как правило, аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка. При наличии фильтра на входе СИФУ постоянная времени Т ф = (0,006ч0,008) с, что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы управляемого тиристорного выпрямителя (тиристорного преобразователя).

, (21)

где U т.п — выходное напряжение тиристорного преобразователя;

U у — напряжение, подаваемое на вход СИФУ тиристорного преобразователя; Кт.п — коэффициент передачи тиристорного преобразователя; Тт.п = Тф + 1/(2mf) = Тф + 0,003 = 0,006 + 0,003 =0,009 с — постоянная времени тиристорного преобразователя.

Коэффициент тиристорного преобразователя: