Содержание
Введение
1. Функциональная схематиристорного электропривода
2. Разработкаструктурной схемы САУ
3. Синтез САУ
3.1 Расчет контура тока
3.2 Расчет контураскорости
4. Структурная схема САУ
4.1 Определение общейпередаточной функции
4.2 Характеристическоеуравнение
5. Определениеустойчивости
5.1 Определение запасаустойчивости и быстродействия по переходной характеристике
5.2 Определениеустойчивости по логарифмическим частотным характеристикам
Заключение
Литература
Введение
Электрическийпривод представляет собой электромеханическую систему, обеспечивающую реализациюразличных технологических и производственных процессов в промышленности,сельском хозяйстве, на транспорте, коммунальном хозяйстве и в быту сиспользованием механической энергии. Назначение ЭП состоит в обеспечениидвижения исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управлении этимдвижением. Другими словами, ЭП, являясь энергетической основой реализациитехнологических и производственных процессов, во многом определяет их качество,энергетические и технико-экономические показатели.
Механическаяэнергия вырабатывается приводом, который преобразовывает другие виды энергии. Взависимости от вида используемой первичной энергии различают гидравлический,пневматический, тепловой и электрический приводы. В современном промышленномпроизводстве, коммунальном хозяйстве наибольшее применение нашел электрическийпривод, на долю которого приходится более 60 % потребляемой в странеэлектроэнергии. Такое широкое применение ЭП объясняется целым рядом егопреимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрическойэнергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в томчисле и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощности искорости движения; разнообразие конструктивного исполнения, что позволяетрационально соединять привод с исполнительным органом рабочей машины ииспользовать для работы в сложных условиях — в воде, среде агрессивныхжидкостей и газов; простота автоматизации технологических процессов, высокийКПД и экологическая частота.
Возможности использованиясовременных ЭП продолжают постоянно расширяться, за счет достижений в смежныхобластях науки и техники.
1. Функциональная схема тиристорногоэлектропривода
Функциональнаясхема необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимыдля реализации системы ЭП. Функциональная схема содержит блоки преобразованиясиловой энергии, двигатель, измерительные преобразователи, согласующиеустройства, функциональные преобразователи, блоки управления, датчики. Пофункциональной схеме определяют, какие блоки необходимо использовать присоставлении структурной схемы ЭП. Функциональная схема позволяет определить,как проходит по схеме силовая энергия (энергия, необходимая для выполнениятехнологического процесса) и по каким элементам схемы проходит сигналуправления.
Функциональнаясхема состоит из задающего устройства ЗУ которое вырабатывает задающий сигнал поскорости. Этот сигнал поступает на усилитель регулятора скорости УС1, онусиливает сигнал. Усилителю УС1 подчинен контур регулирования тока которыйсостоит из: Тр — трансформатора, который понижает напряжение с 0,66кВ до 230 В, БОСТ — блока обратной связи по току и УС2 — регулятора тока.Выходной сигнал регулятора тока УС2 воздействует на систему импульсно — фазового управления СИФУ. СИФУ предназначена для преобразования постоянногоуправляющего напряжения, вырабатываемого системой автоматическогорегулирования, в последовательность прямоугольных управляющих импульсовсоответствующей фазы, подаваемых на управляющие переходы тиристоров. Тиристорныйпреобразователь ТП работает в режиме управляемого выпрямителя и подводитвыпрямленное напряжение к якорю двигателя. Обмотка возбуждения двигателя ОВДзапитывается от независимого источника питания ИПОВД. Вращение двигателя Дпередаётся на механизм МЕХ. Частота вращения двигателя контролируется датчикомскорости ДС. Датчик скорости вырабатывает ЭДС которая в виде сигнала Uоcпо обратной связи поступает на элемент сравнения С1, где происходит сравнениевходного сигнала Uвхс сигналом поступающему по обратной связи
Uоc:ΔU = Uвх– Uос.
Если есть разностьмежду входным сигналом и сигналом поступающему по обратной связи, то происходиткорректировка частоты вращения двигателя.
