Расчет и исследование системы стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока

Министерство  образования и  науки Украины

Донбасский  государственный технический университет

Кафедра электронных систем

 

 

 

 

Курсовая работа

по курсу

“Теория автоматического управления ”

 

 

«Расчет и исследование системы стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст.гр. ЭС-

.

 

Проверил: доц. Потапов В.Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алчевск 2009

 

    

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа содержит 42 стр., 16 рисунков, 4 источника, 3 приложения.

Объект расчёта: система  стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока.

Цель работы: приобретение и развитие навыков практического  расчета и теоретического исследования систем автоматического управления, углубление знаний по отдельным разделам курса “Теория автоматического управления”, развитие самостоятельности при принятии наиболее целесообразных решений при анализе полученных результатов.

Результатом исследования является получение системы стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока с необходимыми параметрами.

Достоинствами системы являются простота изготовления и надёжность работы, основанная на применении современных интегральных полупроводниковых приборов.

 

 

 

ГЕНЕРАТОР, ДВИГАТЕЛЬ, пЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ, ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЛОГАРИФМИЧЕСКАЯ АМПЛИТУДНО–ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, РЕГУЛЯТОР, КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Автоматизация и всех отраслей народного хозяйства приводит к облегчению труда рабочих, к уничтожению существенного различия между трудом умственным и трудом физическим, к дальнейшему повышению материального благосостояния людей.

Производственные механизмы, без которых нельзя в настоящее  время представить себе ни одной фабрики, ни одного завода, равно как механизированного транспорта и передового производства, прошли длительный путь своего развития, прежде чем приняли вид современных машин, где гений и труд человека нашли свое материальное воплощение.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение производственного процесса. Необходимо хорошо знать назначение отдельных элементов, составляющих машинное устройство, так как без этого невозможно проектировать и создавать машину, а также невозможно правильно обслуживать ее в эксплуатации.

Научно-техническая революция, вызванная созданием цифровых вычислительных машин, сказалась на развитии многих отраслей науки и техники. Особо сильному влиянию подверглись теория и практика автоматического регулирования и управления объектами и совокупностями объектов как в гражданской, так и в военной технике.

Применение цифровой вычислительной техники открывает  большие возможности при управлении такими сложными устройствами и системами, как прокатные станы, домны, бумагоделательные машины, поточные линии, подвижные объекты ( самолеты, ракеты, космические корабли и др. ), автоматизированные системы управления производством, железнодорожным транспортом, воздушным движением и т. п.

В настоящее время  для приведения в движение рабочих  машин основным двигателем является электрический двигатель и, следовательно, основным типом привода является электрический привод или сокращенно, электропривод, а на современном уровне техники автоматизированный электропривод.

 

 

Аналитическая часть

 

В настоящее время  широко используются схемы управления асинхронными двигателями в основном в двух вариациях исполнения:

1) схема управления  асинхронным двигателем с магнитным пускателем;

2) схема управления  асинхронным двигателем, реализованная  на тиристорах.

Рассмотрим в отдельности  каждую из них.

Для управления асинхронными двигателями широко используются релейно  – контактные аппараты. Пуск асинхронных  двигателей с короткозамкнутым ротором небольшой мощности осуществляется обычно при помощи магнитных пускателей. Магнитный пускатель состоит из контактора переменного тока и встроенных в него двух тепловых реле.

Простейшая схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором посредством магнитного пускателя предусматривает питание силовых цепей и управления от источника одного и того же напряжения. Однако в целях повышения надежности работы релейных и контактных аппаратов, большей частью рассчитанных на низкое напряжение, а также в целях повышения безопасности эксплуатации часто применяются схемы, предусматривающие питание цепей управления от источника пониженного напряжения, что приводит к некоторым трудностям при построении схемы.

В типовой схеме управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором в качестве силовых элементов, включенных в статорную цепь двигателя, используются тиристоры в сочетании с релейно – контактными аппаратами в цепи управления. Тиристоры по существу выполняют роль силовых коммутаторов и, кроме того, легко позволяют осуществить необходимый темп изменения напряжения на статоре двигателя путем регулирования угла включения тиристоров, что является преимуществом над схемой управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором посредством магнитного пускателя.

При непрерывном изменении  угла включения тиристоров в процессе пуска так, чтобы приложенное напряжение к статору изменялось от нуля до номинального значения, можно ограничить токи и моменты двигателя.

Эффективное динамическое торможение имеет место в схемах с демпфирующими контурами. Добавление одного шунтирующего тиристора, замыкающего цепь тока между двумя фазами, приводит к увеличению постоянной составляющей тока, что создает достаточный тормозной момент в области высокой угловой скорости.

Следует отметить, что  вследствие небольшого значения мощности, необходимой для управления тиристорным или транзисторным ключом, данный способ позволяет получить бесступенчатое плавное регулирование скорости. По этой же причине можно получить значительно более жесткие механические характеристики, чем, например, при обычном реостатном регулировании, если с изменением нагрузки на валу двигателя изменять управляющий сигнал. Это является очень важным преимуществом схемы управления асинхронным двигателем, реализованной на тиристорах над схемой управления асинхронным двигателем с магнитным пускателем.

Для расчета курсового  проекта мы будем использовать схему  управления асинхронным двигателем, реализованную на тиристорах.

 

 

 

1 Анализ  качества регулирования в исходной системе с пропорциональным регулятором скорости

 

1.1 Составление по принципиальной схеме структурной схемы системы

 

Систему управления автоматизированным электроприводом, представленную на рисунке 1.1, можно условно разбить на три функциональных блока:

1. объект регулирования, состоящий из электродвигателя, генератора и тиристорного возбудителя;
2. датчик скорости, включающий в себя тахогенератор и потенциометр;
3. регулятор скорости.

 

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема  системы

 

При составлении структурной  схемы системы отдельные блоки  представим передаточными функциями, которые с достаточной степенью точности описывают динамические характеристики блоков. Структурная схема представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Структурная схема  системы

 

 

1.2 Расчет коэффициентов передачи и постоянных времени

 - передаточная функция регулятора скорости

 - передаточная функция тиристорного возбудителя, где, K_U = 33, T_U = 0.004 c.

- передаточная функция генератора.

 - передаточная функция двигателя.

 - передаточная функция датчика скорости, где

K_BV = 2.7·0.3703 = 0,99981.

 

 

Постоянная времени обмотки  возбуждения генератора:

, (1.1)

где L_в – индуктивность обмотки возбуждения генератора, Гн;

r_в – сопротивление обмотки возбуждения генератора, приведенное к 75°С, Ом.

, (1.2)

где - сопротивление обмотки возбуждения генератора, Ом.

Индуктивность обмотки  возбуждения генератора находится как среднее значение между индуктивностью на линейном участке кривой намагничивания генератора и индуктивностью в номинальной точке.

 

, (1.3)

где

, (1.4)

 (1.5)

В выражениях (1.2.3) и (1.2.4) для генератора:

р – число пар полюсов;

W_в – число витков на полюс обмотки возбуждения;

а_в – число параллельных ветвей обмотки возбуждения;

δ = 1.2 - коэффициент рассеяния номинального магнитного потока;

ΔΦ, ΔF – приращения магнитного потока и намагничивающей силы соответственно;

Φ_нг – номинальный магнитный поток, Вб;

F_нг – номинальная намагничивающая сила, А.

Приращения ΔΦ, ΔF берем из кривой намагничивания генератора (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Кривая намагничивания генератора

ΔΦ₁=0.0571 Вб;

ΔF₁=3050 А·вит;

Номинальный магнитный  поток генератора определяется по формуле:

 (1.6)

где

, (1.7)

, (1.8)

. (1.9)

В выражениях (1.2.6), (1.2.7), (1.2.7) и (1.2.8) для генератора:

Е_нг – номинальная ЭДС;

U_нг – номинальное напряжение;

I_нг – номинальный ток;

r_я20, r_ко20, r_дп20 – сопротивление соответственно обмотки якоря, компенсационной обмотки, обмотки добавочных полюсов при температуре 20˚С;

1.32 – коэффициент приведения обмоток генератора к температуре 75˚С;

N – число активных стержней обмотки якоря;

а – число параллельных ветвей обмотки якоря;

ω_н – номинальная угловая частота вращения генератора;

ΔU_Щ = 2 В – падение напряжения в щетках.

 

Е_нг = 460 + 870·1.32·(0.00223 + 0.00166 + 0.0003) + 2

Е_нг = 466.811 В

 рад/с

 Вб

По кривой намагничивания генератора (рис 1.1) с учётом Φ_нг определяем F_нг

F_нг = 6200 А·вит.

ΔΦ₂=0.0148 Вб;

ΔF₁=3380 А·вит.

 

 Гн

 Гн

 Гн

 

По формуле (1.2.1) найдем

,

 с.

Коэффициент передачи генератора определяется по формуле:

, (1.10)

где

; (1.11)

. (1.12)

Итак, - передаточная функция генератора, где K_G = 7,26, T_G = 1,22 c.

 

 

Эквивалентная электромагнитная Т_Э и электромеханическая Т_М постоянные времени определяются по формулам:

 (1.13)

, (1.14)

где

, , (1.15)

где индекс г относится к генератору, а индекс д – к двигателю.

 

, (1.16)

где r_шг и r_шд – сопротивление щеток генератора и двигателя соответственно, Ом.

;  (1.17)

 (1.18)

(Ом)

(Ом)

R_Э = 1.1·[1.32·(0,00223 + 0,00166 +0,0003) + 0.0023 + 1.32·(0.0192 + 0.0121 + + 0.00346) + 0.00322]

R_Э = 0.063Ом

 рад/с

 Гн

 Гн

Итак, по формуле (1.2.13)

 с

, (1.19)

где                 (1.20)

 В

Итак, по формуле (1.2.14)

 с

Коэффициент передачи двигателя определяется по формуле:

 (1.21)

Значит, - передаточная функция двигателя, где К_М = 0.081, Т_Э = 0.0554 с, Т_М = 0.042 с.

 

 

1.3 Передаточные функции и дифференциальные уравнения системы

1.3.1 Передаточная  функция разомкнутой системы

Рисунок 1.4

,

где К = K_AR·K_U·K_G·K_M·K_BV.

 

 

 

 

 

 

1.3.2 Передаточная функция замкнутой  системы по управлению

Рисунок 1.5

 при I_C(s) = 0

,

где ,

,

К = K_ARK_UK_GK_M.

 

1.3.3 Передаточная функция замкнутой системы по возмущению