Двигатель постоянного тока независимого возбуждения


Реферат

 

Курсовая  работа содержит пояснительную записку  на 22 листах формата A4, 8 рисунков, 2 таблицы.

Ключевые  слова: двигатель постоянного тока независимого возбуждения, регулировочная характеристика, пусковая характеристика, разгонная пусковая характеристика, логико-командный регулятор.

Объектом  разработки является логико-командный  регулятор электродвигателя постоянного  тока независимого возбуждения.

Цель работы - разработать логико-командный регулятор  электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения.

 В результате  работы получили схему логико-командного  регулятора электродвигателя постоянного  тока независимого возбуждения.

В проекте  поставлена задача разработки схемы  логико-командных регуляторов управления электроприводами постоянного и  переменного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Содержание

 

  1. Задание и исходные данные
  2. Теоретическая часть
  3. Схема и описание типовой структуры
  4. Уравнение вход-выход двигателя постоянного тока независимого возбуждения
  5. Технические характеристики исполнительного механизма
  6. Регулировочная характеристика
  7. Пусковая характеристика
  8. Разгонная пусковая характеристика двигателя w=f(t)
  9. Схема логико-командного регулятора
  10. Заключение
  11. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Задание

 

 

  1. В соответствии со своим вариантом из табл. 1 выбрать тип двигателя и выписать его технические параметры. Используя паспортные данные двигателя, рассчитать коэффициенты уравнения «вход-выход».

 

  1.  Построить графики технических характеристик исполнительного механизма.

 

а) при rдоб=0, Uв=Uв ном и трех значений напряжения на якоре: Uя=Uя ном Uя=0,6Uя ном Uя=0,3Uя ном

 

б) при rдоб=0, Uя=Uя ном и трех значений напряжения на обмотке возбуждения Uв=0,6Uв ном , Uв=0,8Uв ном , Uв=1,2Uв ном

Все графики  по п.п. а и б построить в  одних осях координат; на каждом графике, указать точку, соответствующую  значению момента нагрузки Мсном ; определить скорость вращения якоря.

 

в) при Uя=Uя ном и Uв=Uв ном рассчитать значения добавочных сопротивлений rдоб в цепи якоря, чтобы скорость вращения якоря при номинальном моменте нагрузки Мся ном составила 75%, 50%, 25%, 0 от номинальной скорости. Построить графики w=f(M), на которых отложить точки соответствующие указанным значениям скорости.

 

 

г) В режиме динамического торможения при номинальном  напряжении на обмотке возбуждения  и двух значениях добавочного  сопротивления rдоб = 0 и rдоб = 5 rоя ; Рассчитать время торможения двигателя от номинальной скорости до остановки при моменте сопротивления Мся ном и моменте инерции нагрузки Iнагр=0,75Iя.

 

  1. Построить графики регулировочных характеристик при rдоб = 0, Мсяном и трех значений напряжения на обмотке возбуждения : Uв=0,8Uв ном ; Uв=Uв ном ; Uв=1,2Uв ном ;

 

  1. Рассчитать и построить пусковую характеристику(3-4 ступени), принимая момент сопротивления Мсяном и коэффициент нагрузки l=4. Определить значение сопротивления пускового реостата.


 

  1. Рассчитать и построить разгонную пусковую характеристику двигателя w=f(t), приняв LS = 2Lя; RS = (Rя+Rдн)*Kto + Rп.р.; IS = 1,75Iя; Mс = Mяном.

 

  1. Выбрать элементы пускорегулирующей аппаратуры. Разработать принципиальную схему ЛКР и привести её описание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Исходные  данные

 

Параметр

Единицы измерения

Значение

Типоразмер двигателя М

-

33

Номинальная  скорость     -    w н

Об/мин

2200

Напряжение    -   U н

В

110

Мощность Рн

кВт

2,1

Ток   -   I н

А

11,0

Момент   -   M н

H*м

9,1

Магнитный поток   -   Фн

10-3вб

3,83

КПД   -   hн

%

86,7

Максимальная скорость при ослаблении потока

Об/мин

4000

Момент инерции -  J д

кГ* м2

0,028

Сопротивление якоря при 15С - R оя

Ом

0,5

Число витков якоря   -   Wя

витк

368

Число витков обмотки возбуждения  на полюс

витк

3000

Сопротивление обмотки возбуждения  при 150С

Ом

760

Сопротивление добавочных полюсов  при 15С -Rдп

Ом

0,264

Перегрузочная способность по току -

-

4

Температурный коэффициент – К t при tрасч=1300С

-

1,32

Число пар полюсов – P n

-

2


 

- расчетная величина индуктивности обмотки якоря.