/>
Рис. 1 — Функциональнаясхема электропривода
РС- регулятор скорости;
РТ- регулятор тока;
ДТ- датчик тока;
ДС- датчик скорости;
М- двигательпостоянного тока;
ТП- тиристорныйпреобразователь.
2. Разработка структурной схемы САУ
Врасчетных системах управления ЭП для повышения диапазона регулирования икачества динамических процессов применяют различные структуры построениярегуляторов, используются различные обратные связи.
Длястатического и динамического расчета САУ необходимо составить структурнуюсхему, на которой все элементы системы нужно представить их передаточнымифункциями. Это двигатель, ТП, регуляторы, датчики обратных связей (рисунок 6).
/>
Рис.2 -Структурная схема САУ
Передаточнаяфункция ТП вместе с системой импульсно-фазового управления, как правилоапроксируется апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Tmnв пределах времени 0,006-0,01 с, что обусловлено дискретностью подачиотпирающих импульсов и особенностью работы ТП.
Передаточнаяфункция ТП имеет вид:
/> (5.1)
гдеKmn — коэффициент передачиТП.
Коэффициентпередачи ТП изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения и рассчитываетсяс использованием
регулировочныххарактеристик Ed0= f(α).
/>, (5.2)
гдеΔEd — относительноезначение ЭДС тиристорного преобразователя, В;
ΔUy — относительное значение напряжения, В.
Электродвигательпостоянного тока при подключении обмотки возбуждения к постоянному напряжению,работает с постоянной магнитным потоком.
Передаточнаяфункция имеет вид:
/> (5.3)
т.к. 4Тя>Тм,
Якорнаяцепь ДПТ описывается передаточной функцией:
/> (5.7)
гдеЕn — ЭДСпреобразователя. В;
Едв — ЭДС двигателя, В.
Передаточнаяфункция механической цепи ДПТ:
/>(5.5)
Поведениеугловой скорости вращения описывается передаточной функциейэлектромеханического преобразователя в соответствии с основным уравнениемдвижения ЭП:
/>(5.6)
Коэффициентобратных связей рассчитывается по формулам:
Коэффициентобратной связи по скорости Кос определяется по формуле:
/>(5.7)
где/>= 10 В —максимальное напряжение управления;
/> — максимальнаяскорость механизма, рад/с.
/>(5.8)
Коэффициентобратной связи по току Кот:
Кот= Кдт ∙ Кш = 102,04∙0,0006 = 0,061 (5.9)
гдеКдт — коэффициент датчика тока;
/> (5.10)
гдеКш — коэффициент шунта.
Выбраншунт: тип 75 ШСН-5;
Номинальныйток: Iнш=75А;
Номинальноепадение напряжения: Uнш=0,045 В.
Коэффициентшунта Кш определяем по формуле:
/>, (5.11)
Коэффициент обратнойсвязи по напряжению Кон:
/> (5.12)
Выходной координатойобъекта управления является угловая скорость вращения ωо, апромежуточными: якорный ток, ЭДС двигателя, напряжение якорной обмотки,электромагнитный момент, магнитный ток.
3. Синтез CAУ
Для обеспечениятребуемых статических и динамических параметров определим структуру системы.
Посколькунеобходимо регулировать скорость и требуется динамика, то система должна иметьконтур скорости и контур тока. Настройку контура обычно производят так, чтобыполучить технически оптимальный переходный процесс, т.е. настройка натехнический оптимум.
3.1Расчет контура тока
Регулятортока организован по ПИ-закону управления с настройкой на модульный оптимум.Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров долженкомпенсировать электромагнитную постоянную Тя, а также малуюпостоянную времени контура тока Т01 (рисунок9).
/>
Рис.3- Структурная схема по току
Передаточнаяфункция регулятора тока имеет вид:
/> (6.1)
гдеКрm — пропорциональная часть регулятора тока;
/> — постоянная времени регулятора тока.
/>(6.2)
/> (6.3)
где/>— малая постоянная времени токовогоконтура.
