Система автоматического управления электроприводом

Введение:

 

Управление  электроприводами заключаются в  осуществлении пуска, регулирования скорости, торможения, реверсирования, а также поддержания режима работы ЭП в соответствии с требованиями технологического процесса.

В простейших случаях эти  функции осуществляются с помощью аппаратов ручного управления, что снижает производительность механизма и исключает возможность дистанционного управления, что неприемлемо в ряде современных автоматизированных установок

Стремление устранить  недостатки ручного управления привело к созданию аппаратов автоматического управления.

Выбор типа устройств для  построения СУ и типа самих систем определяется требованиями к электроприводу и тем функциям, которые он должен выполнять.

Автоматизация упрощает обслуживание механизмов, даёт возможность осуществить дистанционное управление электроприводами, увеличивает производительность труда.

 

1. Техническое задание:

 

1.1 Данные электропривода и требования  к системе управления:

1. Серия электродвигателя  П-51.
2. Номинальное напряжение 220 В.
3. Номинальная скорость вращения электродвигателя 1500 об/мин.
4. Тип электропривода: реверсивный, однозонный.
5. Диапазон регулирования скорости D_w = 70.
6. Статическая ошибка при регулировании скорости в системе электропривода при изменении тока двигателя от 0 до номинального значения d = 7 %.
7. Момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя 1,1.
8. Момент сопротивления механизма, приведённый к валу двигателя M_С/M_ДВ=1.
9. Характер момента сопротивления на валу механизма: активный.

 

1.2 Программа работы:

 

1. Проанализировать техническое задание и выяснить исходные данные для выбора системы автоматического управления: режим работы привода, диапазон изменения скорости, требования к точности в установившихся и переходных режимах.
2. Выбрать комплектный тиристорный преобразователь из серии ЭПУ1М или ЭПУ3.
3. Рассчитать параметры всех элементов силовой цепи (согласующий трансформатор или токоограничивающий реактор, сглаживающий дроссель и пр.).
4. Составить структурную схему системы электропривода и рассчитать требуемые коэффициенты передачи и постоянные времени.
5. Построить статические электромеханические характеристики электропривода во всем диапазоне изменения параметров задания и нагрузки.
6. Разработать схему подключения электропривода.
7. Составить схемы для моделирования и смоделировать следующие режимы работы: пуск с заданным ускорением, реверс, режим наброса нагрузки
8. По графикам переходных процессов оценить статическую точность регулирования, показатели качества регулирования.

 

2.1 Расчет параметров двигателя

 

Номинальные данные электродвигателя П-51:

Таблица 1

мощность электропривода Pн, кВт	6
номинальная скорость вращения nн, об/мин	1500
сопротивление якоря Rя+ Rдл, Ом	0,472
сопротивление обмотки возбуждения Rв, Ом	682
число включений  в час N	682
номинальный ток Iн, А	33.2
максимальная  скорость вращения nмакс, об/мин	3000
момент инерции JS, кг×м2	0,35
Номинальное напряжение Uном, В	220
число витков обмотки возбуждения на полюс Wв	1500
поток Fн, мВб	5,8
ток обмотки возбуждения Iвн, А	1.27

 

Индуктивность якорной цепи двигателя приближенно может быть рассчитана по формуле Линвиля-Уманского:

- число пар полюсов двигателя;

- коэффициент, зависящий от степени компенсации:

 - для компенсированных машин;

 

Активное сопротивление  якорной цепи двигателя R_Д в нагретом состоянии рассчитывается по его паспортным данным с учетом рабочей температуры обмоток двигателя:

 

Индуктивность обмотки независимого возбуждения  двигателя:

 - число витков обмотки возбуждения на полюс;

= 1,15¸1,25 – коэффициент рассеяния.

 

Сопротивление обмотки возбуждения двигателя, приведенное к рабочей температуре:

 

 

 

 

 

2.2 Выбор комплектного преобразователя:

 

Учитывая значения номинального тока двигателя, а также  значение номинального напряжения, выберем унифицированный трёхфазный реверсивный электропривод серии ЭПУ3.