 

 

 

 

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  СВЕДЕНИЯ

        При построении механических и регулированных характеристик двигателя независимого возбуждения следует использовать уравнение «вход-выход» двигателя

                                  ,                          (1. 1)

где (в системе СИ);

р, N, 2а – соответственно число пар полюсов, общее число проводников обмотки якоря, число параллельных ветвей обмотки;

Uя - напряжение якоря;

Мд – вращающий электромагнитный момент;

Rяц  - активное сопротивление якорной цепи, которое следует рассчитывать с учетом нагрева обмотки по формуле:

                                                         (1. 2)

где Rд.п. – сопротивление дополнительных полюсов;

=1,32 температурный коэффициент приведения сопротивления к расчетной температуре:

.

        Для построения пусковой механической характеристики двигателя независимого возбуждения определяют максимальное значение пускового момента, исходя из перегрузочной способности по току ( )

                                    .                                  (1. 3) 

      Минимальное значение пускового момента Мп min, подбирают так, чтобы пуск двигателя происходил в (3÷4) ступени (рис. 1. 1).

      Рассчитывают сопротивление  ступеней пускового реостата графо-    

аналитическим методом (рис. 1. 1).

      Определяют номинальное  сопротивление двигателя

                                         .                                     (1. 4)

      Этому сопротивлению  соответствует отрезок ад на рисунке 1. 1.

      Сопротивление ступеней  реостата определяют из соотношений:


; ; ; .

      Полное сопротивление  пускового реостата: 

.


Рис. 1. 1. Пусковые характеристики двигателя независимого возбуждения.

 

 

Рис. 1. 2. Зависимость момента

и скорости
от тока i якоря.

     Зависимость момента  и скорости от тока i якоря двигателя

последовательного возбуждения в относительных единицах:

;
;
.

    Для линеаризованной зависимости между потоком и током якоря и неучете насыщения магнитной системы уравнения «вход-выход» двигателя последовательного возбуждения имеет  вид:

                                                    (1. 5)

       По уравнению (1. 5) следует построить естественную механическую (ЕМ) и регулировочную характеристику двигателя последовательного возбуждения, которые дают лишь общее представление взаимосвязи между скоростью, моментом и напряжением.

   Реальные естественную (ЕМ) и реостатную механические характеристики можно построить с помощью универсальных характеристик в относительных единицах, приведенных на рис. 1. 1 для заданных в табл. 2 типов двигателей, используя уравнение «вход-выход» в относительных единицах:

                    

,                            (1. 6)

где

(см. (2. 2) и (2. 4));

;
;
;
;

- значение скорости на естественной  характеристике ЕМ;

- сопротивление  обмотки возбуждения;

- сопротивление реостата.

  Механические характеристики в режиме динамического торможения построить для схемы с независимым возбуждением, включив обмотку возбуждения через добавочное сопротивление, величину которого следует рассчитать, при номинальном напряжении питания.

   Пусковую механическую характеристику двигателя последовательного возбуждения следует строить – графо-аналитическим способом (рис. 1. 3). Число ступеней пускового реостата должно быть равно (3÷4). Максимальное значение пускового момента выбирают, исходя из допустимой перегрузочной способности двигателя:

                                                               (1. 7)               где - коэффициент перегрузки по току.   Минимальное значение пускового момента подбирают графически. Строят естественную механическую характеристику (рис. 1. 3).


 

Рис. 1. 3. Пусковые характеристики двигателя последовательного возбуждения.

    


      Для момента по ЕМ характеристике находят скорость и откладывают т. g влево от оси ординат на расстоянии, равном в соответствии с выбранным масштабом внутреннему сопротивлению двигателя:

       По оси абсцисс влево откладывают отрезок , соответствующий в том же масштабе сопротивлению

и проводят линию аg.

      Задаваясь несколькими значениями минимального пускового момента

,

строят линию mh. Отрезок 0m в масштабе равен сопротивлению   

                                                        .

       Построив ломаную линию a b c d e f g (пунктир), получают пусковую характеристику двигателя. Отрезки  bc, de, fg в масштабе соответствуют сопротивлениям  реостата , , .

  Для выполнения задания следует использовать известные соотношения [1, 2] для 3-х фазных асинхронных двигателей:

- формула Клосса;                     (1. 8)

- скорость вращения ротора;                  (1. 9)

- номинальное скольжение;                     (1. 10)

- скорость вращения магнитного  поля;       (1. 11)

p – число пар полюсов обмотки статора;                    (1. 12)

-  максимальный (критический)  момент;                                                                                      (1. 13)

- критическое скольжение;                                                                              

                                                                                                     (1. 14)

- реактивное сопротивление короткого  замыкания;

                                                                                                     (1. 15)

- номинальное сопротивление  ротора;  (1. 16)


- активное сопротивление обмотки  статора; (1. 17)

- приведенные активное и реактивное  сопротивление обмотки ротора;                                                 (1. 18)

- коэффициент трансформации;                  (1. 19)

- номинальный момент двигателя.            (1. 20)

  Построение механических характеристик двигателя необходимо проводить по точкам скольжение S в пределах от 0 до 1 с дискретностью 0,1.

  Результаты вычислений по соотношению (1. 8) свести в таблицу.   

  При пониженном напряжении питания следует пересчитать значение момента в нескольких точках:

,

 где  - значение момента на ЕМ характеристике при номинальном напряжении. По полученным данным в тех же осях построить механическую характеристику двигателя.

   Построение пусковой механической характеристики двигателя и    

расчет сопротивлений  пускового реостата следует выполнить  графоаналитическим способом (рис. 1. 4)

 

Рис. 1. 4 Пусковая механическая характеристика асинхронного двигателя


    Максимальный пусковой момент принять равным            (0,8 ÷ 0,9) . Построив естественную механическую характеристику (ЕМ), через точки и провести перпендикуляры соответственно к оси абсцисс и ординат.

   Задаваясь несколькими значениями , построить линию переключения bд и kg, параллельно оси ординат. Через точки а и b провести прямую at. Точка t является центром, из которого исходят прямые tc, te, tд. Отрезки gh, ef, cd являются участками реостатных механических характеристик двигателя.

Сопротивления пускового реостата определяют из следующих  соотношений:

; ; ; - полное сопротивление пускового реостата.

  Для найденных сопротивлений в тех же осях построить искусственные механические характеристики в диапазоне скольжений от 0 до 1. Расчетные данные привести в таблице.

    Расчет и построение разгонной пусковой характеристики проводится с помощью уравнений динамики для двигателей постоянного тока:

                 

где , - суммарные значения индуктивности и активного сопротивления контура якоря при пуске двигателя.

       При этом предполагается при  пуске двигателя неизменными                                                   напряжение U, момент сопротивления и магнитный поток .

   При расчете разгонной пусковой характеристики 3-х фазного асинхронного двигателя инерционностью электромагнитных процессов в обмотках статора и ротора пренебречь. В этом случае динамика асинхронного привода описывается уравнением (22), где зависимость момента от скорости в зоне пуска (рис. 1. 4) считается линейной функции 

                                                                          (23)

        Зависимости (21)÷(23) позволяют определить полное время разгона до установившейся скорости ( ) и время торможения до полной остановки при динамическом торможении двигателей независимого и последовательного возбуждения, а также торможение противовключением  асинхронного двигателя.

 

 

 

Схема и описание типовой структуры.


 

Локальные системы контроля, регулирования  и управления (ЛСКРиУ)

 

Эти системы эффективны при автоматизации  технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.


            

 

 

 

Типовая структура локальной системы  контроля, регулирования и управления.

