Введение
Современный электроприводсостоит из большого числа разнообразных деталей, машин и аппаратов, выполняющихразличные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную наобеспечение определенного производственного процесса. Наиболее важным элементомявляется система управления электроприводом (СУЭП). От правильногофункционирования системы управления зависит состояние объекта управления иправильности отработки заданных параметров.
В настоящее время СУЭПрешает несколько важных задач:
Формирование статическихмеханических характеристик электропривода с целью стабилизации скорости (илимомента), расширение диапазона регулирования скорости, ограничение перегрузок,формирование адаптивных систем.
Оптимизация переходныхрежимов с целью повышения быстродействия, снижения динамической ошибки,ограничение ускорения, рывков и т.д.
Целью данного курсовогопроекта является разработка системы непрерывного управления скоростьюасинхронного двигателя с фазным ротором с помощью импульсно-ключевогорегулятора добавочного сопротивления роторной цепи.
Также необходиморазработать принципиальную схему, с выбором ее элементов, и предложить вариантреализации блока управления.
1. Определениеструктуры и параметров объекта управления
В задании на курсовойпроект в качестве исполнительного двигателя используется асинхронный двигательс фазным ротором типа МТН112-6. Данный двигатель наиболее часто применяется вкраново-металлургическом производстве. Приведем паспортные данные длядвигателя:
Номинальная мощность P2н=15 кВт;
Номинальное напряжениестатора (питания) Uн=380 В;
Номинальное напряжениеротора U2ф=219 В;
Номинальная частотавращения nном=955 об/мин;
Критический моментМмах=380 Нм;
Номинальный ток статора I1н=38 А;
Номинальный ток ротора I2н=46 А;
Коэффициент мощности cosj=0.73;
Коэффициент полезногодействия h=82%;
Момент инерции ротора Jp=0.313 кгм2;
Класс нагревостойкости — Н;
Степень защиты IP44.
Определим необходимыепараметры двигателя:
Номинальная скоростьдвигателя:
/>
Скорость холостого хода:
/>
Номинальный моментдвигателя:
/>
Номинальное скольжениедвигателя:
/>
Критическое скольжениедвигателя:
/>
Отношения сопротивлений:
/>
Сопротивление статора:
/> Ом
Приведенное сопротивлениеротора:
/>Ом
Индуктивное сопротивлениекороткого замыкания:
/>Ом
Так как Xk=X1+X2’, причем X1»X2’ примем: X1=0.68 Ом, X2’=0.7 Ом.
Рассчитаем коэффициентприведения сопротивления Кr:
/>
Определяем сопротивленияротора:
/>Ом
/>О
Исходя из задания,силовой канал представляем следующим образом (рис.1):
/>
рис.1. На представленнойсхеме: М – асинхронный двигатель с фазным ротором; BR – тахогенератор; U1 – трехфазный мостовой выпрямитель, включенный в цепь ротора; ДТ –датчик тока; Rd – добавочное сопротивление,шунтированное ключом с частотой коммутации fk=3кГц; К – коммутатор; СУ – система управления.
Дополнительный резистор Rd включен в цепь ротора черезнеуправляемый выпрямитель U1.Коммутатор (ключ) К периодически закорачивает сопротивление Rd, причем скважность g= tвкл/Тком может изменяться внешним сигналом Uzc в пределах от 0 до 1. При g=0 т.е. при не включенномкоммутаторе, сопротивление роторной цепи составит Rr+Rd, что определитмеханическую характеристику 2 (рис.2). При g=1 (ключ включен постоянно) Rd=0 и двигатель работает на характеристике 1, близкой к естественной(рис.2). Плавное изменение величины скважности в пределах 0
Наряду с этимидостоинствами данный способ имеет очень существенный недостаток: Регулированиескорости осуществляется путем повышения скольжения, что приводит к увеличениюпотерь. Поэтому ИКР следует применять только в старых электроприводах вкачестве их модернизации, и то только тогда, когда двигатель работает на низкихскоростях непродолжительное время.
2. Расчетхарактеристик асинхронного двигателя
По уточненной формулеКлосса рассчитываем значения момента и скорости:
/>
Результаты вычисленийсведены в таблицу 1.
Тб.1S 1 0.9 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.285 0.25 0.2 W рад/с 10.5 20.9 41.9 52.4 62.8 73.3 73.4 78.5 83.8 M Нм 259 282.4 308.8 375.1 414.6 453.8 478.2 480 477.6 450.1 S 0.1 0.09 0.05 0.045 W рад/с 94.2 95.3 99.5 100 104.7 M Нм 301.2 276.5 156.5 159
Естественнаяхарактеристика представлена на рис.2
Определим рабочую областьэлектропривода:
Скорость: Wo(0.05…0.5)=5.235¸52.35 рад/с;
Момент: Мн(0.2…1)=30¸150 рад/с;
На рис.2 эта областьвыделена штриховкой. В режиме ИКР двигатель работает на семействе характеристикс постоянно меняющейся жесткостью (из-за постоянного изменения сопротивления Rd ). Максимальное значениесопротивления соответствует точке А, рассчитываем его величину по формуле:
/>,
где: S’k – критическое скольжение на характеристике 2;
S’н – номинальноескольжение на этой характеристике;
Мн – момент нагрузки (дляточки А равен 30 Нм).
Находим номинальноескольжение S’н= 0.95
С помощью программногопакета MATHCAD находим значение критическогоскольжения на характеристике 2: S’k=7.27, тогда:
R2’max= S’k*Xk=7.27*1.38=10.03Ом;
R2’д=R2’maх-R2’=10.03-0.4=9.63 Ом;
R2д= R2’д/Kr=9.63/1.21=7.96 Ом.
/>
Рис.2
Приведем эквивалентнуюсхему замещения объекта управления относительно выпрямленного тока Id:
/>
/> - скважность;
/>, где:
Kcx – коэффициент схемы, принимаемравным 1.35
3. Разработкаалгоритма управления и расчет параметров элементов структурной схемы
Согласно эквивалентнойсхеме замещения запишем следующие дифференциальные уравнения:
/>/>
где: />
Данный объект нелинейный,т.к. присутствуют g*Id, Id2 и т.д. Рассмотрим линеаризацию объекта, и запишем уравненияв приращениях:
/>
/>
где: />
/>.
Целесообразноиспользовать двухконтурную систему подчиненного регулирования координат свнутренним контуром выпрямленного тока. Исходя из линеаризованныхдифференциальных уравнений, получим следующую структуру (рис.3):
/>
рис.3
Данная структурапредставлена в общем виде. Определяем параметры объектов: Рассчитаеммаксимальную электромагнитную постоянную времени и минимальнуюэлектромеханическую постоянную, и определим их соотношение:
/>
/>
Найдем отношениепостоянных времени:
/>
Т.к. отношение m>>8, следовательно, прирасчетах мы можем пренебречь влиянием обратной связи по ЭДС двигателя.
Для определениякоэффициентов двигателя Се и См рассчитаем значение Idнач из формулы:
/>
Для найденного значения Idнач рассчитаем коэффициенты Се и Смпо формулам:
/>
Определим значениеэквивалентного сопротивления:
/>;
примем среднее значение/>=0.5, S=0.95 Þ
/>
/>
Т.к. эквивалентнаяэлектромагнитная постоянная времени соизмерима с постоянной временипреобразователя, то мы не можем пренебречь дискретностью преобразователя. Дляискусственного увеличения Тэ введем в цепь ротора дополнительный реактор синдуктивностью Ld’=6 мГн.
/>Þ
Дискретностьширотно-импульсного преобразователя можно не учитывать. Коэффициент передачиШИМ примем равным Кшим=1.
/>
Произведем настройкуконтура тока на технический оптимум. Рассчитаем необходимый регулятор тока:
/>
за малую постояннуювремени примем:/>
Кot – коэффициент обратной связи по току Id.
/>
/>;
итак, получили ПИ –регулятор тока, с постоянной Тpt=0.059.