Тот= 2 ∙ Ттп = 2 ∙ 0,01= 0,02 с, (6.4)
Согласнорисункам 4 и 5 запишем уравнения соответствия
динамических параметровсистемы и физических параметров схемы реализации:
/>
/>
Рис.4 -Структурная схема РТ Рис. 5- Принципиальная схема РТ
Зададимсяемкостью конденсатора Cост= 1 мкФ = 0,000001 Ф, тогда согласно уравнению 2 системы 6.5,сопротивление Rостсоставит:
/>, (6.6)
Представивзначение Сост = 1 мкФ в уравнение 3 системы 6.5, найдемсопротивление Rзтпо формуле:
/> (6.7)
Подставивзначение Rзтв 1 — е уравнение системы 6.5, получим, что сопротивление Rтсоставит:
/> (6.8)
Порасчетам принимаем тип резисторов. Выбираем резисторы серииМЛТ.
Номинальнаямощность: 0,125-2 Вт;
Диапазонсопротивления: 8,2 Ом – 10 МОм;
Рабочаятемпература: 125С0;
Допустимыеотклонения: 5, 10, 20.
Датчик токапредназначен для преобразования тока якоря пропорциональное ему напряжение ивключает в себя датчик и согласующее устройство. В качестве измерительногопреобразователя в датчике использован шунт. В качестве элемента гальваническойразвязки принимаем микросхему оптоэлектронную полупроводниковую, состоящую изоптопар и транзисторных прерывателей типа К249, КН1Г. Выходное напряжение равно3,5 В, входной ток равен 20 мА. На выходе датчика должно быть напряжение 10В.
/>
Рис.6 — Принципиальная схема датчика тока
3.2Расчет контура скорости
Регуляторскорости организован по пропорциональному принципу (П) закону управления снастройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемыхдинамических параметров должен компенсировать электромеханическую постояннуювремени системы Тм, а также малую постоянную времени контураскорости Тос (рисунок 6).
/>
Рис.7- Структурная схема контура скорости Передаточная функция регулятора скоростибудет иметь вид:
/>
гдеТос — малая постоянная времени контура скорости.
Тос= 2∙ Тот = 4∙ Ттп = 4∙ 0,01 = 0,04 с,
Приведем схемуреализации регулятора скорости (рисунок 9).
Приведемструктурную схему реализации регулятора скорости (рисунок 8).
/>
Рис.8 Структурная схема PCРис.9 Схема реализации PC
Согласнорисункам 8 и 9 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы ифизических параметров схемы реализации:
/> (6.11)
гдеКдс — коэффициент датчика скорости, которым является тахогенератор.
/> (6.12)
Зададимсясопротивлением Rooc= 100 кОм, тогда:
/> (6.13)
Подставивзначение Rзс,найдем Rc:
/> (6.14)
Изсправочника выбираем стандартный резистор марки:
Датчикскорости получим путем совмещения тахогенератора
(измерительногопреобразователя) и согласующего устройства(преобразователя координат), рисунок10
/>
Рис.10 Схема датчика скорости
Емкостьконденсатора принимаем равной 0,1 мкФ. ЭДС тахогенератора определим по формуле:
Етг= 2 ∙nн∙S = 2 ∙ 1500∙ 0,5 = 1500В, (6.15)
гдеS — величина скольжения;
nн — номинальная скорость вращения тахогенератора.
/> (6.16)
где nн — номинальное число оборотов двигателя;
nmax — максимальное число оборотов тахогенератора.
4.Структурнаясхема САУ
/>
Рис.11-Структурная схема САУ
4.1Определение общей передаточной функции
/>
4.2Характеристическое уравнение
/>
5.Определение устойчивости
5.1Определение запаса устойчивости и быстродействия по переходной характеристике
Дляпостроения и анализа переходных процессов воспользуемся компьютерной программойMatlab 6.1.
Оценкузапаса устойчивости и быстродействия можно произвести по виду кривойпереходного процесса в системе автоматического регулирования при некоторомтиповом входном воздействии. В качестве типового входного воздействиярассматривается обычно единичный скачок. В данном случае кривая переходногопроцесса для регулируемой величины будет представлять собой переходнуюхарактеристику системы (рисунок 12).
/>
Рисунок12 — Переходная характеристика системы
Анализпостроенной кривой переходного процесса показывает, что система стабилизируетсяна уровне Ру = 31,6при подаче на вход единичногоступенчатого сигнала. Склонность системы к колебаниям, а, следовательно, изапас устойчивости могут быть охарактеризованы максимальным значениемрегулируемой величины умах или так называемым перерегулированием:
/>
Допустимое значениеперерегулирования для тойили иной системы автоматического регулированияможет быть установлено на основании опыта эксплуатации подобных систем. Вданном случае считается, что запас устойчивости, является достаточным, есливеличина перерегулирования не превышает 10÷30%.
5.2Определение устойчивости по логарифмическим частотным характеристикам
Критическойточке, где модуль амплитудно-фазовой характеристики равен единице,соответствует точка пересечения ЛАЧХ с осью абсцисс на частоте среза ωз,а точке, в которой фазовый сдвиг равен 180°, соответствует пересечению ЛАЧХлинии –π. Замкнутая система устойчива, если на частоте со, для которой φ= -π, ордината ЛАЧХ отрицательна.
Нарисунке 13 приведены логарифмические частотные характеристики, по которымопределим устойчивость и запас устойчивости системы. Запас устойчивости поамплитуде L3естьчисло децибел, на которое нужно увеличить коэффициент усиления на частоте,соответствующий фазовому сдвигу φ=-π, чтобы система потерялаустойчивость. Для удовлетворительного качества регулирования должны выполнятьсяусловия:
L3≥(10÷20)дб,(6.18)
φ3>(30÷60)°.(6.19)
/>/>
Рисунок13 — Логарифмическая частотная характеристика по амплитуде 15-20 Дб, по фазе30-60о
Анализируяполученные характеристики, видим, что точка ωср находится вобласти отрицательных значений, а запас устойчивости по амплитуде Lз=15Дб удовлетворяет условию (6.18).
Запас устойчивости φз=45° удовлетворяет условию (6.19).
Вывод
Работав курсовом проекте велась по трем направлениям, выполняемых последовательно:
Произвелианализ системы автоматического управления.
Всистеме регулирование ведется по двум координатам ЭП — скорости и тока.Замкнутая структура ЭП выполняется по схеме с подчиненным регулированиемкоординат. Регулирование каждой координаты осуществляется собственнымирегуляторами, которые вместе с соответствующими обратными связями образуютзамкнутые контуры. Таким образом, внутренний контур тока подчинен внешнемуконтуру скорости — основной регулируемой координате.
Расчети выбор элементов силовой части. Синтез САУ, включающий расчет передаточныхфункций.
Всоответствии с заданием произвели расчет и выбор элементов силовой частисистемы: двигатель типа 2ПА, тиристорный преобразователь типа ТПР, силовойтрансформатор ТСЗ, система импульсно — фазового управления, реактор типа РТСТ.Для каждого элемента рассчитали передаточную функцию и составили структурную схему.
Построениеи анализ переходных процессов.
Проанализировавсистему по переходной характеристике, определили время переходного процесса,перерегулирование и быстродействие. По критерию Найквиста, ЛАЧХ и ЛФЧХ системаявляется устойчивой и имеет запас устойчивости.
Пополученным результатам можно сказать, что система спроектирована так, чтобы онаимела максимальную точность выполнения возложенной на нее задачи регулированиязаданного объекта. Основой является оптимизация закона регулирования, то естьнаилучшее построение регулятора (системы управления) для осуществления заданнойпрограммы управления.
Но следует учитывать,что отличие оптимальной системы состоит в том, чтобы добиться не простотребуемых показателей, а наилучших показателей, то есть «извлечь» из системывсе, что она может дать по определенному виду качества, наиболее важному дляэтой системы, при соблюдении заданных требований по всем другим ее свойствам.
Литература
1. Биссикерскийи Попов, «Теория систем автоматического управления», 2004.
2. ТюковН.И. и Грачева Л.Н. «Учебное пособие по ТАУ».
3. ТюковН.И. и Грачева Л.Н. «Учебное пособие по курсовому проекту».
4. Густари Ольсон, «Цифровые системы автоматизации и управления».
5. Ковчини Соберин, «Теория электропривода».
6. “Теория автоматического управления”.Под редакцией
Ю.М. Соломенцева. Москва “Высшаяшкола”1999.
7. “Теория автоматического управления”.Воронов.