Тиристорный электропривод постоянного тока с подчиненным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Филиал ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г.Кыштыме

Кафедра «Радиотехника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по дисциплине: «Локальные системы управления»

Тиристорный электропривод постоянного тока с подчиненным управлением

Руководитель,(должность)

доцент, А.В. Ямщиков

Автор работы

А.Д. Пересыпкин



АННОТАЦИЯ

В данной курсовой работе рассмотрены основные принципы построения электропривода, предназначенного для регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока по заданному закону, а также методики настройки контуров тока и скорости на технический оптимум.

Цели и задачи данной курсовой работы выполнены, сделаны необходимые выводы.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МОДЕЛИРОВАИЕ РАБОТЫ УВ НА АКТИВНУЮ НАГРУЗКУ

1.1 Принцип работы УВ

1.2 Принцип работы СИФУ

1.3 Моделирование в системе MASHLAB

2. МОДЕЛИРОВАИЕ РАБОТЫ ПОДСИСТЕМЫ «УВ-ДПТ»

3. НАСТРОЙКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ТО

3.1 Функциональная схема

3.2 Настройка контура тока на ТО

3.3 Настройка контура скорости на ТО

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В MASHLAB

4.1 Моделирование без ограничителя тока

4.2 Моделирование с ограничителем тока

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ВВЕДЕНИЕ

Целью данной курсовой работы является исследование электропривода, предназначенного для регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока по заданному закону. Электроприводом называют электромеханическую систему, предназначенную для приведения в движение рабочих органов машин, которые необходимы для непосредственного выполнения требуемого технологического процесса (резание металла, мн. др.).Электромеханические системы, в том числе и электроприводы, получили весьма широкое распространение в промышленности. Так, например, около 60% всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, преобразуется в механическую энергию электромеханическими системами. В этой связи изучение принципов построения электромеханических систем, электроприводов в частности, и их характеристик является актуальным.



1. МОДЕЛИРОВАИЕ РАБОТЫ УВ НА АКТИВНУЮ НАГРУЗКУ

1.1 Принцип работы УВ

электропривод ток выпрямитель

Управляемый выпрямитель (УВ) в электроприводе выполняет роль усилителя мощности. В этом разделе исследуется однофазный однополупериодный нереверсивный УВ, работающий на активную нагрузку R. Функциональная схема данного УВ представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема однофазного однополупериодного нереверсивного УВ, работающего на активную нагрузку

На рисунке:ЗУ - задачик угла отпирания ; ПУН - преобразователь угла в напряжение ; - однофазное переменное напряжение сети; VS - тринистор; -напряжение на тринисторе; R-активная нагрузка в виде резистора; -ток нагрузки; -напряжение нагрузки; - управляющее напряжение, изменяющееся во времени достаточно медленно по сравнению с изменением напряжения .

В момент тринистор закрыт; напряжение на нагрузке ; напряжение между анодом и катодом равно напряжению сети(или опорному напряжению).

В момент схема импульсно-фазового управления (СИФУ) вырабатывает импульсы тока (Появление их во времени регулируется напряжением управления ); тринистор открывается; падает до 0; напряжение на нагрузке равно опорному напряжению ().

В момент тринистор закрывается (точка естественной коммутации); напряжение , а напряжение и так до следующего импульса тока , после которого все повторится.

Временные диаграммы, поясняющие работу рассматриваемого УВ, представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Временные диаграммы работы УВ.

1.2 Принцип работы СИФУ

Для создания управляющих импульсов тока и управления моментами их появления или, иначе говоря, управления углом ? используется схема импульсно-фазового управления (СИФУ). Функциональная схема СИФУ представлена на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3 - Функциональная схема СИФУ.

На рисунке: ГОН - генератор опорного напряжения ; ГУН - генератор управляющего напряжения ; СГПН - синхронизирующий генератор пилообразного напряжения ; В - вычитатель с выходным напряжением

;

К - компаратор c выходным напряжением ; ФИ -формирователь импульсов управляющего тока .

Опорное напряжение запускает СГПН в момент перехода напряжением нулевого значения при условии, что переход происходит от отрицательных значений к положительным. При этом СГПН начинает вырабатывать линейно нарастающее напряжение от нулевого значения (в момент, когда =0) до некоторого максимального (в момент, когда напряжение опять переходит от отрицательных значений к положительным).

Вычитатель В формирует напряжение

-.



При переходе напряжением через ноль от отрицательных значений к положительным напряжение скачком изменяется от некоторого отрицательного значения к положительному и наоборот.

Переход напряжением от отрицательного уровня к положительному запускает работу ФИ, который выдаёт короткий положительный импульс тока , подаваемый на управляющий катод тринистора. Это происходит в момент .

Временные диаграммы, поясняющие изложенный принцип действия СИФУ, представлены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Временные диаграммы работы СИФУ

1.3 Моделирование в системе MASHLAB

Моделирования работы УВ на активную нагрузку выполняется при помощи программы MASHLAB. Данная программа позволяет анализировать динамические системы, содержащие информационные, электрические, электронные и электромеханические компоненты.

Для моделирования работы УВ необходимо составить схему моделирования в программе MASHLAB. При этом для моделирования ЗУ нужно использовать генератор ступенчатого сигнала с выходным сигналом ?;для моделирования ПУН использовать пропорциональное звено с выходным сигналом и коэффициентом передачи ;для моделирования СИФУ нужно использовать синхронизируемый генератор пилообразного напряжения (ГПН), сумматор, реле и ждущий одновибратор.

Для расчета коэффициента необходимо обратиться к временной диаграмме пилообразного напряжения (см. рисунок 1.4). Из диаграммы видно, что при

Где - пилообразное на выходе СГПН

- управляющее напряжение с выхода ПУН

Выразив из (1.1) переменную tи подставив ее вместе с (1.3) и (1.4) в выражение (1.2), можно получить:



Из (1.5) получается выражение для :

- напряжение сети.

Схема моделирования представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема моделирования УВ.

Длительность моделирования 0,04 с

Шаг моделирования 0,00005 с

Шаг вывода графиков 0,00005 с

Напряжение сети:

Активная нагрузка:



Параметры тиристора VS:

Ток удержания 0А Емкость перехода 550 пФ

Тип кристалла Si Температура перехода (ном)=423 К

Температура перехода (раб)=423 К

Временные диаграммы изменения напряжения сети при представлены на рисунке 1.6, а при на рисунке 1.8.

Временные диаграммы изменения тиристора, выходное напряжение ГПН и выходное напряжение ПУН при представлены на рисунке 1.7, а при на рисунке 1.9.

Рисунок 1.6 - при



Рисунок 1.7 - тиристора, выходное напряжение ГПН и выходное напряжение ПУН при

Рисунок 1.8 - при



Рисунок 1.9 - тиристора, выходное напряжение ГПН и выходное напряжение ПУН при

Угол определяет время включения тиристора, а точнее определяет время подачи импульса тока от СИФУ на тиристор, что его и открывает. Следовательно изменение угла ведет к изменению времени появления напряжения на нагрузке (т.е. момент включения тиристора).



2. МОДЕЛИРОВАИЕ РАБОТЫ ПОДСИСТЕМЫ «УВ-ДПТ»

Для моделирования работы подсистемы электропривода «УВ-ДПТ» в функциональной схеме УВ активная нагрузка заменяется ДПТ. Функциональная схема УВ с ДПТ представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема подсистемы электропривода «УВ-ДПТ».

Вид схемы моделирования в программе MASHLAB с аналогичными изменениями представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема моделирования подсистемы электропривода «УВ-ДПТ».

При этом внутреннее сопротивление датчика тока определяется выражением:



Напряжение сети изменяется по закону

Внутреннее сопротивление сети

Номинальная частота вращения(в рад/с)

Электромагнитный коэффициент

Длительность моделирования

Шаг моделирования



Шаг вывода графиков

Остальные параметры моделирования не отличаются от используемых в разделе 1.

Временные диаграммы изменения , и двигателя при представлены на рисунке 2.3, а при на рисунке 2.4.

Рисунок 2.3 - , и двигателя при



Рисунок 2.4 - , и двигателя при

Подсистема электропривода «УВ-ДПТ» обеспечивает регулирование частоты вращения ДПТ с помощью УВ путем изменения угла отпирания тиристора ().

Из представленных на рисунках 2.3 и 2.4 временных диаграмм видно что изменение угла приводит к изменению формы , а следовательно к изменению среднего значения напряжения на нагрузке (двигателе), от которого в свою очередь зависти частота вращения двигателя. Следовательно, изменяя угол можно регулировать ср. значение напряжения и, как следствие, частоту вращения двигателя.

При якорное напряжение, повторяющее по форме напряжение питания, появляется раньше. Следовательно, его среднее напряжение выше и, следовательно, график частоты вращения расположен выше (чем при ).

При якорное напряжение, повторяющее по форме напряжение питания, появляется позже. Следовательно, его среднее напряжение ниже и, следовательно, график частоты вращения расположен ниже (чем при ).



3. НАСТРОЙКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ТО

3.1 Функциональная схема

Функциональная схема исследуемого электропривода постоянного тока с подчиненным управлением скоростью двигателя представлена на рисунке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.1 - Функциональная схема исследуемого электропривода постоянного тока с подчиненным управлением скоростью двигателя.

На рисунке РС - регулятор скорости; РТ - регулятор тока; ТП - тиристорный преобразователь; ДПТ - двигатель постоянного тока; ДТ - датчик тока; ДС - датчик скорости. Настройкой на технический оптимум электропривода с подчиненным управлением скоростью вращения называют определение передаточных функций регуляторов тока и скорости, при которых каждый замкнутый контур (тока и скорости) имел передаточную функцию фильтра Баттерворта второго порядка:

Где - коэффициент датчика обратной связи; - минимальная постоянная времени настраиваемого контура. При этом передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид:



Порядок настройки контура на технический оптимум:

1. Настройка начинается с внутреннего контура (менее инерционного);

2. В каждом контуре определяют минимальную постоянную времени ; 3. Передаточную функцию регулятора подбирают так, чтобы передаточная функция настраиваемого разомкнутого контура имела вид

Для настройки привода на технический оптимум необходимо составить его структурную схему. При этом следует использовать упрощённую схему двигателя постоянного тока, представленную на рисунке 3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Упрощенная структурная схема электропривода с якорным управлениям.

Тиристорный преобразователь представляется апериодическим звеном, а датчики в цепях обратных связей представляются пропорциональными звеньями. Таким образом, требуемая структурная схема будет иметь вид, представленный на рисунке 3.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.3 - Структурная схема контура тока и контура скорости двигателя постоянного тока.



3.2 Настройка контура тока на ТО

Структурная схема контура тока представлена на рисунке 3.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.4 - Структурная схема контура тока.

Необходимо определить наименьшую постоянную времени . Постоянная времени Электромагнитная постоянная времени определяется выражением:

где - результирующее сопротивление якорной цепи;

- внутреннее сопротивление управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя), представленного через управляемую ЭДС;

- сопротивление датчика тока;



- коэффициенты передачи датчика тока и датчика напряжения

Коэффициент передачи управляемого выпрямителя

Подставляя в выражения (3.3-3.7) исходные данные из таблицы 1, можно получить:

Таким образом т.е.

Для того, чтобы замкнутый контур тока имел передаточную функцию вида (3.1), необходимо чтобы регулятор тока имел передаточную функцию следующего вида:



3.3 Настройка контура скорости на ТО

Так как на контур тока действует низкочастотный сигнал контура скорости, можно пренебречь высокочастотными свойствами контура тока (отбросить второй порядок в передаточной функции контура тока). Тогда выражение (3.1) можно записать в виде:

Структурная схема контура скорости имеет вид представленный на рисунке 3.5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.6 - Структурная схема контура скорости.

Необходимо определить наименьшую постоянную времени . Постоянная времени Электромеханическая постоянная времени определяется выражением:

Где - электромагнитный коэффициент, определяемый по формуле:



Таким образом , т.е.

Для настройки контура скорости на технический оптимум необходимо записать передаточную функцию разомкнутого контура и приравнять ее к желаемому виду (3.2):

Из выражения (3.12) определяют :



4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В MASHLAB

4.1 Моделирование без ограничителя тока

Схема моделирования электропривода в системе MASHLAB приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема моделирования электропривода в системе MASHLAB.

Рисунок 4.2- Графики тока якоря и напряжения якоря при Mc=0 Нм.



Рисунок 4.3 - График изменения скорости вращения при Mc=0 Нм.

Номинальный момент двигателя определяется по формуле:

Рисунок 4.4 - Графики тока якоря и напряжения якоря при Mc=56,813 Нм.



Рисунок 4.5- График изменения скорости вращения при Mc=56,813 Нм.

Относительное уменьшение установившегося значения скорости вращения, по сравнению со значением при Mc=50,205Нм, можно определить следующим образом:

Из рисунка

4.2 Моделирование с ограничителем тока

Для ограничения выбросов якорного тока применяется ограничитель тока, представляющий собой нелинейный элемент типа насыщение. Для лучшей работы двигателя параметры нелинейности типа насыщение следует выбирать, исходя из номинального значения тока (). Схема моделирования с ограничителем тока приведена на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 - Схема моделирования электропривода с ограничителем тока.

Рисунок 4.7 - Графики тока якоря, напряжения якоря и скорости вращения с ограничителем тока при Mc=0Нм.



Рисунок 4.8 - Графики тока якоря, напряжения якоря и скорости вращения с ограничителем тока при Mc=56,813 Нм.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Увеличение момента сопротивления на валу двигателя приводит к увеличению статистической ошибки работы электропривода, равной при номинальном моменте 6,4 %. На холостом ходу в установившемся режиме якорное напряжение достигает некоторого значения, а ток близок к 0. При установлении момента сопротивления на валу двигателя их значения достегают некоторых ненулевых значений. Максимальные значения якорного напряжения и тока увеличиваются с повышением момента, а угловая скорость уменьшается.

Таблица 1 - Параметры переходных процессов для ЭП без ограничителя тока

	600	623
	230	240
	104,67	98
	0,05	0,05

Таблица 2 - Параметры переходных процессов для ЭП с ограничителем тока

	59	70
	100	103
	104,67	97
	0,23	1,9

Как следует из таблицы, при введении ограничителя якорного тока возрастает время переходного процесса, но при этом значительно уменьшаются выбросы тока якоря и напряжения якоря.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Волков Н.И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства автоматики: Учебное пособие - М.: Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2003. - 82 с.

2 Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов по специальности «Радиотехника»/Г.Ф. Коновалов - М.:Высш.шк., 1990.-335с.

3 Терехов В.М. Системы управления электроприводами./В.М. Терехов. - М.: Высш.шк.,2006. - 366 с.

Размещено на Allbest.ru