Система стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока (стр. 1 из 5)
ФГОУ ВПО
«НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»
Тобольский филиал
Кафедра «Электрооборудования судов и береговых сооружений»
Кафедра «Электротехника и электрооборудование»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: «Система управления электроприводами»
на тему: «Система стабилизации скорости вращения двигателя постоянного тока»
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Факультет: Электромеханический
Группа: ЭМ - 41
Шифр ЭМ - 02 - 045
Выполнил:
Зиновьев С.А.
Проверил:
Кузнецов А.Ю.
Тобольск 2006
1. Нагрузочная диаграмма и тахограмма;
2. Диапазон регулирования (вниз от номинальной скорости): 50/1;
3. Относительная погрешность регулирования на номинальной скорости при изменении нагрузки от 0 до 100%, не более 0,5%.
Дополнительные условия и требования:
приведенный к валу двигателя момент инерции механизма равен 25% момента инерции двигателя: Jмех = 0,25·Jдв;
допустимое перерегулирование скорости при скачке управляющего воздействия - до 30%;
время переходного процесса при малом скачкообразном задающем воздействии не более 3Тм, при числе колебаний менее трех.
Разработке подлежат следующие вопросы: обоснование выбора типа двигателя и преобразователя, а также его функциональной схемы, расчет и выбор преобразователя и всех элементов силовой цепи, выбор устройств управления и защиты, статический расчет системы, составление структурной схемы, синтез регуляторов по заданным требованиям к динамике системы, обеспечение отсутствия автоколебаний на субгармониках, разработка принципиальной схемы и описание работы схемы и отдельных блоков управления.
Содержание
Введение
1. Данные для расчета системы стабилизации скорости электропривода постоянного тока
2. Нагрузочная диаграмма и тахограмма электропривода
3. Расчет мощности и выбор электродвигателя
4. Расчет силовой части преобразователя
4.1 Расчет силового трансформатора
4.2 Расчет реакторов и дросселей
4.3 Выбор тиристоров
4.4 Выбор защиты
4.4.1 Защита от перенапряжений
4.4.2 Защита от коммутационных перегрузок
4.4.3 Защита тиристоров от внутренних и внешних КЗ
4.4.4 Выбор автоматических выключателей
5. Анализ и синтез линеаризованных структур
5.1 Структурная схема регулирования
5.2 Исследование системы на устойчивость
5.3 Синтез системы и расчет параметров регуляторов
5.3.1 Контур регулирования тока
5.3.2 Контур регулирования скорости
6. Расчет и построение статических характеристик
Список литературы [10 - 12]
Введение
Электрический привод представляет собой электромеханическую систему, обеспечивающую реализацию различных технологических и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, коммунальном хозяйстве и в быту с использованием механической энергии. Назначение электропривода состоит в обеспечении движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управлении этим движением.
Научно-технический прогресс, автоматизация и комплексная механизация технологических и производственных процессов определяют постоянное совершенствование и развитие современного ЭП. В первую очередь это относится ко все более широкому внедрению автоматизированных ЭП с использованием разнообразных полупроводниковых силовых преобразователей и микропроцессорных средств управления. Характерной чертой автоматизации является быстрое развитие робототехники, внедрение гибких автоматизированных производств, автоматических линий, машин и оборудования со встроенными средствами микропроцессорной техники, многооперационных станков с числовым программным, управлением, роторных конвейерных комплексов.
Дальнейшее развитие электрификации и автоматизации технологических процессов, создание высокопроизводительных машин, механизмов и технологических комплексов во многом определяется развитием электрического привода.
К основным направлениям развития современного ЭП относятся:
разработка и выпуск комплектных регулируемых ЭП с использованием современных преобразователей и микропроцессорного, управления;
повышение эксплуатационной надежности, унификации и улучшение энергетических показателей ЭП;
расширение области применения регулируемого асинхронного ЭП и использование ЭП с новыми типами двигателей, а именно линейными, шаговыми, вентильными, вибрационными, повышенного быстродействия, магнитогидродинамическими и др.;
развитие научно-исследовательских работ по созданию математических моделей и алгоритмов технологических процессов, а также машинных средств проектирования ЭП;
подготовка инженерно-технических и научных кадров, способных проектировать, создавать и эксплуатировать современный автоматизированный электропривод.
Решение этих и ряда других проблем позволит существенно улучшить технико-экономические характеристики электропривода и создать тем самым базу для дальнейшего технического прогресса во всех отраслях промышленного производства транспорта сельского хозяйства и в быту.
1. Данные для расчета системы стабилизации скорости электропривода постоянного тока
М1 = 74 Н·м t1 = 0,3 с t7 = 0,1 с
М2 = 32 Н·м t2 = 53 с t8 = 2 с
М3 = 48 Н·м t3 = 0,1 с ω1 = 79 с-1
М4 = - 19 Н·м t4 = 1 с ω2 = 158 с-1
М5 = - 55 Н·м t5 = 0,4 с D = 50/1
М6 = - 39 Н·м t6 = 50 с δ = 0,5%
2. Нагрузочная диаграмма и тахограмма электропривода
Рисунок 2.1 - Нагрузочная диаграмма и тахограмма электропривода
3. Расчет мощности и выбор электродвигателя
На основании данных нагрузочной диаграммы и тахограммы, приведенных в задании, производим расчет мощности электродвигателя по известным из курса «Теории электропривода» зависимостям:
Мср = кз · [ (tв·Мв + tн·Мн) / (tв + tн)], (3.1)
где кз = 1,1 ÷ 1,3 - коэффициент, учитывающий отличие динамической нагрузочной диаграммы от статической;
Мв - момент при работе привода «Вперед», Н·м:
Мв = М1 + М2 + М5 = 74 + 32 - 55 = 51 Н·м;
Мн - момент при работе привода «Назад», Н·м:
Мн = М6 + М3 + М4 = - 39 + 48 - 19 = - 10 Н·м;
tв - время работы привода «Вперед», с:
tв = t1 + t2 + t3 = 0,3 + 53 + 0,1 = 53,4 с
tн - время работы привода «Назад», с:
tн = t5 + t6 + t7 = 0,4 + 50 + 0,1 = 50,5 с
Мср = 1,2 · [ (53,4·51 + 50,5· (- 10)) / (53,4 + 50,5)] = 25,622 Н·м.
Далее определяется продолжительность включения:
ПВр% = [ (tв + tн) / (tв + tн+ tо)] · 100%, (3.2)
где tо - суммарная продолжительность стоянки привода за цикл, с:
tо = t4 + t8 = 1 +2 = 3 с.
ПВр% = [ (53,4 + 50,5) / (53,4 + 50,5 + 3)] · 100% = 97, 194%.
Тогда, с учетом (3.2), мощность электродвигателя для среднего статического момента Мср определяем по выражению:
Мдв = Мср · √ (ПВр% / ПВст%), (3.3)
где ПВст% - стандартное значение продолжительности включения, выраженной в процентах. Так как в справочных данных чаще всего приводятся двигатели с ПВ=100%, то в (3.3) можно подставить ПВст%=100%.
Мдв = 25,622 · √ (97, 194% / 100%) = 25,26 Н·м.
Определим мощность электродвигателя по известной зависимости:
Рдв = Мдв · wдв, (3.4)
где wдв - угловая скорость двигателя, с-1:
wдв = 79 с-1.
Рдв = 25,26 · 79 = 2 кВт.
С целью уменьшения нагрева двигателя принимаем двигатель большей мощности.
По расчетной мощности двигателя и его скорости вращения из справочника /1/ выбираем двигатель постоянного тока независимого возбуждениясерии 2П.
Тип двигателя: 2ПФ160МГУХЛ4: Pн = 4,2 кВт; Uн = 220 В; nн = 750 об/мин; nmax= 2500 об/мин; ηн = 73%; Rя = 0,516 Ом; Rд. п. = 0,407 Ом; Rв = 53,1/12,6 Ом; Lя = 14 мГн.
Далее проверяем выбранный двигатель на перегрузочную способность из условия:
l·Мдв. н. ≥ Мдв. max, (3.5)
где l - допустимая перегрузочная способность двигателя (для двигателя постоянного тока независимого возбуждения l = 2 ÷ 2,5);
Мдв. max- максимальный момент на валу двигателя за цикл, Н·м: Мдв. max = М1 = 74 Н·м; Мдв. н. - номинальный момент выбранного двигателя, Н·м:
Мдв. н. = (30∙Рн) / (π∙nном) = (30∙4200) / (3,14∙750) = 53,503 Н∙м;
2,5·53,503 ≥ 74,133,758 ≥ 74.
Условие выполняется, т.е. двигатель обеспечивает устойчивую работу механизма.
Проверяем выбранный двигатель по условиям нагрева, используя из курса «Теории электропривода» метод эквивалентного момента.
Формула для определения эквивалентного момента:
Мэкв = √ (∑Mдв. i2∙ti / ∑ti), (3.6)
где n- число рабочих участков в цикле;
Мдв. i- величина момента двигателя, соответствующая i-му участку нагрузочной диаграммы, Н∙м;
ti- продолжительность i-го участка, с;
Мэкв = √ (207700/103,9) = 44,71 Н∙м.
МЭКВ. ПВст = Мэкв ∙ √ (ПВэ% / ПВст%) = 44,71 ∙ √ (97, 194% / 100%) = 44,078 Н∙м.
По зависимости (3.3) с учетом времени пуска и торможения уточняем значение продолжительности включения и приводим значение эквивалентного тока с учетом ПВ. Условием проверки является выражение:
МН. ПВст ≥ МЭКВ. ПВст, (3.7), 53,503 ≥ 44,078.
Выбор двигателя сделан правильно
4. Расчет силовой части преобразователя
4.1 Расчет силового трансформатора
Определяем действующее значение фазового напряжения вторичной обмотки трансформатора: