Туртан султан 13 вариант. Туртан Султан 13 вариант. Расчёт системы автоматического регулирования двигателя постоянного тока

• Название: Расчёт системы автоматического регулирования двигателя постоянного тока
• Анкор: Туртан султан 13 вариант
• Дата: 28.04.2021
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: Туртан Султан 13 вариант.docx
• Тип: Курсовой проект; #199671

Министерство образования и науки Республики Казахстан
НАО «Карагандинский индустриальный университет»
Кафедра «Энергетика»

Курсовой проект

По дисциплине: «Системы управления электроприводом»

Тема: Расчёт системы автоматического регулирования двигателя постоянного тока


Выполнила: студент гр. ЭЭ-17к

Туртан С.Д.

Проверил:ст.пр. Сиверская Т.И.


Темиртау2020 г

СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 4

1. Расчет динамических параметров контура тока 8

1.1 Расчет параметров преобразовательного трансформатор 8

для двигателя постоянного тока 2ПФ200LГУХЛЧ

1.2 Составляем принципиальную электрическую схему силовой 10

части тиристорного электропривода
2. Расчет параметров регулятора тока 15

2.1.Согласно принципу компенсации составляем 15

ередаточную функцию «ПИ» регулятора тока

2.2 .Составляем структурную схему системы регулирования тока 16
3 Расчет динамических параметров контура регулирования скорости 19

3.1 Структурная схема замкнутого контура тока оптимизированного 19

по модульному оптимуму
4. Расчет параметров регулятора скорости 21

4.1 Расчет параметров пропорционального регулятора скорости 21
Список литературы 25


ВВЕДЕНИЕ
При неизменном токе возбуждения характер переходных процессов в двигателе постоянного тока зависит от двух динамических параметров якорной цепи: электромагнитной постоянной времени контура тока Т_Э и электромеханической постоянной времени привода Т_ЭМ.

Электромагнитная постоянная времени Т_Э при ступенчатом приложении напряжения к якорной цепи невозбужденного двигателя определяет время нарастания тока якоря и численно равна:

Электромеханическая постоянная времени Т_ЭМ при ступенчатом приложении напряжения к якорной цепи определяет время нарастания скорости вращения двигателя до практически установленного значения и численно равна

, где
Наиболее распространенным принципом построения регулятора является компенсация основных инерционностей объекта управления. Этот термин следует понимать в широком смысле, а именно это регулятор компенсирующий действие звеньев с большими постоянными времени не только инерционного характера, но и интегральных, форсирующих.

Принцип компенсации можно сформулировать следующим образом: каждому звену объекта управления с большой постоянной времени должно соответствовать звено с обратной передаточной функцией в составе регулятора. Поэтому для построения передаточной функции регулятора необходимо знание динамических параметров объекта управления.
1. Динамические параметры якорной цепи двигателя постоянного тока.

Ниже приведены уравнения, характеризующие динамические свойства электродвигателя, которые соответствуют общеизвестным структурным схемам электродвигателя постоянного тока при изменении напряжения на якоре:

1.1уравнения электрического равновесия в якорной цепи двигателя

или


1.2 уравнение ЭДС двигателя



1.3 уравнение момента двигателя



1.4 уравнение механического равновесия

,

где Е_r – ЭДС генератора, В;

– ЭДС тиристорного преобразователя, В;

Е – ЭДС двигателя, В;

М_СТ – момент статистической нагрузки, Н∙м;

М_Д – момент двигателя, Н∙м;

– динамический момент, Н∙м;

– момент инерции двигателя с механизмом приведенный к валу двигателя, кг∙м²;

 – угловая скорость, рад/с;

С_Е, С_М – конструктивные постоянные двигателя;

;

Примечание: при измерении скорости в рад/с  . При определении индуктивности двигателя L_ЯД, на практике наибольшее распространение получила формула Уманского-Линвила.

, Гн

где С – коэффициент, равный 0,15 0,25 для компенсированных машин;

С –0,6 для некомпенсированных машин;

р – число пар полюсов;

n_н – номинальная частота вращения двигателя;

Uн – номинальное напряжение двигателя;

I_н – номинальный ток двигателя.

2. Расчет параметров якорной цепи.

Значения L_Э и R_Э для тиристорных электроприводов определяются следующим образом (при мостовой схеме преобразования):

L_Э = L_ЯД + L_а + L_с.р,

R_Э = R_ЯД + R_а + R_ф+R_с.р + R_ш

где L_а – индуктивность анодной цепи преобразователя;

L_с.р – индуктивность сглаживающего реактора;

R_а –активное сопротивление анодной цепи преобразователя, Ом;

R_ф – эквивалентное сопротивление преобразователя, учитывающее коммутацию тока в вентилях;

R_ш = 0,1R_ЯД.– активное сопротивление шин или кабельной линии.

– активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке.

Р_к.з – потери короткого замыкания;

I_2ф.н – номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора.

– индуктивное сопротивление трансформатора.

– при мостовой схеме m=6;

R_а=2R_тр + 2R_о.р , L_a=2L_тр +2L_о.р

R_о.р – активное сопротивление ограничивающего реактора;

– индуктивность трансформатора.

– электромагнитная постоянная времени двигателя;

– электромагнитная постоянная времени контура тока.

– электромеханическая постоянная времени привода.

3. Основные соотношения, используемые в расчетах.

I_2ф=I_2л – при соединении вторичной обмотки в «звезду».



– при соединении вторичной обмотки в «треугольник».

– при мостовой схеме выпрямителя.


R_а=2R_тр – активное сопротивление обмоток трансформатора при мостовой схеме выпрямления и вторичной обмотки, собранной в «звезду».

– активное сопротивление обмоток трансформатора

при мостовой схеме выпрямления и вторичной обмотки, собранной в «треугольник».

L_a=2L_тр – при схеме «звезда».

–при схеме «треугольник».

1.РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА ТОКА.

1.1 Расчет параметров преобразовательного трансформатора для двигателя постоянного тока 2ПФ200LГУХЛЧ.
Р = 14 кВт

Uн = 220 В

n_н = 1000 об/мин

n_max = 3300 об/мин

_ном = 82 %

R_я = 0,136 Ом, при t = 15 ⁰С

R_ДП = 0,084 Ом, при t = 15 ⁰С

R_воз = 46/13- Ом, при t = 15 ⁰С

L_Н = 4,4∙10^-3 Гн

J₁= 0,23 кг·м²

J_мех= 0,5 кг·м²
Номинальное значение тока двигателя определяем по формуле:
I_н= А
Производим расчет и выбор тиристорного преобразователя с условием: U_dн ≥ U_н; I_dн ≥ I_н.

По справочнику [1] выбираем электропривод серии КТЭ с номинальными данными

U_Н = 220 В, I_Н = 100 А.

Определяем максимальное напряжение преобразователя U_dо с учетом номинального напряжения двигателя U_н:

U_dо = U_н ∙ К₁ ∙ К₂∙ К₃ = 220 ∙ 1,15 ∙ 1,05 ∙ 1,05 = 278,933 В,

Где К₁ ∙=1,15 – коэффициент, учитывающий снижение напряжения сети;

К₂ ∙=1,05 – коэффициент, учитывающий ограничение угла управления α_min;

К₃ ∙=1,05 – коэффициент, учитывающий явление коммутации в ТП.

Необходимое фазное напряжение обмотки трансформатора:

Линейное напряжение обмотки трансформатора:

Значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Требуемая мощность трансформатора:

По справочнику [1] выбираем трансформатор ТС3П 25/0,7УХЛ4.

S_Т = 29,1 кВА

U_1Л = 380 В

U_2Л = 205 В

I₂ = 82 А

Р_х.х. = 210 Вт

Р_к.з. = 1100 Вт

u_к % = 5,5 %

соединение звезда-треугольник – 11

1.2 Составляем принципиальную электрическую схему силовой части тиристорного электропривода.


Рисунок. 1 Принципиальная схема системы ТП-Д
1.3 Расчет статистических и динамических параметров якорной цепи электропривода
Активное сопротивление двигателя
R_я.д. = _т(R_я + R_д.п) = 1,24 (0,136 + 0,084) = 0,2728 Ом

Где _т =1+0,004 = 1 + 0,004∙60 = 1,24
 = 60С – превышение температуры двигателя над температурой, окружающей среды.

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке.

Ом
Где
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке





Сопротивление, обусловленное явлением коммутации

Сопротивление кабельной продукции соединяющий двигатель с преобразовательным устройством принимаем равным 0,1∙R_я.д.

R_ш = 0,1R_я.д. = 0,1  0,2728=0,002728 Ом

Так как схема преобразования мостовая, а схема соединения вторичной обмотки трансформатора «треугольник», то значения сопротивления и индуктивности трансформатора
R_a = R_тр = 0,2 Ом.

Гн
В случае схемы соединения вторичной обмотки трансформатора в «звезду» полученные значения сопротивления и индуктивности трансформатора необходимо увеличивать в 2 раза.
R_a = 2R_тр


Индуктивность сглаживающего дросселя, включаемого последовательно в цепь якоря двигателя, выбирается из условий обеспечения непрерывности тока двигателя во всем диапазоне нагрузок (от I_dмин до I_dн) и ограничения пульсаций тока i_d до 3 – 5% I_dн.
, Гн,

где I_A=I_dмин – минимальная величина тока нагрузки, равная I_х.х двигателя; m – число фаз выпрямителя; w – угловая частота, w=2πf₁ (для частоты сети f₁=50 Гц w=314); U_п – действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения (для трехфазной мостовой схемы

U_п/U_d0=0,246).

Требуемая индуктивность сглаживающего дросселя:

В данном случае реактор не требуется

Находим полное сопротивление контура тока
R_Э = R_я.д. + R_а+ R_ф + R_ш + R_о.р

R_Э = 0,2728 + 0,4 + 0,229 + 0,02728 + 0 = 0,929 Ом.
Индуктивность контура тока
L_э = L_я.д.+ L_а + L_о.р=0,0044 + 0,00016 + 0 = 0,006 Гн
Электромагнитная постоянная времени контура тока

Электромагнитная постоянная времени двигателя.



Производим расчет «малых некомпенсируемых» постоянных времени контура тока.

Постоянные времени СИФУ и датчика тока согласно [6] принимаем соответственно

Т_у=1∙10^–3 с – постоянная времени СИФУ.

Т_д.т. =1∙10^–3 с – постоянная времени датчика тока.

– среднестатистическое запаздывание преобразователя [7].

Определяем «малую некомпенсируемую» постоянную времени по формуле [7].

где ∑Т_μпр=Т_у+Т_в ∑Т_μобр=Т_дт
∑Т_μпр-постоянная времени прямого канала регулирования

∑Т_μобр-постоянная времени обратного канала регулирования.

Т_μТ=0,00325 с
Определяем передаточные коэффициенты контура регулирования тока.

Передаточный коэффициент измерительного шунта якорной цепи.

Выбираем I_ш=200А

Коэффициент датчика тока определяем исходя из максимальных величин якорного тока и напряжения в канале управления. Для системы регулирования преобразовательного устройства серии КТЭ максимальное напряжение управления составляет 9÷10В, тогда коэффициент обратной связи по току составит


где 1,25 - коэффициент настройки токовой защиты

2,0 – коэффициент, учитывающий максимальный ток двигателя обеспечивающий технологический процесс, при разгоне или торможении.

Определяем коэффициент датчика тока


Принимаем фиксированное значение коэффициента К_ДТ=150 (из ряда: 50, 100, 150, 200)

Находим действительное значение К_Т

Максимальное напряжение обратной связи U_ос при I=I_max

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя при косинусоидальной форме опорного напряжения


где U_y90⁰-максимальное напряжение управления необходимое для изменения угла управления на 90⁰.

В случае пилообразного опорного напряжения

где К_θ=90/10=9град/В - крутизна рабочего участка, т.е. передаточный коэффициент СИФУ


В преобразователях серии КТЭ – линейное опорное напряжение

57,3-переводной коэффициент К_θ в радианную меру

е_d=Е_d/E_d0=0-относительное значение ЭДС преобразователя при е_d=0, значение К_ТП будет максимальным

На основании результатов расчета составляем передаточную функцию тиристорного преобразователя и двигателя постоянного тока по току.



2.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА ТОКА
2.1.Согласно принципу компенсации составляем передаточную функцию «ПИ» регулятора тока

Согласно принципа технического оптимума выбираем коэффициент усиления регулятора тока по формуле

Частота среза разомкнутого контура тока

Постоянная интегрирования регулятора тока


Принимаем масштабный коэффициент равным единице, т.е. R_ЗТ/R_T=1

Задаемся значением емкости С_ос=0,5∙10^-6 Ф, тогда


Определяем значение сопротивления R_ЗТ из выражения


Расчетные значения R_ЗТ, R_oc приводят к ближайшим стандартным значениям, но чтобы отклонения не превышали ±5%.

Составляем схему «ПИ» регулятора тока



Рисунок 2. Принципиальная схема «ПИ» регулятора тока
2.2 Составляем структурную схему системы регулирования тока


Рисунок.3. Структурная схема системы регулирования тока
Составляем результирующую передаточную разомкнутого контура тока оптимизированного по модульному оптимуму.



Рисунок 4а Структурная схема системы регулирования тока, оптимизированной по М.О.

Рисунок 4б Кривая переходной функции

Рисунок 5 ЛАЧХ, ЛФЧХ разомкнутого контура тока

4. Пользуясь прикладным программным комплексом «Matlab» производим построение кривой переходной функции ЛАЧХ, ЛФЧХ системы регулирования тока.

5. По результатам исследования производим анализ качества регулирования.

1. частота среза ω_ср=

2. запас устойчивости по фазе ∆φ⁰=20,4⁰

3. перерегулирование δ%=2,303%

4. время достижения первого согласования t_с=0,0115с

5. время достижения первого максимума t_μ=0,0278 с

6. время переходного процесса t_р=0,0239 с


3 РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ.

3.1 Структурная схема замкнутого контура тока оптимизированного по модульному оптимуму



. Рисунок 6. Структурная схема контура тока.
после соответствующего преобразования получаем результирующую передаточную функцию замкнутого контура тока.


Результирующая передаточная функция представляет собой систему второго порядка.

Важнейшей характеристикой такой системы является коэффициент демпфирования

где α-коэффициент при р²

β- коэффициент при р

таким образом, коэффициент демпфирования при оптимизации по модульному оптимуму равен


В дальнейшем в передаточной функции W_зт(р) замкнутого контура тока член 2Т_μТ²р² с достаточной для практических расчетов точностью можно опустить, если последовательно с ним включено интегрирующее или инерционное звено с постоянной времени Т>>Т_μТ. В

нашем случае последовательно будет включено интегрирующее звено с электромеханической постоянной времени Т_эм, которое намного больше Т_μТ.

Таким образом, передаточная функция замкнутого контура тока будет иметь вид



В дальнейшем примем обозначение 2Т_μТ=Т_Т

4 .РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ

4.1 Расчет параметров пропорционального регулятора скорости.
Для однократной интегрирующей системы передаточная функция регулятора скорости по МО должна иметь вид


где Т_μс–некомпенсируемая малая постоянная времени контура скорости

Т_μс =Т_т +Т_ф.о.с.

где Т_т-постоянная времени замкнутого контура тока

Т_ф.о.с.-постоянная времени фильтра в цепи обратной скорости

В нашем случае для простоты расчета принимаем Т_ф.о.с.=0,001с.

По предыдущему примеру расчета контура тока

Т_т=2Т =2·0,00325=0,0065

тогда Т_μc =Т_т +Т_ф.о.с.=0,0065+0,001=0,0075 с

К_т=0,0563; R_Э=0,929 Ом; R_я.д.=0,2728 Ом

по условию оптимизации по техническому оптимуму

Т_кс=2Т_μс=2·0,075=0,015 с

Находим значения С_eФ и С_МФ
,


;
;


;


Электромеханическая постоянная времени привода


К_р.с=
Находим значение К



Принимаем U_3max=10В
- коэффициент обратной связи по скорости







. Рисунок 8 Структурная схема контура скорости

Рисунок. 9а Переходной процесс разомкнутого контура скорости





Рисунок. 9б ЛАЧХ, ЛФЧХ разомкнутого контура скорости

По результатам исследования производим анализ качества регулирования.

1. Частота среза ω_ср=

2. Запас устойчивости по фазе ∆φ⁰=19,1

3. Перерегулирование δ%=77,25%

4. время достижения первого согласования t_с=0,274 с

5. время достижения первого максимума t_μ=3,8 с

6. время переходного процесса t_р=0,0873 с



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Под. ред. В. М. Перельмутера «Комплектные тиристорные электроприводы». Справочник. М., Энергоатомиздат, 1988. 318с.
   
2. 
   Анучин, А.С. Системы управления электроприводов / А.С. Анучин. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2015. - 373 c.
   
3. 
   Москаленко, В.В. Системы автоматизированного управления электропривода / В.В. Москаленко. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2016. - 208 c.
   
4. 
   Аксенов, М.И. Моделирование электропривода: Учебное пособие / М.И. Аксенов. - М.: Инфра-М, 2014. - 104 c.
   
5. 
   Якуничева, О.Н. Проектирование электропривода промышленных механизмов: Учеб-ное пособие / О.Н. Якуничева, А.П. Прокофьева. - СПб.: Лань, 2014. - 448 c
   
6. 
   Терехов В.М. Системы управления электроприводов : Учеб. / Терехов В.М. - 3-е изд.,стер. - М.: Академия, 2008. - 304 с.
   
7. 
   Шеховцов В.П. Электрическое и электромеханическое оборудование : Учеб. / Шеховцов В.П. - 2-е изд. - М.: Форум, 2009. - 416 с.
   
8. 
   Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока трансформаторы : Учеб. для вузов / Вольдек А.И.,Попов В.В. - СПб: Питер, 2008. - 320 с.