Учебная работа. Разработка системы управления двигателя постоянного тока

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Разработка системы управления двигателя постоянного тока

Содержание

Введение…………………………….…………………………………………………2

1. Определение
параметров и структуры объекта управления.….…………….3

2. Разработка
алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления…………………………………………………………………………7

3. Моделирование
процессов управления, определение и оценка показателей качества…………………………………………………………………………..16

4. Разработка
принципиальной электрической схемы и выбор её элементов.23

Список
литературы.………………………………………….………………..…39

Введение

На современном этапе, характеризующемся приоритетным развитием
машиностроения и автоматизации производства, автоматизированный электропривод
сформировался как самостоятельное научное направление, в значительной степени
определяющее прогресс в области техники и технологии, связанных с механическим
движением, получаемым путем преобразования электрической энергии. Этим
объясняется большой интерес специалистов к новым разработкам в данной отрасли
техники и к ее научным проблемам.

Четко определился объект научного направления – система, отвечающая
за управляемое электромеханическое преобразование энергии и включающая два
взаимодействующих канала – силовой, состоящий из участка электрической сети,
электрического, электромеханического, механического преобразователей,
технологического рабочего органа, и информационный канал. В рамках данного
курсового проекта рассматривается разработка информационного канала.

1. Определение параметров и структуры объекта управления

В состав объекта управления входит двигатель постоянного тока
независимого возбуждения  с
параметрами по табл. 10.11 [1, стр. 277]:

 — номинальная
мощность,

 — номинальное
напряжение питания обмотки возбуждения и якорной цепи,

 — КПД,

 — номинальная
частота вращения,

 —
максимальная частота вращения,

 — сопротивление
обмотки якоря,

 —
сопротивление добавочных полюсов,

 — индуктивность
обмотки якоря,

 — сопротивление
обмотки возбуждения,

 — момент
инерции якоря.

 — число пар
полюсов.

 — коэффициент
инерционности механизма.

Данный ЭД предназначен для работы в широкорегулируемых
электроприводах, соответствует , имеет защищенное исполнение, с независимой
вентиляцией (асинхронный двигатель ).

Номинальная угловая скорость вращения

максимальная угловая скорость вращения:

Номинальный ток якоря:

Суммарное сопротивление якорной цепи:

Произведение постоянной машины на номинальный поток:

Постоянная времени якорной цепи:

Номинальный момент:

Номинальный ток обмотки возбуждения:

Исходя из высоты оси вращения  по табл. 1 [2, стр. 5]:

По рис. 4 [2, стр. 10]:

По рис. 2б [2, стр. 8]:

По табл. 2 [2, стр. 9] для класса изоляции :

По табл. 3 [2, стр. 10] для :

окончательно получим:

По рис. 3 [2, стр. 9]:

Полюсное деление равно:

Число витков обмотки возбуждения [2, стр. 27]:

Номинальный магнитный поток:

постоянная машины:

Коэффициент рассеяния [3, стр. 38]:

Индуктивность обмотки возбуждения:

постоянная времени обмотки возбуждения:

Постоянная времени обмотки возбуждения:

Суммарный момент инерции механизма:

Так же объёкт управления содержит  возбуждения и  напряжения якоря, частота коммутации которых:

постоянная времени преобразователей равна:

2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств
управления

Объект управления описывается следующими уравнениями [3, стр.38-39]:

Выберем двухконтурную систему управления скорости с внутренним
контуром потока (рис. 1).

Рис. 1. Двухконтурная система регулирования скорости.

универсальная кривая намагничивания представлена на рис. 3.

Так как регулирование происходит изменением потока, минимальный
поток будет при максимальной скорости:

Минимальный ток возбуждения (по рис. 3):

Рис. 3. универсальная кривая намагничивания.

При этом коэффициент линеаризации кривой намагничивания лежит в
диапазоне:

Максимальная постоянная времени потока:

Коэффициент форсирования тока возбуждения [4, стр. 559]:

Малая постоянная времени:

Желаемая передаточная функция замкнутого контура потока:

желаемая передаточная функция разомкнутого контура потока:

Передаточная функция разомкнутого контура потока:

Коэффициент обратной связи по потоку:

Передаточная функция регулятора потока:

где

Коэффициент  подлежит
определению непрерывно, для чего контур потока будет модифицирован (рис. 4.).

Рис. 4. Модифицированный контур регулирования потока.

Коэффициент обратной связи по скорости:

Коэффициент обратной связи ЭДС:

Коэффициент обратной связи по току возбуждения:

Коэффициент нормализации

С учётом этого:

внешний контур скорости представлен на рис. 5.

Рис. 5. Контур регулирования скорости.

желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Передаточная функция регулятора скорости

где

Так как нагрузка с постоянной мощностью изменяет знак  и коэффициент  подлежит определению непрерывно контур
скорости также будет модифицирован (рис. 6.).

Рис. 6. модифицированный контур регулирования скорости.

Коэффициент обратной связи по току якоря:

Отсюда следует:

Передаточная функция контура компенсирующего влияние нагрузки:

Откуда (с учётом принятых выше коэффициентов) имеем:

где

структура системы управления стабилизатором напряжения в цепи якоря
приведена на рис. 7.

Рис. 7. Контур управления напряжением якоря.

здесь:

Структурная схема всей системы управления и объекта приведена на
рис. 8.

Рис.
8. Структурная схема системы управления и объекта.

3. Моделирование процессов управления, определение и оценка
показателей качества

Модель объекта и системы управления в комплексе  представлена на рис. 9.

Моделирование будем проводить по нижеследующему алгоритму:

Пуск на номинальную скорость —

максимальный скачёк задания -, (рис. 10 – рис. 14)

Проверка отработки задания

(рис. 15 – рис.
10)

 


Рис. 9. Модель объекта и систему управления.

Рис. 10. Зависимость  от времени.

Рис. 11. Зависимость  и от
времени.

Рис. 12.
Зависимость  и  от времени.

Рис. 13.
Зависимость  и  от времени.

Рис. 14.
Зависимость  от времени.

Рис. 15. Зависимость  от времени.

Рис. 16. Зависимость  и от
времени.

Рис. 17.
Зависимость  от времени.

Рис. 18.
Зависимость  и  от времени.

Рис. 19.
Зависимость  от времени.

Для технического оптимума:

-перерегулирование составляет:

время нарастания:

По результатам моделирования:

-перерегулирование составляет:

время нарастания:

Статическая ошибка отсутствует.

Отсюда можно сделать вывод:

динамика и статика спроектированной системы полностью удовлетворяет
требованиям технического задания.

4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её
элементов

обратная связь по скорости.

Рис. 20. обратная связь по скорости.

Схема обратной связи по скорости представлена на рис. 20, здесь:

-фильтр коллекторных пульсаций тахогенератора с :

 — ,

 —

-цепь защиты от обрыва обратной связи:

 —  с параметрами

— максимальный
прямой ток,

— прямое
напряжение,

— максимальное
обратное напряжение,

— ёмкость диода,

-тахогенератор  встроенный
в двигатель:

-коэффициент усиления схемы:

,

,

 — ,

;

-усилительный элемент:

 — с параметрами

 — напряжение
питания,

 — максимальное
выходное напряжение,

 — входной ток,

 — коэффициент
нарастания напряжения,

 — коэффициент
усиления по напряжению,

максимальная
рабочая частота;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

 — ,

обратная связь по току якоря.

Рис. 21. обратная связь по току якоря.

Схема обратной связи по току якоря представлена на рис. 21, здесь:

-фильтр пульсаций  с
:

 — ,

 — ;

-датчик тока:

 —  с параметрами :

— номинальный
входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление
нагрузки,

— коэффициент
датчика тока;

-коэффициент усиления схемы:

 — ,

-,

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  — .

обратная связь по току возбуждения.

Рис. 22. обратная связь по току возбуждения.

Схема обратной связи по току возбуждения представлена на рис. 22,
здесь:

-фильтр пульсаций  с
:

 — ,

 — ;

-датчик тока:

 —  с параметрами

— номинальный
входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление
нагрузки,

— коэффициент
датчика тока;

-коэффициент усиления схемы:

,

 — ,

,

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  — .

обратная связь по ЭДС.

Рис. 23. обратная связь по ЭДС.

Схема обратной связи по ЭДС представлена на рис. 23, здесь:

-фильтр пульсаций  с
:

 — ,

 — ;

-датчик напряжения:

 —  с параметрами :

— номинальный
входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление
нагрузки,

-коэффициент усиления схемы:

 — ,

-,

-,

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  —

обратная связь по потоку.

Рис. 24. обратная связь по потоку.

Схема обратной связи по потоку представлена на рис. 24, здесь:

-коэффициент усиления схемы:

,

 — ,

 — ,

-,

-;

защита от отрицательного напряжения:  —

-ограничение :

 — с параметрами:

 — напряжение
стабилизации,

 — ток
стабилизации;

 — с параметрами:

 — напряжение
стабилизации,

 — ток
стабилизации;

-;

 —

-перемножитель напряжения:  —  с
параметрами:

 — напряжение
питания,

 — максимальное
выходное напряжение,

 — входной ток,

 — коэффициент
нарастания напряжения,

 — коэффициент
умножения,

максимальная
рабочая частота;

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания:  — .

Модульная функция.

Рис. 24. Модульная функция.

Схема модульной функции представлена на рис. 24, здесь:

-сопротивления:  -;

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  — .

Регулятор скорости.

Рис. 25. Регулятор скорости.

Схема регулятора скорости представлена на рис. 25, здесь:

-компенсация нагрузки:

 — ,

-,

-,

,

,

,

,

-;

-усилительный элемент:  —

-перемножитель напряжения:  —  с
параметрами

-ограничение сигналов:

 — ,

 —

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  —

Регулятор потока.

Рис. 26. Регулятор потока.

Схема регулятора потока представлена на рис. 26, здесь:

-компенсация нагрузки:

 — ,

 — ,

-,

,

-усилительный элемент:  -;

-перемножитель напряжения:  — ;

-ограничение сигналов:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  — .

Управление стабилизатором напряжения якоря.

Рис. 27. Управление стабилизатором напряжения якоря.

Схема управление стабилизатором напряжения якоря представлена на
рис. 27, здесь:

 — ,

-,

 -,

 -,

Реле защиты.

Рис. 28. Реле защиты.

Схема реле защиты представлена на рис. 28, здесь:

-,

 -,

 -,

 —

Список литературы

1. Справочник по
электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. Ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т.
1. – М.: Энегроатомиздат, 1988, — 456 с.

2. Заборщикова
А. В., Мельников В. И. «Двигатели постоянного тока для автоматизированного
электропривода»: Учебное пособие. – СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ.,
1994. – 84 с.

3. Башарин А.
В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. «Управление электроприводами» : Учебное
пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. – 392 с., ил.

4. Ключев В. И.
«Теория электропривода»: Учеб. Для вузов. – 2-е изд. Перераб. И доп. – М.:
Энегроатомиздат, 2001. – 704 с.: ил

5. Герман-Галкин
С. Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. — Л.:
Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986.–246 с.

4. Справочник
разработчика и конструктора РЭА. Элементная база : В 2 кн. / Масленников М. Ю.,
Соболева Е. А и др. – М.: Б. И., 1996.-157-300с.

5. Операционные
усилители и компараторы. – М.: Издательский дом «ДОДЭКА ХХI», 2002.-560 с.

. Бурков А. Т. Электронная
техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж.–д. трансп. – М.: Транспорт,
1999.-464 с.

6. Александров
К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.:
Энергоатомиздат, 1990.-288с.

Учебная работа. Разработка системы управления двигателя постоянного тока