     Локальные регуляторы (ЛР) могут быть аналоговыми, цифровыми,  одно- или многоканальными. Наличие человека-оператора (лица, принимающего решение—ЛПР) в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление (РУ). Структура ЛСКРиУ соответствует классической структуре систем управления: содержит датчики измеряемых переменных (Д) на выходе технологического объекта управления (ТОУ),автоматические регуляторы, УОИ - устройство отображения информации , исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе и от ЛПР в режиме ручного управления) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов.


4. Уравнение “вход-выход” двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Используем известное уравнение  «вход – выход» двигателя постоянного  тока независимого возбуждения: [1]               (1)

где UЯ – (UЯН=110В) - напряжение на якоре;

 

R - (R=(rЯ + rДП)*К t=(0,5+0,264)*1,32=1,01 Ом) - собственное сопротивление якоря;

wн=2200 об/мин=104,6рад/c;

 Н*м/А;

 В*с/рад;

В результате подстановки исходных данных в формулу (1) получим:

 

                                     (2)

 

 

5. Технические характеристики исполнительного механизма

 

а) Воспользуемся формулой (2) и зная что rдоб=0 Ом, UB=UB ном найдём:

w1=0,95*110-1,16*M (рад/с) при Uя=Uя ном

w2=0,95*110*0,6-1,16*М (рад/с) при Uя=0,6Uя ном

w3=0,95*110*0,3-1,16*М (рад/с) при Uя=0,3Uя ном

Для построения характеристик требуется по 2 точки  для каждой прямой.

при М=0 Н*м w1=104,5 рад/с; w2=62,2 рад/с w3=31,35 рад/с

при М=9,1 Н*м w1=93,94 рад/с; w2=51,64 рад/с w3=20.79 рад/с

По полученным точкам построим характеристики (см. рисунок 2).


 

рисунок 2 Механические характеристики

 

1) Естественная механическая характеристика  исполнительного механизма;

2) Механическая характеристика  исполнительного механизма при  Uя=0,6Uя

3) Механическая характеристика  исполнительного механизма при  Uя=0,3Uя

б) Воспользуемся формулой (2), и зная что rдоб=0 Ом, Uя=Uя ном, а также учитывая что kEºUВ[1] получим

w1=0,95*110/0,6-1,16/0,6*M (рад/с) при UВ=0,6UВ ном

w2=0,95*110/0,8-1,16/0,8*М (рад/с) при UВ=0,8UВ ном

w3=0,95*110/1,2-1,16/1,2*М (рад/с) при UВ=1,2UВ ном

Для построения характеристик требуется  по 2 точки для каждой прямой.

при М=0Н*м w1=174,17 рад/с w2=130,63 рад/с w3=87,09 рад/с

при М=9,1Н*м w1=156,57 рад/с w2=117,43 рад/с w3=78,29 рад/с

По полученным точкам построим характеристики (см. рисунок 3).  

рисунок 3 Механические характеристики.

 

1) Механическая характеристика  исполнительного механизма при  UВ=0,6UВ

2) Механическая характеристика  исполнительного механизма при  UВ=0,8UВ

3) Механическая характеристика  исполнительного механизма при  UВ=1,2UВ

в) Воспользуемся формулой (2) и зная что UВ=UВ ном, Uя=Uя ном  а также учитывая что МСЯ ном рассчитаем rдоб так, чтобы:

w1=0,75wном=78,5 рад/с

0,75*104,66=0,95*110-(1,16+1,32*rдоб)/(0,83*1,05)*9,1

1,16+1.32*rдоб =2,49

rдоб=1,61Ом

 

w2=0,5wном=52,33 рад/с

0,5*104,66=0,95*110-(1,16+1,32*rдоб)/(0,83*1,05)*9,1

1,16+1.32*rдоб =4,99

rдоб=4,11Ом

 

w3=0,25wном=26,16рад/с

0,25*104,66=0,95*110-(1,16+1,32*rдоб)/(0,83*1,05)*9,1

1,16+1,32*rдоб =7,5

rдоб=6,62Ом

 

w4=0wном=0 рад/с

0=0,95*110-(1,16+1,32*rдоб)/(0,83*1,05)*9,1

1,16+1,32*rдоб =10

rдоб=9,12Ом

 

Для построения характеристик требуется  по 2 точки для каждой прямой.