 

Выберем комплектный  электропривод серии ЭПУ3-2-36271МУХЛ4:

Таблица 2

Э	Электропривод
П	Основное назначение: электропривод постоянного тока.
У	Унифицированный
3	Порядковый  номер разработки
2	Исполнение  по реверсу: 1 – нереверсивный, 2 – реверсивный.
36	Номинальный ток управления: 34–25А, 36–40А, 39–80А, 41–125А,42-160A, 43–200А, 46–400А, 48–630А.
2	Номинальное выпрямленное напряжение блока управления: 1–115В, 2–230В, 4–460В.
7	Напряжение трехфазной питающей сети: 4-220В, 50 и 60Гц; 5-380В, 50 и 60Гц; 7-380В, 50 и 60Гц; 8-400В, 50 и 60Гц; 9-415В, 50 и 60Гц; Р-220В, 60Гц; Ф-230В, 60Гц; Э-415В, 60Гц; Т-440В, 60Гц.
1	Исполнение  по наличию и типу блока возбудителя:1 - БВ-05ХО; 2 - БВ-10ХО; 3 - БВ-20ХО;4 - БВ-05ХД; 5 - БВ-10ХД; 6 - БВ-20ХД
М	Функциональная  характеристика: П - подачи и др., 1:10 000; М - с обратной связью по скорости, 1:1000; Е - с обратной связью по ЭДС, 1:20; Д — двухзонный, 1:1000; И - двухзонный, широкорегулируемыи, 1:60 000;
УХЛ4	Климатическое исполнение (УХЛ, 0) и категория размещения (4) по ГОСТ 15150-69

 

Техническая характеристика ЭПУ3-2-36271МУХЛ4

 

Электропривод унифицированный трехфазный предназначен для создания реверсивных систем управления двигателем постоянного тока. Обеспечивает перегрузку по току до 2. Вид управления: однозонный, с обратной связью по скорости двигателя и диапазоном регулирования скорости двигателя до 1000. Номинальное выходное напряжение 230 В. Напряжение питающей сети 380 В, 50 Гц. Номинальный ток 50 А. Основу силовой схемы составляет трехфазная мостовая схема, выполненная на силовых тиристорных модулях с применением блоков импульсных трансформаторов. Блок возбудителя типа БВ-05ХО, номинальный ток возбудителя .

 

Функциональная схема реверсивного однозонного электропривода приведена в приложении №2, где:

- начальный угол регулирования;

- нормированный сигнал по  току;

- нормированный сигнал по скорости;

- согласующий усилитель скорости;

- узел контроля нулевой скорости;

- узел контроля минимальной  скорости;

- выпрямитель датчика скорости;

- суммирующий усилитель;

- напряжение разрешения;

- напряжение регулятора скорости;

- напряжение тахогенератора;

- напряжение датчика напряжения;

BR - тахогенератор;

F1, F2 - предохранители;

L1 - сетевой реактор;

QF1 - автоматический выключатель;

Б - блокировка;

БВ - блок возбудителя;

БИТ - блок импульсных трансформаторов;

БР - сигнал “блокирование  регуляторов”;

БС - блок силовой;

БУ - блок управления;

БФИ - блок формирователя  импульсов;

ДЕ - датчик ЭДС;

ДН - датчик напряжения;

ДТЯ - датчик тока якоря;

ЗИ - задатчик интенсивности;

ИП - источник питания;

К1 - контакт  задающего канала;

М1 - двигатель  постоянного тока;

НЗ - нелинейное звено;

П - повторитель;

ПХ - переключатель  характеристик;

РС - регулятор  скорости;

РТ - регулятор  тока;

Т - трансформатор;

Т1 - трансформатор  питания;

Т2 - трансформатор  синхронизации;

СИФУ - система  импульсно-фазового управления;

ТТЯ - трансформатор тока якорный;

УЗТ - узел зависимого токоограничения;

УЛ - устройство логическое;

УН - усилитель  нормирующий;

ФИВ - формирователь  импульсов возбудителя;

 

В состав электропривода входит блок управления БУ, силовой  блок БС, блок возбудителя БВ, силовой трансформатор или сетевой реактор,  пульт, двигатель.

Блок БС включает: тиристорный преобразователь ТП с блоком RC-цепей и вариаторами; трансформаторы тока Tl, T2; блоки импульсных трансформаторов БИТ; предохранители и вентилятор в зависимости от исполнения  по току. ТП выполнен по трехфазной мостовой схеме.

Блок возбудителя  подключается к сети непосредственно  или через трансформатор силового блока. БВ имеет два исполнения: для двухзонного  — БВ...Д и однозонного БВ...0 - электропривода.