Передаточную функциюзамкнутого контура тока представим в виде:
/>
Контур скорости такженастроим на технический оптимум:
/>;
Кос – коэффициентобратной связи по скорости
/>
/>
Мы получили П – регуляторскорости Крс=22
4. Расчетдинамических характеристик
Расчет динамическиххарактеристик проведем с помощью комплекса МИК-АЛ, используя структуру на рис.3(но с учетом упругой механической части). Ниже приведена программамоделирования данного объекта:
$Ввод *kurs
КОНСТ
Uu=1,Mc=10.3,Kрc=22,Tрт=0.059,Kшим=1,Udn=509.44,L=0.0104,
J1=0.78,Koc=0.147,Kот=0.156
17V V=Uu
111U W=1 Вх=17
1U W=Kрc Вх=111+15
2N огран пар=10 Вх=1
3L W=1/Tрт*p Вх=2+16
4N огран пар=10 Вх=3
5U W=Kшим Вх=4
6U W=Udn Вх=5
7L W=1/L*p Вх=6+100+200
*Cm*
21U W=1.05 Вх=7
*Ce*
100U W=-1.85 Вх=9
*R*
200U W=-40.6 Вх=7
9L W=1/J1*p Вх=21+14
14V V=-Mc
15U W=-Koc Вх=9
16U W=-Kот Вх=7
Инт RKT4
Нач вр=0
Кон вр=0.65
Шаг инт=0.0001
шаг выв=0.001
Вывод 7,21,9
Выходы 7=I,21=M,9=w1
Диспл 7,21,9
$Кон
$Стоп
Результаты моделированияпредставлены в виде графиков:
1.Пуск на минимальнуюскорость при минимальном моменте сопротивления (Uy=1, Mc=30Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор) tр=0.2 с;
Перерегулирование s=0.2%;
Ошибка DWуст=0.038рад (DWмах=0.0524 рад)
2.Пуск на минимальнуюскорость при максимальном моменте сопротивления (Uy=1, Mc=150Нм)
/>
3.Пуск на максимальнуюскорость при минимальном моменте сопротивления (Uy=10, Mc=30Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор) tр=0.5 с;
Перерегулирование s=1%
Ошибка DWуст=0.41рад (DWмах=0.52 рад);
4.Пуск на максимальнуюскорость при максимальном моменте сопротивления (Uy=10, Mc=150Нм)
/>
Как видно из приведенныхграфиков, результаты не только не удовлетворяют техническому заданию, но исмоделированная структура не отражает в полном объеме свойств системы.
Заменим в структурепостоянные коэффициенты См, Се, R напеременные, в соответствии со следующими формулами:
/>, где S, g, Id – переменные.
Для улучшения свойствсистемы, введем адаптивный регулятор с эталонной моделью, формирующей оценкууправляющей координаты при настройке контура на технический оптимум спостоянной времени Тm=0.002с.
Передаточная функцияэталонной модели составляет два последовательно соединенных звена />, />, охваченных отрицательнойединичной обратной связью. Передаточная функция замкнутого контура ЭМ имеетвид:
/>
Суммарная структурнаясхема представлена на рис.4.
В процессе моделированияэкспериментально подбираем значения следующих коэффициентов:
Коэффициент П — регулятора скорости (Крс=10),
Коэффициент усиленияадаптивного регулятора (Kку=30).
Листинг модели.
$ввод
*kurs
конст Uu=1,Mc=150,Krs=10,Trt=0.059,Ksh=1,Udn=509.44,L=0.0104,
J1=0.78,Koc=0.147,Kot=0.156,R1=0.77,
R2=0.33,Edo=295.6,Rd=7.96
17V V=Uu
111U W=1 bx=17
555lW=1/0.000008p2+0.004p+1 en=111
557U W=30en=555+558
558U W=-0.147en=9
1U W=Krsbx=111+15
2N огран пар=10 bx=1+557
3L W=1/Trt*pbx=2+16
4N огран пар=10 bx=3
5U W=Ksh bx=4
6U W=Udn bx=5
7L W=1/L*pbx=6+100+200
*Cm*
8U W=-2*R1bx=7
20V V=Edo
1111U W=0.00955bx=7+20
21N умн bx=1111+7
*21U W=1.88bx=7
*Ce*
22U W=-R1 bx=7
23V V=Edo
24U W=0.00955bx=22+23
99N умн bx=24+9
100U W=-1bx=99
*100U W=-2.35bx=9
*R*
25U W=-1 bx=5 *gamma*
26V V=1
27U W=Rdbx=26+25 *Rd*(1-gamma)*
28V V=2*R2
29U W=-1 bx=9 *-W1*
30V V=104.7
31U W=0.00955bx=30+29 *S*
125U W=2*R1bx=31
199U W=-1bx=125+27+28 *-R*
200N умн bx=199+7
*200U W=-5.37bx=7
9L W=1/J1*pbx=21+18
15U W=-Kocbx=9
16U W=-Kotbx=7
32N реле пар=Mc bx=9
18U W=-1 bx=32
инт RKT4
нач вр=0
кон вр=0.3
шаг инт=0.0001
шаг выв=0.001
вывод 7,21,9
выходы 7=I,21=M,9=w
диспл 7,21,9
$кон
$стоп
Ниже приведены результатымоделирования. Как видно из графиков, спроектированная система практическиполностью удовлетворяет требованиям технического задания.
1.Пуск на минимальнуюскорость при минимальном моменте сопротивления (Uy=1, Mc=30Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор) tр=0.06 с;
Перерегулирование s=1.5% ;
Ошибка DWуст=0.035рад (DWмах=0.0525 рад);
2.Пуск на минимальнуюскорость при максимальном моменте сопротивления (Uy=1, Mc=150Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор) tр=0.067 с;
Перерегулирование s=1%; Ошибка DWуст=0.01рад (DWмах=0.0525 рад);
3.Пуск на максимальнуюскорость при минимальном моменте сопротивления (Uy=10, Mc=30Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор) tр=0.23 с;
Перерегулирование s=0.1% ;
Ошибка DWуст=0.4рад (DWмах=0.525 рад)
4.Пуск на максимальнуюскорость при максимальном моменте сопротивления (Uy=10, Mc=150Нм)
/>
Время регулирования(время вхождения в пятипроцентный коридор)tр=0.61 с;
Перерегулирование s=0.3%;
Ошибка DWуст=0.45 рад (DWмах=0.525 рад);
5. Разработкапринципиальной схемы и выбор ее элементов
Выбор элементовэталонной модели.
Представим схемнуюреализацию эталонной модели:
/>
рис.5
Выбираем прецизионныеоперационные усилители DA1 и DA2 серии КР140УД25А. Параметры ОУ: Uпит=±15 В, Iпотр=5мА, напряжение смещения Uсм=0.03мВ.
Примем емкость С1 и С2 –по 0.5мкФ
Выбираем конденсаторыК71-7-0.5мкФ±0.5%
Исходя из того, что Тm=0.002 с, рассчитаем величинысопротивлений R1, R2, R3
/>
Выбираем:
R1,R3 – C2-29B-0.25-8.06 кОм±0.5%
R2 — C2-29B-0.25-4.02кОм±0.5%
С3-С6 – блокировочныеконденсаторы (для предотвращения обратной связи по питанию) серииК10-17-25В-0.1мкФ±0.5%
Для исключенияинтегрирования собственной ошибки ОУ необходимо в начальный момент временизакоротить ключ, роль которого выполняет микросхема КР590КН2 в состав которойвходит четыре аналоговых ключа, Uпит=±15 В.
Реализация регулятораскорости:
/>
рис.6
Выбираем R1 – 10 кОм, тогда для реализацииКрс=10:
/>
Для создания обратнойсвязи по скорости первой массы применим тахогенератор ТП50-100-1 с параметрами Uмах=150 В Þ в нашем случае примем, что намаксимальной скорости тахогенератор вырабатывает 75 В. Jp=360*10-7 кгм2, Мтр=270*10-4 Нм.Видно, что момент инерции ротора тахогенератора и дополнительный моментсопротивления настолько малы по сравнению с основными параметрами системы, чтоими можно пренебречь.
/>
Для согласованиявыходного напряжения тахогенератора с системой управления, применим делитель,представленный на рис.7
/>
рис.7
Примем R5=10 кОм Þ
/>
/>
Итак:
R1, R5 – C2-29B-0.25-10кОм±0.5%
R2 – C2-29B-0.25-13кОм±0.5%
R4 – C2-29B-0.5-100кОм±0.5%
R6 – два параллельно соединенных C2-29B-0.5-130кОм±0.5%
С1, С2 – блокировочныеконденсаторы (см. выше)
DA1 – КР140УД25А.
Реализация сумматора(с коэффициентом усиления Кку=30).
/>
рис.8
Выбираем R1=10 кОм Þ
/>
R1 – C2-29B-0.25-10кОм±0.5%
R2 – C2-29B-0.5-100кОм±0.5%
R6 – C2-29B-1-300кОм±0.5%
DA1 – КР140УД25А.
Реализация сумматора сограничением сигнала.
/>
рис.9
Выбираем: R1, R2, R3 – C2-29B-0.25-10кОм±0.5%
Для ограниченияиспользуется стабилитрон 2С210A спараметрами:
Uст=10 В, Iст=5 мА, DUст=9-10.5 В.
DA1 – КР140УД25А.
Реализация регуляторатока.
/>
рис.10
Для получения сигналаобратной связи по току применим датчик тока на основе элемента Холла: LTS25-NP с параметрами: Iном=25А, Iмах=75 А, Uпит=5 В, точность-0.7% от Iном.
Реализовывать И-регулятортока будем с помощью двух микросхем КР140УД25А
Один операционныйусилитель служит для суммирования сигнала задания на ток и сигнала обратнойсвязи, второй будем использовать как интегратор сигнала, поступающего ссумматора, предусмотрев ограничение с помощью стабилитрона 2С210А. В качествезакорачивания интегратора применим второй ключ микросхемы КР590КН2.