По формуле (2)

 

при М=0 Н*м w1= w2= w3= w4=104,76рад/с

при М=9,1 Н*м w1=87,95 рад/с w2=61,84 рад/с w3=35,64 рад/с w4=9,53 рад/с

По полученным точкам построим характеристики (см. рисунок 4).

 

рисунок 4 Механические характеристики


 

1) Механическая реостатная характеристика  исполнительного механизма, обеспечивающая  при номинальном моменте нагрузки  при w=0,75wн

2) Механическая реостатная характеристика  исполнительного механизма, обеспечивающая  при номинальном моменте нагрузки  при w=0,5wн

3) Механическая реостатная характеристика  исполнительного механизма, обеспечивающая  при номинальном моменте нагрузки  при w=0,25wн

4) Механическая реостатная характеристика  исполнительного механизма, обеспечивающая  при номинальном моменте нагрузки  при w=0wн

г) Для расчёта времени торможения двигателя в режиме динамического  торможения воспользуемся формулой[2]:

                                               (3)

где JS = 0,75Jя=0,75*0,028=0,021кг*м2

   

  Mc =Mяном – момент сопротивления;

   RS = (Rя+Rдн)*Kto + Rдоб.*Kto =(0,5+0,264)*1.32+ Rдоб.*Kto =1,01+ Rдоб.*Kto Ом;

     

Тогда при  Rдоб=0 Ом формула (3) примет вид:

Mд = - из уравнения (1) при = 0, так как режим динамического торможения;


;    t1=0,06с

 

Тогда при  Rдоб=5*Rя =5*0,5=2,5 Ом формула (3) примет вид:

 

RS=1,01+2,5*1,32=4,31 Ом;

Mд = - из уравнения (1) при = 0, так как режим динамического торможения;

;    t2=0,14с

 

 

 

6. Регулировочная характеристика

Для построения регулировочных характеристик воспользуемся  формулой (1). Учитывая что rдоб=0 Ом и МСЯ ном w=0 рад/с

w=1/kE*U-RS/kE*kM*Mном


 

 

 

 

 

 

 

 

Для построения характеристик требуется по 2 точки  для каждой прямой.

При U=30  w1(U)=26,28рад/с; w2(U)=21,02 рад/с; w3(U)=17.52 рад/с;

При U=110  w1(U)=131,54 рад/с; w2(U)=105,23 рад/с; w3(U)=87,69 рад/с;

По полученным точкам построим характеристики (см. рисунок 5).


рисунок 5 Регулировочная характеристика

 

1) Регулировочная  характеристика при уменьшенном  напряжении на обмотке возбуждения  UВ=0,8UВН;

2) Регулировочная  характеристика при номинальном  напряжении на обмотке возбуждения  UВ=UВН;

3) Регулировочная  характеристика при увеличенном  напряжении на обмотке возбуждения  UВ=1,2UВН;

 

7. Пусковая характеристика

 

Для расчета  пусковой характеристики вначале произведем расчет тех данных, которые нам  понадобятся в дальнейшем:

М1=l*Мном=4*9,1 Н*м=36,4 Н*м 

где l=4 – нагрузочная способность.

М2=1.2*Мном=1,2*9,1 Н*м=10,92 Н*м, нас данный момент не устраивает т. к. не выполняется условие 3-4-х ступеней. Следовательно нужно подобрать М2, так чтобы у нас получилось 3 или 4 ступени пуска двигателя.

 

 

 

Найдем M2 по формуле (2).


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получили что w1(M1)=w4(M2), что и нужно было получить. У нас получилось 3 ступени пуска.


 

 

 

 

 

Для построения пусковой характеристики требуется по 2 точки для каждой прямой.

При M=0 w1=w2=w3=w4=w5=106,7 рад/с.

 
При


 

 

 


 

При


 

 

 

 

 

 

По полученным данным построим пусковую характеристику (см. рисунок 6).

