Системы управления электроприводами обеспечивают требуемые характеристики электропривода. Они состоят из аналоговых или цифровых регуляторов, изменяющих с необходимой точностью по заданному закону основную координату электропривода и ограничивающих допустимые значения промежуточных координат; логических систем, служащих для управления режимами электропривода, сигнализации и защиты.
В зависимости от выполняемых функций основного регулятора электроприводы делятся на электроприводы:
- с регуляторами скорости двигателя;
- с регуляторами ЭДС или напряжения электродвигателя;
- с регуляторами положения исполнительного органа или вала двигателя;
- с регуляторами взаимного положения двух или нескольких исполнительных органов, приводимых отдельными электродвигателями;
- с регуляторами тока;
- с регуляторами мощности (как правило, для размоточно-намоточных механизмов).
В зависимости от использованной элементной базы системы управления выполняются аналоговыми, цифровыми и цифро-аналоговыми.
Для получения высокой точности отработки задания используются цифро-аналоговые системы. На базе цифровой техники в этом случае выполняется регулятор основной координаты, а также, возможно, нескольких промежуточных. Часто цифровые системы реализуются на основе микропроцессоров.
1 . Выбор звеньев САУ
1.1 Выбор двигателя
По справочнику [1, стр. 384, табл. 10.11, стр. 393, табл. 10.15] выбираем двигатель типа 2ПФ200LУХЛ4. Параметры двигателя приведены в таблице 2. , Табл. 2 — Параметры двигателя
|
Параметр |
Значение |
|
|
Номинальная мощность |
Pн=42 кВт |
|
|
Номинальное напряжение |
Uн=440 В |
|
|
Частота вращения номинальная |
nн=2360 об/мин |
|
|
Частота вращения максимальная |
nмакс=3500 об/мин |
|
|
КПД |
з=90,5 % |
|
|
Сопротивление якоря при температуре 15 °С |
Rя=0,055 Ом |
|
|
Сопротивление добавочных полюсов при температуре 15 °С |
Rдп=0,037 Ом |
|
|
Число пар полюсов |
p=2 |
|
|
Момент инерции якоря двигателя |
Jя=0,03 кг*м2 |
|
Ток двигателя расчитаем по формуле, А:
- (1.1)
1.2 Выбор комплектного тиристорного электропривода и тиристоров
По справочнику [2, стр. 6-7, табл. 1.1, стр. 10] выбираем комплектный тиристорный электропривод КТЭ 200/440-132. Данный комплектный тиристорный электропривод однодвигательный реверсивный с возможностью изменения полярности напряжения на якоре.
Параметры КТЭ 200/440-132:
- Мощность до 1000 кВт;
- Номинальный ток I=200 А;
- Номинальное напряжение преобразователя U=440 В.
По справочнику [8, стр. 387-392] выбираем тиристоры типа Т 161 — 125. Параметры тиристоров:
- средний ток IVS = 125 А;
- падение напряжения UVS=1,15 В.
1.3 Выбор силового трансформатора
По справочнику [2, стр. 262, табл. 8.3; стр. 263-265, стр. 271, табл. 8.5] выбираем трансформатор типа ТСЗП 125/0,7 УХЛ4 данный трансформатор — сухой.
Параметры трансформатора:
- номинальная мощность Sн=117 кВА;
- напряжеие первичной обмотки U1н=380 В;
- напряжеие вторичной обмотки U2н=410 В;
- номинальный ток фазы со стороны вторичного напряжения I2=165А;
- напряжеие короткого замыкания Uкз = 5,8 %;
- ток холостого хода Iхх = 4%.
1.4 Выбор тахогенератора
Тахогенератор выбираем из [2, стр. 180]. Тип — ТП 130 постоянного тока. Параметры:
- номинальное выходное напряжение Uтг=200 В;
- номинальная скорость nтг=4000 об/мин.
1.5 Выбор измерительного шунта
Выбираем шунт измерительный ШС-75 [4].
Параметры шунта:
- падение напряжения Uш=75 мВ;
- номинальный ток шунта Iш=200 А;
- Номинальное сопротивление шунта Rш=375 мкОм.
