Розрахунок параметрів регуляторів систем регулювання координатами реверсивного електропривода

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Кафедра автоматики та електропривода

Курсова робота

З дисципліни: Елементи автоматизованого електропривода

Тема: Розрахунок параметрів регуляторів систем регулювання координатами реверсивного електропривода

Зміст

Вступ

Опис роботи функціональної схеми

Розрахунок

Список використаної літератури

Вступ

ЕП представляє собою Електромеханічну систему перетворюючу електричну енергію в механічну. Ця система приводить в рух робочі органи технологічних машин та здійснює керування перетвореною енергією. Під керуванням тут слід розуміти організацію процесу перетворення енергії, забезпечуючу в статичних та динамічних умовах потрібні режими роботи технологічних машин.

Якщо основні функції керування здійснюються виконуються безпосередньо без оператора, то керування називається автоматичним, а ЕП — автоматизованим. Сукупність технічних засобів забезпечуючих таке керування, утворює автоматичний керуючий пристрій. Роль оператора в даному випадку може бути зведена до подачі лише першого командного сигналу на автоматичне виконання того чи іншого режиму роботи ЕП і до нагляду над цими режимами. Часто командні сигнали подаються іншими автоматичними приладами.

В загальному вигляді структура автоматизованого ЕП представлена функціональною схемою:

тут ОК — об’єкт керування, тобто ЕП. В електродвигуні відбувається перетворення електричної енергії в механічну, яка споживається технологічною машиною ТМ (можливе також зворотньє перетворення енергії). Кінематичні ланцюги технологічної машини, зв’язуючі РО з валом двигуна та елементи двигуна що обертаються, складають механічні ланки ЕП. За допомогою силового перетворювача П відбувається безпосередня дія на потік електричної енергії ЕЕ спожитої від мережі та підведеної до двигуна.

Автоматичний керуючий пристрій АКП включає в себе: командні органи КО, за допомогою яких вводяться сигнали на пуск та зупинку привода, на задання або зміну того чи іншого режиму роботи; функціональну частину ФЧ, яка перетворює командні сигнали, формує потрібний процес керування, тобто несе ряд допоміжних функцій керуючого пристрою; проміжний підсилювач ПП, що підвищує рівень напруги, струму чи потужності сигналів — виданих функціональною частиною, до значення необхідного для керування перетворювачем П.

Між окремими елементами функціональної схеми крім прямих, можуть бути також і зворотні зв’язки ЗЗ за допомогою різних датчиків електричних та неелектричних величин.

Режим роботи ЕП визначається величинами характеризуючими рух РО, ТМ або вала двигуна, тобто швидкістю, кутом повороту, потужністю. В процесі керування у відповідності з технологічними вимогами приведених в рух машин і механізмів, одна з цих величин (напруга U), повинна в загальному випадку змінюватися на потрібну змінну в часі, або в функції другої величини, тобто регулюватися.

Позначимо y(t) функцію що описує фактичну зміну в часі регулюємої (вихідної) величини для вала двигуна, і нехай g(t) — командний (вхідний) сигнал для АЕП – задаюча дія. Особливість функції g(t), степінь представлення нею потрібного закону зміни регулюючої величини визначають і відповідаюча основній задачі АЕП. В тому випадку, коли функція g(t) повністю задає потрібний закон зміни y, основна задача АЕП полягає в забезпеченні необхідної умови y(t) = g(t) у всі моменти часу роботи привода, як в усталених так і в перехідних режимах роботи. Функції y(t) і g(t) будуть неоднакові через ряд причин. В реальних АЕП завжди є збурюючи дії, відхиляючі регульовану величину від потрібного закону її зміни. Вони характеризуються функціями f_i(t).

Основними збурюючими діями є момент навантаження на валу двигуна — статичний момент М_С. До інших збурюючих дій відносяться коливання напруги живлення, нестабільність характеристик елементів системи і. т. д. Крім цього багато елементів системи АЕП мають інерційність, неоднозначність характеристик.

Для систем керування по розімкненому циклу (розімкнені системи) — характерна відсутність всякої зміни і контролю дійсного значення регулюючої величини y(t). Таким чином в розімкнених системах використовується лише один канал інформації — канал задаючої інформації g(t) і наслідок вплив збурюючи дій f₁(t), F₂(t), отже точність виконання заданого режиму роботи невелика.

В системах керування по замкненому циклу разом використовуються два канали інформації: канал задаючої інформації g(t) і канал інформації про фактичне значення регулюючої величини y(t) — ЗЗ. Задаюча інформація порівнюється з інформацією ЗЗ, визначається похибка керування x(t) = g(t)-y(t) і в залежності від величини та знаку цієї похибки по каналу керування виробляється регулююча дія m(t) на ЕП, щоб звести похибку до нуля, необхідно забезпечити регулювання величини по потрібному закону. Якість роботи системи з ЗЗ набагато вища, тому АСК з ЗЗ використовуються в глибоко регулюючих приводах, складних законах зміни задаючого сигнала g(t), приводах узгоджено працюючих РО одного механізму, або декількох різних механізмів, у випадках, коли треба формувати так звані оптимальні процеси пуску та гальмування.

В наш час застосовується індивідуальний (кожен робочий механізм приводиться в рух окремим ЕД) і багатодвигуновий (складається з декількох ЕД, кожен з яких приводить у рух окремі органи одного робочого механізму) ЕП.

Автоматизовані ЕП мають багато переваг перед неавтоматизованими, оскільки вони забезпечують більшу продуктивність праці, поліпшення якості продукції, зменшення втрат електроенергії. Поряд з релейно – контакторним керуванням дедалі ширше застосовуються з електромашинними, іонними , магнітними і напівпровідниковими підсилювачами.

Опис функціональної схеми управління

Реверсивний електропровід має в своєму складі такі функціональні частини:

·  Блок керування електродвигуном

·  Силовий трансформатор Т5 для перетворення напруги в напругу живлення двигуна

·  Запобіжники F3 — F5 слугують для максимально – струмового захисту

·  Тахогенератор BR перетворює оберти двигуна в напругу

·  Задатчик швидкості

·  Перемикач напруги обертання двигуна В – Н

·  Дросель L (в якірному колі двигуна), який згладжує пульсації струму

·  Лампи Н1 — Н3 служать для контролю правильної роботи системи і застосовуються разом з контролюючими приладами PV – вольтметром та PA – амперметром

Регулювання координат реверсивного електроприводу виконується на основі ПІ – регулятора струму і П – регулятора швидкості. Перемикання імпульсів керування з тиристорів комплекту “В” на тиристорний комплект “Н” виконується за допомогою логічного пристрою УЛ. Він працює у функції сигналу заданого напрямку струму і вихідного сигналу датчика провідності і вентилів ДПВ. Для заданого напрямку струму в блоці УЛ в виходів лампи Н3 надходить сигнал. При цьому коефіцієнт передачі Н3 обернено пропорційний коефіцієнту передачі тиристорного перетворювача. При цьому пристрій ПХ потрібен для співпадання реверсивного сигналу Н3 з нереверсивною регульованою характеристикою органа керування. На вході регулятора швидкості РС додається сигнал завдання швидкості і сигнал зворотного зв’язку з тахогенератора.

Для забезпечення струмообмеження використовується резистор R_1T, який визначає максимальну уставку струму електроприводу. Вузол залежного струмоомеження УЗТ виконує зниження установки струмообмеження у функції швидкості. На вхід УЗТ надходить сигнал з тахогенератора, через подільник напруги R₃, R₁₂ за допомогою резисторів R5, R6 встановлюється точка перегину на характеристиці двигуна (I = f(w)). При реверсуванні сигналу U_ЗШ відбувається зміна сигналу на вході УЛ за напрямком. При цьому відбувається зменшення струму в силовому контурі. Як тільки з ДПВ надійде сигнал до УЛ, що дозволяє перемикання, УЛ виробляє сигнал дозволу U_імп для тиристорів та блоку захисту. При цьому з боку блоку захисту на СІФК надійде сигнал U_MAX.

Розрахункова схема системи регулювання координат подано нижче. Схема функціональна управління електроприводом наведена у додатку.