 

 

рисунок 6 Пусковая характеристика двигателя

 

1) Естественная механическая характеристика;

2) Реостатная механическая характеристика, обеспечивающая 1 ступень разгона;

3) Реостатная механическая характеристика, обеспечивающая 2 ступень разгона;

4) Реостатная механическая характеристика, обеспечивающая 3 ступень разгона;

 

Rн=Uн/Iн=110/11=0 Ом;

Ом  ; Ом;

Ом; Ом;

=2,4678 Ом


 

 

 

 

8. Разгонная пусковая характеристика двигателя w=f(t),

 

Для расчета  разгонной пусковой характеристики найдем значения, которые понадобятся  в дальнейшем:


; ;

 кГ*м2;       

;

;

;

 

1-ая  ступень:

M1 =26,9 H*м; M2 =36,4 H*м; 

w1=0 рад/c;   w2=27,3 рад/c;   w(0)=w1=0 рад/c;

;

0,049*w(p)*p2 –0,049*w(0)*p =27,3-0,35*w(p)*p ;

w(p)= = ;

p1=0;    p2=-7,143;

A’=0,098*p+0,35;

w(t)=

T1:  

T1=ln(0,4)/(-2,45)

T1=0,374 с;

 

2-ая  ступень:

M1 =63,9  H*м; M2 =36,4 H*м;

w1=27,3 рад/c; w2=47,47 рад/c; w(0)=w1=27,3 рад/c;

;

0,049*w(p)*p2 –0,049*w(0)*p =27,78-0,47*w(p)*p ;

w(p)= = ;

p1=0;    p2=-9,59;

A’=0,098*p+0,47;   

w(t)=

T2:  

T2=ln(0,34)/(-2,70)


T2=0,207 с;

 

3-я  ступень:

M1 =26,9  H*м; M2 =36,4 H*м;

w1=47,47 рад/c; w2=62,27 рад/c;   w(0)=w1=47,47 рад/c;

;

0,049*w(p)*p2 –0,049*w(0)*p =27,94-0,64*w(p)*p ;

w(p)= = ;

p1=0;    p2=-13,06;

A’=0,098*p+0,64;   

w(t)=

T3

T3=ln(0,7)/(-10,55)

T3=0,114 с;

 

 

4-ая  ступень (участок естественной  механической характеристики):

M1 =M Н=26,9 H*м;  M2 =36,4 H*м; 

w1=62,27 рад/c;   w2=73,3 рад/c;   w(0)=w1=62,27 рад/c;

;

0,049*w(p)*p2 –0,049*w(0)*p =80,93-0,86*w(p)*p;


w(p)= = ;

p1=0;    p2=-17,55;

A’=0,098*p+0,86;  

w(t)= ;

T4

0,3=

T4=Ln(0,3)/(-1,66)

T4=0,547 с;

Переходный  процесс  практически заканчивается  через T4= 3-5 .

По приведенным  выше формулам составляется таблица  расчетных данных №2.


Таблица №2.

w(t)

t

0

0

0,025

10,78445

0,05

20,92818

0,075

30,46925

0,1

39,44347

0,125

47,88451

0,15

55,82406

0,175

63,2919

0,2

70,31606

0,225

76,9229

0,25

83,13721

0,275

88,98233

0,3

94,48017

0,325

99,65137

0,35

104,5153

0,375

107,98

0,4

118,5267

0,425

127,9676

0,45

136,4188

0,475

143,984

0,5

150,7561

0,525

156,8182

0,55

162,2448

0,575

167,1025

0,6

167,837

0,625

177,932

0,65

186,1951

0,675

192,9586

0,7

206,489

0,725

214,0284

0,75

219,1894

0,775

222,7224

0,8

225,1408

0,825

226,7964

0,85

227,9297

0,875

228,7055

0,9

229,2366

0,925

229,6001

0,95

229,849

0,975

230,0193

1

230,1359

1,025

230,2158

1,05

230,2704

1,075

230,3078

1,1

230,3334

1,125

230,351

1,15

230,363

1,175

230,3712

1,2

230,3768

1,225

230,3806

1,25

230,3833

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения