Министерство  Образования Российской Федерации

Уфимский  Государственный Авиационный Технический  Университет 
 
 
 
 
 

Кафедра АТС 
 
 
 
 
 
 
 

Пояснительная записка

 к  курсовому проекту по дисциплине 

«Электропривод в АСУ ТП» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. АТП-517

Новопольцев М.Ю.

Проверил:        доцент каф. АТС,

к.т.н. Коуров Г.Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Уфа 2005

Задание на курсовое проектирование

По дисциплине «Промышленный электропривод» 

      Задание.

      Разработать самонастраивающуюся систему автоматизированного  электропривода с неизменными динамическими характеристиками во всём диапазоне изменения управляющих и возмущающих воздействий. 

      Исходные  данные.

      В электроприводе использовать двигатель  постоянного тока с независимым  возбуждением. Скорость двигателя может  меняться в процессе управления от нуля до двух номинальных значений. В первой зоне скорость изменяется за счёт регулирования напряжения якоря, во второй зоне скорость меняется за счёт регулирования напряжения обмотки возбуждения.

      Возможные отклонения напряжения промышленной сети могут составлять +10…-15 % номинального значения.

      Момент  нагрузки машины может изменяться в  пределах от М_хх до М_н, где М_хх – момент холостого хода, М_н – номинальный момент.

      Момент  инерции перемещающихся механических частей может изменяться в 2 раза. 

      Порядок выполнения работы. 

      Произвести  предпроектный анализ.

      Разработать техническое задание на СНС автоматизированного  электропривода. Утвердить его у  преподавателя.

      Составить функциональную схему СНС АЭП.

      Выбрать устройство для регулирования напряжения обмотки возбуждения.

      Разработать схему электрическую принципиальную СНС АЭП.

      Произвести  анализ и синтез САР СНС АЭП.

      Построить переходные процессы выходной координаты на скоростях 0.1; 0.9; 1.1; 1.9 номинального значения.

      Произвести  анализ переходных процессов и сделать выводы. 

      Требуемые результаты.

      Максимальное отклонение графика кривой переходного процесса выходной координаты системы электропривода от заданной на любой скорости двигателя не должно составлять более 5% текущего значения. 
 
 

Содержание. 

     Введение           4

1. Предпроектный анализ .................................................................................6

      1.1 ДПТ как объект управления....................................................................6

      1.2 Техническое здание ................................................................................11

      1.3 Моделирование объекта управления....................................................11

2. Разработка функциональной схемы САР...................................................18

3. Разработка структурной схемы САР..........................................................20

4. Анализ переходных функций......................................................................23

5. Разработка схемы электрической принципиальной.................................28

      Заключение...................................................................................................38

      Список  использованной литературы..........................................................39  

Введение. 

     В современном автоматизированном производстве электропривод играет очень важную роль. Его значение не ограничивается преобразованием электрической  энергии в механическую, хотя это  одна из основных функций, выполняемых  электроприводом в производстве. Электропривод – это основной конструктивный элемент металлорежущего станка.

      В машиностроительном производстве существуют противоречия между электронными системами  управления и механическими исполнительными  устройствами. Непосредственное управление механизмами станка от системы ЧПУ невозможно, поэтому электропривод выполняет дополнительные функции согласования системы управления со станком. Повышение технического уровня металлорежущих станков, в первую очередь, связано с совершенствованием характеристик и расширением функциональных возможностей электропривода.

      Электропривод позволяет эффективно решать сложные  и ответственные задачи, связанные  с повышением производительности, точности и автоматизации оборудования. В  приводе главного движения значительную роль играют двигатели постоянного тока с электромагнитным возбуждением с двухзонным регулированием.

      Существующие  системы автоматического управления характеризуются преимущественным использованием принципов подчинённого регулирования и расширением  практического применения адаптивного управления.

      Проблема  управления электроприводом в том, что на объект управления действуют  значительные возмущения, которые существенно  изменяют его свойства. Задача системы  управления автоматизированным электроприводом  заключается в компенсации возмущений и стабилизации свойств объекта управления.