Розрахунок

 

Розрахунковий опір якоря двигуна складає, Ом:

де R_ЯД – опір обмотки якоря при 15^О С, Ом;

R_Д.П – опір додаткових полюсів при 15^О С, Ом;

R_ТР+R_A - опір обмоток трансформатора і створений за рахунок перекриття анодних струмів буде:

R_A – опір, за рахунок перекриття анодних струмів, Ом;

R_Щ – опір щіточного контакта (за умови, що падіння напруги на ньому буде дорівнювати 2 В):

R_У – опір урівняльного реактора становить:

Розрахункове значення напруги вторинної обмотки трансформатора буде:

де  – теоретичне значення ЕРС вторинної обмотки силового трансформатора, В; (k_e – відношення напруги вторинної обмотки силового трансформатора до середнього значення випрямленої напруги, для трифазної схеми з нульовим виводом слід прийняти k_e = 0,857);

k_a – коефіцієнт запасу, що враховує неповне відкриття вентилів при максимальному сигналі. Слід прийняти k_a= 1,2;

k_МЕРЕЖІ – коефіцієнт запасу по напрузі, який враховує можливе зниження напруги мережі. Слід прийняти k_МЕРЕЖІ = 1,1;

k_R – коефіцієнт запасу, що враховує падіння напруги в вентилях і обмотках трансформатора, а також наявності кутів комутації, слід прийняти k_R = 1,05.

Слід розраховувати, що напруга вторинної обмотки вибраного трансформатора рівна розрахунковому значенню. Струм вторинної обмотки трансформатора буде:

де k_i – коефіцієнт прямокутності струму, що враховує відхилення форми струму від прямокутності. Слід прийняти k_і = 1,1;

k₂ – коефіцієнт, рівний відношенню діючого значення лінійного струму вторинної обмотки силового трансформатора до середнього значення випрямленого струму слід прийняти k₂ = 0,578;

І_Я.Н – номінальний струм двигуна, А.

Розрахункова індуктивність якірного двигуна становить:

де L_ТР – індуктивність трансформаторної обмотки

де реактивна складова опору трансформаторної обмотки:

де U_K – напруга короткого замикання трансформатора в відсотках. Слід прийняти U_K = 0,095;

Індуктивність обмотки якоря двигуна, знаходиться як:

де k_K = 5..6 для компенсованих машин;

n_H – номінальна частота обертання, об/хв.

Електромеханічна постійна часу для ланцюга якоря знаходиться як:

Електромеханічна постійна часу для заданого значення J_S, буде:

Швидкість обертання вала двигуна знаходиться як:

Опір обмотки якоря двигуна буде:

Передавальний коефіцієнт двигуна знаходиться як:

Передавальний коефіцієнт тахогенератора буде:

Для знаходження передавального коефіцієнта тиристорного перетворювача слід використати регулювальну характеристику перетворювача Е_d = E_d0×cosa. Слід прийняти максимальну напругу керування U_k.max= 10 (B), де E_d0 – максимальне значення ЕРС тиристорного перетворювача при куті керування, що рівний нулю:

Для мінімальної швидкості, при роботі з номінальним навантаженням величина a дорівнює:

де  

Це відповідає ЕРС тиристорного перетворювача:

При арккосинусоїдальній залежності E_d = f(U_k) знаходиться U_k і коефіцієнт підсилення тиристорного перетворення k_ТП:

Напруга від’ємного зворотного зв’язку по струму подається на датчик струму US з шунта якірного ланцюга двигуна. Передавальний коефіцієнт шунта знаходиться як:

Двигун слід уявити у вигляді двох ланок з постійними часу Т_Я та Т_М. Схеми регуляторів слід представити у слідуючому вигляді

а)

б)

Рис 2. Схема регулятора струму

 

w

а)

б)

Рис 3. Схема регулятора швидкості

 

При розгляданні тиристорного перетворювача, слід враховувати його інерційність. В системі, утворений внутрішній контур (рис 2 а,б) регулювання струму з датчиком струму US (зворотній зв’язок по струму) і регулятором струму AS. Зовнішній контур регулювання швидкості (рис 3 а,б) має датчик швидкості тахогенератор BR і регулятор швидкості AV. На вхід регулятора швидкості AV подається сигнал задання U_x і сигнал U_ЗЗ зворотнього зв’язку, що пропорційний по величині швидкості двигуна. Регулятор швидкості виробляє сигнал U_ЗТ для регулятора струму, на другий вхід якого подається сигнал U_ОТ , пропорційний величині струму двигуна.

В цьому випадку передавальну функцію електродвигуна при статичному моменті М_С = 0 слід представляти як:

Передавальна функція тиристорного перетворювача буде:

де Т_ТП – постійна часу тиристорного перетворювача. Слід приймати Т_ТП = 0,007 (с).

Слід виконати оптимізацію внутрішнього контура струму по технічному (модульному оптимуму). В якості малої постійної часу, що не компенсується, слід прийняти Т_m = 0,007 (с).

Передавальна функція об’єкта регулювання контура струму знаходиться як:

Постійна інтегрування контура струму визначається з умови на модульний оптимум таким чином:

Передавальна функція розімкненого оптимізованого контура струму (див. Рис. 2а) буде:

Передавальна функція ПІ – регулятора струму може бути представлена у вигляді:

де  

К_РС і Т_РС – відповідно, коефіцієнт підсилення і постійна часу регулятора струму.

Для обмеження величини струму граничним значенням І_Я достатньо обмежити значенням U_РШ.MAX сигнал на виході регулятора швидкості, тобто задаючий сигнал для контура струму.

Коли розгалудження на виході регулятора швидкості досягне величини напруги насичення, то на виході регулятора швидкості напруга постійна; при цьому система підтримує постійним струм якоря двигуна. Обмеження рівня вихідного сигналу регулятора швидкості здійснюється шунтуванням ланцюга зворотнього зв’язку регулятора швидкості зустрічно увімкнутими стабілітронами. При цьому

Слід використати стабілітрони типу Д814Г з напругою пробою

Передавальний коефіцієнт ланцюга зворотнього зв’язку по струму знаходиться як:

Прийняти

Слід визначити величини коефіцієнта підсилення і постійної часу регулятора струму:

Параметри регулятора струму (рис. 2,б) слід визначати в такій послідовності:

Прийнявши  і отримаємо:

Аналогічно, прийнявши , отримаємо:

Величину коефіцієнта підсилення датчика струму одержимо з відношення:

Передавальна функція замкнутого оптимізованого контура струму матиме вигляд:

Із цього виразу, відкинувши член другого порядку мализни в знаменнику, отримуємо так звану усічену передавальну функцію:

Передавальна функція розімкненого оптимізованого контура швидкості (рис. 3,а), що настроєний на симетричний оптимум буде:

Передавальна функція об’єкта регулювання швидкості матиме вигляд:

В контурі швидкості некомпенсованою постійною часу є величина

Передавальна функція пропорційного регулятора швидкості буде:

Слід прийняти напругу завдання . Тоді передавальний коефіцієнт зворотного зв’язку по швидкості буде:

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості знаходиться як:

Слід визначити параметри регулятора швидкості (рис. 3,б), враховуючи навантажувальну здатність задатчика інтенсивності, виконаного на базі напівпровідникового підсилювача

Прийнявши отримаємо

Опір в ланцюгу зворотного зв’язку по швидкості знайдеться як:

Статичне падіння швидкості в проектованому електроприводі при номінальному навантаженні буде:

При необхідності отримання електромеханічної характеристики з меншим статичним падінням швидкості (більшою характеристикою) можна застосувати ПІ регулятор швидкості. Якщо необхідно отримати регулятор швидкості з регульованою жорсткістю, то шпунтують ємність резистором в його зворотному зв’язку.

Список використаної літератури

1.  Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисціпліни: “Елементи автоматизованого електроприводу”/ В. Г. Шебітченко, В. А. Ландар. 1999р.

2.  Элементы автоматизированного электропривода/ Терехов В. М.—М.: Энергоатомиздат, 1978 г.