Расчет регулируемого электропривода постоянного тока, построенного как система подчиненного регулирования

Задание В соответствии с кинематической схемой исполнительного механизма и заданным вариантом требуется:

1. Провести расчет регулируемого электропривода постоянного тока, построенного как система подчиненного регулирования;

2. Изучить принципиальные электрические схемы и описание работы узлов одного из серийно выпускаемых электроприводов типа «Кемек» .

Исходные данные Вариант №-42

F₁ = 13 кН — нагрузка действующая в период времени t₁ = 15 мин;

F₂ = 10 кН — нагрузка действующая в период времени t₂ = 10 мин;

F₃ = 3 кН — нагрузка действующая в период времени t₃ = 5 мин;

m = 300 кг — масса перемещаемого узла;

h = 10 мм/об — шаг передачи «винт-гайка»;

?₁ = 0,95 — КПД передачи «винт-гайка»;

i = 3 — передаточное отношение редуктора;

?₂ = 0,9 — КПД редуктора;

J_В = 0,01 кг ^.м² — момент инерции винта;

V_max = 6 м/мин — максимальная скорость перемещения узла;

V_min = 0,05 м/мин — минимальная скорость перемещения узла;

1.1 Расчет параметров требуемого исполнительного ДПТ Определение радиуса приведения схемы между исполнительным органом и валом двигателя:

[м/рад]

Определение моментов, развиваемых электродвигателем на участках t₁, t₂, t₃:

[Н ^. м]

[Н ^. м]

[Н ^. м]

Определение эквивалентного момента развиваемого электродвигателем:

[Н ^. м]

Определение максимальной скорости электродвигателя:

[рад/с]

[об/мин]

Расчет требуемой мощности электродвигателя:

[Вт]

Исходя из требуемого момента и скорости вращения выбираем электродвигатель типа ПБВ112S со следующими параметрами:

[об/мин]; [об/мин]; ;

; ;

Определение максимального приведенного момента электродвигателя:

Проверка показала, что двигатель проходит по перегрузочной способности.

1.2 Выбор тахогенератора Для двигателя серии ПБВ112S в соответствие с номинальной скоростью вращения выбираем тахогенератор типа ТП75−20−0.2 со следующими данными:

Ом;

1.3 Расчет и выбор трансформатора Требуемое значение фазного напряжения вторичной обмотки идеального трансформатора определяется по формуле:

[В],

где — коэффициент, равный для трехфазной мостовой схемы 2.34;

— среднее значение выпрямленного напряжения при ?=0 принимается равным номинальному напряжению электродвигателя, В.

Требуемое значение фазного напряжения с учетом необходимого запаса:

[В],

где — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

— коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в вентилях, обмотках трансформатора и за счет перекрытия токов.

Требуемое линейное напряжение вторичной обмотки:

[В]

Действующие значение тока вторичной обмотки трансформатора:

[А]

где — коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

— коэффициент схемы (3-х фазная со средней точкой);

— среднее значение тока, принимаемое равным номинальному току якоря двигателя, А.

Мощность выпрямленного тока:

Требуемая мощность трансформатора с учетом необходимого запаса:

где — коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора, зависящий от схемы выпрямления.

По требуемой мощности и напряжению выбираем трехфазный трансформатор типа ТСВМ-2,5-ОМ5 со следующими данными:

1.4 Выбор вентилей Вентили выбираются по среднему значению выпрямленного тока с учетом возможной перегрузки двигателя и по максимальному значению обратного напряжения.

Максимальное значение выпрямленного тока:

Среднее значение тока через вентиль:

где m = 3 — коэффициент, зависящий от схемы.

Расчетная максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю:

где К_в.т = 1.05 — коэффициент, зависящий от схемы.

— действительное величина среднего значения выпрямленного напряжения при ?=0 и питании выпрямителя от выбранного трансформатора Максимальная величина обратного напряжения с учетом необходимого запаса:

По параметрам I_в.ср и U_об.max выбираем вентили типа Т151−100 — тиристоры триодные не проводящие в обратном направление (6 шт.). Параметры вентилей: номинальный ток 100А, номинальное обратное напряжение 500 В.

Для охлаждения вентилей применяем типовые (7-реберные) охладители из алюминиевых сплавов.

1.5 Определение требуемой индуктивности якорной цепи Требуемая суммарная величина индуктивности якорной цепи, обеспечивающая непрерывность тока двигателя определяется по выражению:

[Гн]

где — угловая частота питающего напряжения;

m = 6 — пульсность для мостовой схемы;

Минимальное значение тока двигателя принимаем:

;

Действующие значение переменной составляющей выпрямленного напряжения находится из выражения:

.

1.6 Определение расчетных параметров якорной цепи Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, равно:

где — значение тока вторичной обмотки трансформатора;

— индуктивная составляющая U_кз трансформатора в от. единицах.

— фазное напряжение на вторичной обмотке выбранное трансформатора:

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к цепи выпрямленного тока:

Расчет индуктивности якоря двигателя:

где — коэффициент для машин без компенсационной обмотки;

p_д=2 — число пар полюсов;

— номинальный ток якорной цепи;

— номинальная скорость двигателя:

Суммарная индуктивность якорной цепи:

Поскольку величина незначительно отличается от то сглаживающие дроссели не устанавливаем.

1.7 Расчет активного сопротивления якорной цепи Активное сопротивление обмотки трансформатора:

где U_a = 0.03 — активная составляющая U_кз трансформатора в от. единицах.

Коммутационное сопротивление вентиля определяется по выражению:

где m = 3 — число фаз.

Полное активное сопротивление преобразователя:

Сопротивление щеточного контакта двигателя:

Активное сопротивление обмотки якорной цепи:

;

Активное сопротивление якорной цепи двигателя:

где — температурный коэффициент сопротивления;

Суммарное активное сопротивление якорной цепи:

индуктивность двигатель электропривод ток

2. Структурная схема системы подчиненного регулирования где — передаточная функция апериодического фильтра;

— передаточная функция ПИ-регулятора скорости, выполненного на базе операционного усилителя;

— передаточная функция ПИ-регулятора тока, выполненного на базе операционного усилителя;

— передаточная функция силового преобразователя;

— передаточная функция описывающая динамические свойства якорной цепи;

— передаточная функция описывающая взаимосвязь скорости двигателя с динамическим током;

СеФ — произведение конструктивного коэффициента двигателя на магнитный поток, равного отношению Е/;

— коэффициент передачи обратной связи по току;

— коэффициент передачи обратной связи по скорости.

2.1 Определение параметров передаточных функций двигателя и силового преобразователя Коэффициент передачи двигателя определяется по формуле:

;

Конструктивный коэффициент двигателя:

Постоянные времени двигателя:

— электромагнитная постоянная времени;

— электромеханическая постоянная времени.

Так как выполняется неравенство Т_м > 4Т_э то знаменатель может быть представлен в виде:. Для определения постоянных времени Т₁ и Т₂ используем выражение:

Передаточная функция двигателя описывается апериодическим звеном 2-го порядка:

Коэффициент передачи силового преобразователя:

Постоянная времени силового преобразователя:

[с]

где m = 6 — пульсность мостовой схемы,

f = 50 — частота сети.

Передаточная функция силового преобразователя описывается апериодическим звеном первого порядка:

2.2 Настройка регулятора тока на технический оптимум Передаточная функция регулятора тока имеет следующий вид:

где — коэффициент передачи обратной связи оп току.

ПИ-регулятор тока реализуется на базе операционного усилителя. Для реализации требуемого регулятора тока необходимо подобрать настраиваемые элементы: в цепи обратной связи и на выходе усилителя, которые обеспечили бы получение желаемой передаточной функции.

Изменение настроек регулятора удобнее производить за счет активных сопротивлений, поэтому задаемся емкостью:

Из выражения: найдем значение сопротивления обратной связи:

.

Коэффициент передачи датчика тока:

где — напряжение на выходе усилителя в ОС по току.

Находим значение R_вх2:

Сопротивление R_вх1 находим при условии ограничения до требуемого значения тока якоря двигателя.

Считаем что сигнал ошибки равен нулю, принимаем

Из последнего выражения выведем R_вх1:

Коэффициент передачи обратной связи по току:

Передаточная функция ПИ-регулятора тока:

2.3 Настройка регулятора скорости на симметричный оптимум В разомкнутом состояние контур скорости, настроенный на симметричный оптимум, имеет следующую передаточную функцию:

В качестве малой постоянной времени принимаем .

Передаточная функция контура скорости, настроенного на симметричный оптимум принимаем следующий вид:

Так, как передаточную функцию замкнутого контура тока можно аппроксимировать апериодическим звеном:

то передаточную функцию разомкнутого контура скорости можно записать следующим образом:

Приравнивая желаемую передаточную функцию к действительной, находим передаточную функцию регулятора скорости:

где — постоянная времени регулятора скорости.

Контур регулирования скорости, так же как и контур тока, реализуется на базе операционного усилителя с активно-емкостной обратной связью. Аналогично контуру тока необходимо подобрать настраиваемые элементы которые обеспечили бы получение желаемой передаточной функции.

Задаемся величиной С_ос2 = 1 мкФ Из выражения: найдем значение сопротивления обратной связи:

.

В качестве датчика скорости применяется тахогенератор с коэффициентом передачи:

где S = 20 мВ/мин^-1 — номинальная крутизна выходного напряжения.

[]

Максимальное напряжение обратной связи по скорости:

Расчет сопротивлений R_вх3 и R_вх4:

[Ом].

Коэффициент передачи обратной связи по скорости:

Передаточная функция ПИ-регулятора скорости с учетом найденных величин:

2.4 Расчет фильтра на входе контура регулирования скорости Передаточная функция апериодического фильтра:

Постоянная времени фильтра принимается равной .

Определение параметров сопротивлений и емкости:

Задаемся емкостью С_ф = 1 мкФ

.

3. Построение переходного процесса контура тока Для построения графика переходного процесса необходимо определить передаточную функцию замкнутого контура тока.

Передаточная функция разомкнутого контура тока:

Передаточная функция замкнутого контура тока:

Расчет выходной координаты контура тока:

Задаем диапазон времени t = 0,0.001.0.1

По кривой переходного процесса определяем перерегулирование .

3.1 Построение переходного процесса в системе подчиненного регулирования скорости по управляющему воздействию Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Передаточная функция замкнутого контура скорости без учета апериодического фильтра:

Выходная координата контура скорости без учета фильтра:

По кривой переходного процесса определяем перерегулирование .

Передаточная функция замкнутого контура скорости с учетом апериодического фильтра:

Выходная координата контура скорости с учетом фильтра:

Определение перерегулирования с учетом апериодического фильтра:.

.

3.2 Построение переходного процесса системы подчиненного регулирования скорости по возмущающему воздействию Передаточная функция замкнутого контура скорости по возмущающему воздействию:

Выходная координата контура скорости по возмущению:

4. Описание электропривода «Кемек»

Комплектные электроприводы типа «Кемек» предназначены для промышленных роботов с последовательной работой координат.

В комплект привода входят:

— шестипульсный реверсивный тиристорный преобразователь типа 2РЕВ16

— высокомоментные электродвигатели серии 1ПИ

— силовой трансформатор типа Т1ЕВ

— коммутатор переключения координат.

Общий вид преобразователя, встроенного в устройство управления роботами «Контур-1» приведен на схемах.

Конструкция преобразователя блочная, максимально унифицированная.

Описание работы преобразователя

Преобразователь выполнен по трехфазной реверсивной мостовой схеме выпрямления. Применено классическое подчиненное регулирование ПИ-регуляторами скорости и тока. Управление — раздельное, без уравнительных токов. Нелинейное токоограничение обеспечивает ограничение максимально допустимого тока якоря в функции частоты вращения. Предусмотрено адаптивное регулирование коэффициента усиления и постоянной времени интегрирования в функции частоты вращения СИФУ выполнено по вертикальному принципу с возможностью регулировки начального тока якоря. Разветвленная цепь электронных защит и сигнализации обеспечивает удобство эксплуатации и быстроту устранения возможных неисправностей.

Блок-схема привода состоит из следующих элементов:

РС — регулятор скорости, РТ — регулятор тока, АР — адаптивный регулятор, КЗ — корректирующие звено, МТГ — схема выделения модуля напряжения тахогенератора, ФП — функциональный преобразователь, ПЭ — пороговый элемент, БНТО — блок нелинейного токоограничения, РНТ — регулятор начального тока якоря, БЛ — блок логики раздельного управления, СИФУ — система импульсно-фазового управления, ТР — силовой трансформатор, Я — двигатель, ТГ — тахогенератор, Sh — шунт, УТ — диффиринциальный усилитель тока, ОС — защита от перегрузки по току, OL — защита от длительной перегрузки, OS — защита от превышения максимальной частоты вращения, TG — защита от обрыва цепи тахогенератора, СР — защита от неправильного подключения, RD — готовность, ON — сигнал «Работа» (деблокировка), БЗ — блок защиты, К — коммутатор, БП — блок питания.

Силовая схема выполнена по трехфазной мостовой реверсивной схеме выпрямления без уравнительных дросселей, что связано с раздельным принципом управления преобразователем.

Предусмотрена защита силовых тиристоров от коммутационных перенапряжений путем их шунтирования RC-цепочками.

Силовой трансформатор включен по схеме «звезда-зигзаг» и осуществляет согласование напряжения якоря электродвигателя с напряжением питания силовой цепи переменного трехфазного тока.

Для переключения координат в случае использования привода для управления промышленными роботами предусмотрен коммутатор на контакторах.

Шунт Sh в якорной цепи двигателей служит в качестве датчика тока цепи обратной связи регулятора тока, а также схемы защиты от перегрузки.

Регулятор скорости представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор и выполнен на трех операционных усилителях с раздельной регулировкой коэффициента пропорционального усиления и времени интегрирования.

Первый каскад на операционном усилителе D45 осуществляет пропорциональное усиление, второй каскад на ОУ D46 — регулирование времени интегрирования, и третий каскад на ОУ D47 — суммирование ошибки и ее интеграла.

Предусмотрены «ключи» на встречно включенных полевых транзисторах VT85, VT86, блокирующих регулятор при срабатывании защиты. Он же создает нулевые начальные условия интегрирования при первоначальном включении привода, что исключает возможные при ненулевых условиях броски тока.

В цепи обратной связи по частоте вращения предусмотрено корректирующие звено (C208, R361), позволяющие подстраивать ускорение и уменьшать величину перерегулирования. Параметры RC-цепочки подбираются на заводе изготовителе для конкретного двигателя, и изменять их не рекомендуется.

Наладочное сопротивление R342 позволяет сделать регулятор пропорциональным, что весьма полезно при первоначальном пуске привода.

Предусмотрено два входа для задающего сигнала U_зад — прямой и дифференциальный. Переключение осуществляется перемычками М11, М12, и М13.

Ключи на полевых транзисторах VT81, VT82 и VT87, VT88 предназначены для осуществления адаптивного регулирования коэффициента усиления и постоянной времени интегрирования РС.

Регулятор тока также представляет собой ПИ-регулятор и выполнен на ОУ D48. Выходным сигналом РТ является выходное напряжение регулятора скорости, определяющее величину тока якоря. В качестве датчика тока применен шунт Sh, сигнал которого через дифференциальный усилитель D41 подается в цепь обратной связи по току. На входе усилителя D41 предусмотрен ограничитель, выполненный на выпрямительном мостике VD201… VD204 и двух стабилитронах VD205, VD206, общая точка которых соединена нулем.

Потенциометр RP15 осуществляет симметрирование дифференциального усилителя, а потенциометром RP16 его нулирование (балансировка).

Предусмотрена блокировка регулятора тока ключом на полевых транзисторах VT89, VT90.

Запайкой резистора R347 можно сделать регулятор пропорциональным.

Конденсатор С205 = 0,33 мкФ играет роль фильтра.

Операционный усилитель D49 формирует сигнал управления логикой раздельного управления комплектами вентилей силового преобразователя.

На ОУ D42 и D43 выполнена классическая схема выделения сигнала модуля тока якоря, управляющего защитой от перегрузки по току.

Адаптивный регулятор предназначен для изменения коэффициента усиления и постоянной времени интегрирования регулятора скорости в функции частоты вращения.

Принцип действия АР основан на широтно-импульсной модуляции. Параллельно потенциометрам RP18 — пропорционального и RP20 — интегрального усилителей РС через ключи на полевых транзисторах включены потенциометры RP19 и RP21 соответственно.

Блок нелинейного токоограничения предназначен для ограничения максимально допустимого тока якоря в функции частоты вращения и в соответствии с коммутационной кривой двигателя.

Система импульсно-фазового управления предназначена для формирования и синхронизации подачи управляющих импульсов на силовые тиристоры.

СИФУ выполнено по вертикальному принципу и включает в себя три одинаковых канала для каждой из фаз питающей цепи.

1. Системы подчиненного регулирования электроприводов постоянного тока. Рапопорт Э. Я. Куйбышев — 1985

2. Основы автоматизированного электропривода. Чиликин М. Г. и др. М., «Энергия», 1974

3. Моделирование элементов электромеханических систем. Дунаевский С. Я., Крылов О. А., М. «Энергия», 1971.

4. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями. Андреев Г. И., Найдис В. А., М., «Энергия» 1967.

5. Мощные тиристорные выпрямители для электроприводов постоянного тока. Аптер Э. М. М., «Энергия». 1972.

6. Тахогенераторы для систем управления электроприводами. Тун А. Я.,

М. -Л., «Энергия», 1974.