Для смещения сигнала отдатчика тока подадим на первый ОУ Uсм =2.5 В, используя делитель R5-R6 (по 10 кОм)
Выбираем R1=R3=10 кОм,тогда:
/>
Выбираем конденсатор С1 — К71-7-0.5мкФ±0.5% Þ
Т.к. Тpt=0.073, то:
/>
Получили:
R1, R3 – C2-29B-0.25-10кОм±0.5%
R2 – C2-29B-0.25-2кОм±0.5%
R4 –два параллельно соединенных C2-29B-1-291кОм±0.5%
DA1, DA2 – КР140УД25А.
С1 — К71-7-0.5мкФ±0.5%
Теперь объединим отдельнорассмотренные блоки в общую схему. Суммарная принципиальная электрическая схемапредставлена на листе КП.000.019.002 ЭЗ
6. Разработкаконструкции блока управления
Все устройства блокауправления собраны на выбранных ранее операционных усилителях, резисторах,конденсаторов, стабилитронов и других элементах. Монтаж произведем настеклотекстолитовую плату, монтаж элементов односторонний, разводка дорожекдвухсторонняя. Расположение элементов соответствует наиболее рациональнойразводке. Для определения размеров печатной платы необходимо сначала определитьсуммарную площадь, которую занимают элементы:
Резисторы
В схеме присутствуют тривида резисторов с разной мощностью.Тип резистора Номинальная мощность Размеры, мм D L С2–29В 0.25 4.5 11 0.5 7.5 14 1 9.8 20
/>
Конденсаторы
В схеме присутствуют двавида конденсаторов.Тип конденсатора Размеры, мм L Н В К10–17 6 5.5 4 К71–7 26 32 16
/>
Примечание: На цепи питания, отходящие отразъема, необходимо поставить полярные блокировочные конденсаторы, емкостькоторых зависит от потребляемого тока (т.е. на цепи +15В и –15 В –К50-31-25В-100мкФ, на цепь +5 В – конденсатор К50-31-25В-10мкФ)
Полярные конденсаторы:Тип конденсатора Номинальная емкость Размеры, мм D L К50-31 100 8.5 27 10 6 22
/>
Микросхемы
В схеме присутствуют двавида микросхем: операционные усилители КР140УД25А, а так же логический ключКР590КН2.Тип Размеры, мм n L B КР140УД25А 7 12 7.5 КР590КН2 16 20 7.5
/>
Суммарная площадь,занимаемая элементами, составляет приблизительно:
/> , где
Кразв – коэффициент,учитывающий «разводку» платы, принимаем равным 0.4
После приблизительногоразмещения элементов, выяснили, что длина печатной платы составляет 180 мм, изстандартного ряда выбираем ширину платы – 110 мм
/>
Подача напряжений питания(+15 В, -15 В, +5 В), сигналов задания и снятие сигналов обратной связиосуществляется через разъем СНО51–30/59*9Р–2.
При дальнейшей разработкеблока управления, учесть, что плата управления является отдельнымфункциональным блоком общей системы управления.
Плата управлениявставляется в общий блок по направляющим (с точным совмещением разъемов).
Конденсаторы К71–7-0.5мкФпосле пайки «приклеиваются» к плате.
Все элементы припаиваютсяприпоем ПОС61 ГОСТ21930-76.
После пайки платапокрывается лаком.
Заключение
В данном курсовом проектебыла разработана система управления скоростью электропривода с асинхроннымдвигателем и импульсно-ключевым регулятором в цепи ротора добавочногосопротивления. В качестве структуры была выбрана адаптивная система с эталонноймоделью с П — регулятором в контуре скорости. Внутренний контур тока для лучшейотработки возмущающего воздействия настроен на технический оптимум. Приведенырезультаты моделирования, позволяющие сделать вывод о соответствииспроектированной системы техническому заданию.
Также были произведенырасчет и выбор всех элементов, реализующих данную систему. По полученнымрезультатам мы составили принципиальную электрическую схему, и предложили одиниз вариантов расположения элементов на печатной плате.
Список используемойлитературы
1. Копылов И.П. «Справочник по электрическим машинам» М.1988.
2. Елисеев В.А. «Справочник по автоматизированномуэлектроприводу» М.1983.
3. Шурков В.Н. «Основы автоматизации производства ипромышленные роботы» М. 1989.
4. Усатенко С.Т. «Выполнение электрических схем по ЕСКД»М.1983.