      В данном курсовом проекте требуется  приблизить передаточную функцию объекта  управления при действии на него возмущений к передаточной функции при номинальных значениях путём применения самонастраивающейся системы автоматического управления.

1. Предпроектный анализ 

1.1 ДПТ как объект  управления при  двухзонном регулировании 

      Чтобы определить все внешние воздействия  и выходные координаты объекта управления представим его в виде модели:

Рис. 1 Модель электродвигателя 

  Для определения входных воздействий и выходных координат необходимо выполнить математическое описание объекта управления.

      Управляющие воздействия на электродвигатель можно  определить из уравнения механической характеристики:

где  U – напряжения питания якорной обмотки двигателя, В;

      Се  – электрическая постоянная двигателя;

      См  – механическая постоянная двигателя;

      Ф – электромагнитный поток возбуждения, Вб;

       - угловая скорость вращения  вала двигателя, рад/с;

      М – вращающий момент двигателя, Нм;

      R – сопротивление якорной цепи, Ом. 

      Так как требуется синтезировать систему автоматической регулировки (САР) скорости, то в качестве выходной координаты примем угловую скорость ω.

      По  уравнению механической характеристики видно, что управлять скоростью  вращения вала двигателя можно, изменяя  напряжение якоря и поток возбуждения (изменяя напряжение обмотки возбуждения). В первой зоне (от 0 до ) управление осуществляется по цепи якоря. Во второй зоне (от до ) – по цепи обмотки возбуждения. Теперь схему представленную на рис. 1 можно конкретизировать:

      Уравнения, связывающие поток возбуждения  с напряжением обмотки возбуждения:

      Уравнение электрического равновесия для обмотки  возбуждения:

где  U_в – напряжение питания обмотки возбуждения, В;

      I_в – ток обмотки возбуждения, А;

      R_в – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

      L_в – индуктивность обмотки возбуждения, Гн.

где   - магнитная проницаемость железа;

       - магнитная постоянная, Гн/м;

      S – площадь полюса, м²;

      W_в – число витков обмотки возбуждения;

      L_в – длина магнитной силовой линии, м. 

      После того как определены управляющие  воздействия и выходные координаты, необходимо выделить все возмущения и построить с их учётом структурную схему двигателя постоянного тока. Для этого запишем уравнения электрического и механического равновесия для якоря двигателя. 

      Уравнение электрического равновесия для якорной  цепи:

где  Е – ЭДС самоиндукции якоря, В;

      I – ток якоря двигателя, А;

      L – индуктивность якорной цепи, Гн. 

     Уравнение механического равновесия якоря  двигателя:

где  

      Мс  – момент сопротивления, Нм;

      J – момент инерции механической части двигателя, кгм². 

      В качестве возмущающих воздействий  принимаем изменение момента  сопротивления, момента инерции движущихся частей механизма и напряжения промышленной сети..

     В качестве допущения принимается, что  двигатель работает в номинальном  режиме, следовательно, его температура устанавливается на уровне номинального значения. А значит, что сопротивление обмоток и магнитная проницаемость железа не изменяются.  

      По  приведённым уравнениям строится структурная  схема электродвигателя: 

Рис. 2 Структурная  схема электропривода 

      Для изменения управляющих координат  необходимо применить силовые преобразователи. Такими преобразователями могут  быть тиристорные преобразователи (ТП). При моделировании ТП, как  правило, описываются апериодическим звеном первого порядка. На его вход действует задающее напряжение цепи управления, а на выходе – напряжение питания силовой цепи. Возмущающее воздействие на ТП оказывает отклонение напряжения промышленной сети.

      Структурная схема объекта управления, которым выступает двигатель постоянного тока с силовыми преобразователями, имеет вид:

Рис. 3 Структурная  схема ОУ

1.2 Техническое задание на СНС АЭП

1. Наименование  устройства:

   Адаптивная система электропривода  с двухзонным регулированием скорости двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

2. Цель проектирования:

   Разработка самонастраивающейся  системы автоматизированного электропривода  с двухзонным регулированием  скорости двигателя постоянного  тока с независимым возбуждением с неизменными динамическими характеристиками во всем диапазоне изменения управляющих и возмущающих воздействий.