2 . Расчёт статических параметров
Определим угловую скорость вращения якоря двигателя, рад/с:
,(2.1)
Определим сопротивление якорной цепи двигателя, приведённое к рабочей температуре 750С, Ом, при коэффициенте, учитывающем изменение сопротивления обмоток при нагреве на 600С в = 1,24:
- (2.2) [3, стр. 32]
Определим коэффициент ЭДС двигателя, В*с:
- (2.3) [3, стр. 32]
Передаточный коэффициент двигателя:
- (2.4) [3, стр. 32]
Определим индуктивность якоря двигателя, Гн:
,(2.5) [3 стр. 32]
где
С=1…1,75 — коэффициент, характеризующий эл. машину;
- p = 2 — число пар полюсов.
Максимальная ЭДС преобразователя, В:
, (2.6)
где kсх=1,35 — коэффициент схемы соединения тиристоров (трёхфазная мостовая);
- Uл2= 405 В — линейное напряжение на выходе трансформатора.
Определим сопротивление двух фаз трансформатора, Ом:
, (2.7) [3, стр. 32]
где m = 6 — пульсность схемы;
- Idн = 200 — номинальный ток преобразователя.
Индуктивность двух фаз трансформатора, Гн:
, (2.8) [3, стр. 9]
где fс = 50 -частота питающей сети, Гц.
Определим динамическое сопротивление тиристора в открытом состорянии, Ом:
, (2.9) [3, стр. 32]
где IVS = 125 — номинальный средний ток, протекающий через тиристор, А.
Определим индуктивное сопротивление двух фаз трансформатора, Ом:
- (2.10) [3, стр. 33]
Коммутационное сопротивление преобразователя, Ом:
- (2.11) [3, стр. 33]
Найдём эквивалентное сопротивлекние цепи якоря, Ом:
(2.12) [3, стр. 33]
Определим диапазон регулирования скорости двигателя вниз от номинальной. Для этого определим напряжение, соответствующее эл. механической характеристике, проходящей через точку с координатами 2IН и w = 0 и параллельной характеристике, соответствующей номинальным параметрам.
- (2.13)
Определим скорость, соответствующую номинальному току и данной характеристике, рад/с:
- (2.14)
Данная скорость в об/мин:
- (2.15)
Предельный угол регулирования, град:
- (2.16)
Определим величину граничного тока, разделяющего зоны прерывистого и непрерывного тока, А:
- (2.17) [3, стр. 33]
Определим величину индуктивности якорной цепи, необходимую для обеспечения режима непрерывного тока, Гн:
- (2,18) [3, стр. 33]
Определим индуктивность сглаживающего дросселя, Гн:
- (2,19) [3,стр. 34]
Выбираем реактор типа ФРОС-250/0,5УЗ из справочника [2, стр. 300]. Параметры:
номинальный ток Iн=250 А;
- номинальная индуктивность Lн=6,5 мГн.
Определим постоянную времени якорной цепи, с:
- (2.20) [3, стр. 34]
Определим механическую постоянную времени, с:
- (2.21) [3, стр. 34]
Расчитаем коэффициенты обратных связей по току и скорости.
Обратная связь по току содержит шунт с коэффициентом передачи шунта Kш=0,000375 Ом [3, стр. 34] и стандартную ячейку датчика тока с коэффициентом:
- (2.22) [3,стр. 34]
Общий передаточный коэффициент канала обратной связи по току составит, В/А:
- (2.23) [3, стр. 34]
В канале обратной связи по скорости использован тахогенератор, передаточный коэффициент которого, В*с:
- (2.24) [3,стр. 34]
Обратная связь по скорости должна обеспечивать напряжение обратной связи по скорости 10 В при максимально возможной скорости двигателя, исходя из этих условий определим передаточный коэффициент датчика скорости, В*с:
- (2.25) [3, стр. 34]
После тахогенератора устанавливаем делитель напряжения с передаточным коэффициентом:
- (2.26) [3, стр. 35]
Определим коэффициент передачи преобразователя:
- (2.27) [3, стр. 34]
Тиристорный преобразователь опишем передаточной функцией:
- (2.28) [3, стр. 8]
Постоянная времени преобразователя Tп=0,01 с [3, стр. 8].
3 . Оптимизация контура тока
Так как и
пренебрегать внутренней обратной связью по ЭДС двигателя нельзя, тогда по [5, стр. 128-130] структурную схему (рис. 1) приведём к виду (рис. 2).
Рис. 1 — Структурная схема электропривода с внутренней обратной связью по ЭДС
Рис. 2 — Преобразованная структурная схема электропривода с внутренней обратной связью по ЭДС
Исходя из этой схемы и по [5, стр. 128-130], регулятор тока будет выглядеть следующим образом:
, (3.1)
где
- (3.1) [5, стр. 128-130]
Данный регулятор тока можно реализовать в виде следующей схемы на рис. 3.
Рис. 3 — Реализация регулятора тока с помощью операционных усилителей и R-C- элементах
Передаточную функцию регулятора можно разложить на П, И, ПИД составляющие [6, стр. 141-142].
Расчитаем параметры П составляющей. Коэффициент усиления здесь равен:
- (3.2)
При R1=Rс=100 Ом:
- (3.3)
Расчитаем параметры И составляющей, если постояная времени интегрирования Ти=Тп=0,01 с.
При R2=1000 Ом
- (3.4)
ПИД-регулятор можно представить в виде параллельного соединения П, И, Д звеньев.
- (3.5)
Расчитаем параметры П звена.
Так как коэффициент усиления равен 1, то R3= Rос2=1 Ом.
Расчитаем параметры И звена. Постояная времени интегрирования Ти=Тм=0,021621169 с. При R4=10000 Ом
- (3.5)
Расчитаем параметры Д звена. Постояная времени дифференцирования Тд=Тя=0,03847с. При Rос3=10000 Ом
- (3.5)
Передаточная функция замкнутого оптимизированного контура тока:
- (3.6) [3, стр. 35]
4 . Оптимизация контура скорости
Расчитаем статическую ошибку по скорости для зщамкнутой системы с П-регулятором скорости, рад/с:
- (4.1) [3, стр. 36]
В относительных единицах, %:
- (4.2) [3, стр. 36]
Так как по заданию д=10% и , то используем П-регулятор скорости оптимизированный по модульному оптимуму.
Передаточная функция П-регулятора:
— (4.3) [5, стр. 131]
П-регулятор реализуем на операционном усилителе и R-C-элементах.
Рис. 4 — Реализация регулятора скорости с помощью операционного усилителя и R-C- элементов , Расчитаем параметры П-регулятора. При Rзс=Rc2=10000 Ом
- (4.4) [3, стр. 36]
Тогда передаточная функция замкнутого оптимизированного контура скорости:
(4.5) [3, стр. 36]
5 . Статические характеристики системы
Статизм на естественной характеристике эл.двигателя, рад/с:
- (5.1) [3, стр. 36]
Статизм на характеристике разомкнутой системы, рад/с:
- (5.2) [3, стр. 37]
Статизм на характеристикезамкнутой системы, рад/с:
- (5.3) [3, стр. 37]
Скорость идеального холостого хода, рад/с:
- (5.3)
На рисунке 5 представлены эл.механические характеристики.
Рис. 5 — Статические эл. механические характеристики
6 . Динамические характеристики замкнутой системы
В соответствии с заданием на выход регулятора скорости включаем блок ограничения выходного напряжения регулятора скорости при пуске.
Расчитаем для заданного значения пускового тока Iп величину напряжения ограничения Uогр, В.
Пусковой ток, А:
- (6.1) [3, стр. 38]
Напряжение ограничения, В:
— (6.2) [3, стр. 38]
Структурная схема электропривода.
Рис. 6 — Структурная схема эл. привода , Рис. 7 — Структурная схема эл. привода, собранная в MATLAB , Исследовались режимы пуска в холостую, реверса и торможения. , Рис. 8 — График скорости , Рис. 9 — График тока
Вывод
В данном курсовом проекте была спроектирована система управления электроприводом на основе регуляторов тока и скорости. Полученные статические эл. механические и динамические характеристики удовлетворяют заданию. Для ограничения пускового тока после регулятора скорости включён блок ограничения выходного напряжения регулятора скорости. Данная система устойчива, имеет малое значение перерегулирования.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/sistema-upravleniya-elektroprivoda/
1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ И.Х. Евзоров, А.С. Горобец, Б.И. Мошкович и др.; Под ред. Перельмутера. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 319 с.: ил.
3. Расчет системы подчиненного регулирования электроприводом постоянного тока: Учеб. пособие. / А.К. Мурышкин, С.А. Дружилов, Т.В. Богдановская — СибГИУ, Новокузнецк, 2007. — 55 с.
4. Шунты измерительные стационарные взаимозаменяемые 75 ШСМ.М, 2010 г.
5. Терехов В.М. / Системы управления электроприводов./В.М. Терехов, О.И. Осипов. — М.: «Академия», 2006 г. — 304 с.
6. Зимин Е.Н./Автоматическое управление электроприводами. — М.: Высш. школа, 1979 г. — 318с.
7. Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. -М.: Радио и связь, 1988.