БВ...0 выполнен по трехфазной асимметричной нулевой схеме с RC-цепями, предохранителями и схемой управления тиристором VS1. При подключении к трехфазной сети напряжением 380-440 В напряжение на выходе блока - 115 В.

Блок управлении подключается к сети непосредственно.

Система регулирования  электропривода выполнена двухконтурной  с ПИ-регуляторами скорости РС1 и  тока РТ. На входе PC1 суммируются сигналы  задания скорости и обратной связи с тахогенератора BR1. РС1 имеет три входа: "Bx.1PC1", "Вх.2РС1" и "Вх.ЗИ". Контакт реле К1 служит для снятия задающего сигнала со входа РС1 при размыкании контакта "Работа". В этом случае происходит электрическое торможение двигателя M1.

Ограничение тока в электроприводе обеспечивается  регулированием напряжения  на входе  повторителя П.  РС1  обеспечивает  регулирование скорости  от n_макс=4 000... 6000 мин^-1  до n_мин1 (около 100 мин^-1)   при изменении   сигнала задания  на   нем   от   10 В   до   напряжения, соответствующего n_мин1  (около 10 мВ).

Задатчик интенсивности  ЗИ предназначен для формирования темпа (интенсивности) разгона, реверса, торможения двигателя. Максимальное время линейного нарастания выходного напряжения ЗИ до 10 с. Предусмотрена возможность дистанционного изменения темпа по входу "Управления ЗИ" в реверсивных электроприводах.

Токоограничение в данной системе обеспечивается за счет ограничения выходного напряжения РС1. При этом исключение бросков тока осуществляется за счет ограничения выходного напряжения РТ. Узел зависимого токоограничения УЗТ обеспечивает токоограничение в зависимости от скорости двигателя. Предусмотрена возможность дистанционного изменения уставки токоограничения  по "Входу УЗТ".

Нелинейное  звено НЗ служит для обеспечения  постоянства коэффициента усиления управляемого выпрямителя в режиме непрерывного и  прерывистого токов.

Сумматор  обеспечивает суммирование сигнала НЗ, пропорционального току, и сигнала положительной связи по ЭДС.

Переключатель характеристик ПХ1 служит для согласования однополярной регулировочной характеристики СИФУ с реверсивным сигналом  управления с выхода .

Управление  тиристорами БС осуществляет трехканальная бесподстроечная СИФУ. Переключение импульсов управления в преобразователе производится устройством логики УЛ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного сигнала датчика  тока ДТ. Управляющий  орган УО  в  СИФУ  устанавливает  углы регулирования

Датчик скорости состоит  из согласующего усилителя n, выпрямителя |n|, нормирующего усилителя УН, узла контроля нулевой скорости n=0, узла контроля минимальной скорости n<n_мин. Нормированный сигнал по скорости, равный 10 В, устанавливается при номинальной скорости.

Формирователь импульсов возбуждения ФИВ  работает совместно с каналом "А" СИФУ якорного преобразователя.

Узел защиты осуществляет защищенность электропривода в аварийных ситуациях,  каждая защита имеет свою аварийную сигнализацию.

Электропривод имеет следующие виды защит:

- от превышения максимального  тока якоря двигателя;

- от превышения максимальной  скорости двигателя;

- от неисправности в  цепи тахогенератора;

- от исчезновения напряжения  сети силовой цепи;

- от обрыва цепи возбуждения  двигателя или перегрузки высокомоментного  двигателя;

- от понижения напряжения в цепи управления;

- от превышения допустимого  времени перегрузки двигателя;

- от перегрева двигателя;

- от перегрева преобразователя  и реактора.

При сигнале  аварии защит 1...7 снимается сигнал "Готовность" в БУ, осуществляется перевод углов в , а через время около 20 мс происходит блокировка формирователей импульсов в СИФУ (сигнал "БФИ") и блокировка регуляторов скорости и тока (сигнал "БР"). Датчики защит 7...9 выдают потребителю информацию о технологической перегрузке. Время тепловой перегрузки устанавливается 10 с (или может быть изменено). По истечении заданного времени алгоритм  действия данных защит аналогичен защитам 1...7.

При снятом сигнале "Работа" и достижении скорости нулевого значения в электроприводе обеспечивается блокировка регуляторов в состоянии "О", несмотря на возможные возмущения вала со стороны механизма, при этом вал двигателя можно устанавливать в требуемое положение (режим "мягкого" вала) . Если необходимо иметь режим "жесткого" вала при n=0, сигнал "Работа" не снимается, а снимается лишь  задающий сигнал.

Электропривод выдаёт следующие сигналы:

- "сухой"  контакт:

- "Готовность" — выход 1 и выход 2;

- "n = n_мин" -скорость меньше минимальной;

- "n=n_зад" — скорость равна заданной;

открытый коллектор  транзистора:

- "Готовность" — выход 3;

- "Выход  ТП" - сигнал технологической перегрузки;

- нормированные  сигналы: I_Я норм, n_норм.

Электроприводы  обрабатывают следующие сигналы:

- "Работа";

- "АО" -аварийное  отключение;

- "Сброс" - сброс защит;

- "Вход УЗТ" - внешнее токоограничение;

- "Управление  ЗИ" - внешнее изменение уставки;

- "Коррекция  PC" - внешнее изменение коррекции  PC;

 

Подключение БУ, БС, БВ производим через коммутационные аппараты:

А3110  со следующими параметрами:

I_н.расц=100 - номинальный ток расцепителя, А

I_н=150 - номинальная уставка на ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А.

 

Схема внешних  подключений электропривода к сети дана в приложении №1.

 

2.3 Выбор тахогенератора

 

В комплектных  электроприводах серии ЭПУ исполнения М, П, Д, И в качестве датчика скорости применяется тахогенератор постоянного тока.

Выбор тахогенератора осуществляется по номинальной скорости двигателя и максимальной рабочей  скорости двигателя во всем диапазоне  регулирования.

1500=1500об/мин

где  - номинальная скорость тахогенератора

Выберем тахогенератор типа ТМР-800-Т

Таблица 3

Тип	Рн, Вт	Uн, В	,об/мин	Рабочий диапазон частот, об/мин	Возбуждение
ТРМ-800-Т	500	440	1500	До 2000	Независимое постоянного тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Выбор силового трансформатора:

 

Расчетная типовая  мощность трансформатора:

,

где  

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения в питающей сети на 15%;

 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока от прямоугольной;

 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в вентилях, обмотках трансформатора, а также наличие узлов коммутации;

 - среднее значение напряжения на выходе ТП, В;

 - среднее значение тока на выходе ТП, А;

 - выходная мощность преобразователя, Вт.

 

Тогда мощность найдется как:

 

Расчетным данным соответствует трансформатор ТС-16 со следующими номинальными данными:

Таблица 4

Мощность трансформатора Sн, кВА	16
Напряжение U1Л, В	380
Напряжение  вторичной цепи U2Л, В	230
Потери холостого хода DPх.х., Вт	213
Потери при  кз DPкз., Вт	529
Напряжение  к.з. Uк, %	4,6

 

Расчет значения

Полное  сопротивление фазы трансформатора:

где  - напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

 - действующее значение фазовой ЭДС вторичной обмотки, В;

 - номинальный фазовый ток этой обмотки.

Активное  сопротивление фазы трансформатора , приведенное к вторичной обмотке:

 

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

.

 

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к  вторичной обмотке:

 – активное сопротивление  силового трансформатора (для мостовой  трехфазной схемы  );

 - активное сопротивление тиристора, Ом;

  – коммутационное сопротивление преобразователя;

 - кратность пульсаций выпрямленного напряжения (для трехфазной мостовой симметричной схемы ).

 

 

Индуктивность преобразователя  :

Гн

 

2.5 Выбор сглаживающего дросселя:

 

При работе ТП на якорь двигателя часто  необходимы сглаживающий дроссель, который  служит для сглаживания пульсаций  выпрямленного тока, ограничивает зону  прерывистых токов, ограничивает ток  через вентили при К.З. на стороне постоянного тока или опрокидывании инвертора.

 

Индуктивность сглаживающего дросселя:

 - полная индуктивность якорной цепи.

 

Расчет значения :

а) ограничение зоны прерывистых  токов:

 – полное сопротивление  якорной цепи ТП-Д;

 

Постоянная  двигателя:

 

 

где  граничное значение непрерывного тока , А;

m - кратность пульсаций;

 максимальный угол регулирования:

 

б) ограничение  пульсаций выпрямленного тока

где   амплитуда основной гармонической составляющей выпрямленного напряжения , В;

 кратность гармоники (К=1, 2, 3). Для мостовой и нулевой схем  выпрямления К=1;

 номинальный выпрямленный  ток преобразователя, А;

допустимое действующего значение основной гармоники тока .

 

Таким образом,

 

Полученным  расчетным данным удовлетворяет  реактор ФРОС-8/0,5:

 

Тогда полная индуктивность якорной цепи:

 

3.1 Расчет регуляторов скорости и тока:

 

Система регулирования  электропривода двухконтурная с  ПИ-регуляторами скорости и тока с  задатчиком интенсивности на входе  регулятора скорости:

 

 

Рис.1. Структурная схема ЭП с подчинённым регулированием

 

 - постоянная времени регулятора тока якоря;

 - коэффициент обратной связи по току;

 – коэффициент усиления  преобразователя;

 - номинальное напряжение преобразователя, В;

 - номинальное напряжение управления преобразователя.

 - малая постоянная времени контура тока якоря.

 - коэффициент усиления регулятора тока;

 

Передаточная  функция ПИ-регулятора тока:

 

 

3.2  Расчет параметров элементов регулятора тока:

 

Постоянная  времени: , задаваясь , находим

Сопротивление на входе регулятора тока:

Сопротивление в цепи обратной связи по току находится из выражения:

где - коэффициент датчика тока.

 

Суммарный момент инерции

 - механическая постоянная времени электропривода, с;

Оптимальная неточность стабилизации скорости при  использовании П–РС по формуле:

где - статический ток якоря двигателя, обусловленный нагрузкой на валу,А

Неточность  стабилизации скорости по заданию:

Так как  , то в контуре скорости нужно использовать ПИ–РС.

 

Передаточная функция ПИ - регулятора скорости имеет вид:

Коэффициент обратной связи по скорости,

 

 

3.3  Расчет параметров элементов регулятора скорости:

 

Примем 

Коэффициент передачи тахогенератора (ТГ), В·с

где - номинальная скорость и напряжение на якоре ТГ соответственно

где - для электроприводов ЭПУ исполнения М, Д, П, И;

 

 

 

3.4  Выбор коммутационной  аппаратуры

 

Автоматические  выключатели служат для отключения электрических цепей при ненормальных режимах работы: коротких замыканиях, перегрузках, снижении напряжения. Автоматические выключатели могут также использоваться для редких коммутаций нагрузки с током, например для редкого включения и отключения двигателей.

Основными параметрами автоматических выключателей являются: номинальное напряжение, номинальный ток.

где - номинальное напряжение и ток автоматического выключателя

220 < 500В

33,2 < 50А

 

Выберем автоматический выключатель типа АП50 с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Моделирование переходных процессов:

 

 

 

 

 

 
5. Статическая характеристика электропривода:

 

 

Рис.6. Статическая электромеханическая характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В курсовой работе выполнено следующее:

1. Рассчитаны постоянные времени, коэффициенты передачи и электромеханическая характеристика электродвигателя.

2.  Выбран комплектный тиристорный преобразователь из серии ЭПУ3.

3.  Рассчитаны параметры всех элементов силовой цепи и вспомогательного оборудования.

5.  Рассчитаны и построены статические электромеханические характеристики электропривода во всем диапазоне изменения задающих и возмущающих воздействий.

6.  Определены передаточные функции звеньев, входящих в состав САР, и рассчитаны параметры. Составлена структурная схема САР.

7.  Рассчитаны параметры регуляторов и выбраны элементы входных цепей и цепей обратной связи операционных усилителей.

8.  Рассчитан на ЭВМ переходный процесс САР при заданном изменении управляющего и возмущающего воздействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение:

 

Приложение 1

 

Рис.7. Схема подключения электропривода

 

Приложение 2

Рис.8. Функциональная схема реверсивного однозонного  электропривода

Литература:

 

1. Ишутинов Д.В. - Моделирование электромеханических систем электропривода: методические указания и лабораторный практикум. Киров: ПРИП ВятГУ, 2004. 42с.
2. Ишутинов Д.В. - Системы управления электроприводами: задания и методические указания по выполнению курсового проекта. Киров: ПРИП ВятГУ, 2005. 19с.
3. Промышленный каталог 08.35.37-03. Электроприводы унифицированные трёхфазные серии ЭПУ3.
4. Дубровский В.В. - Резисторы: справочник. Москва «Радио и связь» 1991. 528с.
5. Кисаримов Р.А. - Справочник электрика. 2 раздел. 1992