3. Технические требования:

   - скорость двигателя может меняться  в процессе управления от нуля  до двух номинальных    значений;

   - возможно отклонение напряжения  промышленной сети +10…-15% номинального значения;

   - момент нагрузки машины может изменяться в пределах М_хх…М_н;

   - момент инерции перемещающихся  механических частей может изменяться в два раза;

   - точность регулирования должна составлять 5%.

4. Результат проектирования

         Результатом проектирования должна являться рабочая документация, включающая:

   - пояснительную записку;

       - схему электрическую принципиальную  самонастраивающейся системы автоматизированного  электропривода . 

1.3 Моделирование объекта управления

      После того как ОУ формализован, построена  его структурная схема, необходимо провести моделирование ОУ, чтобы  определить отвечает ли ОУ предъявляемым к нему требованиям. В качестве допущения примем что двигатель работает в установившемся режиме, а значит сопротивления обмоток и магнитная проницаемость не меняются.

      Для моделирования объекта управления выберем двигатель постоянного  тока ПБСТ-43МУХЛ4, технические характеристики которого приведены в таблице 1. 

Таблица 1. Технические характеристики ДПТ ПБСТ-43МУХЛ4

      Выбор тиристорных преобразователей проведём по току, для чего рассчитаем номинальный  ток якоря и ток обмотки  возбуждения:

     Для питания якоря выберем реверсивный  тиристорный преобразователь ППТР, его технические характеристики представлены в табл. 2

       Таблица 2. Технические данные тиристорного преобразователя ПТТР 230-100

      Для питания обмотки возбуждения выберем тиристорный преобразователь ТПР9, его характеристики которых представлены в таблице 3. 

Таблица 3. Характеристики тиристорного преобразователя ТПР9.

      Постоянная  времени этих преобразователей составляет 0.006 с. 

      Далее, находятся коэффициенты См и Се электрической  машины:

     Находим коэффициенты, связывающие поток возбуждения с током возбуждения:

      Регулирование во второй зоне проводится со стабилизацией ЭДС. При увеличении скорости в два раза поток уменьшится в два раза, что вызовет увеличение тока якоря. Необходимо рассчитать момент нагрузки при максимальной скорости.

      Ток якоря при этом моменте при номинальных оборотах будет в два раза ниже номинального и составит 5,4А.

      Следующим этапом синтеза АСУ является моделирование  системы на ЭВМ. Для этого представим все элементы двигателя и тиристорных  преобразователей в виде передаточных функций.

      Передаточная функция двигателя состоит из 2 частей: электрической и механической. Найдём передаточную функцию электрической части двигателя (ЭЧД):

Передаточная  функция механической части двигателя:

Передаточная  функция обмотки возбуждения:

где  

Тогда:

     Передаточные  функции тиристорных преобразователей якоря и обмотки возбуждения:

      Теперь  мы можем смоделировать схему представленную на рис. 2 в среде моделирования MatLab.

Рис. 4 Схема  моделирования поведения ОУ 

      Проверим как  поведёт себя система при воздействии  возмущений. Результаты моделирования:

     Изменим напряжение питания на 15%:

Уменьшим момент сопротивления до нуля:

      Уменьшим вдвое момент инерции

Рис. 5 Результаты моделирования ОУ 

      Как видно из рисунков полученная система не удовлетворяет предъявленным к ней требованиям, т.к ошибка намного превышает положенные по заданию 5%. Для снижения влияния величины питающего напряжения на скорость необходимо построить САР тока якоря и обмотки возбуждения. Компенсировать изменение момента сопротивления можно введя САР контура скорости. Для компенсации изменения момента инерции движущихся частей необходимо ввести адаптивный регулятор, который будет подстраивать коэффицент передачи разомкнутой системы в зависимости от момента инерции.

2. Разработка функциональной схемы САР. 

