Система автоматического управления электроприводом шпинделя горизонтально-расточного станка. Технические характеристики механизма. Требования к САУ ЭП

Проанализируем требования, предъявляемые к механизму, и попытаемся на основании анализа подобрать систему электропривода, которая позволит наиболее дешево и надежно обеспечить эти требования.

Рассмотрим ряд систем:

Асинхронный двигатель с фазным ротором, со ступенчатым реостатным регулированием. Это система проста, надежна в эксплуатации и обслуживании, а потому дешевая. Но данная система не обеспечивает необходимый диапазон регулирования  скорости. Диапазон регулирования данной системы – 3-5, при необходимом 20. Таким же недостатком обладают следующие системы: двигатель постоянного тока последовательного возбуждения с реостатным регулированием, тиристорный преобразователь – асинхронный двигатель.

Рассмотрим систему «тиристорный  преобразователь - двигатель». Такая система позволяет получить глубокий диапазон регулирования скорости с достаточной точностью и применяется для электроприводов различной мощности. Она обладает высоким КПД и позволяет получить плавное протекание переходных процессов. Недостатком данной системы является то, что она значительно дороже вышеуказанных систем. Но, несмотря на это, в данном механизме необходимо применить такую систему, так как она удовлетворяет требованиям по диапазону регулирования и точности.

Выбираем двигатель  по требуемой  мощности и частоте вращения.

По справочнику [2] выбираем двигатель  2ПО200МУХЛ4. Номинальные данные двигателя приведены в табл. 2.1

Таблица 2.1

Данные выбранного двигателя

Параметр	Значение
Номинальная мощность, PН	14 кВт
Номинальное напряжение якоря, UЯН	220 В
Номинальная частота вращения, nн	1500 об/мин
Максимальная частота вращения, nmax	3500 об/мин
Сопротивление обмотки якоря, Rя	0,071 Ом
Сопротивление обмотки добавочных полюсов, Rдп	0,041 Ом
Сопротивление обмотки возбуждения, Rв	96 Ом
Напряжение обмотки возбуждения, UВ	220
Температура, для которой даны сопротивления, t	15˚С
КПД двигателя, η	0,88
Момент инерции двигателя, Jя	0,25 кг·м2

Ток якоря:                А

Сопротивление обмотки якоря  при рабочей температуре:

 Ом,

Сопротивление обмотки возбуждения  при рабочей температуре:

 Ом,

Номинальный поток возбуждения

где                            

Номинальный электромагнитный момент двигателя:

Индуктивность якорной обмотки:

где   - для компенсированных машин;

 - число пар полюсов ЭД

Ток возбуждения:

3. Выбор силового оборудования и расчет параметров электропривода

Для питания силовой части электропривода  выбираем трансформатор типа ТСП-25/0,7-УХЛ4, данные которого приводим в табл.3.1

Таблица 3.1

Параметр		Значение
Тип трансформатора		ТСП-25/0,7
Номинальная мощность		Sн = 29,1 кВ·А
Сетевая обмотка	напряжение	U1Н = 380 В
Вентильная обмотка	напряжение	U2Н = 205 В
	ток	I2Н = 82 А
Преобразователь	напряжение	Uном = 230 В
	ток	Iном = 100 А
Потери	холостого хода	Рхх=210 Вт
	короткого замыкания	Ркз=1100 Вт
Напряжение короткого замыкания			Uкз=5,5%
Ток холостого хода			Iхх=8

Рассчитаем параметры трансформатора:

Активное сопротивление обмотки трансформатора:

  Ом где  - число фаз трансформатора.

Полное сопротивление обмотки трансформатора:

 Ом

Индуктивное сопротивление обмотки трансформатора:

 Ом

Индуктивность обмотки при частоте напряжения сети:

Коммутационное сопротивление:

где,  - для мостовой схемы преобразователя.

Суммарные сопротивление и индуктивность якорной цепи:

  Ом

   мГн

Определим некоторые параметры электропривода:

Момент инерции системы:

Постоянная якорной цепи:

Электромагнитная постоянная времени:

Электромеханическая постоянная времени

4.  Разработка структуры САУ

Для управления двигателем постоянного тока на практике используются комплектные тиристорные электропривода различных моделей. Выбираем комплектный электропривод ЭПУ1Д-2-40-27ДУХЛ4

Это реверсивный двухзонный быстродействующий электропривод постоянного тока для приводов подач.

Напряжение питания силовой цепи U_пит=380В;

Частота питающей сети f=50Гц;

Номинальный ток I_н=100А;

Номинальное напряжение U_ном=230В

В соответствии с требованиями к электроприводу принимаем двухзонную САУ скорости подчиненного регулирования (рис.4.1).

Рассчитаем постоянные времени, коэффициенты передачи обратных связей и узлов, входящих в схему контуров регулирования.

Постоянная времени преобразователя якорной цепи:

где р = 6 – пульсность трехфазной мостовой схемы выпрямления

Коэффициент передачи преобразователя якорного канала:

где -- ЭДС холостого хода

U_у = 10 В – напряжение управления 

Коэффициент обратной связи по току якоря:

где U_ЗТН  = 5В – напряжение задания тока

Коэффициент обратной связи по скорости:

где U_ЗС  = 5В – напряжение задания скорости;

ω_н = 157  рад/с – номинальная скорость двигателя

Коэффициент передачи преобразователя канала возбуждения:

где

Постоянная времени для ТПВ:

 мс.

Коэффициент обратной связи тока возбуждения:

Коэффициент обратной связи по ЭДС:

5.  Синтез САР и выбор элементов контуров регулирования

Cинтез  регулятора тока

Рис. 5.1 Контур тока

Передаточная функция якорной цепи:

Передаточная функция преобразователя:

Передаточная функция датчика тока:

Выберем в качестве малой постоянной  Т_μI =T_ТП =3.33∙10^-3  . В этом случае

 Т_м =0,069 c > 20∙Т_μI =0,066 c, можно пренебречь обратной связью по ЭДС.

Передаточную функцию регулятора тока можно представить:

Передаточная функция замкнутого контура тока

т.к. , можно пренебречь.

Синтез регулятора скорости

 

Рис. 5.2 Контур скорости

Малая постоянная контура скорости:

Контур тока можно представить апериодическим звеном

Тогда

При настройке на ТО необходим П – регулятор:

Синтез  регулятора  тока  возбуждения

Рис. 5.3  Контур тока возбуждения

Из графика зависимости , получим электромагнитную постоянную времени цепи возбуждения:

с

Для вихревых токов:

 с

За малую постоянную времени контура потока принимаем:

Постоянная времени регулятора:

Постоянная времени фильтра:

Коэффициент передачи регулятора:

Передаточная функция регулятора тока возбуждения:

Синтез  регулятораЭДС

Рис. 5.4  Контур ЭДС

Малую постоянную времени определяем по формуле:

где  -- постоянная времени датчика напряжения.

Постоянная времени регулятора:

где

Передаточная функция регулятора ЭДС:

Расчет номиналов комплектующих регуляторов.

Рис 5.5 Регулятор тока, синтезированный на ТО.

Примем R_от=11кОм, тогда  R_зт=220кОм

тогда  С_от=0.75мкФ

Рис 5.6 Регулятор скорости, синтезированный на СО.

Примем R_ос=680кОм, тогда  R_зс=13кОм

тогда  С_ос=39мкФ

Рис 5.7 Регулятор положения, синтезированный на ТО.

Пусть R_оп = 10кОм , тогда R_зп=11кОм

6.  Анализ статических показателей электропривода

Рис. 6.1  Структурная схема контура скорости

Рис. 6.2  Преобразованная к статическому режиму структурная схема контура скорости

Статическая характеристика контура скорости по возмущению:

Статическая ошибка по возмущению:

7. Анализ динамики ЭП

Анализы динамики системы автоматического управления электроприводом шпинделя горизонтально-расточного станка заключается в расчетах переходных процессов основных динамических показателей системы.

Расчет переходных процессов произведем в программе Matlab в приложении Simulink.

Построим переходные процессы для тока якоря двигателя (I_я), угловой скорости (ω),  тока возбуждения (I_в) и ЭДС якоря (Е_я=кФн∙ω).

Рис.7.1. Фрагмент программы Matlab: структурная схема САУ приводом шпинделя горизонтально-расточного станка.

Рис.7.2. Фрагмент программы Matlab: регулятор скорости,  синтезированный