     Для определения структуры САР необходимо определить, какие функциональные блоки должны присутствовать в системе для реализации поставленных задач.

      Функциональная  схема позволяет достаточно полно  определить, как проходят по схеме  силовые сигналы и сигналы  управления. По функциональной схеме  определяются блоки, которые необходимо использовать при составлении структурной схемы САР. 

Рис. 6 Функциональная схема СНС 

      На  рис. 6:

РТ –  регулятор тока;

РС –  регулятор скорости;

ТП_Якоря – тиристорный преобразователь якорной цепи;

ТП_ОВ – тиристорный преобразователь цепи возбуждения;

ЭМ – эталонная модель объекта управления;

ЭЧД –  электрическая часть двигателя;

МЧД –  механическая часть двигателя;

РЭДС  – регулятор ЭДС;

РАК –  регулятор адаптивного контура;

ЛУ –  логическое устройство;

ОВ –  обмотка возбуждения;

ДТ –  датчик тока;

ДС –  датчик скорости;

ДЭДС  – датчик ЭДС;

      В процессе управления ЭП необходимо, чтобы  выходная координата наилучшим образом  отслеживала изменение входной. При  синтезе САР тока якоря и скорости воспользуемся методом подчинённого регулирования, когда каждому регулируемому параметру соответствует свой регулятор, а задающий сигнал каждого последующего регулируемого параметра соответствует выходу предыдущего регулятора.   Данная система позволяет настраивать каждый параметр отдельно, начиная с внутреннего и делать это независимо от настройки внешнего параметра. В таких системах просто осуществляется ограничение значений параметров путём ограничения выходного сигнала предыдущего параметра. Например при длительном превышении тока якоря своего номинального значения происходит перегрев двигателя, повреждение изоляции проводов и короткое замыкание.

     Для стабилизации тока при изменении напряжения промышленной сети предназначены контуры тока якоря и тока обмотки возбуждения. Контур скорости стабилизирует заданное значение скорости при изменении момента сопротивления. При изменении момента инерции вращающихся частей механизма включается контур адаптации который изменяет коэффициент усиления разомкнутой системы, что приводит к изменению вида переходной функции системы. Задача контура адаптации – подстраивать коэффициент усиления в соответствии с изменением момента инерции.

3. Разработка структурной схемы САР. 

     Разработку  структурной схемы, настройку регуляторов  и моделирование работы системы проведём с использованием пакета Matlab 6.1. Для моделирования системы необходимо представить все элементы в виде  передаточных функций. Выше мы уже сделали это для тиристорных преобразователей и двигателя. Сделаем это для оставшихся элементов. Передаточная функция – это отношение выходной координаты в операторной форме к входной в оператрной форме при нулевых начальных условиях. Исходя из этого определения:

     Передаточная  функция датчика тока якоря:

     Передаточная  функция датчика скорости:

     Передаточная  функция датчика положения:

     Передаточная  функция датчика тока обмотки  возбуждения

       Датчик ЭДС будет восстанавливать  значение ЭДС по формуле  , где значение Се*Ф определяется датчиком тока возбуждения, а - датчиком скорости. Для вычисления ЭДС применим блок умножения.

  Логическое устройство в схеме необходимо для того, чтобы при регулировании в первой зоне до номинальной скорости контур стабилизации ЭДС был отключен. При этом поток возбуждения остаётся неизменным. Во второй зоне регулятор ЭДС стабилизирует значение ЭДС на уровне номинального значения, снижая поток возбуждения. 

      Далее производим настройку регуляторов  тока, скорости и адаптивного контура. Настроим сначала регулятор контура тока. При синтезе систем с подчинённым регулированием в качестве регуляторов обычно выбирают ПИ-ругуляторы, подавляющие усиление на высоких частотах и вносящие в некотором интервале частот отрицательный фазовый сдвиг.

      В качестве регулятора контура скорости примем ПИ-регулятор с передаточной функцией

     Передаточная  функция регулятора скорости:

     Передаточная  функция регулятора положения: